Eine gezielte Kühlschmierstoffzufuhr ist für eine effiziente Zerspanung schwer zerspanbarer Werkstoffe essentiell. Um die Kühlschmierstoffzufuhr jedoch optimal auszulegen, sind umfangreiche Kenntnisse über die Reibungs- und Kühlbedingungen sowie geeignete Simulationsmethoden erforderlich. Genau hier setzen wir mit unseren Forschungen an, sagt Lars Ellersiek, wissenschaftlicher Mitarbeiter des Instituts für Fertigungstechnik und Werkzeugmaschinen (IFW). Zusammen mit Forschungskollegen des Instituts für Maschinenkonstruktion und Tribologie (IMKT) untersucht er die grundlegenden tribologischen Mechanismen beim Einsatz von Kühlschmierstoff. Ellersiek: Wir wollen eine effektive simulative Methode zur Auslegung des Kühlschmiermitteleinsatzes entwickeln. Die Methode soll darüber hinaus eine Optimierung der Werkzeuggeometrie ermöglichen.
Die Hauptfunktion von Kühlschmierstoff ist neben der Abfuhr von Wärme die Reduktion der Reibung im Prozess. Dies geschieht, indem der Kühlschmierstoff in den Bereichen zwischen dem Werkzeug und dem Werkstück beziehungsweise Span einen Schmierfilm ausbildet. Die Ausprägung und Beschaffenheit des Schmierspalts zwischen dem ablaufendem Span und der Spanfläche des Werkzeugs stellt dabei nach Aussage von Lars Ellersiek eine fundamentale wissenschaftliche Fragestellung dar. Insbesondere in diesen Bereichen werde ein hoher Anteil der in der Zerspanung anfallenden Wärmeenergie erzeugt. Die lokalen Reibungsphänomene haben Ellersiek zufolge einen signifikanten Einfluss auf die resultierende Randzone des erzeugten Bauteils und die thermomechanische Belastung des Werkzeugs.
Um die Vorgänge zwischen Werkstück, Span und Werkzeug in Wechselwirkung mit dem Kühlschmierstoff zu untersuchen, erweitern die Projektmitarbeiter einen Hobelprüfstand um die Möglichkeit der Kühlschmierstoffzufuhr. Darauf aufbauend werden Untersuchungen mit Öl und Kühlschmierstoff-Emulsion auf unterschiedlichen Druckstufen zwischen zehn bar und 80 bar durchgeführt. Hochgeschwindigkeitsaufnahmen sowie Kraft- und Temperaturmessungen erlauben anschließend eine detaillierte Analyse von Kontaktlängen und Lastspannungen am Schneidkeil und die Herleitung der tribologischen Verhältnisse zwischen Werkstück, Span und Werkzeug. Die gewonnenen Erkenntnisse können zur Modellierung der Reibung und der Temperaturverhältnisse beim Einsatz von Kühlschmierstoff genutzt werden.
In den folgenden Projektlaufzeiten sollen außerdem die entwickelten Reibmodelle und Erkenntnisse zum thermischen Verhalten in eine FEM-Simulation implementiert werden. Gemeinsam mit einer CFD-Simulation zur Abbildung der makroskopischen Effekte des Kühlschmierstoffs kann so eine effektive simulative Auslegung des Kühlschmierstoffeinsatzes ermöglicht werden. Darüber hinaus kann so auch die Werkzeugmikro- und -makrogeometrie für den Einsatz von Kühlschmierstoff optimiert werden.
Die Untersuchungen der Forscher am IFW und IMKT der Leibniz Universität Hannover werden im Rahmen des Schwerpunktprogramms Effizientes Kühlen, Schmieren und Transportieren – Gekoppelte mechanische und fluid-dynamische Simulationsmethoden zur Realisierung effizienter Produktionsprozesse (FluSimPro) der Deutschen Forschungsgemeinschaft gefördert.L. Ellersiek
Kontakt:
Lars Ellersiek, Institut für Fertigungstechnik und Werkzeugmaschinen,
E-Mail: ellersiek@ifw.uni-hannover.de
- www.ifw.uni-hannover.de
Text zum Titelbild: Einsatz von Kühlschmierstoff beim Fräsen (Bild: © Nico Niemeyer)
