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Grundlegende Untersuchungen zum Reibungskontakt in der Wirkzone bei der spanenden Bearbeitung

Spanende Fertigungsprozesse wer­den durch die Reibung im Bereich der Kontaktzone von Werkstück und Werkzeug wesentlich be­ein­flusst. Die in der Spanentstehungszone herrschenden Be­din­gun­gen sind durch hohe Umform­geschwindigkeiten, Kontaktdrücke und Temperaturen geprägt. Aus diesem Grund un­ter­schei­den sich die Vorgänge beim Reibungskontakt zwischen Span und Werkzeug stark von den meisten tribologischen Untersuchungen der Ver­gan­gen­heit. Daher wird in diesem von der Deut­schen Forschungs­gemeinschaft (DFG) ge­för­der­ten Vorhaben die Reibung gezielt unter den Be­din­gun­gen der Zerspanung un­ter­sucht. Dazu kommt ein spezieller Versuchs­aufbau zum Ein­satz, aus dem grund­le­gen­de Erkennt­nisse über Ursachen, Wechsel­wir­kungen sowie deren Beeinflussung durch die Prozessbedingungen er­ar­bei­tet wer­den. Bei diesem Versuch wer­den ein Grund- und ein Gegenkörper derart relativ zueinander bewegt, dass eine Verformung des Gegenkörpers eintritt. Die dabei auftretenden Kontaktdrücke und Temperaturen sind den Be­din­gun­gen in der Spanbildungszone ähnlich. Beide Körper bestehen aus Werkstoffen, die grundsätzlich in spanenden Fertigungsprozessen eingesetzt wer­den. Als grund­le­gen­de Einflüsse sind die Reibungsgeschwindigkeit, die Oberflächentopografie und die Temperatur zu un­ter­su­chen. Bisher wurden diese Versuche für unterschiedliche Präparationen von Hartmetalloberflächen in Ab­hän­gig­keit von der Relativgeschwindigkeit durch­ge­führt. Neben dem deut­lichen Einfluss der Relativgeschwindigkeit konnte für mittlere Geschwindigkei­ten auch ein Einfluss der Spanflächenpräparation festgestellt wer­den, wie die Abbildung exemplarisch für eine gestrahlte und eine poliergeschliffene Oberfläche zeigt. Die Erklärung ist im un­ter­schied­lichen Anhaftungsverhalten zu finden, das sich jedoch bei Erhöhung der Relativgeschwindigkeiten wieder stark angleicht. Bei hohen Relativgeschwindigkeiten sind an allen Werkzeugen kleine flache Anhaftungen zu finden, und die Reibspannung fällt auf ein Minimum ab. Dies deutet darauf hin, dass sich eine gehärtete Zwischenschicht ablagert, auf der der Werkstückstoff im wei­te­ren Verlauf abgleitet. Der Einfluss der Oberfläche tritt dadurch in den Hintergrund. Mithilfe dieser Versuche kön­nen Modelle zur Beschreibung des Reibungsverhaltens in FEM-Simulationen gene­riert wer­den.

In ei­nem wei­te­ren Versuchsaufbau wurden Zerspanungsversuche im Orthogo­nalschnitt mit den unterschiedlich präparierten Werkzeugoberflächen durchge­führt. Dadurch konnte der Einfluss der Oberflächentopografie auf das Reibungsverhalten zwischen Werkzeug und Span bzgl. der mechanischen Werk­zeug­be­lastung und der thermischen Be­las­tung von Span- und Spanfläche sowie der Anhaftungsneigung un­ter­sucht wer­den.

Mithilfe der FEM wurden in den ver­gang­enen Jahren er­folg­reich realitätsnahe Spanbildungssimulationen durch­ge­führt. Dabei ist es jedoch enorm wich­tig, dass die Randbedingungen, wie Materialverhalten und Reibungsbedingungen, adäquat bestimmt wer­den, da sonst das Simulationsergebnis erheblich von der Realität abweichen kann. Insbesondere die Vorhersage der Passivkräfte weist hohe Abweichungen auf, da diese vornehmlich durch die Reibung auf der Spanfläche bestimmt wer­den. Durch die Versuche zur Reibungscharakteri­sierung konn­ten Modelle ent­wickelt wer­den, die den Reibungskoeffizienten des Modells nach Coulomb in Ab­hän­gig­keit von der Werkzeugoberfläche und der Relativgeschwindigkeit be­schrei­ben. Dadurch konnte die Vorhersagbarkeit der Prozesskräfte deutlich ver­bessert wer­den. Eine realitätsnahe Vorhersage der thermischen Belastungen ist ebenfalls ge­lungen.

© ISF
Reibspannung und Anhaftungsneigung beim Kontakt von C45 und Hartmetall in Ab­hän­gig­keit.von Spanflächenpräparation und Relativgeschwindigkeit

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