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Modellierung der Kühlschmierstoff- verteilung beim Einlippentiefbohren unter Be­rück­sich­ti­gung des Spantransports mittels CFD- und SPH/DEM-Simulation zur Werk­zeug- und Prozessoptimierung

Im Vergleich zum Wendeltiefbohren führt beim Einlippentiefbohren der Kontakt der Führungsleisten mit der Bohrungswand zu einer Glättung der Oberfläche und er­mög­licht eine sehr hohe Bohrungsqualität. Insbesondere bei der Bearbeitung von schwer zerspanbaren Ma­te­ri­alien wie Nicke­lbasis­legierungen unterliegen die Werk­zeuge immensen thermomechanischen Belastungen, die eine optimale Ver­sor­gung der Werkzeugschneiden mit Kühlschmierstoff (KSS) unabdingbar ma­chen. Die Erfassung und Reduzierung der beim Einlippentiefbohren zugrundeliegenden tribologischen Beanspruchung stellt jedoch eine große Her­aus­for­de­rung dar, da die Kontaktzone ex­pe­ri­men­tell unzugänglich ist und mit Messsystemen nicht er­reicht wer­den kann. Das Ziel dieses Projekts ist da­her eine adäquate Modellierung des Prozesses durch die Kombination ge­eig­ne­ter Simulationsansätze zur Modellierung der Ab­hän­gig­keit der optimalen Kühlschmierstoffversorgung von den Druckverhältnissen und der Werkzeuggestalt bei gleichzeitiger Abbildung des transienten Spanabtransport. Die Analyse ver­schie­dener Werk­zeug-Designvariationen in Hinblick auf eine möglichst effiziente KSS-Ver­sor­gung führt zur Ent­wick­lung von Werkzeugen mit geringerem Werkzeugverschleiß und erhöht die Prozesssicherheit beim Einlippenbohren.

Um die oben genannten Aspekte und Zu­sam­men­hän­ge zu un­ter­su­chen und das Werk­zeug basierend auf der KSS-Strömungssimulation zu optimieren, ist es not­wen­dig ver­schie­de­ne Si­mu­la­ti­onen zu kombinieren bzw. mit­ei­nan­der zu koppeln. Es wird ein Simulationsansatz ent­wickelt, der neben der Finite-Elemente-Methode (FEM), Computational Fluid Dynamics (CFD), Smoothed-Particle Hydrodynamics (SPH) auch die Diskrete-Elemente-Methode (DEM) beinhaltet. Die gitterbasierte CFD-Simulation be­schreibt KSS-Strömung mit allen re­le­van­ten Randbedingungen, wie z. B. Fluideigenschaften, Massen- und Volumenstrom, Reibungen und Turbulenzen. Die gitterfreie SPH/DEM-Methode simuliert den Mit- und Abtransport realitätsnaher Späne. Hierdurch sind zu diskreten Zeitpunkten detaillierte Strömungsanalysen bezüglich der KSS-Ver­tei­lung an der Werkzeugscheide, die Be­rück­sich­ti­gung der Position der jeweiligen Späne sowie die Be­rech­nung präziser Druckverteilungen und damit gezielte Optimierungen des Werkzeugdesigns mög­lich.

Die ex­pe­ri­men­tel­len Un­ter­su­chun­gen beim Bohren von Inconel 718 er­fol­gen mit ei­nem Vollhartmetall Einlippentiefbohrer mit Durchmesser d = 2 mm. Die Kombination aus Werkstoff, Werkzeuggestalt und -abmessungen wurden gewählt, da diese für die Herstellung von höchstbelastbaren Bohrungen in ver­schie­de­nen Be­rei­chen wie z. B. der Luft- und Raumfahrt, immer mehr an Be­deu­tung gewinnt. Die Er­geb­nisse dienen als Eingangs- und Validierungs­größen für die Si­mu­la­ti­onen und für die Optimierung der Werk­zeuge. Die visuelle Erfassung der Spanbildung erfolgt mit der Hochgeschwindigkeits­mikroskopie, die mechanischen Werkzeugbelastungen wer­den mit bewährten Messmethoden analysiert. Die Optimierung wird mit dem Optimierungs­werkzeug (OptiSLang) durch­ge­führt, indem die Computer-aided de­sign (CAD)-CFD-Simulationsumgebung (ANSYS DesignModeler und ANSYS CFX/-FLUENT) bidirektional gekoppelt und in die über­geord­nete Simulations­umgebung (Workbench) integriert wird.

© ISF
Neuer kombinierter Simulationsansatz zur KSS-Ver­tei­lung beim Einlippentiefbohren mit transientem Spantransport zur Werk­zeug- und Prozessoptimierung

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Anfahrt & Lageplan

Von der A1

Vom Autobahnkreuz Dort­mund/Unna auf die A44 Rich­tung Dort­mund, diese geht in die B1 über. Ausfahrt Dort­mund-Dorstfeld, Rich­tung Uni­ver­si­tät (weiter siehe Karte).

Von der A 45

Ausfahrt Dort­mund-Eichlinghofen, Rich­tung Uni­ver­si­tät (weiter siehe Karte).

Alternativ kön­nen Sie sich die Anfahrt auch berechnen lassen: Google Maps.

Anreise mit der Bundesbahn bis Dort­mund oder Bochum Hbf.

Ab Dort­mund Hbf mit der S1 Rich­tung Düsseldorf bis zur Haltestelle Dort­mund Uni­ver­si­tät (7 Minuten Fahrzeit).

Ab Bochum Hbf mit der S1 Rich­tung Dort­mund bis zur Haltestelle Dort­mund Uni­ver­si­tät (14 Minuten Fahrzeit).

Die S-Bahn fährt in beide Richtungen regelmäßig alle 20 Minuten. Von der S-Bahn Haltestelle aus mit der H-Bahn (Haltestelle S-Uni­ver­si­tät) bis zur Haltestelle Cam­pus Süd (1 Station, fährt im 10 Minuten-Takt).

Zu den Wahrzeichen der TU Dort­mund gehört die H-Bahn. Linie 1 verkehrt im 10-Minuten-Takt zwischen Dort­mund Eichlinghofen und dem Technologiezentrum über Cam­pus Süd und Dort­mund Uni­ver­si­tät S, Linie 2 pendelt im 5-Minuten-Takt zwischen Cam­pus Nord und Cam­pus Süd. Diese Strecke legt sie in zwei Minuten zu­rück.

Vom Flughafen Dort­mund

Mit dem Taxi zur TU Dort­mund, Cam­pus Süd (min. 20 Min und 30,- EUR) (siehe Karte)

Vom Flughafen Düsseldorf

Mit der S-Bahn Linie S1 Rich­tung Dort­mund bis Haltestelle Dort­mund-Uni­ver­si­tät (ca. 90 Min). Von hier mit der H-Bahn Rich­tung Cam­pus Süd oder Eichlinghofen (fährt alle 10 Min) bis Cam­pus Süd (ca. 3 Min)

Die Ein­rich­tun­gen der Technischen Uni­ver­si­tät Dort­mund verteilen sich auf den größeren Cam­pus Nord und den kleineren Cam­pus Süd. Zu­dem befinden sich einige Bereiche der Hoch­schu­le im angrenzenden Technologiepark. Genauere In­for­ma­ti­onen kön­nen Sie den Lageplänen entnehmen.

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