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Simulation und Optimierung der KSS-Strömung zur Reduzierung der thermischen Werk­zeug­be­lastung bei der diskontinuierlichen Bohrbearbeitung von Inconel 718

Die Bohrbearbeitung der schwer zerspanbaren Nickelbasislegierung Inconel 718 mit ihrer be­son­ders ausgeprägten Hochtemperaturfestigkeit wird durch einen hohen Werkzeugverschleiß cha­rak­te­ri­siert sowie limitiert. Dieser ist auf die thermomechanischen Belastungen an den Schneidkanten wäh­rend des Zerspanungsprozesses zurückzuführen. Das Kon­zept der diskontinuierlichen Bohrbearbeitung soll als alternative Prozessstrategie diesem Umstand begeg­nen, sodass im Rah­men des Forschungsvorhabens eine periodisch erfolgende Unterbrechung des Werkzeugeingriffes in den Bohrprozess eingebracht wird. Somit wird eine zielgerichtete Kühlschmierstoff-(KSS)-Ver­sor­gung der hoch­belasteten Schneiden er­mög­licht und infolgedessen eine signifikante Reduzie­rung der thermischen Werk­zeug­be­lastung herbeigeführt. Darüber hinaus wird für die diskontinuierliche Bohrbearbeitung durch die Schnittunterbrechung der Spanbruch begünstigt, sodass die Aus­bil­dung langer Späne, die potenziell die Spannuten zusetzen und zwischen Bohrungswand und Werkzeug verklemmen kön­nen, vermieden wird. Gleichzeitig kann für diese Prozessgestaltung werk­stückseitig von verringerten Randzonenschädigungen ausgegangen wer­den, was einer erhöhten Bauteilqualität gleichkommt. Basierend auf diesen Op­timierungsansätzen wird langfristig eine Steigerung der Schnittparameter angestrebt, die eine erhöhte Pro­duk­ti­vi­tät zur Folge hat.

Um eine Optimierung der Bohrbearbeitung von Inconel 718 zu erzielen, ist die Ent­wick­lung eines vertieften Prozessverständnisses des thermomechanischen Belastungskollektives von entscheidender Be­deu­tung. Aufgrund der schlechten Zugänglichkeit der Wirkstelle und den damit ungünstigen messtechnischen Be­din­gun­gen wäh­rend des Bohrprozesses rückt eine vollständige simulative Abbildung des Prozesses in den Fokus der Untersuchungen. Gegenwärtig ist diese jedoch nicht oder nur bedingt zu realisieren. Computational-Fluid-Dynamics(CFD)-Simulationen zur Modellierung von KSS-Strömungen spiegeln zwar die lokalen Fluidparameter wider, berücksichtigen dabei aber nicht den Wärmeeintrag aus der Spanbildungszone in das Fluid. Gleichermaßen findet in Spanbildungssimulationen, die nach der Finite-Elemente-Methode(FEM)-Tech­nik funktionieren, die Wärmeübertragung vom Solid in das Fluid keine Beachtung. Hieraus leitet sich die zentrale Her­aus­for­de­rung des Forschungs­vorhabens ab, über eine bidirektionale Verknüpfung von CFD- und FEM-Simulationen die Strömungssimulation mit ei­nem Modell der lokalen Tempera­turverteilung in der Spanbildungszone zu koppeln. Eine vollumfängliche Berechnung des Wärmetransports und somit auch Rück­schlüsse auf die thermische Werkzeug- und Werkstückbelastung wer­den dadurch er­mög­licht. Die generierten Daten kön­nen ver­wen­det wer­den, um thermische Maximal­belastungen im Prozess vor­her­zu­sa­gen, Zeitpunkte effizienter Unterbrechun­gen des Werkzeugeingriffs zu identifizieren und damit eine optimierte KSS-Ver­sor­gung der Bohrwerkzeuge in der diskontinuierlichen Bohrbearbeitung von Inconel 718 vorzunehmen. Insgesamt kann so die gewünschte Produktivitäts­steigerung des Fertigungsprozesses bei erhöhter Werkzeugstandzeit erreicht wer­den.

© ISF
Schematische Darstellung der KSS-Ver­sor­gung wäh­rend der diskontinuierlichen Bohrbearbeitung sowie deren Aus­wir­kungen auf die thermische Werk­zeug­be­lastung in Abgrenzung zum konventionellen Prozess

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