Bei der Zerspanung metallischer Werkstoffe treten in den Kontaktzonen hohe Temperaturen und Kontaktdrücke auf, die verschiedene Reibungsmechanis­men initiieren und maßgeblich beeinflussen. Im Laufe des Prozesses führen diese Bedingungen zu Werkzeugverschleiß und einer Reduzierung der Bauteilqualität. Eine wesentliche Beeinflussungsmöglichkeit der Kontaktsitua­tion hin zu geringeren Spannungen und Temperaturen ist der Einsatz von Kühlschmierstoffen (KSS), welche die primären Aufgaben haben, die Reibung in der Kontaktzone herabzusetzen und Wärme sowie Späne aus der Kontaktzone abzuführen. Die dabei wirkenden Mechanismen sind weitest­gehend unerforscht, sodass der zielgerichtete Einsatz und die Vorhersagbarkeit der Wirkung durch Simulationsprogramme nur bedingt möglich sind.

Das Ziel dieses Projekts ist die Erlangung eines tieferen Verständnisses der Wirkmechanismen in der sekundären Scherzone beim Einsatz von Kühl­schmierstoffen im Orthogonalschnitt und darauf folgend die Entwicklung einer numerischen Methodik zur Vorhersage der Wirkung des KSS in der Kontaktzone durch eine tribologische CFD-Simulation. Zur Erreichung dieses Ziels wird am Institut für Spanende Fertigung der TU Dortmund die Kontaktsituation in verschiedenen experimentellen Versuchsreihen charakteri­siert, wobei unterschiedlich präparierte Werkzeugoberflächen zum Einsatz kommen. Neben der Charak­teri­sierung der Oberflächentopographien erfolgt eine Untersuchung des Benetzungsverhaltens. Darüber hinaus sollen in einem Äquivalenzversuchsstand zur Reibungscharakterisierung erste Erkenntnisse über das Reibungsverhalten zwischen Hartmetallkörpern und C45 bzw. Ti6Al4V bei Verwendung von Kühlschmierstoffen erlangt werden. Auf Basis der Ergebnisse wird am Institut für Leichtbau und Struktur-Biomechanik der TU Wien ein numerisches tribologisches Modell entwickelt, das das Verhalten der in Kontakt befindlichen Reibpartner und des KSS auf Mikroebene abbilden soll. Im Fokus steht hier insbesondere der Aufbau einer voll gekoppelten Fluid-Struktur-Kontaktsimulation für den Anwendungsbereich des Orthogonal­schnitts. Kernelemente der numerischen Methode sind spline-basierte Finite-Elemente-Methoden sowie randkonforme Rechengitter unter Nutzung der Raumzeitdiskretisierung. Zum Abschluss der ersten Förderperiode sollen in einem ersten Validierungsversuch Reibungskoeffizienten aus der tribologischen CFD-Simulation generiert und in einer FEM Spanbildungssimulation eingesetzt werden. Im Rahmen einer experimentellen Versuchsreihe zur Validierung ist es geplant, neben den mechanischen Werkzeugbelastungen mithilfe eines partiell und temporär unterbrochenen Schnitts auch Informationen bezüglich der Benetzung und der Temperaturen in der sekundären Scherzone zu generieren und mit den Simulationsresultaten zu vergleichen. Das Arbeitsprogramm ist in der Abbildung dargestellt.

Im Rahmen erster Untersuchungen an einem Versuchsstand zur Reibungscharakterisierung unter zerspanungsähnlichen Bedingungen war es möglich festzustellen, dass die Benetzung der Hartmetalloberfläche mit einem ölbasierten Kühlschmiermedium einen wesentlichen Einfluss auf den Reibungskoeffizienten des tribologischen Systems bestehend aus Werkstück­stoff und Hartmetall nimmt. Parallel findet die Entwicklung der tribologischen IGA-Simulation statt, für welche bereits unterschiedlich präparierte Hartmetall­oberflächen als Eingangsgröße charakterisiert wurden.