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SPP 2231 FLUSIMPRO: Voll gekoppelte Fluid-Struk­tur-Kontakt-Simulationen zum Ver­ständ­nis der Vorgänge in den Kontakt-zonen beim Orthogonalschnitt unter KSS

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.

© ISF
Arbeitsprogramm des Projektes

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Von der A 45

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

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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).

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Vom Flughafen Dort­mund

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

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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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