Ergebnisse aus der Produktionstechnik / 17/2023 / Mehrskalenmodellierung der thermomechanischen Werkzeugbelastung beim Trockenwälzfräsen

In dieser Arbeit wurde ein Mehrskalenmodell entwickelt, welches Spanungs- und Prozesskenngrössen mit thermomechanischen Belastungs- und Zustandsgrössen auf Basis numerischer FE-Berechnungen verknüpft. Hierzu wurde die thermomechanische Belastung auf der Mikroskala im Linear-Orthogonalschnitt mittels 2D-FE-Simulationen analysiert. Variiert wurden die Schnittgeschwindigkeit, die Spanungsdicke, der Wirk-Spanwinkel sowie der Schneidkantenradius. Auf Basis der FE-Simulationsergebnisse wurden analytische Modelle zur Approximation der Zerspankraftkomponenten und Temperaturkenngrössen abgeleitet und parametriert.Die parametrierten Modellgleichungen wurden anschliessend auf den Wälzfräsprozess skaliert. Hierzu wurden zunächst die zeitlich und lokal entlang der Schneidkante aufgelösten Spanungs- und Prozesskenngrössen mittels einer ebenenbasierten Durchdringungsrechnung bestimmt. Diese dienen als Eingangsgrössen zur Berechnung der Zerspankraftkomponenten sowie der Temperaturverteilung auf der Spanfläche. Die Validierung des Mehrskalenmodells erfolgte einerseits anhand von Drehmomentmessungen im Schlagzahnversuch und andererseits durch einen Abgleich der Spanflächentemperatur mit 3D-FE-Simulationen.Das Mehrskalenmodell wurde im Hinblick auf eine Bewertung des Werkzeugverschleisses und die Verschleissprognose von PM-HSS S390 Werkzeugen analysiert. Hierzu erfolgte eine Gegenüberstellung zwischen den experimentell erfassten Verschleisskurven und rechnerisch ermittelten Verschleissbeträgen. Abschliessend wurde die geometrische Unabhängigkeit von der Verzahnungs- und Werkzeuggeometrie sowie die praktische Anwendung des Modells zur systematischen Prozess- und Werkzeugauslegung anhand eines alternativen Verzahnungsfalls aufgezeigt.Das Modell erlaubt eine anwendungsgerechte sowie rechen- und zeiteffiziente Ermittlung des werkzeugseitigen, thermomechanischen Belastungskollektivs beim Wälzfräsen für unterschiedliche Prozessauslegungen mit geometrischer Unabhängigkeit. Die Kenntnis über das