Simulationsgestützte Werkzeugauslegung zur Unterdrückung von Spansegmentierung durch die gezielte Spanraumbegrenzung
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Date
2025
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Abstract
Bei der Zerspanung von Werkstoffen, die in hochtechnologisierten industriellen Bereichen eingesetzt werden, führt die hohe mechanische und thermische Belastbarkeit dieser Werkstoffe auch zu hohen mechanischen und thermischen Belastungen der Werkzeuge, die häufig mit erhöhten Verschleißraten einhergehen. Zudem stellt die insbesondere für hochfeste Werkstoffe charakteristische Segmentspan-bildung eine zentrale Herausforderung dar. Bei dieser führen die periodischen Zyklen des Werkstoffan-stauens und -abgleitens zusammenhängender Werkstoffsegmente dazu, dass das Werkzeugsystem ange-regt und dadurch Schwingungen verursacht werden. Dies kann zu einem erhöhten Werkzeugverschleiß sowie einer Verschlechterung der resultierenden Werkstückoberflächenqualität führen. Ein vielverspre-chender Ansatz zur Unterdrückung der Segmentspanbildung stellt der Einsatz eines Constraints dar. Bei diesem handelt es sich um einen Gegenkörper, der im Bereich der primären Scherzone positioniert wird und so den Spanraum lokal begrenzt, wodurch das Scherversagen unterdrückt und die Entstehung von Segmentspänen verhindert wird.
Ziel dieser Dissertation ist die Unterdrückung der Spansegmentierung bei der Zerspanung hochfester Werkstoffe unter industrierelevanten Schnittbedingungen durch eine gezielte Begrenzung des Span-raums. Hierzu wird zunächst die Charakteristik der Spansegmentierung untersucht. Dazu werden um-fassende experimentelle Analysen der freien Spanbildung im orthogonalen Schnitt durchgeführt. An-schließend erfolgt eine Untersuchung des Werkstoffverhaltens mittels Werkstoffcharakterisierungsver-suchen, um Modelle zu kalibrieren, die dieses Verhalten realitätsnah abbilden. Diese Modelle werden in Finite-Elemente-Simulationen der Spanbildung genutzt, um eine präzise Vorhersage der Segmentspan-bildung zu ermöglichen. Nach erfolgreicher Simulation der Segmentspanbildung wird das Modell um einen Constraint erweitert, sodass die begrenzte Spanbildung im orthogonalen Schnitt untersucht werden kann. Dabei werden sowohl die Constraintkantengestalt als auch die Position des Constraints variiert, um eine Kombination zu ermitteln, die eine vollständige Unterdrückung der Scherbandbildung ermög-licht. Basierend auf diesen Erkenntnissen werden Constraints gefertigt und in experimentellen Untersu-chungen mithilfe einer speziell entwickelten Spann- und Positioniervorrichtung eingesetzt. Abschlie-ßend erfolgt ein detaillierter Vergleich der Ergebnisse der begrenzten Spanbildung mit denen der freien Spanbildung, um die Auswirkungen des Constraints abschließend zu bewerten.
During machining of materials used in high-tech industrial areas, the high mechanical and thermal strength of these materials leads to high mechanical and thermal loads on the tools, which is often ac-companied by increased wear rates. In addition, the segmented chip formation that is particularly chara-cteristic for high-strength materials represents a central challenge. In this case, the periodic cycles of material build-up and sliding of contiguous material segments cause the tool system to be excited and thus cause vibrations. This can lead to increased tool wear and a decrease in the resulting workpiece surface quality. A promising approach for suppressing segmented chip formation represents the use of a constraint. This involves a counter body that is positioned in the area of the primary shear zone and thus locally limits the chip space, thereby suppressing shear failure and preventing the formation of segmented chips. The aim of this thesis is to suppress chip segmentation during the machining of high-strength materials under industry-relevant cutting conditions by specifically limiting the chip space. To this end, the cha-racteristic of chip segmentation is first examined. To do this, comprehensive experimental analyses of free chip formation in orthogonal cutting are carried out. Subsequently, the material behaviour is inves-tigated by means of material characterisation tests in order to calibrate models that represent this beha-viour. These models are used in finite element simulations of the chip formation to enable a precise prediction of segmented chip formation. After successful simulation of the segmented chip formation, a constraint is added to the model so that the constrained chip formation can be examined in orthogonal cutting. Both the constraint edge shape geometry and the position of the constraint are varied to deter-mine a combination that allows for the complete suppression of shear band formation. Based on these findings, constraints are manufactured and used in experimental investigations with the help of a speci-ally developed clamping and positioning device. Finally, a detailed comparison of the results of cons-trained chip formation with those of free chip formation is carried out to evaluate the effects of the constraint.
During machining of materials used in high-tech industrial areas, the high mechanical and thermal strength of these materials leads to high mechanical and thermal loads on the tools, which is often ac-companied by increased wear rates. In addition, the segmented chip formation that is particularly chara-cteristic for high-strength materials represents a central challenge. In this case, the periodic cycles of material build-up and sliding of contiguous material segments cause the tool system to be excited and thus cause vibrations. This can lead to increased tool wear and a decrease in the resulting workpiece surface quality. A promising approach for suppressing segmented chip formation represents the use of a constraint. This involves a counter body that is positioned in the area of the primary shear zone and thus locally limits the chip space, thereby suppressing shear failure and preventing the formation of segmented chips. The aim of this thesis is to suppress chip segmentation during the machining of high-strength materials under industry-relevant cutting conditions by specifically limiting the chip space. To this end, the cha-racteristic of chip segmentation is first examined. To do this, comprehensive experimental analyses of free chip formation in orthogonal cutting are carried out. Subsequently, the material behaviour is inves-tigated by means of material characterisation tests in order to calibrate models that represent this beha-viour. These models are used in finite element simulations of the chip formation to enable a precise prediction of segmented chip formation. After successful simulation of the segmented chip formation, a constraint is added to the model so that the constrained chip formation can be examined in orthogonal cutting. Both the constraint edge shape geometry and the position of the constraint are varied to deter-mine a combination that allows for the complete suppression of shear band formation. Based on these findings, constraints are manufactured and used in experimental investigations with the help of a speci-ally developed clamping and positioning device. Finally, a detailed comparison of the results of cons-trained chip formation with those of free chip formation is carried out to evaluate the effects of the constraint.
Description
Table of contents
Keywords
Zerspanung, Orthogonalschnitt, Constraint, Titan, Simulation, Modellierung
Subjects based on RSWK
Spanende Bearbeitung, Spanwerkzeug, Titan, Finite-Elemente-Methode, Simulation, Spanbildung, Stoffeigenschaft