Grundlagenuntersuchungen zum Späneflug bei der Trockenbearbeitung metallischer Werkstoffe zur optimierten Auslegung von Späneerfassungselementen und Werkzeugen durch Simulationsrechnung : Abschlussbericht zum Forschungsvorhaben

Abstract

Das abgeschlossene Forschungsprojekt befasste sich mit der Simulation des Spanfluges metallischer Werkstoffe sowohl in Absaugelementen als auch im Arbeitsraum der Maschine. Streng betrachtet kann auch der Arbeitsraum der Maschine als ein großes Erfassungselement betrachtet werden. Um den Spanflug zu simulieren, waren diverse Grundlagenuntersuchungen notwendig, die so bislang nicht aus der Literatur zur Verfügung standen. Diese notwendigen Zusammenhänge und Untersuchungen wurden im abgeschlossenen Forschungsvorhaben ermittelt. Zuallererst wurde eine Abschätzung getroffen, welche der vielen Einflussgrößen sich in relevanter Weise auf die Späneerfassung und den Flug der Späne auswirken. Anhand dieser Abschätzung wurden dann diverse Einzelproblematiken ausführlicher untersucht.

Zuerst war es notwendig, die spanspezifischen Größen wie die Spangrößenverteilung des Spangemisches, das Gewicht der Einzelspäne bzw. den Spanquerschnitt eines durchschnittlichen Spanpartikels senkrecht zu seiner Anströmung zu kennen. Diese spanspezifischen Kennwerte wurden mittels Siebanalyse und Wiegen der Späne bzw. Festlegung einer realistischen Näherung des Spanquerschnittes aufgrund der Siebanalyse ermittelt.

Weiter ist die Kenntnis des Luftwiderstandsbeiwertes der einzelnen Spanpartikel von elementarer Bedeutung. Hierzu wurde ein Versuchsstand entworfen und gebaut, in dem die Spanpartikel im Gegenstromprinzip auf ihre spezifische Endfallgeschwindigkeit hin untersucht werden konnten. Aus dieser spezifischen Endfallgeschwindigkeit im Kräftegleichgewicht kann der Luftwiderstandbeiwert des einzelnen Spanes ermittelt werden.

Ein weiterer wichtiger Untersuchungsschwerpunkt lag in der Ermittlung der korrekten Stoßvorgänge zwischen Partikel und Hauben- bzw. Arbeitsraumwand. Da es sich hier um einen sehr chaotischen Vorgang handelt, war besondere Sorgfalt auf die genaue Wiedergabe des Stoßvorganges in der Simulationsrechnung zu legen. Auch hierfür wurde eigens ein Versuchsstand entwickelt, in dem sowohl die Geschwindigkeitsreduktion der Späne beim Stoß mit der Wand als auch deren Rückprallwinkelverteilung konkret in Abhängigkeit vom Aufprallwinkel ermittelt werden kann. Alle durchgeführten Untersuchungen wurden schließlich in einem Partikelsimulationsprogramm Chip-Si 1.0 zusammengeführt. Die dazu notwendigen grundsätzlichen Schritte und Überlegungen wurden ausführlich dokumentiert. Mit diesem Simulationsprogramm kann nun der Späneflug sowohl in einem Absaugelement als auch im Arbeitsraum einer Maschine untersucht und bewertet werden.