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Simulation Spanform-Simulation zeigt Optimierungspotenzial ganzheitlicher Bearbeitungsprozesse

| Redakteur: Dietmar Kuhn

Die Einzelbetrachtung von Werkstück, Werkzeug und Maschine wird heutigen Anforderungen an industrielle Bearbeitungsprozesse nicht mehr gerecht. Geschwindigkeit, Standzeiten und moderne Werkstoffe verlangen einen in jeder Phase abgestimmten Bearbeitungsprozess. Dies soll jetzt mit einer Spanform-Simulation möglich sein, auf die Verfahrensentwickler, Methoden- und Fertigungsplaner zugreifen können.

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Die Spanform-Simulation industrieller Bearbeitungsprozesse hilft dabei, Werkstück, Werkzeug und Bearbeitungsmaschine optimal zusammenspielen zu lassen. Bild: Sandvik
Die Spanform-Simulation industrieller Bearbeitungsprozesse hilft dabei, Werkstück, Werkzeug und Bearbeitungsmaschine optimal zusammenspielen zu lassen. Bild: Sandvik
( Archiv: Vogel Business Media )

Experten der spanenden Bearbeitung wissen es genau: Produktionsanläufe mit neuen Maschinen oder modifizierter Fertigungstechnik sind oft problematisch und können kaum zum geplanten SOP (Start of Production) eingehalten werden. Schuld daran sind nach Expertenerfahrung die Werkstückbeschaffenheit mit Geometrie, Werkstoffeigenschaften wie Härte und Gefüge, die sich überlagernden Schwingungen von Werkzeug, Werkstück, Werkstückaufnahme und Produktionsmaschine.

All diese Parameter stehen oft nicht im Einklang und lassen so die Rüstzeiten und damit natürlich auch die Kosten durch trial-and-error in die Höhe schnellen. Wesentlich einfacher und preiswerter soll dies künftig die Simulation möglich machen.

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„Eine innovative Möglichkeit, die Leistungsfähigkeit von Werkzeugen zu steigern ist die spanflussorientierte Auslegung. Durch die Spanformsimulation können einzelne geometrische Elemente unter dem Aspekt der Spanformung wie auch in Bezug auf die resultierenden Kräfte und Temperaturen analysiert und damit das Optimum für die Schneidengeomterie gefunden werden“, sagt Dr. Dirk Kammermeier, Produktentwickler bei Kennametal und Konsortialmitglied bei der Erforschung industrieller Bearbeitungsprozesse durch Simulation.

Innerhalb des Verbundprojektes Sindbap befassten sich bis Mitte 2007 Experten aus Werkzeugherstellern, Instituten und Anwendern mit der gesamtheitlichen Betrachtung des Zerspanprozesses vom Werkstück über das Werkzeug bis hin zur Maschine. Kennametal widmete sich dabei vor allem mit der Ermittlung idealer Werkzeuggeometrien mit Hilfe der 3D-Spanform-Simulations-Software Deform.

Spanform-Simulationen helfen vor allem beim Drehen und Fräsen

„Die durchgeführten Untersuchungen sollten darstellen, mit welcher Genauigkeit heute Spanformsimulationen möglich sind und wie Spanabläufe simuliert werden können und wo die Grenzen der Systeme liegen“, erklärt Kammermeier. Wichtig sind nach Expertenmeinung die Simulationen insbesondere bei Fräs- und Drehprozessen, um zu erkennen, ob der Span schnell und kollisionsfrei von der Oberfläche abgeführt werden kann.

Untersucht wurden die Unterschiede mit einer Hochgeschwindigkeitskamera, wobei eine reale Spanbildung mit einer simulierten Spanbildung verglichen wurde. Dabei zeigte der simulierte Span eine sehr hohe geometrische Übereinstimmung mit den Spänen, die im Zerspanungsversuch ermittelt wurden.

Als Erkenntnis daraus gewannen die Forscher, dass die Schneidkantenausbildung bei der definierten Zerspanung eine wesentliche Rolle spielt und die Lebensdauer der Werkzeuge entscheidend beeinflusst.

Systemeigenschaften mit Spanform-Simulation ganzheitlich dargestellt

Die innerhalb des Sindbap-Projektes durchgeführten Untersuchungen waren aber nicht nur allein auf die Spanbildung ausgerichtet, sondern hatten umfassende Systemeigenschaften und deren Wechselwirkungen im Fokus. Das System bilden demnach der Zerspanprozess, die Werkzeuge und die Werkzeugmaschine. Die Untersuchungsergebnisse zeigten, dass eine schnelle und wirtschaftliche Auslegung von Produktionsmaschinen und -prozessen möglich ist.

Die zwei wesentlichen Werkzeuge auf die sich die Untersuchungen stützten waren Deform und Abaqus. So konnten beispielsweise mit den Erkenntnissen der Zerspanvorgänge aus der FE-Simulation mit Deform durch Kopplung der Kräfte und Anregungen die Wechselwirkungen auf die Werkzeugmaschinen untersucht werden. Die Ergebnisse sollen dabei die Entwicklung und Optimierung der Prozessmaschine unterstützen.

Software zur Spanform-Simulation muss neue Aufgaben bewältigen

Durch die Auswertung der Kontaktdrücke zwischen Span und Werkzeugschneide können mit Hilfe von Verschleißmodellen Aussagen über die Standzeiten der Schneidgeometrien gemacht werden. „Für Schmiede- und Umformvorgänge wird die Simulation seit vielen Jahren erfolgreich in der Industrie eingesetzt. Um jedoch eine Zerspansimulation durchführen zu können, musste die Software Deform eine thermisch-mechanische Kopplung, eine robuste Netzneugenerierung sowie die Möglichkeit einer erhöhten Netzdichte direkt am wichtigen Bereich vor der Schneide unterstützen“, verrät Michael Fiderer von Kistler-Igel.

Mit einem speziell entwickelten „Machining Template“, das eine einfache graphische Benutzeroberfläche unterstützt, konnte die Zerspansimulation mit Deform durchgeführt werden. Durch die Simulation der Richtung des Spanabflusses lassen sich somit die Prozessparameter wie Vorschub, Schnittgeschwindigkeit und Anstellwinkel optimieren.

Spanform-Simulation berechnet Werkstückoberfläche vor dem ersten Werkzeug-Prototypen

Am Ende soll eine optimale Werkstückoberfläche bei minimaler Werkzeugbelastung garantiert werden, noch bevor der erste Prototyp einer Wendeschneidplatte oder eines Bohrers gefertigt ist.

Ebenfalls zur Optimierung von Werkzeug- und Schnittprozessparametern wurde Abaqus Unified FEA eingesetzt. Damit kann eine realitätsnahe Finite-Elemente-Simulation (FEM) des lokalen Zerspanungsprozesses simuliert werden.

Darüber hinaus können in Verbindung mit geeigneten Modellen für die Maschinendynamik wichtige Wechselwirkungen zwischen Prozess und Maschine erfasst und kritische instabile Betriebszustände vorhergesagt werden. Dazu zählen etwa das Rattern oder schwingungsbedingte Imperfektionen des bearbeiteten Werkstückes.

Deutlich geringere Risiken durch Spanform-Simulation

„Simulationen als Entwicklungswerkzeuge zur präventiven Qualitätssicherung und Optimierung können somit Risiken und Versuchsaufwand minimieren, notwendige Nachbesserungen an Zerspanungseinrichtungen vermeiden und ein hohes Qualitätsniveau sichern“, sagt Dr. Martin Küssner, Geschäftsführer der Aachener Abaqus GmbH.

Abaqus hat demnach alle Funktionalitäten, die zur Simulation von zerspanenden Bearbeitungsprozessen benötigt werden. Dazu zählen umfangreiche Materialbibliotheken mit temperatur- und verzerrungsabhängigen Stoffgesetzen, Prozeduren zur Analyse gekoppelter thermisch-mechanischer Vorgänge sowie robuste Kontaktalgorithmen.

Einsatz der Spanform-Simulation nimmt zu

Auch wenn die Durchführung von FEM-Simulationen von Zerspanungsprozessen heutzutage noch nicht der Standard ist, so ist unter Experten doch ein zunehmender Einsatz von FEM-Zerspanungssimulationen festzustellen. „Der große Durchbruch bei der Methode der Finiten Elemente steht noch bevor. Begleitet von großen Fortschritten in der Theorie der Finiten Elemente und einer erheblich verbesserten Rechenleistung ist das Einsatzgebiet dieser Berechnungsmethode in allen Anwendungsbereichen in den vergangenen Jahren massiv gestiegen – auch in der Zerspansimulation“, konstatiert Küssner.

Wie die Simulation Werkzeug- und Maschinenherstellern und noch mehr Fertigungsplanern helfen kann, verdeutlicht das Beispiel Kennametal. „Erst kürzlich wurden, basierend auf einer Spanformsimulation die Winkel an einem Fräswerkzeug geändert. Dadurch konnten wir verhindern, dass der Span wieder auf die Oberfläche des Aluminiumwerkstückes geleitet wird“, erklärt Dr. Dirk Kammermeier.

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