Werkzeugauslegung und -optimierung durch Zerspansimulationen und individuelle Werkstoffmodelle

von Benedikt Thimm, 07. März 2019
Simulative Ermittlung der thermischen Schneidkantenbelastung
Der Produktionswert von Präzisionswerkzeugen hat sich seit dem Jahr 2005 mit 6,8Mrd. Euro bis heute nahezu verdoppelt.

Nach einer Schätzung des VDMA hat der Produktionswert im Jahr 2018 circa 11,6Mrd. Euro betragen. Die Prognose für dieses Jahr liegt bei 11,7Mrd. Euro [1]. Die Zahlen unterstreichen, welchen Stellenwert die Präzisionswerkzeugbranche für das Industrieland Deutschland besitzt.

Die wichtigsten Exportmärkte für Zerspanwerkzeuge aus Deutschland sind die USA und China. Auch wenn Zerspanwerkzeuge heute bereits weit entwickelt sind und häufig hohen wirtschaftlichen Ansprüchen genügen, entstehen immer wieder neue Bedarfe einer technologischen, prozessorientierten Anpassung und Optimierung. Besonderes Augenmerk liegt dabei häufig auf der Schneidkeilgestaltung, der Spanleitgeometrie, der Schneidkantenmikrogeometrie sowie der Substrat- und Beschichtungsauswahl. Getrieben werden diese Bedarfe zum einen durch die Forderung, die Schnittdaten weiter zu steigern und zum anderen durch den Einsatz neuer Werkstoffe, die veränderte Bedingungen bei der Spanabnahme zur Folge haben.

Die komplexen Wechselwirkungen zwischen Schneide und Werkstoff erlauben insbesondere bei höheren Schnittdaten oder neuen Werkstoffen in der Regel keine standardisierte Auslegung der Werkzeuge, sondern erfordern vielmehr immer wieder eine mechanismenorientierte Prozessbeurteilung. Die Auslegung von Werkzeugen erfolgt heute im Wesentlichen auf Basis von Expertenwissen, Erfahrungen und Versuchsergebnissen. Diese Ansätze bieten zwar grundsätzlich ein hohes Potenzial, besitzen aber auch Schwächen. Expertenwissen und Erfahrungen hängen sehr stark von den jeweiligen Mitarbeitern ab.

Es ist daher schwer, dieses Know-how über einen langen Zeitraum zu konservieren und für alle Mitarbeiter im Unternehmen jederzeit abrufbar zu machen. Auch Messergebnisse sind nicht immer eindeutig und teilweise sehr schwer zu interpretieren. Häufig hängen sie zu stark von den verwendeten Messmitteln und Maschinen ab und geben den technologischen Sachverhalt nicht ausreichend genug wieder. Zudem sind reale Versuche zeitaufwändig und das Messequipment und die Nutzungszeit einer Werkzeugmaschine in der Regel teuer. Eine Alternative hierzu bieten simulative Ansätze, die die Eingriffsbedingungen der Werkzeugschneide numerisch nachbilden und den Spanfluss berechnen können. Damit einher geht die Möglichkeit, die thermischen und mechanischen Lasten am Werkzeug ermitteln zu können. Ein Beispiel hierfür stellt Abbildung 1 dar, die die Spanabnahme mit einem Kugelfräser zeigt. Die Auswertung zeigt die thermische Belastung der Schneidkante bei unterschiedlichen Schnittgeschwindigkeiten. Zudem kann die Beeinflussung der Werkstoffrandzone bewertet werden. Der Vorteil dieser Ansätze besteht darin, das umfangreiche Geometriestudien ressourcenschonend durchgeführt werden können. Bei Zerspanversuchen muss demgegenüber für jede Geometrievariante ein Prototypenwerkzeug hergestellt und in einem Versuch getestet werden. Ein weiterer Vorteil von Zerspansimulationen ist, dass die Ergebnisse unabhängig von den Messgeräten und den Maschinen ermittelt werden können. Der Schneideneingriff wird auf das Wesentliche abstrahiert, die Ergebnisse erlauben eine neutrale Bewertung der Tendenzen. Nachteilig beim Einsatz von Simulationssystemen ist, dass die Ermittlung von absoluten Größen häufig unsicherheitsbehaftet ist. Der Prozess der Spanbildung ist durch eine Vielzahl von Einflussfaktoren gekennzeichnet, die es, um realitätsnahe Ergebnisse zu erhalten, genau zu beschreiben gilt. Ein wichtiges Beispiel ist das Materialmodell, das den zu zerspanenden Werkstoff beschreibt.

Das Materialmodell besitzt einen wesentlichen Einfluss auf das entstehende Lastkollektiv, da es den Widerstand beschreibt, den das Zerspanwerkzeug unter gegeben Schnittbedingungen überwinden muss. Eine hinreichend genaue Beschreibung ist somit elementar für verwertbare Ergebnisse. Der Markt der Anbieter von Simulationssoftware unterschiedet sich hier. Zum einen existieren Systeme, die umfangreiche Eingriffsmöglichkeiten bieten. Die Parameterermittlung und Eingabe der Daten für die physikalischen Modelle wird dabei in die Hand des Nutzers gelegt. Damit steigt zwangsläufig auch das Komplexitätsniveau und die Fehleranfälligkeit der Rechnungen. Daneben existieren Systeme, die Datenbanken als geschlossene Bereiche mitbringen. Der Nutzer muss darin nur den Werkstoff auswählen. Solche Systeme bieten weniger Eingriffsmöglichkeiten, sind aber auch weniger fehleranfällig. Voraussetzung ist allerdings, dass die benötigten Werkstoffmodelle auch hinterlegt sind und nicht vom realen Gefügezustand abweichen.

Insitumat-Versuchsaufbau als Basis für die inverse Materialkennwertermittlung

Bei der Auswahl eines Systems muss daher die Frage beantwortet werden, wo der eigentliche Nutzen liegt. Zerspantechnologische Betrachtungen mit dem Ziel der Werkzeug- bzw. Prozessentwicklung oder einer grundlegenden Forschung. Beide Ansätze haben ihre Berechtigung, wenden sich aber an unterschiedliche Nutzergruppen. Um nachhaltigen Entwicklungserfolg zu erzielen ist es daher wichtig, die Methode strategisch richtig einzusetzen. Ein Beispiel hierfür ist der frühzeitige Einsatz im Entwicklungsprozess, um die Geometrievielfalt deutlich zu reduzieren und Tendenzen zu erkennen. In einem reduzierten Parameterfeld können dann zielgerichtet Prototypen entwickelt werden. Im letzten Schritt werden die Prototypen in realen Versuchen bewertet und verifiziert. Dadurch kann die Anzahl an Realversuchen reduziert und Ergebnisse zügig abgesichert werden ohne unnötige Entwicklungsiterationen zu durchlaufen. Mit individuellen Materiamodellen können die Simulationsergebnisse zudem weiter verfeinert werden. Die Anwender können sich mit maßgeschneiderten Modellen für ihre Prozesse Wettbewerbsvorteile erarbeiten, wenn Sie die Materialmodelle exklusiv ermitteln und einsetzen.

Aufgrund der fortschreitenden Digitalisierung und Vernetzung wird der internationale Wettbewerbsdruck auch im Bereich der Werkzeugentwicklung weiter zunehmen. Eine frühzeitige Investition in digitale Technologie ist daher zielführend und sinnvoll, um nachhaltige Erfahrungen im Umgang mit Simulationssystemen zu erzielen. Insbesondere die wichtigen Exportländer USA und China sind Deutschland in diesem Bereich bereits voraus. Um hier mittel- und langfristig erfolgreich zu sein, bedarf es daher neuer und ergänzender Strategien. Seit dem 01. Februar 2019 arbeitet die PWFT GmbH aus Köln in einer strategischen Partnerschaft mit dem Softwarehersteller Third Wave Systems (Minneapolis, USA) zusammen. Third Wave Systems bietet auf physikalischen Materialdaten basierende Softwarelösungen an. Zum einem die Software „Advantedge“, die Zerspansimulationen ermöglicht und zum anderen die Software „Production Module“, mit der sich komplexe NC-Programme optimieren lassen. Im Rahmen der Partnerschaft steht die PWFT GmbH den Kunden und Interessenten der TWS-Produkte zur Verfügung. Die PWFT GmbH wird als technischer Supportpartner für alle Fragen rund um den Einsatz der Software zur Verfügung stehen und die Kunden von der Investitionsentscheidung bis zur Interpretation der Ergebnisse begleiten.

Daneben bietet die PWFT GmbH technische Dienstleistungen an. Zum einen zielen diese auf die Verifikation von Simulationsergebnissen ab. Zum anderen besteht die Möglichkeit, Materialmodelle und Kennwerte zu ermitteln. Dazu werden neben den klassischen Ansätzen über Zylinderstauchversuche sowie Split-Hopkinson-Versuche auch inverse Methoden eingesetzt, bei denen die Materialkennwerte aus einem Zerspanprozess abgeleitet werden. Letztere Methode basiert auf einer DIC-Messung, mit der die mechanischen Belastungen im Werkstoff in situ erfasst werden und als Basis für die Berechnungen dienen. Der Versuchsaufbau ist exemplarisch in Abbildung 2 dargestellt. In einem linear-orthogonalen Zerspanversuch werden simultan die Prozesskräfte, plastische Kenngrößen in der primären Scherzone sowie Temperaturen erfasst. Die Daten werden verdichtet und für die Erstellung hochpräziser Materialmodelle eingesetzt. Der am Institut für Werkzeug- und Fertigungstechnik entwickelte und patentierte Ansatz vereinfacht die Kennwertermittlung und erhöht zudem die Vorhersagegenauigkeit der Materiamodelle, da die Werkstoffkennwerte unter dem thermomechanischen Lastkollektiv der Zerspanung ermittelt werden.

Literatur:
[1]    VDMA. n.d. Produktion von Präzisionswerkzeugen in Deutschland in den Jahren 2005 bis 2019 (in Milliarden Euro). Statista. Zugriff am 1. Februar 2019. Verfügbar unter https://de.statista.com/statistik/daten/studie/476895/umfrage/produktion-von-praezisionswerkzeugen-in-deutschland/.

 

 

Sie finden den vollständigen Artikel in der nachfolgenden Pdf-Datei.