Vorhersage von Spanbruch bei der Zerspanung mit geometrisch bestimmter Schneide mit Hilfe schädigungsmechanischer Ansätze

Von:

Christoph Alexander Essig

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Ein wesentlicher Aspekt bei der Auslegung von Zerspanwerkzeugen und -prozessen ist die Sicherstellung von günstigen Spanformen. Dies kann in den meisten Fällen nur durch zeit- und kostenintensive Vorversuche bewerkstelligt werden. Eine sichere Vorhersage von Spanbruch für unterschiedliche Prozessbedingungen und Werkzeuggeometrien kann dazu beitragen, den zeitlichen Aufwand für die Prozess- und Werkzeugauslegung wesentlich zu reduzieren. Ziel der Arbeit war es, Spanbruch auf Basis der mechanischen und thermischen Belastungen im ablaufenden Span mit Hilfe eines schädigungsmechanischen Ansatzes für das Außenlängsdrehen von C45E+N vorherzusagen. Durch empirische Untersuchungen konnten die stärksten werkzeug- und prozessseitigen Einflussfaktoren auf Spanbruch identifiziert werden. Darüber hinaus konnten mit Hilfe von Hochgeschwindigkeitsaufnahmen für Prozesspunkte des kontrollierten Spanbruchs die Position und der Zeitpunkt des Werkstoffversagens im Span identifiziert werden. Die Modellbildung zielte auf die Berechnung der Belastungen in der Spanbruchstelle ab. Das hierfür entwickelte analytische Modell ermöglichte die Vorhersage der Spanbruchgrenzen in Abhängigkeit der maximal auftretenden Zugspannungen im Span. Das Modell zeigte für verschiedene Werkzeuggeometrien und Schnittparameter eine gute Übereinstimmung mit den realen Grenzen kontrollierten Spanbruchs. Durch Anwendung der Finiten Elemente Methode (FEM) konnte die Spanbildung, der Spanablauf und die Aufweitung des Spans dreidimensional modelliert werden und damit die momentanen Belastungen und deren zeitlichen Verläufe in der Spanbruchzone bestimmt werden. Auf Basis dieser Verläufe wurden bestehende Kriterien zur Vorhersage duktilen Werkstoffversagens bewertet. Insgesamt war keines der bestehenden Kriterien im Stande Spanbruch sicher vorherzusagen. Ein neu entwickeltes Schadenskriterium auf Basis eines Ansatzes von Johnson und Cook erlaubte das verbleibende Formänderungsvermögen des Werkstoffs in Abhängigkeit von Temperatur, Umformgeschwindigkeit und Spannungszustand zu berechnen. Durch Implementierung dieses Schadenskriteriums in das bestehende FEM-Modell war es möglich, Spanbruch dreidimensional zu simulieren. Das Modell zeigte, sowohl hinsichtlich des auftretenden Spanablaufs und -bruchs als auch hinsichtlich der berechneten Zerspankräfte und Temperaturen an der Spanunterseite, eine gute Übereinstimmung mit den realen Zerspanversuchen.