Neue Einblicke durch Strömungsanalyse in der Spanbildungszone

Özkaya, E.1, a; Biermann, D.1, b

1)
Institut für Spanende Fertigung, Technische Universität Dortmund, Baroper Str. 303, 44227 Dortmund

a) oezkaya@isf.de; b) biermann@isf.de

Kurzfassung

Bohrer werden insbesondere beim Bearbeiten von schwer zerspanbaren Werkstoffen mit Innenkühlkanälen ausgestattet. Der Kühlschmierstoff (KSS) soll dadurch möglichst nah an die Schneiden herangeführt werden, um den hohen thermischen Belastungen entgegenzuwirken. Wegen der unzugänglichen Stellen und der komplexen Werkzeuggestalt lässt sich die Kühlschmierstoffverteilung experimentell jedoch nicht untersuchen. Da hier die Maßnahmen für Messungen an ihre Grenzen stoßen, stellt die Computational Fluid Dynamics (CFD) eine gute Lösung dar. In diesem Beitrag wird eine Methodik vorgestellt, die es ermöglicht, das Strömungsverhalten unter Berücksichtigung der Spanbildung zu analysieren, was zu einem tieferen Prozessverständnis führt. Die Spanbildungssimulation mithilfe der Finite Element Methode (FEM) wurde hierzu mit der CFD Strömungssimulation kombiniert und ermöglichte, einen dreidimensionalen Lösungsansatz zu entwickeln, mit dem ohne relevante Datenverluste die beiden unterschiedlichen Schnittstellen verbunden werden können. Entgegen bisheriger Annahmen zeigen die Ergebnisse, dass im Bereich unterhalb des Spans und im Rücklauf des Innenkühlkanals eine starke turbulente Strömung herrscht und zudem der KSS kaum an die Hauptschneiden herangeführt wird.

Drills are equipped with internal coolant channels, especially when machining hart-to-cut materials. Therefore, the coolant lubricant should be guided towards the cutting edges, so that the thermal loads can be reduced accordingly. Due to the tool’s geometric inaccessibility resulting from the complex tool shape, the distribution of the coolant lubricant cannot be investigated experimentally. Since modern measurement instruments reach their limits, the Computational Fluid Dynamics (CFD) simulation is a good solution. In this paper a methodic is presented, which allows the analysis of the fluid behavior with consideration of the chip formation, so that a deeper process knowledge can be achieved. Hereby, the chip formation simulation calculated by using the Finite Element Method (FEM) was combined with a CFD simulation to consider the coolant lubricant’s effect. It became possible, to develop a three-dimensional approach, so that the two different interfaces could be merged without any relevant data losses. Devaluating previous assumptions, the results show that in the area below the chip and in the return flow zone of the internal coolant channel, a high turbulence could be observed, confirming that coolant lubricant is marginally guided to the main cutting edges.

Schlüsselwörter

DE Computational Fluid Dynamics (CFD), FEM-Spanbildungssimulation, Strömungs-Struktur-Kopplung - EN Computational Fluid Dynamics (CFD), FEM chip simulation, Fluid-Structure-Interface

Veröffentlichung

NAFEM, 2 (2017) 42, S. 57-69, ISSN 2311-522X