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2009
Journal Article
Titel
Thermische Analyse des Bohrprozesses
Titel Supplements
Simulation und Optimierung des in das Bohrbauteil induzierten Wärmestroms
Alternative
Thermal analysis of the drilling process. Simulation and optimization of heat fluxes in the workpiece
Abstract
Um eine Verbesserung der Genauigkeit von Bohrungen zu erreichen, wurde ein thermisches FEM-Modell für die Ermittlung der transienten Temperaturen an einem realen Werkstück entwickelt. Dieses Modell gestattet die mathematische Beschreibung der quantitativen und qualitativen Verteilung des Wärmestroms beim Bohren. Die klassische Bestimmung der vom Werkstück aufgenommenen Wärmemenge wurde bislang in vielen Arbeiten iterativ durchgeführt. Dabei wurde die bei der FEM-Berechnung zugrundegelegte Wärmemenge solange variiert, bis die berechneten Temperaturfelder mit den gemessenen übereinstimmten. Die Genauigkeit dieser Methode ist jedoch durch den iterativen Abgleich der Simulation mit der Temperaturmessung begrenzt. Außerdem betrachtet die Vorgehensweise nicht die Änderung der Wärmeamplitude bezüglich Zeit und Position, obgleich diese genaue Aussagen über die thermischen Randbedingungen ermöglicht. Für die Untersuchung von Werkzeugverschleiß und Werkstückverformung spielt die exakte Bestimmung der thermischen Bedingungen jedoch eine entscheidende Rolle. Im Beitrag wird das Wärmeleitungsproblem im Werkstück definiert. Der Unterschied zwischen den einzelnen Entwurfsvariablen oder Wärmeströmen entlang der Bohrtiefe steigt mit erhöhten Vorschubgeschwindigkeiten. Bei konstanter Vorschubgeschwindigkeit und mit steigender Bohrtiefe nimmt die in das Bauteil induzierte Wärme ab. Grund dafür ist die erhöhte Wärmeaufnahme durch das Werkzeug. Die Amplitude der Wärmeströme steigt mit erhöhter Vorschubgeschwindigkeit. Obwohl die Dauer der thermischen Belastung bei größeren Vorschüben kürzer ist, steigt aufgrund des erhöhten Energieeintrags die Amplitude der Wärmeströme. Im FE-Modell ist zu erkennen, dass die Eindringtiefe der Wärme bei niedrigen Vorschubgeschwindigkeiten zunimmt. Dennoch sind die Maximaltemperaturen an der Schnittstelle Werkstück-Werkzeug deutlich niedriger. Die Beschreibung der Wärmequelle wird anschließend in einer thermo-elastischen Simulation zum Berechnen des thermischen Verzugs von Bauteilen und zur Optimierung des Wärmestroms angewendet werden.