Fraunhofer-Institut für Produktionsanlagen und Konstruktionstechnik IPK

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Investigations on the adjustment of the modelling section in 2D simulations of milling processes

2009 , Uhlmann, E. , Mattes, A. , Graf von der Schulenburg, M. , Gerstenberger, R.

Conducting 3D simulation of milling processes still causes high efforts. There, only small workpiece sections can be modelled so far, instead of the entire contact width. Approaches using 2D simulation pose an interesting alternative. Here, the two-dimensional perspective is gained by dividing the workpiece into different sections perpendicular to the feed rate. This, however, requires a modelling approach that covers arbitrary contact widths along with a high mesh density in the area of chip formation. Automatically adjusting the modelling section hereby helps to model contact width up to 180° by segmentally simulating the rotation of the milling cutter. This paper presents the investigations on the effect of the most important parameters which influence sufficiently accurate computation of the equivalent cutting forces as in conventional 2D simulation models using the software DEFORM 2D.

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Optimizing the feed velocity of NC-tool paths

2007 , Uhlmann, E. , Mattes, A.

In recent years various simulation tools with which the feed velocity can be optimized have been developed for an efficient milling of complex components. Hitherto, the material removal rate has been calculated and the respective commands in the NC-program have been adapted. Further approaches include the mechanical tool load which is determined analytically. Equally, the material removal rate has a significant influence on the thermal tool load. This paper describes an approach with which both the mechanical as well as the thermal load is calculated for a given NC-tool path. If a certain value is overstepped, the feed velocity is reduced respectively. As a result the feed velocity is optimally adjusted to the engagement conditions. In addition, the calculation of the wear is carried out. In cutting experiments with Ck45 and Inconef718 it was possible to reduce the primary processing time significantly. Furthermore, regarding Ck45 it was possible to predict the wear with a small fault tolerance. Concerning that NC-speed already assures a maximum economy of time for machining of 20 % compared to a not optimized NC-Code, this clarifies the achieved results. Against this background it seems not negative at all, that the tool wear is not reduced through the integration of technology inside the optimization, Furthermore it has to be stated positively that the tool wear does not rise despite the significant decreased machining time. Another objective of the cutting experiment was the verification of the calculated tool wear with the measured one. It may declared, that the results are in good agreement for the fourth and the fifth section of the cutting edge. However, generally the cutting experiment shows that a prediction of the tool wear is possible with a sufficient accuracy for deciding if a tool change is necessary or not. Thus the achieved benefit may help to improve the process reliability and reduce the tool costs. Entnommen aus TEMA

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Spanbildungssimulation bei der Prozessanalyse

2006 , Uhlmann, E. , Mattes, A.

Für optimierte Fertigungsabläufe mit geometrisch bestimmter Schneide werden immer noch überwiegend Analyseverfahren eingesetzt, die nicht computergestützt sind. Manche Messgrößen, wie beispielsweise die Temperaturen in der Spanbildungszone, sind aber schwer zu erfassen, was den Aufwand drastisch vergrößert. Neuere Programme zur Spanbildungssimulation mit Hilfe der methode der Finiten Elemente (FEM) können hier Kosten senken. Sie analysieren die thermische und mechanische Werkzeugbelastung und geben Hinweise zur optimalen Vorgehensweise (Werkzeugwahl, Schneidengeometrie, Spanwinkel, Spanumlenkung, Schnitttiefe, Schnittgeschwindigkeit). Es werden die Grundlagen und Vorgehensweisen der Fertigungssimulation betrachtet und anhand eines praktischen Beispiels aus der Automobilindustrie wird gezeigt, wie die Ergebnisse Einfluss auf die Produktion nehmen.

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Entwicklung leistungsfähiger Zerspanungstechnologien

2008 , Uhlmann, E. , Byrne, F. , Oyanedel-Fuentes, J.A. , Gerstenberger, R. , Graf von der Schulenburg, M. , König, J. , Mattes, A. , Richarz, S. , Roeder, M.

Der Beitrag stellt Aktivitätsfelder im Bereich der Zerspanungstechnik an einem von der Fraunhofer-Gesellschaft und der TU Berlin gemeinsam betriebenen Entwicklungszentrum vor. Kapitelüberschriften: neue Entwicklungen zur Zerspanung gehärteter Stähle; geometrische Modifikation von Diamant-Schneideinsätzen mit Laserstrahlen; Entwicklung und Einsatz superdünner Dünnschichtsysteme im Zerspanungswerkzeugen; Analyse der Zerspanbarkeit von partikelverstärkten Titanlegierungen; Modellierung von Größeneffekten bei der Zerspanung von Verbundwerkstoffen. Die Ausführungen werden durch Fotos von Anlagen und mikroskpischen Strukturen sowie durch tabellarische Ergebnisse ergänzt. Entnommen aus TEMA

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Investigations on the adjustment of the modeling section in 2D simulation of milling processes

2007 , Uhlmann, E. , Mattes, A. , Zettier, R. , Graf von der Schulenburg, M.

Conducting 3D simulation of milling processes still causes high efforts. There, only small workpiece sections can be modeled so far, instead of the entire contact width. Approaches using 2D simulation pose an interesting alternative. Here, the two-dimensional perspective is gained by dividing the workpiece into different sections perpendicular to the feed rate. This, however, requires a modeling approach that covers arbitrary contact widths along with a high mesh density in the area of chip formation. Automatically adjusting the modeling section hereby helps to model contact width up to 180 deg by segmentally simulating the rotation of the milling cutter. The paper presents the investigations on the effect of the most important parameters which influence sufficiently accurate computation of the equivalent cutting forces as in conventional 2D simulation models using the software DEFORM 2D. The operational reliability of the model was verified by a newly conducted simulation conducted using the new simulation model, with which the points in time of the adjustments for a model section were not recognizable at the cutting force distribution. In addition a realistic cutting force plot for milling operation was realised and the stress occurring at the end of a workpiece section could be held on a constant level. Undesired variations compared to simulations without adjustment of the modelling sections were limited on an area behind the tip of the cutting wedge. There, risings in stress occur inside the workpiece after modifications of the model. An influence on the cutting force however was not observable. Thus, the new simulation model accomplishes the requirements for the simulation of long cutting distances at reduced computing time. However, further studies will have to show, how applicable these results are for other simulation parameters. Entnommen aus TEMA

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Simulation der Zerspanung mit Hilfe der Finite-Elemente-Methode

2006 , Uhlmann, E. , Mattes, A. , Jost, P.

Innerhalb der Großserienfertigung von Fahrwerkskomponenten im Werk Kassel von DaimlerChrysler tritt beim Formdrehen eines rotationssymmetrischen, geschmiedeten Bauteils ein Bruch der Schneidenspitze während des Erhöhens der Schnitttiefe um 165 % auf. Als Lösungsansatz ist der Einsatz einer anderen Schneidplatte mit zäheren Materialeigenschaften vorgesehen. Der Unterschied beider Platten besteht in der Spanleitgeometrie und dem Kobaltgehalt des Hartmetallverbundwerkstoffs. Unter Verwendung der FE- Spanbildungssimulation soll geklärt werden, ob die Zähigkeit als einziges Kriterium für die Beurteilung der Festigkeit ausreichend ist. Bei der Spanbildungssimulation besteht das Werkstück aus einem Ausschnitt der Welle. Dem Werkstück werden die Materialeigenschaften von Cf53 zugewiesen. Als Werkzeug wurde die Wendeschneidplatte direkt als CAD-Datensatz eingefügt und zunächst als Starrkörper modelliert. Sie erhält lediglich die Schnittgeschwindigkeit als Randbedingung aufgeprägt. In der 2. Simulation wird das Werkstück gelöscht. Am Werkzeug wird die Randbedingung der Schnittgeschwindigkeit durch die Randbedingung der Kontaktpunkte mit dem Werkzeughalter ersetzt und die Starrkörpereigenschaften durch die Materialeigenschaften des jeweiligen Substrats ausgetauscht. Dabei zeigt sich, dass die unterschiedlichen E- Moduln keinen Einfluss auf die berechneten Maximalspannungen haben. Anschließend werden die Spannungen nach der Normalspannungshypothese bestimmt. Als Simulationssoftware kommt das Programm >Deform-3D< von Scientific Forming Technologies Corporation zum Einsatz. Die Berechnung dauert zwischen 10 h und 15 h. Die Zeit zur Berechnung der Simulation der Normalspannungen beträgt < 5 min. Es ist zu erkennen, dass ab einer Schnitttiefenerhöhung um 80 % bei der originalen Auflagefläche die Biegefestigkeiten beider Substrate weit überschritten werden. Somit ist ein Bruch nicht mehr auszuschließen. Eine nur einseitig verwendbare Schneidplatte hält auch einer Schnitttiefenerhöhung um bis zu 165 % stand. Dies führt zu dem Schluss, dass die 2. Wendeschneidplatte wegen des geometrischen Querschnitts höhere Normalspannungen an der Oberfläche aufweist, obwohl sie aufgrund ihres größeren Kobaltgehalts eine höhere Zähigkeit besitzt. Der Einfluss des höheren Kobaltgehalts bei der Wendeschneidplatte 2 auf eine Verringerung der Bruchanfälligkeit sollte deshalb nicht als einziges Kriterium Berücksichtigung finden.

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Innovative Zerspantechnologien für die Optimierung von Produktionsprozessen

2007 , Uhlmann, E. , König, J. , Mattes, A. , Richarz, S. , Roeder, M. , Graf von der Schulenburg, M.

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Laser processing of ultra-hard cutting materials

2007 , Uhlmann, E. , Mattes, A.

Ultra-hard cutting materials such as polycristalline diamond with binder phase (PCD) as well as CVD diamond are currently used in all areas of industrial production. Often the hardness of these cutting materials is necessary to enable the machining of advanced materials which are difficult to cut. The objective of the project presented in the paper is to make efficient techniques for processing ultra-hard cutting materials available by developing and applying an economical and environmentally friendly laser technology. The focus of the project lies on examining the interrelation between the laser beam and the cutting material in order to establish the technological basics of the laser processing of ultra-hard cutting materials. In addition, the defined processing of the surfaces and the edges of the tools shall optimize the tool characteristics. Based on the data gathered in these investigations, tools made from ultra-hard cutting materials are processed for cutting experiments. On the basis of the final cutting experiments the laser processing undertaken is evaluated. Entnommen aus TEMA

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