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2022
Journal Article
Titel
Approach for multiscale modeling the thermomechanical tool load in gear hobbing
Alternative
Ansatz zur Mehrskalenmodellierung der thermomechanischen Werkzeugbelastung beim Wälzfräsen
Abstract
In this report, an approach is presented how a geometric penetration calculation can be combined with FE simulations to a multiscale model, which allows an efficient determination of the thermomechanical load in gear hobbing. FE simulations of the linear-orthogonal cut are used to derive approximate equations for calculating the cutting force and the rake face temperature. The hobbing process is then simulated with a geometric penetration calculation and uncut chip geometries are determined for each generating position. The uncut chip geometries serve as input variables for the derived equations, which are solved at each point of the cutting edge for each generating position. The cutting force is scaled according to the established procedure of discrete addition of the forces along the cutting edge over all individual cross-section elements. For the calculation of the temperature, an approach is presented how to consider a variable chip thickness profile. Based on this, the temperature distribution on the rake face is calculated. The model is verified on the one hand by cutting force measurements in machining trials and on the other hand by an FE simulation of a full engagement of a hob tooth.
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In diesem Bericht wird ein Ansatz vorgestellt, wie eine geometrische Durchdringungsrechnung mit FE-Simulationen zu einem Mehrskalenmodell kombiniert werden kann, welches eine effiziente Ermittlung der thermomechanischen Belastung beim Wälzfräsen ermöglicht. Aus FE-Simulationen des Linear-Orthogonalschnitts werden Näherungsgleichungen zur Berechnung der Schnittkraft und der Spanflächentemperatur abgeleitet. Anschließend wird der Wälzfräsprozess mit der geometrischen Durchdringungsrechnung simuliert und so die Spanungskenngrößen für jede Wälzstellung ermittelt. Die Spanungskenngrößen dienen als Eingangsgrößen für die abgeleiteten Gleichungen, welche an jedem Punkt der Schneidkante für jede Wälzstellung gelöst werden. Die Zerspankraft wird nach dem etablierten Verfahren der diskreten Addition der Kräfte entlang der Schneidkante über alle einzelnen Querschnittselemente skaliert. Für die Berechnung der Temperatur wird ein Ansatz zur Berücksichtigung eines variablen Spanungsdickenverlaufs vorgestellt. Darauf aufbauend wird die Temperaturverteilung auf der Spanfläche berechnet. Das Modell wird einerseits durch Kraftmessungen in Zerspanversuchen und andererseits durch eine FE-Simulation eines vollen Eingriffs eines Wälzfräserzahns verifiziert.