Wärmeübertragung an Fugenkontakten am Beispiel spanender Werkzeuge

Im Zerspanungsprozess wird der überwiegende Teil der eingebrachten Energie in Wärme umgesetzt, die sowohl das Werkzeug als auch das in der Maschine eingespannte Werkstück erwärmt. Ein Teil der Wärme wird über das Werkzeug und die Werkzeugeinspannung in die Spindel abgeleitet, ein weiterer durch evtl. vorhandene Kühlmittel aufgenommen und durch heiße Späne abtransportiert bzw. im Arbeitsraum verteilt. Die ins Werkstück eingeleitete und nicht wieder abgespante Wärme wird durch Wärmeleitung in die Werkstückvorrichtung und das Maschinenbett übertragen. Die Erwärmung von Werkzeug und Werkstück und der an sie angrenzenden Bauteile führt zu thermoelastischen Verformungen. Die Kompensation bzw. Korrektur dadurch bedingter Maß- und Formabweichungen erfordert genaue Kenntnisse der Wärmeverteilung. Neben der Wärmeleitung in den Bauteilen und dem Wärmeübergang zur Umgebung bzw. den Kühlmedien wird die Wärmeausbreitung in einem hohen Maße durch die Fugen zwischen einzelnen Komponenten von Werkzeug und Vorrichtung sowie den Spannflächen an Spindel und Maschinentisch bestimmt. Das Ziel des Teilprojektes B02 ist eine Quantifizierung des Wärmeübergangs an spezifischen Fügestellen einer typischen Werkzeugmaschine und die Entwicklung valider Wärmeübergangsmodelle. Hierzu werden Wärmeübergangskoeffizienten experimentell ermittelt. Zwei quaderförmige Proben werden mit bekannter Rauigkeit und unterschiedlichen homogenen Anfangstemperaturen unter vorgegebener Kraft aufeinander gedrückt. Eine Infrarot-Kamera erfasst die Temperaturänderungen beider Proben, wodurch anschließend eine Berechnung des Kontaktwiderstands möglich wird. Daraus werden Beschreibungsansätze für den Wärmeübergang in Abhängigkeit der relevanten Parameter entwickelt. Diese Ansätze sind eine notwendige Voraussetzung für die Berücksichtigung dieser Kontaktwiderstände in FE-Simulationen des thermo-energetischen Verhaltens. Das Teilprojekt A01 befasst sich mit dem thermo-energetischen Verhalten von Werkzeug und Werkstück in ihren Einspannungen und den Auswirkungen auf die Arbeitsgenauigkeit des Zerspanungsprozesses, wobei eine Kombination von Experiment und numerischer Simulation der thermo-energetischen Prozesse und der resultierenden Deformationen an Werkzeug und Werkstück verfolgt wird. Dazu dient eine speziell entwickelte Versuchseinrichtung, in der Werkzeuge und Vorrichtungen hinsichtlich der Wärmeausbreitung als auch der Deformationen untersucht werden können. Parallel zu den Experimenten dienen Strömungsmodelle der Werkzeugumgebung auf Basis der CFD (Computational Fluid Dynamics) zur Analyse der Umströmung stehender und rotierender Werkzeuge sowie der Vorrichtungsteile. Weiterhin werden Modelle des Wärmeüberganges zwischen einzelnen Komponenten, der Umgebung und den strömenden Medien zur inneren und äußeren Kühlung entwickelt. Die Simulation der Wärmeausbreitung in den Bauteilen und der daraus resultierenden Verformungen erfolgt mit der FEM (Finiten-Elemente-Methode) unter besonderer Betrachtung der Schnittstellen und Trennfugen, z. B. der Einspannung des Werkzeuges in verschiedene Spannfutter. Für die Kopplung der aus der Strömungssimulation zu ermittelnden thermischen Randbedingungen zur thermoelastischen Bauteilberechnung sind Programmschnittstellen zu entwickeln. Im Vortrag werden beide Versuchsstände mit ersten Messergebnissen vorgestellt. Dargelegt werden weiterhin die Modellhierarchie sowie die Schnittstellen, und es werden erste Simulationen in Verbindung mit experimentellen Ergebnissen gezeigt.