Intelligent produzieren || Untersuchung der thermischen Wirkungen beim orthogonalen Zerspanen

Untersuchung der thermischen Wirkungen beim orthogonalen Zerspanen

Dr. Sc. M. Storchak, Dr.-Ing. T. Stehle

Institut für Werkzeugmaschinen, Universität Stuttgart Dr. Michael Storchak Dr. Thomas Stehle

Dr. Sc. Michael Storchak, geb. 1952, studierte bis 1974 Maschinenbau an der Technischen Universität Kirowograd/Ukraine. 1984 promovierte und 1994 habilitierte er während seiner Tätigkeit am Institut für Superharte Materialien der Nationalen Akademie der Ukraine in Kiew. Seit 1998 ist er akademischer Mitarbeiter des Instituts für Werkzeugmaschinen (IfW) der Universität Stuttgart. Seine Schwerpunkte liegen im Bereich der Untersuchung, Auslegung, Modellbildung und Verifikation von Zerspanprozessen sowie der experimentellen und simulativen Untersuchung des statisch-dynamischen und thermischen Verhaltens von Werkzeugmaschinen.

Dr.-Ing. Thomas Stehle, geb. am 01.02.1962, studierte bis 1989 Allgemeiner Maschinenbau an der Universität Stuttgart mit den Schwerpunkten Werkzeugmaschinen und Kunststoffkunde. Von 1989 bis 1992 war er wissenschaftlicher Mitarbeiter im Institut für Werkzeugmaschinen (IfW) der Universität Stuttgart im Bereich der Maschinenuntersuchung und seit 1992 nimmt er die Funktion des Oberingenieurs im selben Institut wahr. 1998 promovierte er auf dem Gebiet des thermischen Verhaltens von Werkzeugmaschinen. Neben seinen Aufgaben als Oberingenieur hinsichtlich der Projektakquisition sowohl im Bereich der Grundlagenforschung als auch in der angewandten Forschung sowie der fachlichen, finanziellen und personellen Verwaltung der laufenden Forschungsvorhaben ist Dr. Stehle auch intensiv in den Lehrtätigkeiten des Instituts eingebunden. Seine aktuellen Forschungsschwerpunkte liegen im Bereich der Wechselwirkungen des thermischen und dynamischen Verhaltens von Werkzeugmaschinenstrukturen im Zusammenwirken mit dem zugrunde liegenden Zerspanprozess.

Der vorliegende Artikel behandelt Ergebnisse von theoretischen und experimen-tellen Untersuchungen über die thermischen Einflüsse auf das Verhalten der betei-ligten Maschinenstruktur und der Zerspantemperatur in den primären, sekundären und tertiären Zerspanzonen beim orthogonalen Zerspanen. Die mit Hilfe der FE-Methode des Programms „ANSYS“ gewonnenen Simulationsergebnisse werden

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mit den ermittelten experimentellen Daten verglichen und verifiziert. Die Ermitt-lung der Zerspantemperaturen erfolgte mittels halbkünstlicher Thermopaare, wo-bei entweder das Werkstück oder das Werkzeug einen Schenkel des Thermopaars bildet. Die Ergebnisse können sowohl als Hilfsmittel für das Konstruieren und Auslegen der Zerspanwerkzeuge als auch für die Untersuchung der Zerspanpro-zesse im Allgemeinen eingesetzt werden. Die beschriebenen Arbeiten wurden im Vorhaben „Entwicklung und experimentelle Verifikation eines Simulationstools für die Prognose und Beeinflussung der dynamischen und thermischen Wechsel-wirkungsprozesse beim Zerspanen“ durchgeführt, welches im Rahmen des Schwerpunktprogramms 1180 Prognose und Beeinflussung der Wechselwirkungen von Strukturen und Prozessen (ProWeSP) von der Deutschen Forschungsgemein-schaft DFG gefördert wird.

Einführung

In den bisher bekannt gewordenen Untersuchungen zur gekoppelten Simulation der Wechselwirkungen zwischen der mechanischen Struktur einer Werkzeugma-schine und dem zugrunde liegenden Bearbeitungsprozess wurden lediglich die sta-tisch-dynamischen Wechselwirkungsprozesse berücksichtigt. Die thermischen Prozesse, die aber einen wesentlichen Einfluss sowohl auf die mechanische Struk-tur der Maschine als auch auf den Bearbeitungsprozess selbst ausüben, wurden dabei nicht berücksichtigt. Im vorliegenden Artikel werden experimentelle und simulative Untersuchungen zur Ermittlung bzw. Berücksichtigung der thermi-schen Einflüsse auf die Maschinenstruktur an einem exemplarischen Versuchs-stand vorgestellt. Die Untersuchungen dienen als Basis für die anschließende ge-koppelte Simulation zwischen dem dynamisch-thermischen Strukturverhalten der Werkzeugmaschine einerseits sowie dem Zerspanprozess andererseits.

Aufgrund der plastischen Verformung des zu bearbeitenden Werkstoffs sowie durch Trenn- und Reibvorgänge in den jeweiligen Zerspanzonen kommt es bei Bearbeitungsprozessen zur Erwärmung des abgetrennten Spans, des Werkzeugs, des Bauteils und der Umgebung. Die Erwärmung stellt dabei einen Grenzwert dar, der die Produktivität des Bearbeitungsprozesses begrenzt und eine erhebliche Wirkung auf die Qualität und Genauigkeit der zu zerspanenden Bauteile ausübt. Dieser Einfluss macht sich insbesondere bei der Optimierung, d.h. meistens bei der Maximierung der Schnittparameter, sowie bei der Bearbeitung von Werkstof-fen mit hohen mechanischen Eigenschaften bzw. hochlegierten Metallen bemerk-bar. Dadurch ergibt sich die Notwendigkeit einer angepassten Steuerung bzw. Auslegung der thermischen Prozesse, die in den Zerspanzonen bei der Bearbei-tung stattfinden, vor allem bei automatisierten Fertigungsabläufen, zur Aufrecht-erhaltung der Prozesssicherheit und zur Gewährleistung der geforderten Genauig-keit und Form der zu bearbeitenden Bauteile während des Prozessverlaufs. Derartige Anforderungen setzen jedoch die Bestimmung der Zerspantemperaturen voraus, was u. a. Gegenstand des vorliegenden Artikels ist.

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Stand der Technik

Thermisches Verhalten von Werkzeugmaschinen

Erste wissenschaftliche Untersuchungen zum thermischen Verhalten von Ferti-gungsmaschinen wurden bereits im Jahre 1920 durchgeführt. Mit den Arbeiten zu Beginn der 50er Jahre des letzten Jahrhunderts gewann die Thematik bei Werk-zeugmaschinen mehr an Bedeutung und ist bis heute Gegenstand zahlreicher wis-senschaftlicher, aber auch anwendungsorientierter Untersuchungen. Ziel dieser Entwicklungen war es stets, die Auswirkungen der thermischen Randbedingungen zu minimieren und auf diesem Wege die Genauigkeit der Fertigungsmaschinen zu erhöhen.

Eine umfassende Darstellung über die das thermische Verhalten von Werk-zeugmaschinen bestimmenden Störgrößen, die herrschenden Wirkzusammenhän-ge und die Möglichkeiten zur Verringerung der Störgrößen [6], [22] sowie ein ers-ter allgemeiner Überblick über Kompensationsmöglichkeiten [49], [50] wurde Mitte und Ende der 70er Jahre zusammengefasst. 1990 und 1995 wurden im Rah-men von CIRP-Konferenzen der internationale Forschungsstand auf dem Gebiet thermischer Untersuchungen [4], [35] veröffentlicht.

Die meisten der genannten Arbeiten beziehen sich auf die Untersuchung des Einflusses innerer Wärmequellen auf das thermische Verhalten von Werkzeugma-schinen. Bei Maschinen kleinerer Baugröße sind als Ursache für eine thermische Belastung vor allem maschineninterne Wärmequellen anzusehen. Äußere Wärme-quellen machen sich dagegen vor allem bei Großwerkzeugmaschinen bemerkbar, die aufgrund ihrer Baugröße bereits auf geringe Temperaturunterschiede mit zum Teil erheblichen Verformungen reagieren [17], [57]. Untersuchungen zum Ein-fluss von äußeren Wärmequellen auf das thermische Verhalten von Werkzeugma-schinen sind u.a. in [51], [56] dargestellt.

Die Fortschritte im Bereich der Konstruktion stoßen jedoch oftmals an die Grenzen der Wirtschaftlichkeit und des technisch Machbaren. Aus diesen Gründen wurden in den vergangenen Jahren große Anstrengungen im Bereich der steue-rungsbasierten Kompensation von thermisch bedingten Verformungen und Verla-gerungen entwickelt, welche sich in korrelative, eigenschaftsbasierte und struktur-basierte Modelle unterteilen lassen, z.B. [15].

Die Korrekturwerte für Kompensationssteuerungen wurden hauptsächlich mit Hilfe von Regressionsmodellen unterschiedlicher Komplexität und durch experi-mentelle Untersuchungen bestimmt. Diese Werte gelten hierbei nur für den je-weils untersuchten Werkzeugmaschinentyp und die dem Versuchsablauf zugrun-deliegenden Bedingungen. Die Varianten reichen von einer aus dem Vergleich gewonnenen, verlagerungsproportionalen Temperaturmessstelle [6], [28], der li-nearen Regression [26], bis hin zur multiplen Regression [1], [22], [42]. Die Dar-stellung durch Zusammenfassung der Messgrößen in Bezug auf die Relativverla-gerung in Matrizenform wurde in [58], [54] untersucht. Durch Erweiterung um eine direkte Erfassung der Verlagerungen mit Hilfe eines Messtasters kann die


Genauigkeit derartiger Systeme wesentlich verbessert werden [2], [24], [59]. In [8] wird eine Methode beschrieben, die Korrekturwerte mit Hilfe von online an der Maschinenstruktur gemessenen Temperaturwerten und eines FE-Modells strukturbasiert berechnen. [20] beschreibt eine Methode, den Wärmeeintrag von NC-Achsen objektorientiert an Hand der Stellung und Bewegung der einzelnen Achsen in einem Modell mit Hilfe der Simulationssoftware Dymola zu beschrei-ben, welches die berechneten Temperaturdaten anschließend mit einem FE-Modell koppelt.

Die Simulation von thermischen Vorgängen hat stets die Berechnung von Ver-lagerungen und Verformungen der Maschinenstrukturen auf Basis von Wärme-übertragungsmechanismen zur Zielsetzung. In [29], [47], [52] wurden numerische Modelle entwickelt, die die Leistungsverluste, unterschiedliche Arten der Kühlung sowie die Art der Betriebssituation berücksichtigen. Ein weiterer Schritt in der Entwicklung von Simulationsmodellen stellen Knotenpunktmodelle dar [14], [16], [36]. Hierbei erfolgt eine Untergliederung der Maschinenstruktur in einzelne Teil-abschnitte, deren spezifische Eigenschaften mit Hilfe von Parametern beschrieben werden können. Die Herausforderung hierbei liegt in der Ermittlung und Bestim-mung geeigneter Parameter [23], [43], [47]. Vorteil dieser Simulationsmodelle ist die zeitliche Auflösung der Wärmevorgänge, da die entsprechenden Temperaturen instationär berechnet werden können.

Auf Grund der gestiegenen Rechenleistungen heutiger Computer finden Simu-lationen auf Basis der Finiten-Elemente-Methode (FEM) immer weitere und um-fangreichere Anwendungsmöglichkeiten. Thermische belastungsorientierte FEM-Modelle stehen jedoch nach wie vor am Anfang ihrer Entwicklung. Herausforde-rungen stellen hauptsächlich rotierende und bewegte Bauteile, Bauteilschnittstel-len, die Ermittlung und Bestimmung der signifikanten Parameter sowie die Ent-wicklung geeigneter Bausteine und Vereinfachungsmaßnahmen für die unterschiedlichen thermischen Effekte dar. In [40] werden Modellreduktionen als weitere, notwendige Maßnahmen für die Entwicklung von thermischen FEM-Modellen dargestellt. [41], [60], [61] zeigen in diesem Zusammenhang eine mög-liche Herangehensweise an die thermische Simulation von Werkzeugmaschinen-komponenten am Beispiel der bestehenden Potentiale im Bereich der Lager- und Führungstechnik. Besonderes Augenmerk wurde hier auf Methoden zur Simulati-on von internen Schnittstellen und die Ermittlung der hierfür nötigen Parameter gelegt. Inwiefern diese Methoden auf komplexe Maschinenkomponenten, bis hin zu einem Gesamtmaschinenkonzept anzuwenden sind, ist jedoch noch zu untersu-chen. Im Gegensatz zu dynamischen Betrachtungen, bei denen durch die Anwen-dung von Sensitivitätsanalysen bereits Verbesserungen an z.B. Parallelkinematik-maschinen oder Kugelgewindetrieben erzielt wurden [11], sind Arbeiten zur thermischen Simulation von Wärmequellen und Schnittstellen innerhalb von kom-plexen Maschinenstrukturen mit Hilfe der Sensitivitätsanalyse und der Entwick-lung von Simulationsbausteinen jedoch bisher noch nicht bekannt geworden.


Instationäre Simulationen auf Basis von FEM sind bislang nur im Bereich der Modellierung von Temperatur- und Wärmevorgängen während eines Bohrprozes-ses und dessen Folgebearbeitungen innerhalb des Werkstückes in [9], [62] be-schrieben. Im Unterschied hierzu befinden sich die Entwicklungen zu standardi-sierten Modulen für die Simulation von Vorschubachsen und deren Schnittstellen sowie die Optimierung der notwendigen Reduktion der Elementeanzahl und von Sensitivitätsanalysen hinsichtlich des Berechnungs- und Erstellungsaufwands erst am Anfang. In [3] wird hierzu eine Möglichkeit beschrieben, FEM-Modelle zur Simulation des Systems Werkzeugmaschine, Antriebe und Zerspanprozess, insbe-sondere die Schwingungssimulation einer Vorschubachse, durch eine Ordnungs-reduktion der entstehenden FEM-Differentialgleichungssysteme zu vereinfachen.

Untersuchung der Temperaturen beim Zerspanen

Für die experimentelle Erfassung der Temperaturen beim Zerspanen werden die unterschiedlichsten Methoden und Techniken eingesetzt. Eine mögliche Methode besteht in der Nutzung von Temperaturmessfarben (auch thermochromatische Farben oder Thermochromfarben genannt) mit Hilfe spezieller Beschichtungs-werkstoffe, die Temperaturveränderungen durch Farbumschlag beziehungsweise Farbtonveränderung anzeigen [46]. Eine derartige Temperaturmessung ist aber bei den derzeit üblichen Schnittgeschwindigkeiten nicht möglich, da die Zeit für das Erreichen eines für die Messung notwendigen thermisch stationären Zustandes länger ist als die Prozessdauer selbst. Die aktuell häufig angewendeten Methoden unterteilen sich in thermoelektrische und Strahlungsmessmethoden [39]. Den thermoelektrischen Messverfahren liegt der Seebeck-Effekt zugrunde [21]. Zu den weit verbreiteten thermoelektrischen Methoden gehören die in das Messobjekt zu integrierenden Thermoelemente, die sich in Form von gekapselten Thermopaaren, Mantelthermoelementen und Eindrahtthermoelementen unterscheiden [39], sowie die sogenannten Werkzeug-Werkstück-Thermoelemente [53]. Die erst genannte Messmethode besitzt eine relativ geringe zeitliche Auflösung, ist aber mit der Schwierigkeit der Einbringung des Thermoelements direkt in die Zerspanzone verbunden. Eine Ausnahme stellen die Eindrahtthermoelemente dar, die relativ leicht in der sekundären Zerspanzone angebracht werden können [31]. Das Haupt-problem bei diesem sowie beim Werkzeug-Werkstück-Thermoelement-Messverfahren stellt die Kalibrierung der Messkette dar. Daher sind diese Mess-methoden nicht so verbreitet. Auch soll an dieser Stelle erwähnt werden, dass bei der Anwendung der Werkzeug-Werkstück-Thermoelement-Methode eine mittlere Zerspantemperatur in der Kontaktzone gemessen wird [39].

Die Messung der Zerspantemperaturen mit den Strahlungsmessmethoden Py-rometrie und Thermographie hat in der letzten Zeit enorm an Bedeutung gewon-nen. Unter Pyrometrie versteht man eine berührungslose Bestimmung der absolu-ten Temperatur über die Messung der Körpereigenstrahlung ohne räumliche Abtastung des Objektfelds [7]. Im Gegensatz dazu wird bei der Thermographie ein Bild der Temperaturverteilung bestimmt. Hier geht es um die Messung relativer


Temperaturunterschiede und nicht die absoluter Werte wie bei der Pyrometrie. Die Strahlungsmessmethoden besitzen grundsätzlich eine wesentlich höhere Zeitauflö-sung als die thermoelektrische Methode, wobei die Pyrometrie aufgrund ihres Prinzipaufbaus schneller als die Thermographie ist. Darüberhinaus handelt es sich hierbei um berührungslose Messmethoden, was eine wesentlich höhere Flexibilität der Messungen gewährleistet. Berührungslose Messmethoden weisen aber einen bestimmten Messfehler aufgrund einer sich in der freien Luft bildenden Schicht auf den zu messenden Oberflächen auf. Die Schicht verfälscht die Messergebnis-se, eine Kalibrierung ist nur mit großem Aufwand möglich.

Parallel mit der Entwicklung experimenteller Messmethoden zur Erfassung von Zerspantemperaturen werden aktuell auch umfangreiche Untersuchungen zur si-mulativen Bestimmung von Zerspantemperaturen durchgeführt. Die Entwicklung von unterschiedlichen Berechnungs- und Simulationsmethoden sowie ihrer An-wendungsprogramme, die in den achtziger und neunziger Jahren des vorherigen Jahrhunderts ihren Anfang nahm, gab einen weiteren Anstoß für die Modellierung von Zerspanprozessen. Unterschiedliche Berechnungsverfahren wie z.B. FDM - Finite Differenzen Methode, FEM - Finite Elemente Methode, BEM - Boundary Element Method und die DEM - Diskrete Elemente Methode sind das Ergebnis dieses Entwicklungsprozesses.

Bei der Anwendung numerischer Berechnungsverfahren wird überwiegend die Methode der Finiten Elemente herangezogen [25], [48], [63]. Einer der Hauptvor-teile dieser Methode ist die Möglichkeit, Deformations- und Geschwindigkeitsfel-der sowie Temperaturverteilungen und andere Größen in einem beliebigen Schnitt durch die Zerspanzone bestimmen zu können. Eine ausführliche Analyse des Ein-satzes der FEM für die Simulation von Zerspanprozessen wird in [33], [34] gege-ben. Seit Mitte der neunziger Jahre des vorigen Jahrhunderts wurden auch ther-momechanische bzw. thermo-elastisch-plastisch gekoppelte FEM-Zerspanmodelle entwickelt [5], [10], [18], [19], [30], [55], [64]. Die in dieser Zeit erarbeiteten Si-mulationsmodelle widmeten sich nicht nur dem elementaren orthogonalen Schnitt, sondern auch realen 3D-Bearbeitungsprozessen wie dem Bohren und Fräsen, siehe [11], [45].

Ermittlung der Wärmeflüsse in Zerspanprozessen

Wie bereits zuvor im Stand der Technik erwähnt, besteht das Hauptziel thermi-scher Betrachtungen generell in der Entwicklung einer allgemeingültigen Vorge-hensweise zur Untersuchung, Modellierung und Vorausbestimmung des thermi-schen Verhaltens einer Werkzeugmaschine in Abhängigkeit möglichst aller relevanten Wärmequellen mit Hilfe einer gekoppelten Simulation.

Zu untersuchen (experimentell und/oder simulativ) sind dabei die qualitativen und quantitativen Zusammenhänge zwischen den einzelnen thermischen Belas-tungsarten in Form von Wärmeflüssen – sowohl innerhalb der Maschine im Zu-sammenwirken mit dem Zerspanprozess als auch mit der Umgebung – und den


sich daraus einstellenden thermisch bedingten Verlagerungen und Verformungen. Abbildung 1 zeigt die auf Werkzeugmaschinen wirkenden inneren und äußeren Wärmequellen, die entsprechend ihrer Wirkungsweisen in Wirkungskomplexe aufgeteilt sind.

Bei den Komplexen 1 bis 4 handelt es sich um innere Wärmequellen, die auf-grund des durch Energieumwandlung entstehenden Wärmestroms auf den thermi-schen Grundzustand der Maschine wirken. Die inneren Wärmequellen unterteilen sich in Maschinenverluste, bestehend aus eingeschalteter Maschine in Lagerege-lung (Komplex 1), Antriebsverluste (Komplex 2) und Verluste durch Zusatzag-gregate für Kühlung bzw. Temperierung (Komplex 3). Der 4. Komplex der inne-ren Wärmequellen wird durch die bei einem Fertigungsprozess entstehenden Bearbeitungsverluste gebildet. Neben den inneren Wärmequellen üben auch äuße-re Wärmequellen durch einen Wärmestrom aus der Umgebung einen Einfluss auf den thermischen Grundzustand der Maschine aus. Die äußeren Wärmequellen werden unterteilt in Quellen mit Wärmeleitung durch molekulare Bewegung, be-stehend aus der die Maschine umgebenden Luftströmungen (Komplex 5) und der Erwärmung bzw. Abkühlung des umgebenden Raums (Komplex 6), und in Quel-len mit Wärmeleitung ohne Materie, d.h. Wärmestrahlung (Komplex 7).

Abb. 1 Einteilung der thermischen Störgrößen in Wirkungskomplexe


Bei der Ermittlung von Wärmeflüssen in der Maschinenstruktur und Wärmeüber-gängen mit der Umgebung besteht das Problem, das allen thermischen Untersu-chungen zugrunde liegt: der nicht möglichen eindeutigen Abgrenzung bzw. Unter-scheidung zwischen den einzelnen Wärmewirkungskomplexen. Soll beispielsweise der umgebende Raum auf einer konstanten Temperatur (z.B. mit Klimakammer) gehalten werden, so wird zur Abfuhr der von der Maschine abge-gebenen Wärmemenge ein bestimmter Luftdurchsatz benötigt, d.h. der wie in Ab-bildung 1 als Komplex 5 definierte Einfluss kann in seiner Wirkung auf die inne-ren Wärmequellen der Maschine nicht vernachlässigt werden. Dagegen würde das Nichtabführen der von der Maschine abgegebenen Wärmemenge unweigerlich zu einer Erwärmung der Umgebungstemperatur mit einer Wärmeflussrichtung von unten nach oben führen, was wiederum zu einer thermischen Beeinflussung der Maschine durch den umgebenden Raum führt. Erfolgt die Klimatisierung des um-gebenden Raumes nicht über die kontinuierliche Zufuhr neuer Luft mit konstanter Temperatur, sondern über Wärme- bzw. Kältestrahler, so steigt der Einfluss des Komplexes 7 in gleichem Maße wie sich der Einfluss der Komplexe 5 und 6 redu-ziert. Daraus lässt sich folgern, dass sich bei der Durchführung thermischer Unter-suchungen der Einfluss der äußeren Wärmequellen nie gänzlich ausschließen lässt, es besteht somit eine Art von thermischer makroskopischer Unschärfe.

Zielsetzung

Das Ziel thermischer Entwicklungen sind somit die Identifikation und mathemati-sche Beschreibung der thermischen Wechselwirkungen zwischen dem Zerspanprozess, der beteiligten Maschinenstruktur, des Werkzeugs und dem Werkstück. Ein hierfür notwendiges Simulationstools setzt sich aus drei zu ver-bindenden Modulen (gekoppelte Simulation) zusammen: ein Modul zur Simulati-on des dreidimensionalen Zerspanprozesses (z.B. auf Basis der Finiten Elemente Methode FEM oder der Diskreten Elemente Methode DEM), ein Modul zur Simu-lation des thermischen Verhaltens der mechanischen Struktur der Werkzeugma-schine und letztendlich das Koppelmodul, in dem die zuvor genannten Module zu einer einheitlichen Simulationsumgebung verbunden bzw. gekoppelt werden.

Versuchsaufbau und Versuchsdurchführung der experimentellen Untersu-chungen

Untersuchung des thermischen Verhaltens von Maschinenstrukturen

Die durchgeführten experimentellen Untersuchungen an der Struktur des Ver-suchsstandes hatten das Ziel, die Wärmeflüsse in der vorliegenden Maschinen-struktur sowie die thermischen Verlagerungen der einzelnen Bauteile zu erfassen. Die Wärmeflüsse wurden durch die Ermittlung der Temperaturänderungen in den Bauteilen und -gruppen bestimmt. Für die experimentelle Untersuchung der Wir-kung der Umgebungstemperatur auf die Wärmeflüsse in der Struktur wurde der Versuchsstand zusammen mit allen für die Untersuchungen benötigten Messmit-


teln in einer regelbaren Klimakammer untergebracht. Die Umgebungstemperatur wurde im Verlauf der Untersuchungen in einem Bereich von +14°C bis +36°C re-produzierbar variiert. Abbildung 2 zeigt die untersuchten Temperaturmesspunkte, wobei hier die aus thermischer Sicht kritischen Stellen gewählt wurden.

Abb. 2 Gewählte Temperaturmessstellen an der Versuchsstandsstruktur

Ein Überblick über den gewählten Messaufbau zur experimentellen Untersuchung der Wärmeflüsse in der mechanischen Struktur ist in Abbildung 3 a gegeben. Die beispielhafte Applikation eines Thermoelements an der mechanischen Struktur zeigt Abbildung 3 b. Es wurden Thermoelemente des Typs K verwendet.

a) b) Abb. 3 Ansicht des Messaufbaus a) und eines applizierten Thermoelements b)

Die thermisch bedingten Verlagerungen und Verformungen der einzelnen Bau-gruppen und der Teile der Maschinenstruktur wurden sowohl absolut als auch re-lativ gemessen. Gemäß Abbildung 4 a erfolgte die absolute Messung an einer Stel-le außerhalb des Versuchsaufbaus, Abbildung 4 b zeigt die Vorgehensweise der relativen Messung zwischen dem Werkzeug und dem Werkstückspannsystem.


Um Messfehler zu minimieren, erfolgte die Erfassung der absoluten und relativen Verlagerungen mit Hilfe von Stativkomponenten, Ständern und Spannkomponen-ten aus Invarstahl. Dieser Werkstoff besitzt einen wesentlich kleineren Wärme-ausdehnungskoeffizienten als andere metallische Werkstoffe. Die Messung der Verlagerungen erfolgte mit Wirbelstromaufnehmern.

a) b) Abb. 4 Aufbau zur Messung der absoluten a) und relativen b) thermisch bedingten Verlagerun-gen

Die Signalerfassung erfolgte mit einer im Messrechner eingebauten Multifunkti-onsmesskarte mit 32 Messkanälen des Typs „PCI-6071“ der Fa. National Instru-ments. Die softwareseitige Erfassung und Bearbeitung sowie die Steuerung und Auswertung der Signale wurde mittels eines unter der LabVIEW-Oberfläche 7.1 entwickelten Programmkomplexes realisiert, der aus zwei separat voneinander funktionierenden LabVIEW-Programmen besteht. Ein Programm dient der Erfas-sung und Visualisierung von Daten und das andere der statistischen Auswertung der Temperaturen und Verlagerungen. Zu den Hauptmerkmalen des Programms für die Erfassung und Visualisierung gehören die Wahlmöglichkeit der Triggerart, die Online-Beobachtung der gemessenen Signale und die Möglichkeit zum Spei-chern der erfassten Informationen im Textformat. Das Programm für die statisti-sche Auswertung besteht aus einem Leitprogramm und vier Unterprogrammen, die die Funktionen der Berechnung von statistischen Signalcharakteristiken, der Verschiebung der Messkurven in einen Ausgangspunkt und die notwendige Mat-rizentransformation enthält. Die Ausgabe der Daten erfolgt organisiert in Tabel-lenform für jedes Signal sowie für die zu einer Gruppe gehörenden Signale. Die berechneten Daten werden in einer Textdatei gespeichert.

Untersuchung der Temperatur in den Zerspanzonen

Die experimentellen Untersuchungen zur Ermittlung der Temperaturen in den primären, sekundären und tertiären Zerspanzonen wurden mithilfe halbkünstlicher Thermopaare durchgeführt, welche auf dem Seebeck-Effekt [13], [32] beruhen und somit zu der Methode der Eindrahtthermoelemente nach der Klassifizierung von [39] gehören. Insgesamt wurden zwei Methoden angewendet.


Mit der ersten Methode kann die Temperaturverteilung im Werkstück sowie im Span untersucht werden. Dabei bestand ein Schenkel des Thermopaars aus einem Konstantandraht, der andere Schenkel wurde durch den zu bearbeitenden Werk-stoff gebildet. Somit entsteht ein Thermoelement vom Typ J. Vor den eigentlichen Messungen wurden Konstantandrähte mit unterschiedlichen Durchmessern von 0,02 mm bis 0,1 mm hinsichtlich ihrer Eignung geprüft. Die besten Ergebnisse bzgl. ihrer Auflösung und Stabilität haben Drähte mit dem Durchmesser von 0,03 mm erbracht. Diese wurden letztendlich für die Untersuchungen eingesetzt. Das prinzipielle Schema dieser Messmethode ist in Abbildung 5 a gezeigt.

Gemäß des Schemas in Abbildung 5 a werden die Drähte mit Hilfe eines Kon-densatorschweißgeräts mit der Probe bzw. dem Werkstück verschweißt, wobei je-der einzelne Konstantanschenkel auf eine vorher bestimmte Höhe hi sowie Länge relativ zur Probengrenze platziert wird. Sind der genaue Messstart, welcher mit Hilfe eines Triggers bestimmt wird, und die Schnittgeschwindigkeit bekannt, so können die Abstände li berechnet werden. Somit kann die genaue Position der ein-zelnen Konstantanschenkel relativ zu der Schneidkeilspitze und dementsprechend die genaue Position des zu messenden Punktes berechnet werden. Eine Probe mit den eingeschweißten Konstantandrähten ist in Abbildung 5 b dargestellt.

a) b) Abb. 5 Schema des Aufbaus zur Temperaturmessung a) und Werkstück mit geschweißten Ther-mopaaren b)

Mit der zweiten Methode kann die Temperaturverteilung an der Grenze zwischen Schneidkeil und Span untersucht werden. In diesem Fall wird ein Schenkel des Thermopaars durch eine Konstantanfolie gebildet, die zwischen zwei Hartmetall-platten 1 und 2 eingespannt wird, siehe Abbildung 6 a. Als zweiter Schenkel wird das Werkstück benutzt. Die Konstantanfolie und das ganze Werkzeug werden von den oberen und unteren Schneidplatten isoliert, siehe Abbildung 6 b. Je nach rela-tiver Lage der oberen und unteren Schneidplatten zueinander sowie je nach Art des Werkzeug-Anschliffs kann die Position der Folie relativ zur Schneidkeilspitze verändert werden. Somit lassen sich die Kontakttemperaturen an unterschiedlichen Punkten messen, die überwiegend in der sekundären Zerspanzone liegen. Wie bei der ersten Methode liegt hier ein Thermoelement des Typs J vor.


Die Erfassung und Bearbeitung der Signale erfolgte mit Hilfe einer in den Mess-rechner eingebauten Messkarte des Typs „PCI-6133“ der Fa. National Instruments mit 32 simultanen Messkanälen. Die softwareseitige Erfassung und Bearbeitung sowie die Steuerung und Auswertung der Signale erfolgte mittels eines unter der LabVIEW-Oberfläche 7.1 entwickelten Programms.

a) b) Abb. 6 Modell des Meissels a) und Ansicht des eingesetzten Werkzeugs b)

Temperaturfelder in der mechanischen Maschinenstruktur

Parallel zu den dynamischen Wechselwirkungen besitzen auch die thermischen Wechselwirkungen einen wesentlichen Einfluss auf die Strukturstabilität der Werkzeugmaschine sowie auf die erreichbare Bearbeitungsgenauigkeit und Ober-flächengüte am Werkstück. Um diese Wechselwirkungen zu berücksichtigen, sind thermische Modelle in das Simulationstool für die Modellierung der Wechselwir-kungen (gekoppelte Simulation) zu integrieren. Bei der Integration müssen dabei die unterschiedlichen Zeitskalen des Zerspanprozesses sowie die des dynamischen und thermischen Maschinenverhaltens berücksichtigt werden. So beträgt die Zeit-konstante für das Zerspanen durchschnittlich etwa 10-5 s, der dynamische Schwin-gungsprozess einer Werkzeugmaschine äußert sich mit einer Zeitkonstanten von ca. 10-3 s und die Konstante für den thermischen Prozess bewegt sich im Bereich von mehreren Sekunden bis Minuten.

Die Beschreibung des thermischen Verhaltens der mechanischen Maschinen-struktur am Beispiel eines Versuchsstands erfolgte mit einem hierzu erstellten FE-Modell. Für die Modellentwicklung wurden alle relevanten thermischen Quellen des Versuchsstands definiert – Abbildung 7. Die thermischen Wirkungen im Ver-suchsstand werden wie allgemein bekannt durch den Zerspanprozess selbst, die Hauptspindel, den Betrieb der Vorschubantriebe und durch Änderungen der Um-


gebungstemperatur verursacht. Im betrachteten Beispiel des Versuchsstands ist der Einfluss des Zerspanprozesses aufgrund des gewählten geringen Zerspanvolumens vernachlässigbar. Der Einfluss des Lineardirektantriebs kann ebenfalls vernachläs-sigt werden, da die innere Temperatur des Antriebs nicht über 70°C ansteigt und sich nach außen an der Oberfläche mit Werten, die eine Größe von 30°C nicht übersteigen, äußert. Eine Hauptspindel ist im Versuchsstand nicht vorhanden. Le-diglich die Umgebungstemperatur übt eine maßgebliche Wirkung auf das Ver-suchsstandsverhalten aus [23] und [52]. Dieser Einfluss ist im Simulationstool durch die Integration des Maschinenverhaltensmodells zu berücksichtigen.

Abb. 7 FE-Modell des Versuchsstandes mit den relevanten thermischen Wärmequellen

Das FE-Modell des thermischen Maschinenverhaltens wurde mit Hilfe der kom-merziellen Software ANSYS in Form einer Temperatur-Struktur gekoppelten Aufgabe erstellt und gelöst [37], [38]. Bei der Lösung der thermischen Aufgabe wurden die aufgrund von Umgebungstemperaturänderungen entstehenden Wärme-flüsse entsprechend der festgelegten Temperaturquellen als Belastung angenom-men. Dabei wurde festgelegt, dass die Umgebungstemperatur sich von +14°C bis +36°C ändert. Bei der Lösung der Aufgabe wurden die Wärmeflüsse sowie Tem-peraturfelder als thermische Aufgabe und anschließend die aufgrund der Umge-bungstemperaturänderungen entstehenden Verlagerungen der Maschinenstruktur als eine gekoppelte Temperatur-Struktur Aufgabe berechnet. Für die Erstellung und Lösung des thermischen Teils wurde der Finite Elemente Typ Solid70 und für die Lösung des strukturellen Teils der Typ Solid185 eingesetzt. Abbildung 8 zeigt die Entwicklung der Temperaturverteilung in der Maschinenstruktur des Ver-suchsstands für eine variierte Dauer der Temperatureinwirkung von 10.000 s (a), 20.000 s (b), 30.000 s (c) und 40.000 s (d).


a) b)

c) d) Abb. 8 Entwicklung der Temperaturverteilung in der Maschinenstruktur über der Zeit

Aus der Bildanalyse kann wie erwartet festgestellt werden, dass sich Bauteile bzw. Baugruppen mit größeren Massen langsamer erwärmen, als solche mit kleineren Massen. Dies zeigt sich besonders bei der Betrachtung des Temperaturgradienten im Maschinenbett, welches aus Polymerbeton gefertigt ist. Bauteile bzw. Bau-gruppen wie die Streben, die Führungen, das Portal und das Werkzeug erwärmen sich, wie die Berechnungen zeigen, bis zu ihrem jeweiligen Beharrungszustand re-lativ schnell.

Somit reagieren diese Bauteile bzw. Baugruppen relativ schnell auf eine Ände-rung der Umgebungstemperatur, siehe Abbildung 9 a sowie teilweise Abbil-dung 9 c und Abbildung 9 d. Dagegen dauert die Erwärmung des Tisches und ins-besondere des Bettes bis zum Beharrungszustand mehrere Stunden, siehe Abbildung 9 b und teilweise Abbildung 9 c. Weiterhin ist eine längere Erwär-mungsdauer bis zum Beharrungszustand bei denjenigen Bauteilen und -gruppen festzustellen, die einen ausgeprägten Kontakt zu massiven Komponenten haben, wie z.B. die auf dem Bett sitzende Grundplatte des Spannbocks. Dieser Unter-schied ist bei der Einbindung bzw. der Integration der thermischen Einflüsse in die gekoppelte Simulation zu berücksichtigen. Auf den ersten Blick können die ther-mischen Prozesse in einigen Bauteilen und Baugruppen bei der gekoppelten Simu-lation aufgrund der Dauer ihrer Erwärmung vernachlässigt werden. Die Wärme-


flüsse rufen aber eine entsprechende Änderung der Position der Bauteile und –gruppen relativ zueinander hervor. Dies wiederum führt zum Öffnen oder Schlie-ßen der betreffenden Füge- und Schnittstellen, wodurch sich die Steifigkeiten der Verbindungen und somit die dynamischen Eigenschaften der Maschinenstruktur mit der Zeit ändern. Dieser Effekt ist ebenfalls im Modell der Maschinenstruktur zu berücksichtigen.

a) b)

c) d) Abb. 9 Simulierte Temperaturänderungen der Baugruppen bei Erwärmung

Die beispielhafte Darstellung des Temperaturverlaufs in der Umgebung und auf der Oberfläche des Versuchsstandstisches ist in Abbildung 10 zu sehen. Wie es bei solchen Signalverläufen üblich ist, können im Temperaturdiagramm drei Be-reiche unterschieden werden: Erwärmungsphase - I, Beharrungszustand - II und Abkühlungsphase - III. Der Verlauf wiederholt sich an jedem Messpunkt des je-weiligen Bauteils, die absoluten Werte aber unterscheiden sich dabei. Für den Vergleich wurden der erste und zweite Bereich herangezogen, da der erste Be-reich, d.h. die Erwärmungsphase, aufgrund ihres Gradienten immer kritischer ist als der dritte Bereich, die Abkühlungsphase.

Die Verifizierung des ausgearbeiteten thermischen Modells erfolgte durch den Vergleich zwischen den berechneten und experimentell erfassten Temperaturen. In Abbildung 11 ist der Vergleich zwischen den simulierten und experimentell er-fassten Temperaturen der einzelnen Bauteile sowie -gruppen dargestellt. Die simu-lierten Werte wurden mit unterschiedlichen Wärmeübergangskoeffizienten von 5 W/m2K bis 25 W/m2K berechnet.


Abb. 10 Typischer Verlauf der Temperatur bei thermischen Untersuchungen

Abb. 11 Experimentelle und berechnete Ergebnisse der durchgeführten Untersuchungen

Für die Berechnung der Strukturaufgabe wurden die Ergebnisse der Wärmeüber-tragungsaufgabe benutzt. Der zweite Teil der gekoppelten Aufgabe ist für die Be-rechnung der Spannungen und Verlagerungen in der gesamten Struktur des Ver-suchsstands verantwortlich, welche durch die im ersten Teil der Aufgabe berechneten Temperaturen hervorgerufen werden. Eine exemplarische Lösung des zweiten Teils der Aufgabe ist in Abbildung 12 dargestellt. Hier sind sowohl die Verlagerungen der einzelnen Bauteile als auch die der gesamten Maschinenstruk-tur wiedergegeben.


Die Verifikation des gesamten Modells des thermischen Verhaltens der mechani-schen Struktur erfolgte durch den Vergleich der simulierten und der experimentell erfassten Werte der Verlagerungen, die durch die Änderung der Umgebungstem-peratur hervorgerufen werden. Für den Vergleich wurden die maximalen Verlage-rungen in den jeweiligen Richtungen herangezogen. In Abbildung 13 sind die ty-pischen Verläufe der experimentell erfassten, absoluten thermischen Verlagerungen in den Richtungen X, Y, und Z dargestellt.

Abb. 12 FE-Berechnung der Verlagerungsverteilung in der Versuchsstandsstruktur

Abb. 13 Absolute thermisch bedingte Verlagerungen des Versuchsstands (experimentell be-stimmt)


Die größten Verlagerungen werden in Z-Richtung festgestellt. Dementsprechend „wächst“ das Portal des Versuchsstands in diese Richtung wesentlich stärker als in die anderen Richtungen, was auf den ausgeprägten axialen Aufbau der Säulen und Streben zurückzuführen ist. Dies erlaubt es, die thermischen Wirkungen im ge-koppelten Simulationsmodell durch den Einbau der entsprechenden Verlagerun-gen zu berücksichtigen.

Abb. 14 Vergleich der Verlagerungen der Maschinenstruktur in X- a) und Z-Richtung b)

Der Vergleich zwischen simulierten und experimentell erfassten Verlagerungen, wie auch der Temperaturvergleich weist auf die gute Übereinstimmung zwischen Simulation und Experiment hin, siehe Abbildung 14.

Temperatur in den Zerspanzonen

Es wurden die Temperaturen in den primären, sekundären und tertiären Zerspan-zonen sowie im Grundwerkstoff experimentell erfasst. Als Versuchswerkstoff wurde C45 und als Schneidplatten die Standard-Hartmetallplatten P20 der Fa. Walter AG verwendet. Für den Spanwinkel wurde ein Wert von 5° und für den Freiwinkel ein Wert von 8° gewählt. Charakteristische Signale in der primären Zerspanzone sowie im Span sind in Abbildung 15 dargestellt. Ausgehend vom Startpunkt des Zerspanprozesses und der Schnittgeschwindigkeit kann das Tempe-ratursignal bezüglich der Sensorposition im zu bearbeitenden Werkstoff identifi-ziert werden. Somit kann die Temperatur in den Zerspanzonen und im Grund-werkstoff bestimmt werden. Die Signalform sowie die Amplitude während der Zerspanung entsprechen der Lage des Temperatursensors bzw. des Konstantan-schenkels in den unterschiedlichen Schichten des Werkstoffs (s. Abbildung 16).


Abb. 15 Charakteristischer Signalverlauf in der primären Zerspanzone und im Span

In der Praxis kann die Methode mit dem geschweißten Konstantandraht, siehe Abbildung 5, nur bei vergleichsweise großen Schnitttiefen eingesetzt werden, um eine vernünftige Auflösung realisieren und die Position des Konstantanschenkels sicher bestimmen zu können. Diese Methode soll daher bei der experimentellen Untersuchung der Temperaturen in der primären und tertiären Zerspanzone sowie im Grundwerkstoff angewandt werden. Die Methode auf Basis der zwischen zwei Schneidplatten eingespannten Konstantanfolie, siehe Abbildung 6, weist eine sol-che Einschränkung nicht auf und wurde daher als Basismethode zur Erfassung der Zerspantemperaturen in der sekundären Zerspanzone eingesetzt.

Abb. 16 Charakteristischer Signalverlauf in den zu zerspanenden Werkstoffschichten


Die Änderung der Temperatur in der sekundären Zerspanzone bzw. im Span in Abhängigkeit von der zugrundeliegenden Schnittgeschwindigkeit und vom Ab-stand der Messstelle bzw. von der Position der Konstantanfolie relativ zur Schneidkante der Werkzeugplatte ist in Abbildung 17 dargestellt. Es zeigt sich, dass die Änderung der Temperatur bei der Schnittgeschwindigkeit 50 m/min einen extremalen Charakter hat. Das Maximum wird bei einem Abstand zwischen der Messstelle und der Schneidkante von 1 mm erreicht. Dies entspricht der bekannten Temperaturverteilung in der sekundären Zerspanzone. Bei den Schnittgeschwin-digkeiten 100 m/min und 200 m/min wird ein Temperaturmaximum erst bei grö-ßeren Abständen zur Schneidkante erreicht.

Abb. 17 Temperaturänderung in der sekundären Zerspanzone

Zusammenfassung und Ausblick

Thermische Prozesse üben einen erheblichen Einfluss sowohl auf die mechanische Struktur der zugrunde liegenden Werkzeugmaschine als auch auf das Bearbei-tungsverfahren selbst aus. In früheren Untersuchungen wurden aber diese thermi-schen Prozesse bei der Untersuchung der Wechselwirkungsprozesse zwischen der mechanischen Struktur der Maschine und dem Bearbeitungsverfahren in den meis-ten Fällen nicht berücksichtigt. Um die Wirkung von Temperaturänderungen auf die Struktur der Werkzeugmaschine beurteilen zu können, wurde im Rahmen der hier vorgestellten Arbeiten ein thermisches FE-Modell auf Basis des zugrunde lie-genden Versuchstandes erstellt. Dieses Modell beschreibt die dynamische Struk-turantwort des Versuchstandes aufgrund des Einwirkens einer thermischen Last. Die Wärme wurde hierbei durch Änderung der Umgebungstemperatur in die Struktur eingebracht. Zur Verifikation der thermisch bedingten Verlagerungen sowie der Temperaturflüsse in der Struktur wurden experimentelle Untersuchun-gen sowohl zu den Temperaturen in der Struktur als auch zu den entsprechenden Verlagerungen ihrer einzelnen Bauteile und -gruppen durchgeführt und die Ergeb-nisse mit den Simulationen verglichen. Die gute Übereinstimmung der simulierten und experimentell erfassten Temperaturen und Verlagerungen verifizieren und bestätigen das erarbeitete Modell.


Der Artikel behandelt weiter die Möglichkeiten der experimentellen Temperatur-messung in den primären, sekundären und tertiären Zerspanzonen. Für die Erfas-sung der Zerspantemperatur wurde die Methode der Eindrahtthermoelemente he-rangezogen. Diese Technik gewährleistet die Einbringung eines Thermoelementschenkels bzw. des Thermopaars in die gewünschte Position, wo die Temperatur in der entsprechenden Zerspanzone erfasst werden kann. Dies er-laubt auch die Bestimmung der genauen Position des Schenkels, was im Folgen-den für den Vergleich mit den simulativ ermittelten Ergebnissen genutzt wird. Diese Methode besitzt auch eine für die Erfassung der Zerspantemperatur bei konventionellen Schnittparametern genügende Auflösung und kann somit für die durchzuführenden Messungen erfolgreich eingesetzt werden. Des Weiteren sind im Artikel die durchgeführten Untersuchungen zu den unter-schiedlichen Arten von Thermopaaren (Konstantandrähte und –folien) sowie die Einbringung der Schenkel des Thermopaars in den unterschiedlichen Zerspanzo-nen dargestellt. Dabei wurde festgestellt, dass die Methode mit dem geschweißten Konstantandraht nur bei vergleichsweise großen Schnitttiefen eingesetzt werden kann. Diese Methode wurde daher bei den experimentellen Untersuchungen zur Ermittlung der Temperaturen in der primären und tertiären Zerspanzone sowie im Grundwerkstoff eingesetzt. Die Methode auf Basis der zwischen zwei Schneid-platten des Werkzeuges eingespannten Konstantanfolie wurde bei der Erfassung der Zerspantemperaturen in der sekundären Zerspanzone angewendet. Die mit den behandelten Methoden gewonnenen Ergebnisse werden im Folgenden für die De-taillierung und Verifikation eines derzeit in der Entwicklung befindlichen Simula-tionsmodells für den Zerspanprozess herangezogen.

Die aktuellen Arbeiten beschäftigen sich mit der erweiterten Implementierung des thermischen FE-Modells der mechanischen Struktur in das Kopplungsmodell der Wechselwirkungsprozesse, um zeitgleich sowohl thermische als auch dynami-sche Wirkungen bzw. Auswirkungen beurteilen zu können.

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Intelligent produzieren || Untersuchung der thermischen Wirkungen beim orthogonalen Zerspanen

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