Effizienter Kühlschmierstoffeinsatz in engen Schnittspalten beim Sägen von Titan-Legierungen durch Simulation thermischer und mechanischer Fluid-Festkörper-Wechselwirkungen (Effi-Ti-Sim)

Das Projekt Effi-Ti-Sim ist Teilprojekt des Schwerpunktprogramms 2231 FluSimPro - Effizientes Kühlen, Schmieren und Transportieren – Gekoppelte mechanische und fluid-dynamische Simulationsmethoden zur Realisierung effizienter Produktionsprozesse.

Zielsetzung und Innovationspotenzial

Das übergeordnete Ziel dieses Forschungsvorhabens ist die signifikante Effizienzsteigerung beim Einsatz von Kühlschmierstoff (KSS) während der Kreissägebearbeitung von Titan-Legierungen. Im Fokus steht dabei die Optimierung von KSS-Menge, Druck und Energiebedarf.

Die Grundlage hierfür bildet ein verbessertes Verständnis der thermischen und mechanischen Fluid-Festkörper-Wechselwirkungen. Durch den Übergang von der herkömmlichen Überflutungsschmierung hin zu einer gezielten inneren KSS-Zufuhr oder Minimalmengenkühlschmierung (MMS) lassen sich erhebliche Einsparungen bei Energie, Ressourcen und Kosten realisieren.

Wissenschaftlicher Ansatz und Methodik

Zur Abbildung der komplexen Prozesse kommen multi-skalige gekoppelte Modelle zum Einsatz. Diese simulieren thermodynamische, fluidmechanische und zerspanungstechnologische Effekte bei der Spanbildung und beim Spantransport. Die Modellierung umfasst:

• Tribologie und Kraftwirkungen: Analyse der mechanischen Belastungen im Schnittspalt.

• Wärmetransport und Kühlwirkung: Untersuchung detaillierter Mechanismen unter Berücksichtigung von Verdampfungseffekten.

• Fluidmechanik: Simulation transienter und turbulenter Strömungsbedingungen sowie der Partikelströmung (Späne).

Die Realitätsnähe der Simulationen wird durch die Berücksichtigung spezifischer Spanbildungsmechanismen und der besonderen Bedingungen in engen Schnittspalten sichergestellt.

Projektstruktur und Zeitplan

1. Förderperiode: Modellierung und Validierung Der Fokus liegt auf der Erforschung grundlegender Modellierungsansätze sowie der Definition notwendiger Schnittstellen für deren Kopplung. Die methodische Umsetzung stützt sich auf eine Kombination aus experimentellen Analysen im Rahmen von Grundlagen- und Analogieversuchen sowie gezielten Prozessversuchen zur Kreissägebearbeitung. Ziel ist die Schaffung einer validierten Datenbasis für die weiteren Simulationsschritte.

2. Förderperiode: Multiphysikalische Gesamtsimulation Auf Basis der zuvor identifizierten und effizient gestalteten Kopplungsmöglichkeiten erfolgt die Umsetzung einer ganzheitlichen, interdisziplinären Gesamtsimulation. In dieser Phase werden die komplexen Wirkmechanismen in einem multiphysikalischen Modell zusammengeführt, um den gesamten Bearbeitungsprozess realitätsgetreu abzubilden.

3 Förderperiode: Simulationsgestützte Optimierung des IKZ-Kreissägens Phase 3 optimiert das Kreissägen von Titanlegierungen durch hocheffizienten KSS-Einsatz mittels IKZ. Werkzeugauslegung (Spanraum, Anzahl/Position der IKZ-Bohrungen) und Prozessparameter (Zahnvorschub, Schnittgeschwindigkeit, KSS-Druck/-Menge) werden auf minimalen Volumenstrom abgestimmt. Weiterentwickelte Modelle prognostizieren Strömung sowie thermische und mechanische Effekte und leiten eine optimale IKZ ab. Geprüft wird, ob Geometrie nacheilende Zähne ohne IKZ versorgt, um Bohrungsanzahl und Fertigungsaufwand zu senken; dazu werden gekoppelte Simulationsansätze erweitert.

Technische Umsetzung

Nach Abschluss der Förderperiode liegen eine validierte und erweiterte Simulationsumgebung vor, die Strömungsvorgänge sowie thermische und mechanische Wechselwirkungen beim Kreissägen mit innerer Kühlmittelzufuhr (IKZ) zuverlässig prognostiziert und Auslegungsvarianten bewertet. Darauf aufbauend wurden Gestaltungsrichtlinien für Kreissägeblätter aus Titanlegierungen erarbeitet, einschließlich optimierter Spanraumgeometrien sowie der Anzahl und Position der IKZ-Bohrungen. Ergänzend definieren abgeleitete Prozessrichtlinien Parameterfenster für Zahnvorschub, Schnittgeschwindigkeit, KSS-Druck und -Menge zur Minimierung des erforderlichen Volumenstroms bei stabilem Prozess. Es wurde nachgewiesen, dass eine gezielte Werkzeug- und Bohrungsgeometrie Strömungsbedingungen im Schnittspalt erzeugt, die nacheilende Zähne ohne IKZ zuverlässig mit KSS versorgen. Dadurch lassen sich die Anzahl benötigter IKZ-Bohrungen und der Herstellungsaufwand bei gleichbleibender Prozessqualität signifikant reduzieren. Der gekoppelte Modellierungs- und Simulationsansatz ist erprobt und bildet die Grundlage für zukünftige Auslegungen und Anwendungen.