Multiscale simulation of heterophase polymerization [Elektronische Ressource] : application to the synthesis of multicomponent colloidal polymer particles / von Hugo Fernando Hernandez Garcia

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Publié par	universitat_potsdam
Publié le	01 janvier 2008
Nombre de lectures	26
Langue	Deutsch
Poids de l'ouvrage	4 Mo

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Zerspansimulationslösungen für die
Werkzeugkonstruktion
und Prozessauslegung beim Fräsen

von Diplom-Ingenieur
Alexander Marc Mattes
aus Tübingen

von der Fakultät V – Verkehrs- und Maschinensysteme
der Technischen Universität Berlin
zur Erlangung des akademischen Grades
Doktor der Ingenieurwissenschaften
– Dr.-Ing. –

Promotionsausschuss:

Vorsitzender: Prof. Dr.-Ing. Utz von Wagner
Gutachter: Prof. Dr. h. c. Dr.-Ing. Eckart Uhlmann : Prof. Dr.-Ing. Dirk Biermann
Tag der wissenschaftlichen Aussprache: 8. September 2008

Berlin 2008
D83 Herausgebervorwort
Zur Ausschöpfung des fertigungstechnologischen Potenzials durch die Hochleistungszerspa-
nung, High Performance Cutting – HPC, hat sich die Simulation von Zerspanungsprozessen in
den letzten Jahren etabliert. Zwei Gründe sprechen für Simulationsverfahren. Einerseits kann
die Leistungsfähigkeit des Werkzeugs in Abhängigkeit seiner Beanspruchung gesteigert,
andererseits die Prozessauslegung durch Reduzierung der Bearbeitungszeit und die Gewähr-
leistung hinreichender Prozesssicherheit positiv beeinflusst werden. Dabei bieten sowohl auf
empirisch-analytischen Gleichungen basierende Ansätze als auch mit numerischen Verfahren
wie der Finite Elemente Methode (FEM) realisierte Zerspanungssimulationen je nach Anwen-
dungsfall entscheidende Vorteile.
Das Ziel liegt in der Weiterentwicklung der Zerspanungssimulation für den bedarfsgerechten
Einsatz beim Werkzeughersteller sowie in der spanenden Fertigung. Wegen der unterschied-
lichen Anforderungen der beiden Nutzergruppen werden zwei verschiedene Richtungen ver-
folgt: die FEM-Zerspanungssimulation und die technologische Simulation von NC-
Werkzeugbahnen.
Als Ergebnis wurde ein zweidimensionales FEM-Modell zur Simulation des Fräsens mit großer
Eingriffsbreite entwickelt, um die Spanbildung bei den hier vorliegenden langen
Zerspanungswegen abzubilden. Die automatische Modellierung und Ergebnisausgabe sowie
die Anpassung des Modellausschnitts gewährleisten dabei signifikant verringerte Berech-
nungszeiten. Zudem werden die Ergebnisgüte und die Stabilität der Simulation erhöht.
Daneben wurde ein Modell für die Prozesssimulation auf Basis der empirisch-analytischen
Berechnung von Schnittkraft und Schneidentemperatur zur Abbildung der Werkzeugbeanspru-
chung realisiert. Mit dem entwickelten Modell lässt sich die Vorschubgeschwindigkeit in
Abhängigkeit der Eingriffsverhältnisse und der zulässigen Grenzlasten des Werkzeugs
anpassen sowie eine Verschleißprognose abgeben. Die Verschleißprognose erlaubt eine
Berechnung des Werkzeugverschleißes mit einer für die Zerspanungspraxis sehr guten
Fehlertoleranz.
Die Erkenntnisse sollen dazu beitragen, den breiten Simulationseinsatz voranzutreiben, indem
notwendige Weiterentwicklungen der bisherigen Ansätze aufgezeigt werden, die aus den
Anforderungen der Industrie resultieren.
Berlin, September 2008 Eckart Uhlmann
Autorenvorwort
Die vorliegende Dissertation entstand während meiner Tätigkeit als wissenschaftlicher Mitar-
beiter am Fraunhofer-Institut für Produktionsanlagen und Konstruktionstechnik (IPK) in Berlin.
Dem Institutsleiter, Herrn Professor Dr. h. c. Dr.-Ing. Eckart Uhlmann, gilt mein besonderer
Dank für seine wohlwollende Unterstützung und seine Förderung, mit denen er diese Arbeit
begleitet hat. Herrn Professor Dr.-Ing. Dirk Biermann, dem Leiter des Instituts für Spanende
Fertigung der Technischen Universität Dortmund, danke ich für die Übernahme eines Korrefe-
rats und das der Arbeit entgegengebrachte Interesse. Herrn Professor Dr.-Ing. Utz von Wag-
ner, dem Leiter des Fachgebiets Mechatronische Maschinendynamik am Institut für Mechanik
der Technischen Universität Berlin, gebührt Dank für die Übernahme des Vorsitzes im Promo-
tionsausschuss.
Für die Bereitstellung des Simulationsprogramms NCspeed und die Beratung hinsichtlich der
Bedienung möchte ich Herrn Dr. Joachim Friedhoff von FORMTEC danken. Weiterhin gilt mein
Dank Herrn Michael Fiderer von Kistler-IGeL für die kompetente Betreuung bei der Anwen-
dung des Simulationsprogramms DEFORM.
Meinen ehemaligen studentischen Mitarbeitern und Praktikanten Robert Gerstenberger,
Stefan Oginski, Jan Mewis, Marco Schlimper, Yu Sun, Btissam Bensalah und Paul Schüler
möchte ich für ihren stets engagierten und gewissenhaften Einsatz danken, der maßgeblich
zum Entstehen dieser Arbeit beigetragen hat. Frau Dr. Katja Furthmann,
Herrn Matthias Graf von der Schulenburg und Herrn Boris Gieseler gebührt Dank für die
Durchsicht des Manuskripts.
Stellvertretend für alle administrativen und technischen Mitarbeiter des IPK und IWF bedanke
ich mich bei Herrn Wolf Baumgart, Frau Margret Niessen-Janke, Frau Heike Krieger,
Herrn Dr. Jörg Bold, Herrn Jens Püschel und Herrn Reinhard Preiß für ihre Unterstützung.
Nicht zuletzt die freundschaftliche und kreative Atmosphäre im Fachgebiet Fertigungstechnik
hat ebenfalls zum Gelingen dieser Arbeit beigetragen. Insbesondere möchte ich mich bei den
Herren Ralph Zettier, Dr. Edgar Fries, Dr. Mark Krieg, Jens König, Philip Elsner, Stefan Herter,
Vanja Mihotovic und Martin Röder für den fachlichen und freundschaftlichen
Gedankenaustausch bedanken.
Meine Freude über den Erfolg dieser Arbeit teile ich außerdem mit meinen Eltern und meiner
Schwester, denen ich für die Unterstützung während meiner gesamten Ausbildung sowie das
entgegengebrachte Vertrauen danke.
Berlin, September 2008 Alexander Marc Mattes Inhaltsverzeichnis I
Zerspansimulationslösungen für die Werkzeug-
konstruktion und Prozessauslegung beim Fräsen
Formelzeichen und Abkürzungen ..........................................................................................III
1 Einleitung...................................................................................................................1
2 Stand der Technik.....................................................................................................4
2.1 Modellierungsansätze für die Simulation von Zerspanprozessen...............................4
2.2 FEM-Spanbildungssimulation .....................................................................................6
2.3 Einsatz der FEM-Spanbildungssimulation in der Zerspanwerkzeugindustrie...........20
2.4 Prozesssimulation20
2.5 Grundlagen der Zerspanung mit geometrisch bestimmter Schneide........................30
2.5.1 Spanungsgrößen und Geschwindigkeiten ................................................................30
2.5.2 Belastungen am Schneidteil32
3 Zielstellung und Vorgehensweise .........................................................................37
4 Definition der Modellausschnittsgröße unter Berücksichtigung der
Berechnungsgüte ...................................................................................................40
4.1 Auswirkung der Längenänderung eines Modellausschnitts auf das
Simulationsergebnis..................................................................................................41
4.2 Modellausschnittsgröße für die Drehsimulation ........................................................43
4.2.1 Maßgebliche geometrische Abmessungen...............................................................43
4.2.2 Minimal erforderliche Werkstücklänge in Abhängigkeit der Spanungsdicke.............44
4.2.3 Minimal erforderliche Werkstückhöhe in Abhängigkeit der Spanungsdicke59
4.2.4 Auswirkungen des Spanwinkels auf das Simulationsergebnis .................................62
4.3 Modellausschnittsgröße für die Frässimulation.........................................................64
4.3.1 nge in Abhängigkeit des Zahnvorschubs............67
4.3.2 Auswirkungen des Spanwinkels 73
4.3.3 in Abhängigkeit des Zahnvorschubs.............75
5 Vorgehensweise zur Automatisierung des Simulationslaufs.............................78
5.1 Automatisierung des Preprocessings .......................................................................78
5.1.1 Ziele und Aufgaben der Automatisierung..................................................................78
5.1.2 Voraussetzungen seitens DEFORM-2D ...................................................................79
5.1.3 Automatisierter Ablauf des Preprocessings..............................................................80
5.2 Automatisierung des Postprocessings......................................................................88
5.3 Automatische Anpassung des Modellausschnitts.....................................................89
5.3.1 Ziele und Aufgaben der Anpassung..........................................................................89
5.3.2 Voraussetzungen seitens DEFORM-2D90 II Inhaltsverzeichnis
5.3.3 Automatischer Ablauf der Modellanpassung .............................