Mathematische Modellierung der Wärmestromdichte zur Simulation des thermischen Bauteilverhaltens bei der Trockenbearbeitung

Bei der Trockenbearbeitung entfallen wesentliche Funktionen des Kühlschmierstoffes. So auch die Temperierung des Prozesses und des Werkstückes. Hierbei heizen sich die Werkstücke im Prozess auf, wodurch es zu thermisch induziertem Verzug kommt. Je nach Größe, Form und Material der zu bearbeitenden Bauteile kann dieser Verzug zu Toleranzproblemen und damit zu Ausschuss in der Produktion führen. Mit Hilfe der FEM-Simulation lässt sich die thermische Ausdehnung des Werkstückes berechnen, jedoch fehlen häufig die Eingangsparameter die den Wärmeeintrag in das Werkstück beschreiben. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit werden mathematische Modelle zur Berechnung der Wärmestromdichte als Eingangsparameter zur Simulation entwickelt. Für die Verfahren Bohren, Fräsen und Reiben werden in umfangreichen Versuchsreihen die grundlegenden Einflussgrößen untersucht. Für alle Verfahren gilt es, den Einfluss von Schnittgeschwindigkeit und Vorschub auf die Wärmestromdichte zu ermitteln. Zusätzlich wird beim Fräsen noch der Verschleiß berücksichtigt, sowie für das Verfahren Bohren der Einfluss unterschiedlicher Bohrergeometrien und –durchmesser untersucht wird. Mittels Regressionsverfahren wird aus den Versuchsergebnissen eine mathematische Beschreibung der Wärmestromdichte abgeleitet. Abschließend findet die mathematische Beschreibung Eingang in die Simulation zur Berechnung des thermo-mechanischen Verhaltens eines Probekörpers. Zum Einsatz kommen unterschiedliche Simulationsstrategien deren Ergebnisse mit experimentellen Messungen abgeglichen werden. Diese Arbeit zeigt die grundsätzliche Möglichkeit auf, den Wärmeeintrag mittels mathematischer Modelle zu beschreiben, und als Eingangsparameter für die Simulation zu verwenden.