Modellbasierte Bestimmung des Wärmestromanteils in das Werkstück beim Fräsen

In spanenden Fertigungsprozessen wird die eingebrachte Leistung aufgrund von Verformungs- und Reibungsvorgängen zu einem großen Teil in Wärme umgesetzt. Zur Bestimmung der thermischen Werkstückbelastung ist neben der umgesetzten Leistung das Wissen über den in das Werkstück transportierten Anteil des Wärmestroms wesentlich. Mit dem Ziel, einen funktionalen Zusammenhang zwischen Prozessstell- und Werkstoffkenngrößen sowie dem Anteil des Wärmestroms aus der primären Scherzone in das Werkstück zu ermitteln, wurden in dieser Dissertationsschrift Wärmestromanteilsdiagramme für zwei Fräsprozesse entwickelt. Der Wärmestromanteil in das Werkstück wurde modellbasiert bestimmt, indem der Wärmetransport sequentiell in der Schneidennormalebene und der Bezugsebene analysiert wurde. Die ermittelten Wärmestromanteilsdiagramme belegen für beide Fräsprozesse und damit prozessübergreifend, dass der Wärmestromanteil in das Werkstück von zwei dimensionslosen Kennzahlen abhängt, die den Wärmetransport in jeweils einer der Betrachtungsebenen charakterisieren. In Schnittrichtung wird die dimensionslose Kennzahl bestimmt durch die Schnittgeschwindigkeit, die Spanungsdicke und den Scherwinkel. In Vorschubrichtung berücksichtigt die zweite dimensionslose Kennzahl erstmals systematisch den Abtrag von bereits erwärmten Werkstoffbereichen infolge von nachfolgenden Schneideneingriffen und integriert damit die Schnitttiefe und die Vorschubgeschwindigkeit. Der zerspante Werkstoff wird über die Temperaturleitfähigkeit einbezogen, die mit den beiden betrachteten Werkstoffen 42CrMo4 und AlZnMgCu1.5 in den Untersuchungen bewusst deutlich variiert wurde. Das Wärmestromanteilsmodell wurde anhand von Prozesskräften, Scherwinkeln und mittels Thermographiekamera gemessenen Werkstücktemperaturen validiert.