Experimental and numerical analysis of chip formation in metal cutting

Hoppe, Stefan; Klocke, Fritz

doi:749

Experimental and numerical analysis of chip formation in metal cutting

Hoppe, Stefan (Author)

2003 & 2004

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Stefan Hoppe

ImpressumAachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University 2003

UmfangII, 199 S. : Ill., graph. Darst.

ReiheDissertation aus dem Werkzeugmaschinenlabor

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2003

Prüfungsjahr: 2003. - Publikationsjahr: 2004

Genehmigende Fakultät
Fak04

Hauptberichter/Gutachter
Klocke, Fritz (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2003-12-08

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-opus-7493
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/62700/files/62700.pdf

Einrichtungen

Fakultät für Maschinenwesen (400000)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Spanende Bearbeitung (Genormte SW) ; Metallischer Werkstoff (Genormte SW) ; Spanbildung (Genormte SW) ; Prozessanalyse (Genormte SW) ; Ingenieurwissenschaften (frei) ; Zerspanung (frei) ; Spanbildung (frei) ; Simulation (frei) ; Finite Elemente (frei) ; Temperaturen (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
Die Hochgeschwindigkeitszerspanung (High Speed Cutting (HSC)) ist derzeit eines der am meisten diskutierten Themen in der Fertigungstechnik. Viele Beispiele aus der industriellen Praxis dokumentieren die Vorteile der Hochgeschwindigkeitsbearbeitung. Diese können aber nur dann gezielt genutzt werden, wenn der Einfluss der erhöhten Schnittgeschwindigkeit auf Maschine, Werkzeug und Bauteilqualität bekannt sind. Das Ziel dieser Arbeit war die Beschreibung der Wirkungen der extremen thermischen und dynamischen Bedingungen beim Hochgeschwindigkeitsdrehen auf die Spanbildung, Schnittkräfte, Temperaturen und Oberflächenqualitäten aber auch den Werkzeugverschleiß und damit die Zerspanbarkeit. Die Beschreibung der Spanbildungsmechanismen erfolgte durch umfangreiche Zerspanversuche, die Anwendung neuer Versuchsaufbauten zur Fotografie und Temperaturmessung sowie durch Zerspansimulationen auf Basis der Finiten Elementen Methode (FEM). Um den Einfluss der hohen bis sehr hohen Schnittgeschwindigkeiten von werkstoffspezifischen Phänomenen zu trennen, kamen mit dem Vergütungsstahl CK45N, der hochfesten Aluminiumlegierung AlZnMgCu1,5 und der Titanlegierung TiAl6V4 drei Metalle mit sehr unterschiedlichen Eigenschaften und Anwendungsgebieten zum Einsatz. Sämtliche Versuchsergebnisse wurden als Verifikationsgrößen für die Zerspansimulation herangezogen. Unter Verwendung eines kommerziellen FE-Programms und unter Verwendung neu entwickelter Beschreibungen des Werkstoffverhaltens war es möglich unterschiedliche Spanarten (Fließ- und Lamellenspan) zu simulieren. Vergleiche zwischen den experimentellen und simulierten Kräften und Temperaturen ergaben eine gute Übereinstimmung, so dass die Ergebnisse der Simulation zur Beschreibung der Spanbildungsmechanismen bei hohen Schnittgeschwindigkeiten und somit zur optimierten Auslegung von Hochleistungszerspanprozessen herangezogen werden können.

High speed cutting (HSC) is strongly discussed in modern production engineering. Many examples from industry show the advantages of this technology. However, the influence of high cutting speeds on machine tool, tool and workpiece quality have to be known. The current work describes the thermal and dynamical conditions in high speed turning and their influence on chip formation, resultant forces, temperatures, surface quality and tool wear. The examination consist of cutting experiments using conventional and newly developed setups. An example for the latter is a setup to take in-situ photos of the cutting process. Furthermore, cutting simulations using Finite Elements were conducted. To distinguish workpiece dependent mechanism from those caused by high cutting speeds, three different workpiece materials were examined. These are a medium carbon steel (Ck45N or AISI 1045), a wrought aluminum alloy (AlZnMgCu1,5 or AA 7075) and the titanium alloy TiAl6V4. The experimental results are used to verify the cutting simulation. Using a commercially available FE-code and new descriptions of material behavior at high strain rates, different mechanism of chip formation were simulated. The comparison of experimental and numerical results show good agreement. Therefore, the cutting simulation is suitable to describe and predict chip formation mechanisms. It can be used as a tool to develop and improve cutting processes.

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