Implementierung einer Methode zur automatischen 3D-FEM Modellerstellung und Festigkeitsrechnung für Vollhartmetall-Spiralbohrer (PDF)

Inhaltsangabe:Einleitung:
In der heutigen industriellen Fertigung ist das Bohren ein wichtiger Prozess. Der Anwendungsbereich des Verfahrens reicht von einfachen Durchgangsbohrungen für Schraubenverbindungen bis hin zu komplexen und hochpräzisen Flüssigkeitskanälen in Hydraulikverteilern. Die Entwicklung neuer Technologien im Bereich der Werkzeugmaschinen und der Werkzeuge hat auch für das Bohren neue Anwendungsfelder eröffnet. Beispiele sind die Hochgeschwindigkeitsbearbeitung (HSC) oder der Einsatz von Minimalmengen-Schmiersystemen (MMS). Es ist notwendig, die Bohrer beständig weiter zu entwickeln, um sie produktiv in diesen neuen Einsatzfeldern zu verwenden.
Stand der Technik für komplexe Bohraufgaben sind Vollhartmetall-Spiralbohrer mit innenliegenden Kühlkanälen. Mit diesen Werkzeugen sind Bohrungen mit einem Verhältnis von Bohrungstiefe zu -durchmesser von bis zu 40 möglich. Dabei haben sie wesentliche Vorteile gegenüber den konventionellen Tiefbohrverfahren. Die Optimierung dieser Werkzeuge stellt die Ingenieure jedoch vor eine große Herausforderung, da die Parameter der komplexen Geometrie sich gegenseitig beeinflussen und die Auswirkungen einer Parameteränderung auf analytischem Wege kaum zu ermitteln sind. Außerdem besteht ein Zielkonflikt zwischen der Größe der Spannuten und der Kühlkanäle, die zusammen für einen guten Abtransport der Späne aus dem Bohrungsgrund sorgen, einerseits und der Menge an tragendem Material im Bohrerquerschnitt, die eine hohe Steifigkeit des Bohrers gewährleistet, andererseits.
Für die Optimierung der Geometrie eines Werkzeuges wird häufig die Analyse mit der Finite-Elemente-Methode (FEM) angewendet. Dieses Verfahren erlaubt es, komplexe physikalische und technische Sachverhalte im Computer zu simulieren, während sich das Bauteil noch in der Entwicklungsphase befindet. Dadurch kann der Bau teurer und aufwendiger Prototypen reduziert und Kosten, sowie Entwicklungszeit eingespart werden. Die FEM ist in vielen Bereichen ein wichtiges Werkzeug für Ingenieure und es werden viele verschiedene Programme mit unterschiedlichen Spezialisierungen auf dem Markt angeboten. Es gibt auch Ansätze von kostenlos verfügbarer Software für die FEM-Analyse. Seit mehreren Jahren gibt es eine zunehmende Entwicklung von frei verfügbarer Software. Abb. 1.1 zeigt die Ergebnisse einer Studie, die die Verbreitung von quelloffenen Programmen (OSS - OpenSource Software) auf privaten und geschäftlichen PCs untersucht, wobei die Dunkelziffer [...]