Inverse identification of material parameters from machining processes

Die Finite-Elemente-Simulation ist ein wichtiges numerisches Werkzeug zur Verbesserung des Verständnisses des Spanbildungsprozesses. Mit dieser Methode können komplexe Bearbeitungsprozesse mit komplexen Span-Morphologien simuliert werden. Eine wichtige Herausforderung bei der Modellierung spanender Bearbeitungsverfahren ist, dass keine Materialparameter bekannt sind, die das Werkstoffverhalten unter stark variierenden Dehnungen, Dehnungsgeschwindigkeiten und Temperaturen vorhersagen können. Während eines Fließspanbildungsprozesses können Dehnungen von bis zu 200%, sowie Dehnungsgeschwindigkeiten in der Größenordnung von 105 s¿1 und Temperaturerhöhungen im Bereich von mehreren 100 ¿C auftreten. Im Vergleich dazu können experimentelle Methoden wie der Split-Hopkinson-Pressure-Bar-Test (SHPB) in der Regel Dehnungen von bis zu 50% und Dehnungsgeschwindigkeiten in der Größenordnung von 103 s¿1 erreichen. Diese Tests können dazu genutzt werden, um mittels Datenanpassungsmethoden die Materialparameter aus den experimentellen Daten zu bestimmen. Aufgrund der großen Extrapolationsbereiche stimmen die Ergebnisse der Zerspanungssimulationen in der Regel nicht besonders gut mit den experimentellen Ergebnissen überein.
Zuerst werden die Schwierigkeiten der Verwendung der Materialparameter, die aus Standard-Experimenten bestimmt werden, für die Zerspanungssimulationen von drei verschiedenen Werkstoffen aufgezeigt. Die Johnson-Cook-Parameter werden für Ti-15-3-3-3, Ti-6246 und Alloy 625 aus SHPB-Experimenten bestimmt. Diese werden anschließend verwendet, um die Spanbildung mit Hilfe der Finite-Elemente-Methode zu simulieren. Für Ti-15-3-3-3 und Ti-6246 wird die Bildung eines segmentierten Spans beobachtet. Für Alloy 625 wird die Materialfestigkeit bei hohen Dehnungen vom Johnson-Cook-Modell überschätzt, wodurch in der Simulation die Bildung eines Fließspans vorhergesagt wird. Daher wird ein modifiziertes Johnson-Cook-Modell für die Zerspanungssimulationen verwendet, resultierend in einer segmentierten Spanform. Die durchschnittlichen Schnittkräfte werden in den drei Fällen im Rahmen von 20% der experimentell erhaltenen Werte vorhergesagt. Es gibt deutliche Unterschiede in den vorhergesagten und den experimentell ermittelten Spanformen. Diese Unterschiede können auf die Schwierigkeit der Vorhersage des Materialverhaltens unter den während spanender Bearbeitung vorherrschenden Bedingungen zurückgeführt werden.
Dieses Problem wird durch die Verwendung einer inversen Parameterbestimmungsmethode beseitigt, da auf diese Weise die Materialparameter direkt aus den Zerspanungsprozessen identifiziert werden. Die Spanformen und die Schnittkräfte der Simulation werden durch die systematische Variation der Materialparameter mit den entsprechenden Werten aus den Standardexperimenten abgestimmt. Die Robustheit des Verfahrens wird durch die Identifizierung von Parametern für zwei verschiedene Materialien, sowie die Durchführung von Optimierungen von verschiedenen Ausgangspunkten getestet. Ebenfalls werden Studien durchgeführt, um die Konvergenz zu verbessern, und um den Berechnungsaufwand zu reduzieren. Die Lösung, die aus dem inversen Identifikationsalgorithmus vorhergesagt wird, kann ebenfalls durch die Kenntnis des Einflusses der Spannungs-Dehnungs-Kurven auf die Spanformen und die Schnittkräfte verbessert werden, was auch den Berechnungsaufwand verringern kann.
Es hat sich gezeigt, dass viele Parametersätze identifiziert werden können, die ähnliche Spanformen und Schnittkräfte zur Folge haben. Dies ist darin begründet, dass alle Parametersätze im Gebiet der Zerspanungverfahren die gleiche Fließspannungskurve wiedergeben. Um Parameter zu bestimmen, die über einen möglichst großen Bereich gültig sind, werden sich stark unterscheidende Schneidbedingungen für den Identifikationsprozess gewählt.