Thermo-energetische Gestaltung von Werkzeugmaschinen

  Urheberrecht: © Winandy Versuchsaufbau für Kontaktversuche an der hydraulischen Prüfmaschine

Das Ziel des SFB/Transregio-96 ist das Erstellen eines Gesamtmodells für das instationäre thermo-elastische Maschinenverhalten, um hierdurch eine Steigerung von Genauigkeit und Energieeffizienz zu erreichen. Sowohl innerhalb dieser Modelle als auch an den Verknüpfungen zu anderen Modellen müssen Wärmeströme durch verschiedenste Bauteilverbindungen berücksichtigt werden. Durch die geometrisch rauen Oberflächeneigenschaften der Bauteile entsteht ein thermischer Widerstand in der Kontaktebene, dessen Quantifizierung anhand eines Kontaktwärmeübergangskoeffizienten für die präzise Auslegung solcher Verfahren unerlässlich ist.

Hierzu wird am Lehrstuhl für Wärme- und Stoffübertragung ein neu entwickeltes, numerisches Verfahren zur Untersuchung des thermischen Verhaltens an rauen Kontaktflächen vorgestellt. Das Modell ist dreistufig und generiert zunächst statistische Oberflächen auf Basis beschreibender, geometrischer Kennzahlen. Im zweiten Schritt wird die mechanische Verformung der unter Druck zusammengeführten Geometrien anhand eines elasto-plastischen Halbraummodells bestimmt. Darauf aufbauend wird der Kontaktwiderstand durch eine stationäre Betrachtung des dreidimensionalen Wärmeleitungsproblems numerisch ermittelt.

Zusätzlich zu den Vergleichsdaten aus der Literatur werden eigene experimentelle Untersuchungen zur Validierung durchgeführt. In einer hydraulischen Prüfmaschine werden unterschiedlich temperierte Proben zusammengepresst und deren zeitliche Temperaturänderung mit einer Infrarotthermografie-Kamera aufgezeichnet. Die zeitlich aufgelösten Temperaturdaten dienen zur Bestimmung des thermischen Widerstands in der Kontaktebene mithilfe von Auswertealgorithmen zur Lösung solcher inverser Wärmeleitprobleme. Diese Methode ermöglicht dabei erstmalig die Bestimmung von zeitlich veränderlichen Kontaktwärmeübergängen, welche üblicherweise an der Werkzeugmaschine vorherrschen.