Entwicklung und Einsatz eines temperatursensorischen Beschichtungssystems für Zerspanwerkzeuge

Der Erfassung von Temperatureinflüssen auf die Werkzeugschneide und das Werkstück in Zerspanprozessen kommt eine stetig wachsende Bedeutung zu. Zur Auslegung von Zerspanprozessen sowie der anforderungsgerechten Schneidstoff- und Beschichtungsauswahl ist die Kenntnis der auftretenden Temperaturen unerlässlich. Die Nutzung des thermoelektrischen Effektes auf der Basis verschiedenartiger Beschichtungssysteme erlaubt es, Temperaturen wirkstellennah am Werkzeug zu erfassen und zu analysieren. Insbesondere der bei handelsüblichen Thermoelementen bekannte Seebeck-Effekt liefert beim Einsatz thermoelektrisch wirkender Beschichtungspaarungen genaue Kenntnisse über die während des Zerspanvorgangs auftretenden Temperaturen. Das Ziel des dieser Arbeit ist es daher, sowohl die Beschichtungstechnologie hinsichtlich der Abscheidung von Thermoelektrizitäts- Beschichtungen weiter zu entwickeln als auch eine Einsatzqualifizierung dieser Schichtsysteme im Zerspanprozess vorzunehmen. Gegenüber dem Stand der Technik zeichnet sich dieses Verfahren dadurch aus, dass es in direkter Nähe zur Wirkzone die Temperaturen zuverlässig erfassen kann. Dies ist durch eine zusätzliche Verschleißschutzschicht aus Aluminiumoxyd zu gewährleisten. In dieser Arbeit erfolgen die Erfassung der Werkzeugtemperaturen mit einem sensorischen Beschichtungssystem sowie der Vergleich mit etablierten Verfahren. Hierfür kommen die Videothermografie sowie konventionelle Thermoelemente zu Anwendung. Aufbauend auf den gewonnen Daten des Sensorsystems erfolgt eine Berechnung der Temperatur im Bereich der Werkzeugspitze durch die Methode der Finiten Elemente, durch thermodynamische Berechnungen sowie eine nichtlineare Regression. Grundsätzlich zeigt sich, dass mit dem entwickelten Sensorsystem die Erfassung der thermischen Werkzeugbelastung während des Bearbeitungsprozesses zuverlässig realisierbar ist. Aufbauend auf den so ermittelten Daten k onnen die eingesetzten analytischen Berechnungsmethoden die Temperatur im Bereich derWerkzeugspitze bestimmen. Ein Vergleich dieser analytischen Verfahren konnte deutlich machen, dass eine FE-Berechnung, basierend auf den gewonnenen Sensordaten die zuverlässigstenWerkzeugtemperaturen liefert. Durch die Kombination einer analytischen Berechnungsmethode mit den gewonnen Sensordaten ist es somit m oglich, die Temperatur im Bereich der Werkzeugspitze zuverlässig zu ermitteln. Diese Methode stellt somit für zukünftige Untersuchungen ein zuverlässiges Hilfsmittel zur Prozessüberwachung zur Verfügung.High temperatures in cutting processes can increase the tool wear and result into insufficient workpiece qualities. This is the reason why the exact knowledge of tool temperatures in cutting processes is an essential factor for tool- and process design. Currently, the in-process measurement of the tool temperature is usually carried out by thermographic pictures or embedded standard thermocouples. A new method to improve the temperature measurement for cutting processes is the application of sensor coatings directly on tools. Based on the Seebeck-effect, it is possible to coat cutting tools with Ni and NiCr conduction paths. At the joining point of these two metallic conductors, an electric potential difference is resulted due to the temperature imposed. An additional Aluminumoxide protection layer enables the measurement of the temperature gradient direct on the rake face during the cutting process. In this thesis, the development of the sensor system, the resulting measurement data in turning and the evaluation of the data are presented. To deposit a thermocouple on the cutting inserts, a newly developed mask technique was used, which covered the cutting insert with steel masks. Three conductive paths with contact points were generated by a micro milling process. In a first step, the measured temperature by the sensor system is compared with two conventional temperature measurement methods. The resulting temperature data by the sensor system is in the same range than the data measured by embedded standard thermocouples and thermography systems. With the data, measured by the sensor system, a calculation of the temperature on the tool tip is done by finite elements method, thermodynamic calculation and nonlinear regression. In comparison of these calculation methods, the finite elements method enables the best result. Based on the measured temperature data with the sensor system, the finite elements method is possible to calculate a certain temperature for the tool tip. Further investigations can use the developed sensor system in combination with finite elements calculation as method for process monitoring system

Fracture mechanics assessment of large diameter wind turbine bearings

The structural integrity of large diameter wind turbine bearings have been investigated using the built-in “contour integral” tool in ABAQUS finite element software package by modeling three-dimensional penny-shaped cracks and evaluating the stress intensity factors. In order to sub-model a crack and investigate the fracture mechanics of the rolling contact between the rollers and the raceway, a python script was developed and implemented in the analysis. Important steps to build the crack model are detailed and recommendations are made for further use of the finite element modeling tool in compressive mixed mode fracture mechanics assessment of wind turbine bearings. Moreover, the influence of initial residual stresses due to induction hardening of the raceway is also investigated and discussed in this paper. For frictionless contacts between the two crack faces, “contour integral” in ABAQUS appears to be a suitable method to obtain accurate stress intensity factor solutions for modes II and III. The results from this study are validated through comparison with the analytical solutions available in the literature and are expected to facilitate numerical life assessment of wind turbine bearings

Entwicklung und Bau eines neuartigen magnetischen Momentenlagers

In der Regel wird die vollständig aktive Magnetlagerung eines Rotors durch zwei Radial- und ein Axialmagnetlager realisiert. Für Anwendungen, bei denen die axiale Ausdehnung des Rotors zur Unterbringung eines zweiten Radiallagers nicht ausreicht, sind alternative Lösungsansätze notwendig. Nachfolgend wird die Auslegung, Simulation und experimentelle Validierung am Beispiel eines Demonstrators in Außenläuferbauweise vorgestellt. Außerdem werden der Bau und die Inbetriebnahme eines Prototyps zur Lagerung eines Computertomographen vorgestellt.The active magnetic suspension of a rotor is generally realized by two radial and one axial magnetic bearing. For applications in which the axial expansion of the rotor is not sufficient to accommodate a second radial bearing, alternative solutions are required. In the following, the design, simulation and experimental validation are presented using the example of a demonstrator in external rotor design. The construction and commissioning of a prototype bearing for a computer tomograph is also presented

Entwicklung und Bau eines neuartigen magnetischen Momentenlagers

In der Regel wird die vollständig aktive Magnetlagerung eines Rotors durch zwei Radial- und ein Axialmagnetlager realisiert. Für Anwendungen, bei denen die axiale Ausdehnung des Rotors zur Unterbringung eines zweiten Radiallagers nicht ausreicht, sind alternative Lösungsansätze notwendig. Nachfolgend wird die Auslegung, Simulation und experimentelle Validierung am Beispiel eines Demonstrators in Außenläuferbauweise vorgestellt. Außerdem werden der Bau und die Inbetriebnahme eines Prototyps zur Lagerung eines Computertomographen vorgestellt.The active magnetic suspension of a rotor is generally realized by two radial and one axial magnetic bearing. For applications in which the axial expansion of the rotor is not sufficient to accommodate a second radial bearing, alternative solutions are required. In the following, the design, simulation and experimental validation are presented using the example of a demonstrator in external rotor design. The construction and commissioning of a prototype bearing for a computer tomograph is also presented

Entwicklung und Bau eines neuartigen magnetischen Momentenlagers

In der Regel wird die vollständig aktive Magnetlagerung eines Rotors durch zwei Radial- und ein Axialmagnetlager realisiert. Für Anwendungen, bei denen die axiale Ausdehnung des Rotors zur Unterbringung eines zweiten Radiallagers nicht ausreicht, sind alternative Lösungsansätze notwendig. Nachfolgend wird die Auslegung, Simulation und experimentelle Validierung am Beispiel eines Demonstrators in Außenläuferbauweise vorgestellt. Außerdem werden der Bau und die Inbetriebnahme eines Prototyps zur Lagerung eines Computertomographen vorgestellt.The active magnetic suspension of a rotor is generally realized by two radial and one axial magnetic bearing. For applications in which the axial expansion of the rotor is not sufficient to accommodate a second radial bearing, alternative solutions are required. In the following, the design, simulation and experimental validation are presented using the example of a demonstrator in external rotor design. The construction and commissioning of a prototype bearing for a computer tomograph is also presented

Numerical identification of position-dependent friction coefficients from measured displacement data in a bolt-nut connection

Friction is a complex system affected by microscopical effects and multidisciplinary phenomena. Coulomb's simple friction model with a constant friction coefficient cannot account for all these tribological effects. Nevertheless, this model is still widely utilised for calculations of mechanical applications. In order to reflect the importance of friction as a parameter for functionality, we need more realistic and sophisticated calculations. This is particularly relevant for bolt-nut connections, which serve as motivating example for our study. Our approach is to introduce position-dependent friction coefficients by dividing the contact surface into different friction areas, each characterised by a constant friction coefficient. These coefficients are then adapted to measured displacement data. To this end, we develop a numerical parameter identification tool. The tool combines calculations in Ansys Mechanical, an established Finite Element software, and Microsoft's Visual Basics for Applications for optimisation purposes. We verify the parameter identification tool using the simple model of a block on a planar surface. Within this test scenario, the algorithm converges and provides a good approximation of the friction coefficients. Subsequently, we apply parameter identification to the model of a bolt-nut connection. We perform optical measurements to acquire experimental displacement data. The parameter identification tool demonstrates its functionality. Finally, we discuss future modifications of the procedure, that will enable more realistic and reliable results