Home Technology Bruchmodelle für die Modellierung von Zerspanprozessen
Article
Licensed
Unlicensed Requires Authentication

Bruchmodelle für die Modellierung von Zerspanprozessen

  • Uwe Heisel , Dmitrii V. Krivoruchko , Wiliam A. Zaloha , Michael Storchak and Thomas Stehle
Published/Copyright: March 20, 2017
Become an author with De Gruyter Brill
Submit Manuscript Author Information
Zeitschrift für wirtschaftlichen Fabrikbetrieb
From the journal Zeitschrift für wirtschaftlichen Fabrikbetrieb Volume 104 Issue 5

Kurzfassung

Plastische Deformation, Bruch und Reibung bzw. Kontaktwechselwirkung zwischen dem Werkzeug und Werkstück sowie Wärmetausch im technologischen System stellen die Grundphänomene dar, welche die meisten Charakteristiken des Zerspanprozesses bestimmen. Im vorherigen Artikel (Teil 1) zum Thema Modellierung der Zerspanprozesse wurde die Modellierung der thermomechanischen Wechselwirkungsprozesse und der Reibung zwischen Werkzeug und Werkstück bei der Erstellung von FEM-Modellen des Zerspanprozesses behandelt. Angesichts des Erreichens von plausiblen Ergebnissen zur Prognose der Charakteristiken des Zerspanprozesses besitzt das zur Anwendung kommende Bruchmodell bzw. das bei der Modellierung eingesetzte Bruchkriterium die gleiche Wichtigkeit. In diesem Artikel wird die Realisierung der Bruchkriterien beim Modellieren der Zerspanprozesse von unterschiedlichen Metallen und Legierungen behandelt, für welche eine Annahme über die Isotropie und Homogenität des zu bearbeitenden Materials getroffen werden kann. Der Bruch von nichtmetallischen und Verbundwerkstoffen beim Zerspanen unterscheidet sich grundlegend vom Bruch der metallischen Werkstoffe [2] und wird in diesem Artikel nicht betrachtet. Teil 3 dieser Artikelreihe beschäftigt sich mit thermomechanischen Materialmodellen und Teil 4 mit der FEM-Modellierung als moderner Ansatz zur Untersuchung und Optimierung von Zerspanprozessen.

Abstract

This paper covers recent applications and assumptions on the realization of breakage criteria in the modelling of cutting processes of different metals and alloys, for which the isotropy and homogeneity of the material to be machined can be assumed. One core statement is that breaking in cutting can be regarded as a phenomenon, where two breakage processes take place. The first process determines the separating of the material that is to be machined from the cutting edge with the formation of new surface: the cutting surface. The second breaking process determines the formation of the chip elements and the separation of the connections between the individual chip elements. The existence of a broad range of breakage criteria and methods for its realization in current studies shows the high complexity of the question to be solved and the necessity of further investigations in order to provide procedures for selecting the optimal parameters of the breakage model.

Prof. Dr.-Ing. Dr. h.c. mult. Uwe Heisel, geb. 1945, studierte von 1968 bis 1971 Maschinenbau und Fertigungstechnik an der FHS Hamburg und von 1971 bis 1974 Maschinenbau an der Technischen Universität Berlin. Von 1974 bis 1980 war er wissenschaftlicher Mitarbeiter bzw. Oberingenieur im Institut für Werkzeugmaschinen und Fertigungstechnik der TU Berlin. Von 1980 bis 1988 war er leitender Angestellter bei der Fa. Fritz Werner Werkzeugmaschinen in Berlin. 1979 promovierte Prof. Heisel und seit 1988 ist er der Direktor des Instituts für Werkzeugmaschinen der Universität Stuttgart.

Dr.-Ing. Dmitrii V. Krivoruchko, geb. 1977, studierte bis 1999 Werkzeugmaschinen und –systeme an der Staatlichen Universität Sumi/Ukraine. 1999 promovierte er und heute ist er Dozent des Lehrstuhls für Maschinenbau der Staatlichen Universität Sumi.

Prof. Dr. Sc. Wiliam A. Zaloga, geb. 1936, studierte bis 1964 Maschinenbau an der Polytechnischen Universität Kharkov/Ukraine. Er promovierte 1974 und habilitierte 2000 während seiner Tätigkeit an der Staatlichen Universität Sumi. Seit 2002 ist er Professor und Lehrstuhlinhaber der Technologie des Maschinenbaus an der Staatlichen Universität Sumi.

Dr. Sc. Michael Storchak, geb. 1952, studierte bis 1974 Maschinenbau an der Technischen Universität Kirowograd/Ukraine. Er promovierte 1984 und habilitierte 1994 während seiner Tätigkeit am Institut für Superharte Materialien der Nationalen Akademie der Ukraine in Kiev. Seit 1998 ist er wissenschaftlicher Mitarbeiter des Instituts für Werkzeugmaschinen der Universität Stuttgart.

Dr.-Ing. Thomas Stehle, geb. 1962, studierte bis 1989 Allgemeiner Maschinenbau an der Universität Stuttgart. Von 1989 bis 1992 war er wissenschaftlicher Mitarbeiter im Institut für Werkzeugmaschinen der Universität Stuttgart im Bereich der Maschinenuntersuchung, seit 1992 nimmt er die Funktion des Oberingenieurs im selben Institut wahr. 1998 promovierte er auf dem Gebiet des thermischen Verhaltens von Werkzeugmaschinen.

References

1 ABAQUS Theory Manual: Documentation Version 6.4. ABAQUS Inc.: ABAQUS Inc., 2003, 296 pSearch in Google Scholar

2 Abdussalam, S. R.: Damage and Fracture Mechanics of Composite Materials. Winnipeg: University of Manitoba, 1999, 271 pSearch in Google Scholar

3 Ambati, R.: Simulation and Analysis of Orthogonal Cutting and Drilling Processes using LS-DYNA: Dissertation for the degree of Master of Science, Stuttgart, University of Stuttgart, 2008, 79 pSearch in Google Scholar

4 Astakhov, V. P.: Metal cutting mechnics. London: CRC Press LLC, 1999, 297 pSearch in Google Scholar

5 Astafjev, V. I.; Radaev, Ju. N.; Stepanova, L. V.: Nichtlineare Bruchmechanik. Samara: Samara Universität, 2001, 534 SSearch in Google Scholar

6 Aurich, J. C.; Bil, H.: 3D Finite Element Modeling of Segmented Chip Formation. Annals of CIRP, 2006, Vol. 55, No. 1, pp. 47–5010.1016/S0007-8506(07)60363-1Search in Google Scholar

7 Bäker, M.: Some Aspects of High Speed Chip Formation // Proceedings of the 8th CIRP International Workshop on Modeling of Machining Operations, Chemnitz, 2005, pp. 101–105Search in Google Scholar

8 Barge, M.; Rech, J.; Hamdi, H.; Bergheau, J.: Simulation numérique de la coupe orthogonale: Influence de paramètres numériques// 7ème colloque national en calcul des structures, 2005Search in Google Scholar

9 Belhadi, S.; Mabrouki, T.; Rigal, J.; Boulanouar, L.: Experimental and numerical study of chip formation during straight turning of hardened AISI 4340 steel//Proc. ImechE, 2005, Vol. 219, pp. 515–52410.1243/095440505X32445Search in Google Scholar

10 Bil, H.; Tekkaya, A. E.; Kιlιç, E. S.: Finite Element Modeling of Machining: A Comparison of Different Approaches with Experiments. Proceedings of the 7th CIRP International Workshop on Modeling of Machining Operations, 2004, pp. 91–98Search in Google Scholar

11 Bridgman, P. W.: Studies in large plastic flow and fracture. New York, McGraw-Hill Book Company, 1952, 362 p 10.4159/harvard.9780674731349Search in Google Scholar

12 Ceretti, E.; Taupin; Altan, T.: Simulation of Metal Flow and Fracture Applications in Orthogonal Cutting, Blanking and Cold Extrusion. Annals of the CIRP, 1997, Vol. 46/1, pp. 187–19010.1016/s0007-8506(07)60805-1Search in Google Scholar

13 Childs, T. H.; Maekawa, K.; Obikawa, T.; Yamane, Y.: Metal Machining theory and applications. London: Arhold, 2000, 403 pSearch in Google Scholar

14 Cockroft, M. G.; Latham, D. J.: Ductility and the Workability of Metals. J. Inst. Met., 1968, Vol. 96, pp. 33–39Search in Google Scholar

15 Curran, R.; Seaman, L.; Shockey, D. A.: Dynamic Failure of Solids. Physics Reports (Review Section of Physics Letters), 1987, Vol. 147, No. 5, pp. 253–38810.1016/0370-1573(87)90049-4Search in Google Scholar

16 Entwicklung der Zerspanlehre der Metalle/herausgegeben von Zorev, N. N., GranovskiG.I., LarinM.N. u.a. Maschinenbau, Moskau, 1967, 416 SSearch in Google Scholar

17 Erdogan, F.; Sih, G. C.: On the Crack Extension in Plates Under Plane Loading and Transverse Shear. J. Basic Eng., 1963, Vol. 85, pp. 519–52710.1115/1.3656897Search in Google Scholar

18 Gonzalo, O.; Cerro, I.; Lamikiz, A.; Etxeberria, I.; López de Lacalle, L. N.; Rivero, A.: Prediction of milling forces from an oblique cutting FEM model// Proceedings of the 8th CIRP International Workshop on Modeling of Machining Operations, Chemnitz, 2005, pp. 235–242Search in Google Scholar

19 Grzesik, W.: Advanced machining processes of metalic materials. Oxford: Elsevier, 2008, 447 pSearch in Google Scholar

20 Guo, Y. B.; Liu, C. R.: 3D FEA Modeling of Hard Turning. J. of Manuf. Science and Engineering: Trans. of ASME, 2002, Vol. 124, pp. 189–19910.1115/1.1430678Search in Google Scholar

21 Hallquist, J. O.: LS-DYNA Theoretical manual. Livermore: LSTC, 1998, 498 pSearch in Google Scholar

22 Hancock, J. W.; Mackenzie, A. C.: On the Mechanisms of Ductile Failure in High-Strength Steels Subjected to Multi-Axial Stress-States. J. Mech. Phys. Solids, 1976, Vol. 24, pp. 147–16910.1016/0022-5096(76)90024-7Search in Google Scholar

23 Hashemi, J.; Tseng, A.; Chou, C.: Finite element modeling of segmental chip formation in high speed orthogonal cutting. J. Mater. Eng Perform., 1994, 3(6), pp. 712–72110.1007/bf02818370Search in Google Scholar

24 Heisel, U.; Krivoruchko, D. V.; Zaloha, V. A.; Storchak, M.: Cause Analysis of Errors in FE Prediction Orthogonal Cutting Performances // Proceedings of the 10th CIRP International Workshop on Modeling of Machining Operations, Calabria, 2007, pp. 141–148Search in Google Scholar

25 Hochrainer, T.; Delonnoy, L.; Kotschenreuther, J.; Schulze, V.; Löhe, D.; Gumbsch, P.; Fleischer, J.: An integrated approach to the modeling of size-effects in machining with geometrically defined cutting edges // Proceedings of the 8th CIRP International Workshop on Modeling of Machining Operations, Chemnitz, 2005, pp. 123–130Search in Google Scholar

26 Hövel, S.: Finite Elemente Simulation von Zerspanvorgängen mit geometrisch bestimmter Schneide. Technische Universität Kaiserslautern, Kaiserslautern2007, 142 SSearch in Google Scholar

27 Huang, J. M.; Black, J. T.: An Evaluation of Chip Separation Criteria for the FEM Simulation of Machining // J.of Manuf. Science and Engineering: Trans. of ASME1996, Vol. 118, No. 4, pp. 545–55410.1115/1.2831066Search in Google Scholar

28 Iwata, K.; Osakada, K.; Terasaka, Y.: Process modeling of orthogonal cutting by the rigidplastic finite element method. Journal of Engineering Materials and Technology, 1984, Vol. 106, pp. 132–13810.1115/1.3225687Search in Google Scholar

29 Johnson, G. R.; Cook, W. H.: A constitutive model and data for metals subjected to large strains, high strain and high temperatures. In: Proceedings of the 7th Int. Symp. On Ballistics, The Hague, Netherlands, 1983, pp. 541–547Search in Google Scholar

30 Kalhori, V.: Modeling and simulation of mechanical cutting: Doctoral thesis, Lulea: Lulea university of technology, 2001, 103 pSearch in Google Scholar

31 Klocke, F.; Frank, P.; Risse, K.; Hoppe, S.: FE-analysis of burr formation and edge break out in cutting. Proceedings of the 8th CIRP International Workshop on Modeling of Machining Operations, Chemnitz, 2005, pp. 621–631Search in Google Scholar

32 Kolmogorov, V. L.: Spannung, Deformation, Bruch. St. Petersburg, Metallurgie, 1970, 229 SSearch in Google Scholar

33 Kumbera, T. G.; Patten, J. A.; Cherukuri, H. P. et al.: Numerical Simulation of Ductile Machining of Silicon Nitride. Proc. of the 16th ASPE Annual Meeting, 2001, pp. 98–101Search in Google Scholar

34 Lin, Z. C.; Lin, S. Y.: A Coupled Finite Element Model of Thermo-Elastic-Plastic Large Deformation for Orthogonal Cutting. J. Engng. Mat. Tech., Trans. ASME, 1992, Vol. 114, pp. 218–22610.1115/1.2904165Search in Google Scholar

35 Liu, C. R.; Guo, Y. B.Finite element analysis of the effect of sequential cuts and tool-chip friction on residual stresses in a machined layer // Int. J. of Mechanical Science, 2000, Vol. 42, pp. 1069–108610.1016/S0020-7403(99)00042-9Search in Google Scholar

36 Marusich, T. D.; Ortiz, M.: Modeling and Simulation of High-Speed Machining//Int. J. Num. Meth. Eng., 1995, v. 38, pp. 3675–369410.1002/nme.1620382108Search in Google Scholar

37 Masillamani, D. P.; Chessa, J.: Determination of optimal cutting conditions in orthogonal metal cutting using LS-DYNA with design experiments approach// Proceedings of the 8th international LS-DYNA users conference, 2004, Vol. 9, pp. 27–36Search in Google Scholar

38 Meyer, L. W.; Halle, T.; Herzig, N.: Determination of material data and development of constitutive equations for numerical simulations of high speed cutting processes. Proceedings of 8th CIRP International Workshop on Modeling of Machining Operations, Chemnitz, 2005, pp. 131–138Search in Google Scholar

39 Min, S.; Dornfeld, D.; Kim, H. S.; Shyu, B.: Finite Element Modeling of Burr Formation in Metal Cutting// Machining Science and Technology, 2001 No. 5, pp. 307–32210.1081/mst-100108617Search in Google Scholar

40 Molinari, A.; Musquar, C.; Sutter, G.: Adiabatic shear banding in high speed machining of Ti-6Al-4V: Experiments and modeling. Int. J. of Plasticity, 2002, Vol. 18, pp. 443–45910.1016/s0749-6419(01)00003-1Search in Google Scholar

41 Morozov, E. M.; Nikishkov, G. P.: Finite Elemente Methode in Bruchmechanik. Moskau, LKI, 2008, 256 SSearch in Google Scholar

42 Ng, E.-G.; EI-Wardany, T.; Dumitrescu, M.; Elbestawi, M. A.: Proc.5th CIRP International Workshop on Modeling of Machining Operations, West Lafayette, IN, USA, May 20–21, 2002, pp. 1–19Search in Google Scholar

43 Ng, E. G.; Aspinwall, D. K.: Modeling of hard part machining. Journal of Material Processing Technology, 2002, Vol. 127, pp. 222–22910.1016/S0924-0136(02)00146-2Search in Google Scholar

44 Nott, D. F.: Bruchmechanikgrundlage. Moskau, Metallurgie, 1978, 256 SSearch in Google Scholar

45 Obikawa, T.; Usui, E.: Computational Machining of Titanium Alloy – Finite Element Modeling and a Few Results. J. of Manuf. Science and Engineering: Trans. of ASME, 1996, Vol. 118, pp. 208–21510.1115/1.2831013Search in Google Scholar

46 Owen, D.R.J.; Vaz, Jr.: Computational Techniques applied to High-speed Machining under Adiabatic Strain Localization Conditions. Comp. Meth. Appl. Mech. Engng., 1999, Vol. 171, pp. 445–46110.1016/s0045-7825(98)00220-5Search in Google Scholar

47 Oxley, P. L.: Mechanics of machining: An analytical approach to assessing machinability. Ellis Horwood Limited, 1989, 242 p. 10.1115/1.2888318Search in Google Scholar

48 Özel, T.; Zeren, E.: Prediction of Chip Formation and Cutting Forces in Flat End Milling: Comparison of Process Simulations with Experiments// Transactions of NAMRI/SME, 1998, Vol. 26, p. 231–238Search in Google Scholar

49 Piendl, S.; Aurich, J. C.; Steinicke, M.: 3D Finite-Element Simulation of Chip Formation in Turning// Proceedings of the 8th CIRP International Workshop on Modeling of Machining Operations, Chemnitz, 2005, pp. 225–233Search in Google Scholar

50 Pijaudier-Cabot, G.; Bazant, Z. P.: Nonlocal Damage Theory. Journal of Engineering Mechanics, 1987, Vol. 113, No. 10, pp. 1512–153310.1061/(asce)0733-9399(1987)113:10(1512)Search in Google Scholar

51 Pol, B.: Makroskopische Kriterien des plastischen Fluss und Sprödbruchs: Mathematische Grundlage der Bruchtheorie//Bruch. Moskau, Mir, 1975, Band 2, S. 338–520Search in Google Scholar

52 Poluchin, P. I.; Gorelik, S. S.; Voronzov, V. K.: Physikalische Grundlage der plastischen Deformation. Moskau, Metallurgie, 1982, 584 SSearch in Google Scholar

53 Rice, J.; Tracey, D. M.: On the ductile enlargement of voids in triaxial stress fields. J. Mech. Solids, 1969, Vol. 17, pp. 201–21710.1016/0022-5096(69)90033-7Search in Google Scholar

54 Shih, A. J.; Yang, H.: Experimental and finite element simulation methods for rate-dependent metal forming processes//Int. J. for Numerical Method in Engineering, 1991, Vol. 31, pp. 345–36710.1002/nme.1620310209Search in Google Scholar

55 Smirnov-Aljaev, G. A.; Rosenberg, V. M.: Theorie der plastischen Deformation von Metalle. Moskau, Mashgiz, 1956, 143 SSearch in Google Scholar

56 Söhner, J.: Beitrag zur Simulation zerspanungstechnologischer Vorgange mit Hilfe der Finite-Element-Methode: Dissertation, Universität Karlsruhe, Karlsruhe, 2003, 162 SSearch in Google Scholar

57 Solotarevski, V. S.: Mechanische Eigenschaften der Metalle. Lehrbuch für Hochschulen. Moskau, Metallurgie, 1983, 352 SSearch in Google Scholar

58 Stein, E.; De, B. R.; Hughes, T. J.: Encyclopedia of Computational Mechanics: B 2- X T. Chichester: John Wiley & Sons Inc, 2004. -T.2: Solids and Structures. 798 p10.1002/0470091355Search in Google Scholar

59 Varas, J. M.: Continuous and discontinuous modelling of ductile fracture. Eindhoven: Technical University Eindhoven, 2005, 164 pSearch in Google Scholar

60 Westhoff, B.: Modellierungsgrundlagen zur FE-Analyse von HSC-Prozessen. Hamburg: Universitat der Bundeswehr, 2001, 149 SSearch in Google Scholar

61 Wince, J. N.: Modelling Chip Formation in Orthogonal Metal Cutting Using Finite Element Analysis: A Thesis for the Degree of Master of Science. – Mississippi: Mississippi State University, 2002, 104 pSearch in Google Scholar

62 Xie, L.: Estimation of Two-dimension Tool Wear Based on Finite Element Method. Dissertation Universität Karlsruhe, 128 pSearch in Google Scholar

63 Yang, H.; Heinstein, M.; Shih, J. M.: Adaptive 2D finite element simulation of metal forming process. Int. J. for Numerical Method in Engineering, 1989, Vol. 28, pp. 1409–142810.1002/nme.1620280612Search in Google Scholar

64 Zaghbani, I.; Bouzid, W.; Sai, K.: A Thermo-Mechanical Coupled FEM Model for Orthogonal Cutting. In: Proceedings of the 8th CIRP International Workshop on Modeling of Machining Operations, Chemnitz, 2005, pp. 139–145Search in Google Scholar

65 Zorev, N. N.: Metal Cutting Mechanics. Pergamon Press GmbH, Frankfurt am Main, 1966, 526 pSearch in Google Scholar

Online erschienen: 2017-03-20
Erschienen im Druck: 2009-05-29

© 2009, Carl Hanser Verlag, München

Articles in the same Issue

  1. Editorial
  2. Eine Branche steht vor großen Herausforderungen
  3. Inhalt/Contents
  4. Inhalt
  5. Leitartikel
  6. Produktionstechnische Innovationskultur gefragt
  7. WGP-Mitteilungen
  8. Aktuelle Informationen und Ehrungen
  9. Berliner Kreis-Mitteilungen
  10. Berliner Kreis-Mitteilungen
  11. Innovative Fertigung
  12. Inkrementelles Umformen von hochfesten Aluminiumlegierungen
  13. Bruchmodelle für die Modellierung von Zerspanprozessen
  14. Auslegung von Schneidkörpern für das Seilschleifen
  15. Produktionsoptimierung
  16. Montagesystemplanung für die schlanke Produktion
  17. Wirtschaftlich Produzieren
  18. Chancen nutzen in Krisenzeiten durch Produktionsoptimierung
  19. Prozessoptimierung
  20. Synchronisierung im Werkzeugbau
  21. Lean durch Frontloading
  22. Steigerung der Verfügbarkeit
  23. Analyse und Bewertung der Kosten von Produktionsausfällen
  24. Ersatzteilmanagement
  25. Komponenten der Versorgungsstrategie Wiederinstandsetzung im OEM-Ersatzteilmanagement
  26. Hybride Technologien
  27. Roadmap „Hybride Produktion“
  28. Produktionslogistik
  29. Konsistente Gestaltung der Produktionslogistik
  30. Musterfertigung
  31. Musterfertigung im Produktentstehungsprozess von Systemlieferanten
  32. Risikoorientierung
  33. Ablaufmodell für die Handhabung von operationellen Risiken im unternehmerischen Umfeld
  34. Wissensmanagement
  35. Systemische Wissensbewirtschaftung
  36. BI-Systeme
  37. Nutzen von Business Intelligence-Systemen
  38. Vorschau/Preview
  39. Vorschau
https://doi.org/10.3139/104.110057

Articles in the same Issue

  1. Editorial
  2. Eine Branche steht vor großen Herausforderungen
  3. Inhalt/Contents
  4. Inhalt
  5. Leitartikel
  6. Produktionstechnische Innovationskultur gefragt
  7. WGP-Mitteilungen
  8. Aktuelle Informationen und Ehrungen
  9. Berliner Kreis-Mitteilungen
  10. Berliner Kreis-Mitteilungen
  11. Innovative Fertigung
  12. Inkrementelles Umformen von hochfesten Aluminiumlegierungen
  13. Bruchmodelle für die Modellierung von Zerspanprozessen
  14. Auslegung von Schneidkörpern für das Seilschleifen
  15. Produktionsoptimierung
  16. Montagesystemplanung für die schlanke Produktion
  17. Wirtschaftlich Produzieren
  18. Chancen nutzen in Krisenzeiten durch Produktionsoptimierung
  19. Prozessoptimierung
  20. Synchronisierung im Werkzeugbau
  21. Lean durch Frontloading
  22. Steigerung der Verfügbarkeit
  23. Analyse und Bewertung der Kosten von Produktionsausfällen
  24. Ersatzteilmanagement
  25. Komponenten der Versorgungsstrategie Wiederinstandsetzung im OEM-Ersatzteilmanagement
  26. Hybride Technologien
  27. Roadmap „Hybride Produktion“
  28. Produktionslogistik
  29. Konsistente Gestaltung der Produktionslogistik
  30. Musterfertigung
  31. Musterfertigung im Produktentstehungsprozess von Systemlieferanten
  32. Risikoorientierung
  33. Ablaufmodell für die Handhabung von operationellen Risiken im unternehmerischen Umfeld
  34. Wissensmanagement
  35. Systemische Wissensbewirtschaftung
  36. BI-Systeme
  37. Nutzen von Business Intelligence-Systemen
  38. Vorschau/Preview
  39. Vorschau
Sign up now to receive a 20% welcome discount
Institutional Access
How does access work?
Have an idea on how to improve our website?
Please write us.
© 2026 De Gruyter Brill
Downloaded on 20.2.2026 from https://www.degruyterbrill.com/document/doi/10.3139/104.110057/html
Scroll to top button