Zugl.: Siegen, Univ., Diss., 2008

The introduction of ceramics into the market of wood cutting tools has failed so far due to the generally low toughness of ceramics which is causing brittle failure of the cutting edge. A feasibility study showed that Si3N4/SiC composites with fine elongated β-Si3N4 grains are a promising material for industrial wood machining and outperform commercial standard tungsten carbide tools in terms of lifetime. However, they were produced by hot pressing followed by very costly diamond cutting and grinding. The costs associated with the above production route are too high for an industrial viability. In this thesis Si3N4/SiC composites suitable for industrial wood milling are produced by a near net shape processing route including gas pressure sintering. These newly developed tools show less abrasive wear and consequently twice as long lifecycles than commercial standard tungsten carbide tools. Microscopic properties determine the performance of the Si3N4/SiC cutting tools. Therefore, an adequate selection of sintering additives is crucial. 12 wt% sintering additives are included in the composite as a combination of Al2O3 and the refractory oxides La2O3 and Y2O3. Important for the production of effective Si3N4/SiC wood cutting tools is the formation of a partly crystalline silicate phase within the multiple grain junctions during the final treatment by hot isostatic pressing. The use of MgO as a sintering additive for facilitating the densification of the Si3N4 ceramics inhibits the formation of the favourable silicate phase and must be avoided for the production of these wood cutting tools.

Die Dissertation befasst sich mit der Optimierung des Schneidprozesses bei der Gesteinsgewinnung und der Erarbeitung eines Modells zur Prognose der relevanten Arbeitsgrößen unter Berücksichtigung der Abnutzung der Schneidwerkzeuge. Die Untersuchungen wurden mit Rundschaftmeißeln unterschiedlicher Verschleißzustände durchgeführt. Gegenstand der Untersuchungen waren die von den Schneidparametern abhängigen Größen wie Schneidkräfte, spezifische Energie, Staubmengenanteil und Stückigkeit des gewonnenen Gesteins. Es wurden die Auswirkungen des Meißelverschleißes auf die optimalen Schneidparameter festgestellt, denen beim Einsatz einer Gewinnungsmaschine oder bereits in der Konstruktionsphase des Gewinnungsorgans Rechnung getragen werden sollten.

Mit dem zweidimensionalen numerischen Diskrete-Elemente-Programm UDEC wurde nach vorheriger Kalibrierung das Einstanzen einer keilförmigen Schneide in Gesteinsmaterial simuliert und mit Laborversuchen verglichen. Außerdem wurde ein Schneidprozess simuliert. Mittels einer selbst entwickelten Routine, welche die Gesteinselemente bei Überlastung zerteilt und ein ‚Re-meshing‘ erzeugt, konnten befriedigende Simulationsergebnisse erzielt werden. Mit der dreidimensionalen Simulationssoftware PFC3D auf Partikelbasis wurden Modelle mit Hilfe von Zug-, Druck-, Scher- und Stanzversuchen kalibriert und anschließend Schneid- und Bohrversuche simuliert. Die Schneidsimulationen erbrachten bezüglich der Kräfte bei verschiedenen Prozessparametern gute Übereinstimmung mit den Laborversuchen. Bei der Bohrsimulationen konnten Kräfte und Momente aus den Laborversuchen nur teilweise reproduziert werden.

The introduction of ceramics into the market of wood cutting tools has failed so far due to the generally low toughness of ceramics which is causing brittle failure of the cutting edge. A feasibility study showed that Si3N4/SiC composites with fine elongated β-Si3N4 grains are a promising material for industrial wood machining and outperform commercial standard tungsten carbide tools in terms of lifetime. However, they were produced by hot pressing followed by very costly diamond cutting and grinding. The costs associated with the above production route are too high for an industrial viability. In this thesis Si3N4/SiC composites suitable for industrial wood milling are produced by a near net shape processing route including gas pressure sintering. These newly developed tools show less abrasive wear and consequently twice as long lifecycles than commercial standard tungsten carbide tools. Microscopic properties determine the performance of the Si3N4/SiC cutting tools. Therefore, an adequate selection of sintering additives is crucial. 12 wt% sintering additives are included in the composite as a combination of Al2O3 and the refractory oxides La2O3 and Y2O3. Important for the production of effective Si3N4/SiC wood cutting tools is the formation of a partly crystalline silicate phase within the multiple grain junctions during the final treatment by hot isostatic pressing. The use of MgO as a sintering additive for facilitating the densification of the Si3N4 ceramics inhibits the formation of the favourable silicate phase and must be avoided for the production of these wood cutting tools.

Mit dem Anspruch, den Informationsgehalt heute standardmäßig erhobener Prozess- und Betriebsdaten mit beliebiger zeitlicher Auflösung für die Zwecke der Grabwiderstandsanalyse zu erschließen, wurde auf Grundlage der konventionellen Methode der indirekten Grabwiderstandsermittlung ein umfassendes mathematisches Modell der Gesamtheit aller Teilprozesse bei der schneidenden Gewinnung am Graborgan des vorschublosen Schaufelrad-baggers erarbeitet und bisher unberücksichtigte zeitabhängige Einflussgrößen integriert. Das Ziel der Anwendung der hochauflösenden indirekten Grabwiderstandsanalyse (HIG) auf verschiedene theoretische und praktische Aufgabenstellungen war die Prüfung der Ergebnisplausibilität sowie die umfassende Diskussion der Potentiale und Grenzen der Methode. Für die Schneidwerkzeugentwicklung ist die Anwendung der HIG die einzige Möglichkeit, ohne zusätzliche Kosten, Umbaumaßnahmen oder Betriebsstillstände den Einfluss von Werkzeugparametern unter betrieblichen Bedingungen zu analysieren. Für die theoretische Weiter¬entwicklung des Fachgebietes ermöglicht die Prozessmodellierung auf Basis beliebiger Zeitinkremente die umfassende Analyse konventioneller und spanunabhängiger Grabwiderstandskenngrößen.

Die Dissertation befasst sich mit der Optimierung des Schneidprozesses bei der Gesteinsgewinnung und der Erarbeitung eines Modells zur Prognose der relevanten Arbeitsgrößen unter Berücksichtigung der Abnutzung der Schneidwerkzeuge. Die Untersuchungen wurden mit Rundschaftmeißeln unterschiedlicher Verschleißzustände durchgeführt. Gegenstand der Untersuchungen waren die von den Schneidparametern abhängigen Größen wie Schneidkräfte, spezifische Energie, Staubmengenanteil und Stückigkeit des gewonnenen Gesteins. Es wurden die Auswirkungen des Meißelverschleißes auf die optimalen Schneidparameter festgestellt, denen beim Einsatz einer Gewinnungsmaschine oder bereits in der Konstruktionsphase des Gewinnungsorgans Rechnung getragen werden sollten.

Mit dem zweidimensionalen numerischen Diskrete-Elemente-Programm UDEC wurde nach vorheriger Kalibrierung das Einstanzen einer keilförmigen Schneide in Gesteinsmaterial simuliert und mit Laborversuchen verglichen. Außerdem wurde ein Schneidprozess simuliert. Mittels einer selbst entwickelten Routine, welche die Gesteinselemente bei Überlastung zerteilt und ein ‚Re-meshing‘ erzeugt, konnten befriedigende Simulationsergebnisse erzielt werden. Mit der dreidimensionalen Simulationssoftware PFC3D auf Partikelbasis wurden Modelle mit Hilfe von Zug-, Druck-, Scher- und Stanzversuchen kalibriert und anschließend Schneid- und Bohrversuche simuliert. Die Schneidsimulationen erbrachten bezüglich der Kräfte bei verschiedenen Prozessparametern gute Übereinstimmung mit den Laborversuchen. Bei der Bohrsimulationen konnten Kräfte und Momente aus den Laborversuchen nur teilweise reproduziert werden.:1 Einleitung.................................................................................................... 1 2 Grundlagen der Gesteinszerstörung .......................................................... 3 2.1 Die mechanische Gesteinszerstörung beeinflussende Faktoren................ 3 2.2 Bohrwerkzeuge .......................................................................................... 8 2.2.1 Anforderungen an Bohrwerkzeuge ...................................................... 8 2.2.2 Rollenbohrwerkzeuge .......................................................................... 9 2.2.3 Diamantbohrwerkzeuge....................................................................... 9 2.2.4 Hartmetallwerkzeuge ......................................................................... 11 2.2.5 Auswahl und Einsatz des Bohrmeißels.............................................. 12 2.3 Gestaltung des Bohrprozesses ................................................................ 13 2.4 Vergleich zwischen schneidender, drückender und schlagender Gesteinszerstörung .................................................................................. 14 2.5 Schneidende Gesteinszerstörung ............................................................ 15 2.5.1 Zerspankraft und deren Komponenten: ............................................. 15 2.5.2 Steinbearbeitung mit geometrisch unbestimmter Schneide............... 17 2.5.3 Steinbearbeitung mit geometrisch bestimmter Schneide................... 18 2.6 Drückende Gesteinszerstörung ................................................................ 27 2.7 Verschleiß ................................................................................................ 28 3 Stand der Technik .................................................................................... 31 3.1 Rollenmeißel ............................................................................................ 31 3.1.1 Experimentelle Untersuchungen........................................................ 31 3.1.2 Simulation der Rollenmeißel.............................................................. 34 3.2 Simulation von mechanischen Zerkleinerungsprozessen......................... 40 4 Zweidimensionale Simulation der Gesteinszerstörung mit UDEC ............ 71 4.1 Vorstellung UDEC .................................................................................... 71 4.2 Simulation eines Stanzversuchs mit Diskenmeißeln ................................ 73 4.2.1 Modellaufbau, Methodik..................................................................... 73 4.2.2 Kalibrierung des Gesteinsmodells ..................................................... 73 4.2.3 Simulation der Stanzversuche ........................................................... 74 4.3 Simulation von Schneidversuchen ........................................................... 83 4.3.1 Kalibrierung des Gesteinsmodells ..................................................... 83 4.3.2 Simulation der Schneidversuche ....................................................... 85 5 Dreidimensionale Simulation der Gesteinszerstörung mit PFC3D ............. 97 5.1 Vorstellung PFC3D .................................................................................... 97 5.2 Methodik der Parameterkalibrierung......................................................... 98 5.3 Kalibrierung an Postaer Sandstein ......................................................... 100 5.3.1 Verwendete Rechenmodelle............................................................ 100 5.3.2 Kalibrierung an einaxialen Duck- und Zugversuchen....................... 102 5.3.3 Kalibrierung an Scherversuchen...................................................... 113 5.3.4 Kalibrierung an Stanzversuchen...................................................... 120 5.3.5 Schlussfolgerungen aus der Kalibrierung ........................................ 124 5.4 Simulation von Schneidversuchen ......................................................... 124 5.4.1 Laborversuche................................................................................. 124 5.4.2 Simulationen mit fünffachem Partikeldurchmesser.......................... 128 5.4.3 Simulation mit der Originalkorngröße .............................................. 133 5.4.4 Zusammenfassung .......................................................................... 149 5.5 Simulation der Bohrversuche ................................................................. 149 5.5.1 Versuchsstand................................................................................. 149 5.5.2 Berechnung von Kräften und Momenten ......................................... 151 II 5.5.3 Vergleich verschiedener Rechenmodelle ........................................ 152 5.5.4 Vergleich der Simulation des Bohrversuches mit dem Schneidversuch.............................................................................. 163 5.5.5 Betrachtungen zu den einzelnen Schneidplatten............................. 165 5.5.6 Zusammenfassung .......................................................................... 168 6 Zusammenfassung..................................................................................169 6.1 Hauptbeiträge......................................................................................... 171 7 Extended Summary.................................................................................173 7.1 Two-dimensional simulation of the rock destruction with UDEC............. 173 7.1.1 Introduction...................................................................................... 173 7.1.2 Simulation of a stamping experiment with disc cutters .................... 173 7.1.3 Simulation of rock cutting experiments ............................................ 174 7.2 Three dimensional simulation of the rock destruction with PFC3D .......... 177 7.2.1 Introduction...................................................................................... 177 7.2.2 Calibration ....................................................................................... 177 7.2.3 Simulation of cutting experiments.................................................... 178 7.2.4 Simulation of drilling experiments .................................................... 182 8 Literatur ...................................................................................................187

Die Verwendung von lang kragenden Schaftfräsern im Bereich der Hochgeschwindigkeitsbearbeitung birgt besondere Herausforderungen bezüglich der Prozessdynamik. In diesem Zusammenhang werden verschiedene kontinuumsmechanische Berechnungsmodelle für Werkzeuge mit Hohlschaft vorgestellt. Dabei wird eine teilweise Füllung des Schaftes mit einer fließfähigen Ausgleichsmasse zum Zweck des automatischen Wuchtens berücksichtigt. Ausgehend von der Verformungskinematik wird die systembeschreibende Variationsformulierung mit Hilfe des Hamilton'schen Prinzips hergeleitet. Dabei wird auch auf den Einfluss von stochastisch verteilten Unwuchten, geometrischen Nichtlinearitäten und Schubdeformationen eingegangen. Zur Ortsdiskretisierung werden sowohl lokale als auch globale Methoden angewendet und miteinander verglichen. Die Auswertung stellt den Einfluss von verschiedenen geometrischen sowie prozessbedingten Parametern auf die Eigenfrequenzen, stationäre Deformation, Stabilität sowie Zeitlösung dar.:1. Einleitung 1.1. Problemstellung und Motivation der Arbeit 1.2. Stand der Technik 1.2.1. Hochgeschwindigkeitsfräsen 1.2.2. Verwendung lang kragender Schaftfräser 1.3. Thema und Aufbau der Arbeit 2. Theoretische Grundlagen 2.1. Kontinuumsmechanische Grundbegriffe 2.2. Spannungen und konstitutive Gleichungen 2.3. Prinzip von Hamilton 2.4. Lösungstheorie 2.4.1. Anfangswertprobleme 2.4.2. Randwertprobleme 2.5. Stochastische Grundbegriffe 3. Balkenmodelle 3.1. Verformungskinematik des Balkens 3.2. Variationsformulierung 3.3. Modellierung der Unwucht 3.4. Globale Diskretisierung 3.4.1. Stationäre Lage und Linearisierung 3.4.2. Ortsfunktionen 3.5. Lokale Diskretisierung 3.6. Anmerkungen zur schubweichen Formulierung 3.7. Berechnungsergebnisse 3.7.1. Ruhendes Werkzeug 3.7.2. Rotierendes Werkzeug 4. Schalenmodelle 4.1. Verformungskinematik der Schale 4.2. Variationsformulierung 4.3. Globale Diskretisierung 4.3.1. Stationäre Lage und Linearisierung 4.4. Lokale Diskretisierung mittels FEM 4.4.1. Konforme flache Schalenelemente 4.5. Anmerkungen zur schubweichen Formulierung 4.6. Berechnungsergebnisse 4.6.1. Ruhender Schaft 4.6.2. Rotierender Schaft 5. Zusammenfassung und Ausblick 6. Verzeichnisse 6.1. Quellenverzeichnis 6.2. Symbolverzeichnis 6.3. Abbildungsverzeichnis 6.4. Tabellenverzeichnis A. Feldgleichungen und Ableitungen der Ansätze für die Balkenmodelle B. Anmerkungen zum Timoshenko-Balken C. Feldgleichungen und Ableitungen der Ansätze für die Schalenmodelle D. Anmerkungen zur Mindlin-Reissner-Schale / The use of long slender end mills for high-speed-cutting (HSC) holds special requirements with respect to the system dynamics. In this context, several tool models in the area of continuum mechanics are presented. Especially hollow tool shafts, with a fluid medium inside, for the purpose of automatic balancing are considered. Starting with the kinematics of deformation, Hamilton's principle is used to evaluate the variational formulation. Therefore, also the influence of a stochastic distributed unbalance, geometrical nonlinearities and shear deformations are discussed. For space discretisation local as well as global approaches are used and compared with each other. Following up on this, results are presented, which show the influence of different geometrical and process-related parameters due to the eigenfrequencies, stationary deformation, stability and time solution.:1. Einleitung 1.1. Problemstellung und Motivation der Arbeit 1.2. Stand der Technik 1.2.1. Hochgeschwindigkeitsfräsen 1.2.2. Verwendung lang kragender Schaftfräser 1.3. Thema und Aufbau der Arbeit 2. Theoretische Grundlagen 2.1. Kontinuumsmechanische Grundbegriffe 2.2. Spannungen und konstitutive Gleichungen 2.3. Prinzip von Hamilton 2.4. Lösungstheorie 2.4.1. Anfangswertprobleme 2.4.2. Randwertprobleme 2.5. Stochastische Grundbegriffe 3. Balkenmodelle 3.1. Verformungskinematik des Balkens 3.2. Variationsformulierung 3.3. Modellierung der Unwucht 3.4. Globale Diskretisierung 3.4.1. Stationäre Lage und Linearisierung 3.4.2. Ortsfunktionen 3.5. Lokale Diskretisierung 3.6. Anmerkungen zur schubweichen Formulierung 3.7. Berechnungsergebnisse 3.7.1. Ruhendes Werkzeug 3.7.2. Rotierendes Werkzeug 4. Schalenmodelle 4.1. Verformungskinematik der Schale 4.2. Variationsformulierung 4.3. Globale Diskretisierung 4.3.1. Stationäre Lage und Linearisierung 4.4. Lokale Diskretisierung mittels FEM 4.4.1. Konforme flache Schalenelemente 4.5. Anmerkungen zur schubweichen Formulierung 4.6. Berechnungsergebnisse 4.6.1. Ruhender Schaft 4.6.2. Rotierender Schaft 5. Zusammenfassung und Ausblick 6. Verzeichnisse 6.1. Quellenverzeichnis 6.2. Symbolverzeichnis 6.3. Abbildungsverzeichnis 6.4. Tabellenverzeichnis A. Feldgleichungen und Ableitungen der Ansätze für die Balkenmodelle B. Anmerkungen zum Timoshenko-Balken C. Feldgleichungen und Ableitungen der Ansätze für die Schalenmodelle D. Anmerkungen zur Mindlin-Reissner-Schale