Simulation der induktiven Erwärmung eines

Simulation der induktiven Erwärmung
eines Werkzeugschrumpfspannfutters
Problemstellung
Mit dieser Berechnung wird das Erwärmen und Abkühlen eines Werkzeugfutters zum Ein- bzw. Ausbau
eines Werkzeugs simuliert. Das
Spannfutter wird induktiv erwärmt
und ein auf Raumtemperatur befindliches Werkzeug einsetzt. Durch die
Abkühlung des Futters in einem Kühlblock schrumpft die Hülse wieder
zusammen und das Werkzeug wird
eingespannt.
Abb. 3: Modell für thermische Berechnung
Temperaturverläufe
Das Futter heizt sich an der äußeren
Randschicht zuerst auf. Die Wärme
wird nach innen weitertransportiert.
Bild 5 zeigt den Temperaturverlauf an
ausgewählten Knoten.
Abb. 7: Deformation horizontal
Abb.1: Spannfutter mit Werkzeug
Abb. 4: Temperaturverlauf Spannfutter
Ablauf der Berechnung
Zur Berechnung der induktiven Erwärmung ist eine gekoppelte Feldrechnung notwendig. Dabei wird eine
elektromagnetische Feldrechnung mit
einer
Temperaturfeldberechnung
kombiniert.
Wärmedehnungen
Mit einer strukturmechanischen Berechnung, welche die Wärmeverteilung zum Ende der Heizzeit als Lastfall zugeordnet bekommt, wird die
Verformung der Hülse berechnet. Die
Deformation ist überhöht dargestellt,
die Farbverteilung zeigt die radiale
Ausdehnung des Modells.
Etwa 1 s nach Ende der Aufheizzeit
wird das Werkzeug eingesetzt. Die
Temperatur an der Innenfläche der
Hülse fällt ab. Eine weitere Sekunde
wird benötigt, um das Spannfutter in
den Kühlblock zu stecken. Die Tem-
Die Hülse dehnt sich tonnenförmig
aus, die maximale Verformung tritt an
der Außenseite auf. An der Öffnung
wird der Durchmesser um ca. 0,05
mm aufgeweitet.
Industrielle Anwendung
Die Berechnung wurde im Auftrag
der Fa. Bilz / Ostfildern durchgeführt.
Nach der Verifizierung der Simulationsergebnisse mit Messergebnissen
die an einem Prototypen gewonnen
wurden, soll die Technik mit Hilfe der
Simulation optimiert werden.
Abb. 2: Gekoppelte Feldrechnung
Nach der Berechnung des sich ausbildenden Magnetfelds wird die als
Folge der induzierten Wirbelströme
entstehende joulsche Wärme im Material des Werkzeugfutters bestimmt.
Die sich in der Spannzange ergebende Temperaturverteilung wird in
einer
nachfolgenden
transienten
Temperaturfeldberechnung errechnet.
Modellerstellung
Die Aufgabenstellung erfordert mehrere Modellvarianten: Ein Modell für
die Magnetfeldberechnung und ein
Modell für die thermische Berechnung, welches für die Abkühlung
noch weiter variiert wird. Aufgrund
der Symmetriebedingungen ist ein
zweidimensionaler Halbschnitt als
Modellgeometrie ausreichend.
Abb. 5: Temperaturverteilung am Ende der
Heizphase
peratur fällt jetzt an der äußeren Kontaktfläche stark ab und die Wärme
fließt in das besser leitende Aluminium des Kühlblocks ab. Die Bilder 6
und 7 zeigen die Temperaturverteilungen am Ende der Heizphase und
15 s nach Beginn des Heizvorgangs.
Abb. 8: Prototyp der Fa. Bilz / Ostfildern
Abb. 6: Temperaturverteilung beim Abkühlen
Universität Stuttgart
Institut für Konstruktion und Fertigung in der Feinwerktechnik
Kontakt:
IKFF Universität Stuttgart
Tel.:
0711 / 685 66402
Fax.:
0711 / 685 56402
[email protected]
Pfaffenwaldring 9
70550 Stuttgart