Lehrstuhl für Computational Physics in Engineering (CPE)

Analyse und Modellierung der Kräfte beim Schleifen

Keywords:

Schleifen, Experimente, Auswertung, Analsyse, Simulation, FEM, Abaqus, Optimierung, Konstruktion

 

Zusammenfassung des Projektes

Das Schleifen gehört zu den Fertigungsverfahren, bei denen das Material mit geometrisch unbestimmten Körnern angetragen wird. Um den Prozess im Detail zu verstehen, untersuchen wir das Ritzen einzelner Körner unter Berücksichtigung

  • der Zustellung
  • der Geschwindigkeit
  • der Korngeometrie (bestimmte, unbestimmte Geometrie)
  • des Kühlschmiermittels

um die Kräfte zunächst an einem Korn zu berechnen. In weiteren Schritten werden die Kräfte vieler einzelner Körner zur Berechnung der Prozesskräfte von einer Schleifscheibe verwendet.

Das Schleifen zählt zu den spanenden Fertigungsverfahren, welche für die Fein- und Fertigbearbeitung von Bauteilen angewendet wird. Zudem wird das Schleifen den spanenden Verfahren mit geometrisch unbestimmter Schneide zugeordnet, da sowohl Form, Verteilung und die Anzahl der sich im Eingriff befindlichen Schneidkörner grundsätzlich nicht bekannt sind. Die aus natürlichem oder synthetischem Material bestehenden und in einem Werkzeug gebundenen Schneidkörner tragen hierbei unter hoher Relativgeschwindigkeit Material aus dem Werkstück ab, wobei sich die Schneidkörner und das Werkstück nicht permanent in Kontakt zueinander befinden. Bei diesem Vorgang wird sowohl Form als auch die Maßhaltigkeit des Werkstücks verändert und die Oberflächengüte verbessert.

Der Schleifprozess zeichnet sich durch eine hohe Komplexität und Dynamik aus, weshalb eine detaillierte Prozessvorhersage nur mit einem validen Simulationsmodell möglich ist. Mit einem solchen physikalischen Kraftmodell kann der Aufwand experimenteller Parametrisierung von empirischen Kraftbeschreibungen erheblich verringert werden. Zusätzlich kann mit einem solchen physikalischen Kraftmodell ein nützliches Werkzeug für die virtuelle Prozessplanung bereitgestellt werden.

Zur Realisierung eines solchen physikalischen Kraftmodells werden am CPE zunächst Ein- und Mehrkornritzversuche simulativ mithilfe einer FEM abgebildet. Mittels Ritzversuchen, also realen Experimenten, werden Kraftmessungen mit verschiedenen Testparametern, wie Ritzgeschwindigkeit, Werkstückmaterialien und Ritzkorngeometrien durchgeführt und anschließend verwendet, um das physikalische Kraftmodell zu validieren. Im weiteren Verlauf soll dieses Kraftmodell für statistische Auswertungen genutzt werden und eine Skalierung von einzelnen Schneidkörnern hin zu einer vollständigen Schleifscheibe ermöglichen und diese simulativ abbilden.

Da industrielle Schleifprozesse meist unter Einwirkung von Kühlschmierstoffen stattfinden, soll das Basiskraftmodell insofern angepasst bzw. erweitert werden, dass der Einfluss eines beliebigen Kühlschmierstoffs ebenfalls berücksichtigt werden kann. Hierfür werden ebenfalls reale Experimente durchgeführt, um zunächst den generellen Einfluss eines Kühlschmierstoffs auf die resultierende Kraft der Ritzversuche zu identifizieren und anschließend das Verhalten durch einen geeigneten Ansatz in das bestehende Modell zu implementieren.

Ansprechpartner
Förderung

Gefördert durch die DFG im Rahmen des IRTG 2057

Projektergebnisse

Ergebnisse aus diesem Forschungsprojekt

  • Grundaufbau des Versuchsstandes
    Grundaufbau des Versuchsstandes
  • Aufbringung der Kühlflüssigkeit
    Aufbringung der Kühlflüssigkeit
  • Kraftgeregelte Ritzversuche
    Kraftgeregelte Ritzversuche
  • Ritzversuche durchgeführt mit verschiedenen Indentergeometrien
  • Mikroskopaufnahme eines Inenters
  • Indenterverschleiß
  • Gemessene Kraftkomponenten beim Ritzversuch
  • Kräfte ohne und mit Kühlschmierstoff
  • Einfluss des Kühlschmiermittels auf die Kraft
  • Simulation des Ritzens mit verschiedenen Diskretisierungsverfahren
  • Simulation des Herstellungsprozesses von Schleifscheiben
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