Untersuchung des thermomechanischen Belastungskollektivs in der Kontaktzone beim Längs-Umfangs-Planschleifen
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Das Schleifen ist als Fertigungsverfahren mit geometrisch unbestimmter Schneide ein komplexes Bearbeitungsverfahren, bei dem der Materialabtrag durch eine hohe Anzahl von Schneiden realisiert wird. Aufgrund der einzelnen Korneingriffe wird das Bauteil, lokal betrachtet, thermomechanisch belastet. Aus makroskopischer Sicht ergibt sich ein globales Belastungskollektiv. Bei der Modellierung des Schleifprozesses wird aus thermischer Sicht nach Carslaw und Jaeger die Schleifscheibe als Wärmequelle substituiert und entsprechend der Prozesskinematik über das durch Finite Elemente diskretisierte Werkstückmodell geführt. Hierdurch können die im Prozess herrschenden Temperaturen und die - verteilung über den gesamten Prozessverlauf nachgebildet werden. Nach dem aktuellen Stand der Technik werden zumeist stark vereinfachte Annahmen über die Verteilung der thermischen Belastungsverteilungen angenommen. Durch verschiedene theoretische Annahmen können durch das jeweilige Simulationsergebnis ebenfalls unterschiedliche Temperaturverteilungen innerhalb der Kontaktzone approximiert werden. Die lokalen Temperaturmaxima innerhalb der Kontaktzone sind letztendlich ausschlaggebend für die werkstückspezifische Belastungsgrenze. Durch ein Überschreiten dieser Belastungsgrenzen können Randzonenveränderungen am Bauteil auftreten, was zu Ausschuss in der finalen Bearbeitung innerhalb der Produktionslinie führt. Im Rahmen des Projektes konnten die exakt auftretenden Normal- und Schubspannungen mit Hilfe des zweifach gestuften Messverfahrens nach Noyen aufgenommen und die Einflüsse der Prozessparameter auf diese aufgezeigt werden. Die ermittelten Spannungen haben zum einen in Vorschubrichtung eine Form, die einer verschobenen Gaußschen Normalverteilung entspricht. Zum anderen existiert entlang der Schleifscheibenbreite ein mittlerer annähernd konstanter Bereich, der zu den Kanten der Schleifscheibe abfällt, was durch den Kantenverschleiß der Schleifscheibe erklärt werden kann. Durch das im Rahmen des Projektes angewendete Messverfahren wurde ebenfalls die jeweilige geometrische Fläche – durch eine Ermittlung der effektiven Kontaktlänge le, dem Kontaktbogen zwischen Schleifscheibe und Werkstück – für den jeweiligen Schleifprozess bestimmt. Somit konnten mit Hilfe der statistischen Versuchsplanung für einen Prozessparameterraum die mechanische Belastung und die Ausprägung der Kontaktzone bestimmt werden. Aufbauend auf den Untersuchungen ist ein flexibles Diskretisierungsverfahren für eine thermische FE-Simulation entwickelt worden, welches ermöglicht, die Einflüsse bei der Modellierung der Kontaktzone zwischen Schleifscheibe und Werkstück abzubilden. Hierbei hat neben der Form der thermischen Belastungsverteilung die gemessene effektive Kontaktlänge einen entscheidenden Einfluss auf die in der Simulation auftretenden Maximaltemperaturen. Hierdurch wird ersichtlich, dass theoretisch getroffene Annahmen bezüglich der thermischen Belastungsverteilung nur bedingt den Schleifprozess abbilden können. Aus diesem Grund ist für den FEM-Anwender bei der Nachbildung von Schleifprozessen zu empfehlen, das Messverfahren von Shafto bzw. Noyen für die genaue Ermittlung der thermischen Belastungsverteilung und der Ausprägung der Kontaktzone einzusetzen, wodurch die Modellierungsgüte deutlich erhöht wird.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- Ganzheitliche Betrachtung der mechanischen Werkstückbelastungen im Schleifprozess. Schleifen+Polieren, 16 (2012) 2, S. 4-12
Schumann, S.; Biermann, D.
- Herausforderungen bei der Modellierung von Schleifprozessen mittels der Finite-Elemente-Methode – Teil 3: Ermittlung der thermomechanischen Belastungen in Abhängigkeit der Werkstückgeschwindigkeit und Kontaktlänge. diamond business, 10 (2012) 4, S.56-63
Schumann, S.; Biermann D.
- Herausforderungen bei der Modellierung von Schleifprozessen mittels der Finiten-Elemente-Methode – Teil 1: Exakte Ermittlung der mechanischen Belastungsverteilung innerhalb der Kontaktzone. diamond business, 10 (2012) 2, S. 34-43
Schumann, S.; Biermann, D.
- Herausforderungen bei der Modellierung von Schleifprozessen mittels der Finiten-Elemente-Methode – Teil 2: Diskrete Betrachtung der thermischen Werkstückbelastung. diamond business, 10 (2012) 3, S. 58-66
Schumann, S.; Biermann, D.
