Development of time-temperature-diagrams to prevent thermal impact on workpiece material in grinding
Final Report Abstract
Das Hauptziel des Projektes war es, die Anwendbarkeit von Tmax-Δt- und Pc''-Δt-Randzonendiagrammen für komplexe Werkstückgeometrien zu prüfen. Mit Hilfe derartiger Diagramme soll für Anwender die Auswahl geeigneter Prozessparameter vereinfacht und damit die Gefahr einer thermischen Werkstückschädigung (Schleifbrand) während des Schleifprozesses verhindert werden. Die Anwendungsmöglichkeit für einfache Geometrien wurde in dem Erstvorhaben für das Flach- und Außenrundschleifen bereits nachgewiesen. In diesem Folgevorhaben lag der Fokus auf dem diskontinuierlichen Zahnflankenprofilschleifen, welches sich durch eine komplexe Kontaktzone und einen variierenden Wärmeeintrag entlang des geschliffenen Zahnprofils charakterisieren lässt. Zur Erreichung des genannten Hauptziels wurden in einem ersten Schritt Analogieversuche durchgeführt. Bei diesen können die Zerspanbedingungen entlang der Evolvente für das diskontinuierliche Zahnflankenprofilschleifen nachgestellt werden. Zur Verifizierung der mit Hilfe der Analogieversuche gewonnen Ergebnisse wurden Versuche beim diskontinuierlichen Zahnflankenprofilschleifen durchgeführt. Während der Versuche wurden die Prozessleistung Pc und die maximale Kontaktzonentemperatur Tmax ermittelt und anhand dieser die Tmax-Δt- und Pc''-Δt-Randzonendiagramme nach den Analogieversuchen und nach dem diskontinuierlichen Zahnflankenprofilschleifen erstellt und miteinander verglichen. Durch die Zusammenführung der Ergebnisse aus den Analogieversuchen und dem diskontinuierlichen Zahnflankenprofilschleifen in einem gemeinsamen Pc''-Δt-Diagramm konnte trotz unterschiedlicher Systemgrößen (z.B. Schleifscheibenspezifikation, KSS-Zufuhrbedingungen) eine gemeinsame thermische Prozessgrenze identifiziert werden. Da die Einflüsse dieser Systemgrößen mit Hilfe der kontaktflächenbezogenen Schleifleistung Pc'' erfasst werden können, ist zu vermuten, dass die Anwendbarkeit derartiger Pc''-Δt-Diagramme vorwiegend von dem zu bearbeitenden Werkstoff und dem gewählten Schleifprozess, aber zu einem geringen Maße von den gewählten Systemgrößen abhängt. Für die Entwicklung des Pc''-Δt-Diagramms erfolgte nach dem diskontinuierlichen Zahnflankenprofilschleifen durch eine Mittelung der kontaktflächenbezogenen Schleifleistung Pc'' über die gesamte Evolvente. Um den Einfluss unterschiedlicher Zerspanbedingungen auf die Leistungsumsetzung entlang der Evolvente und damit auf die Gültigkeit der identifizierten thermischen Prozessgrenze zu evaluieren, wurden weitere Untersuchungen durchgeführt. Bei diesen wurde das aktive Schleifscheibenprofil, also der sich während des Schleifprozesses im Eingriff befindende Teil der Schleifscheibe, sukzessive reduziert. Dabei zeigte sich, dass die im Bereich des Zahnkopfs ermittelte kontaktflächenbezogene Schleifleistung etwa 20 % größer ist als die über die gesamte Evolvente gemittelte kontaktflächenbezogene Schleifleistung. Damit ist die identifizierte thermische Prozessgrenze für eine sichere Vermeidung von Schleifbrand beim diskontinuierlichen Zahnflankenprofilschleifen um 20 % nach unten zu korrigieren. Für Tmax-Δt-Diagramme konnten ebenfalls eine thermische Prozessgrenze identifiziert werden. Dennoch zeigte sich, dass vor allem bei geringeren Kontaktzeiten eine eindeutige Abgrenzung zwischen dem Bereich der thermischen und keiner thermischen Schädigung (Schleifbrand) aufgrund einer Überlappung beider Bereiche nur bedingt möglich war. Aufgrund dieser Problematik wurde ein Ansatz für eine allgemeinere, prozessunabhängige Darstellung der Tmax-Δt-Diagramme entwickelt. Bei diesem Ansatz wird die Kontaktzeit Δt durch die Anlasszeit ΔtAnlass ersetzt. Als Annahme gilt, dass Veränderungen in der Randzone nur dann auftreten, wenn die Anlasstemperatur TAnlass aus der vorherigen Wärmebehandlung für eine definierte Zeitdauer überschritten wird. Mit Hilfe dieses Ansatzes konnte als Erkenntnisgewinn ein Tmax-ΔtAnlass-Diagramm mit einer eindeutigen thermischen Prozessgrenze erstellt werden. Ergänzend wurde mit Hilfe der Anlasszeit ΔtAnlass eine quantitative Bestimmung der thermischen Prozessgrenze durchgeführt. Dazu wurde der aus der Wärmebehandlung bekannte Hollomon-Jaffe-Parameter herangezogen und dessen Berechnungsvorschrift entsprechend angepasst. Anhand der in diesem Vorhaben entwickelten Randzonendiagramme kann nicht nur die Beurteilung bezüglich des Auftretens von Schleifbrand (Überschreitung der thermischen Prozessgrenze) direkt nach dem Schleifprozess erfolgen, sondern auch Potenziale zur Produktivitätssteigerung von Schleifprozessen identifizieren werden. Randzonendiagramme können somit als geeignetes Hilfsmittel für die Prozessauslegung in der industriellen Praxis genutzt werden können. Aufgrund der vereinfachten Handhabung bieten für den Anwender vor allem die Pc''-Δt-Diagramme einen besonderen Mehrwert.
Publications
- Thermomechanische Prozessgrenzen für das Verzahnungsschleifen. Dr.- Ing. Diss., Universität Bremen, Shaker-Verlag, 2020
Jermolajev, S.
- Surface layer modification charts for gear grinding, CIRP-Annals, 67 (2018) 1: 333-336
Jermolajev, S., Brinksmeier, E., Heinzel, C.
(See online at https://doi.org/10.1016/j.cirp.2018.04.071) - Grinding burn limits: Generation of surface layer modification charts for discontinuous profile grinding with analogy trials, CIRP Journal of Manufacturing Science and Technology, 31 (2020) 99-107
Guba, N.; Heinzel, J.; Heinzel, C.; Karpuschewski, B.
(See online at https://doi.org/10.1016/j.cirpj.2020.09.014)
