Numerical modeling of the thermo-mechanical contact in grinding
Final Report Abstract
Im Projekt wurde ein dreidimensionales thermo-mechanisches Simulationsmodell des Einkorneingriffs von CBN-Körnern mit realer Korngeometrie in 100Cr6 erstellt. Dazu wurde ein HENSEL- SPITTEL-Modell basierend auf experimentellen Ergebnissen aus Split-Hopkinson-Pressure-Bar- Tests bei Dehnraten von bis zu ε = 10.000 s-1 und Temperaturen von bis zu T = 1000°C, die im Vergleich zu konventionellen Materialprüfungen wesentlich näher an den im Schleifprozess auftretenden Bedingungen liegen, entwickelt. Das thermische Verhalten von CBN-Körnern wurde durch Laser-Flash-Analysen bestimmt und in Abhängigkeit von der Temperatur im Simulationsmodell berücksichtigt. Teilziel 1 wurde somit vollumfänglich erreicht. Die geplante Temperaturmessung mithilfe offener Thermoelemente, die durch den Korneingriff geschlossen werden sollte, führte aufgrund der zu großen Systemträgheit nicht zu zufriedenstellenden Ergebnissen. Der Einsatz eines Infrarotthermometers führte zu ähnlichen Ergebnissen. Zur Temperaturmessung wurde daher ein 2-Farben-Pyrometer mit Fokuslinsensystem genutzt, dessen Messpunkt auf den vor der Schneide gebildeten Span ausgerichtet wurde. Das Messsystem erlaubte die Bestimmung der Spantemperaturen. Die Pyrometrie stellt somit das geeignete Verfahren zur Temperaturmessung dar. Aufgrund des großen Positionieraufwands und der dennoch hohen Anzahl an Versuchen, bei denen keine Temperaturen gemessen werden, stellt die Optimierung der 2-Farben-Pyrometrie als Messsystem zur Bestimmung der Temperaturen beim Einkorneingriff somit weiterhin eine Herausforderung in der Schleiftechnik dar. Die gemessenen und simulierten Temperaturen beim Korneingriff zeigten eine hohe Übereinstimmung von ca. 86 %. Teilziel 2 wurde damit ebenfalls erreicht. Eine höhere Vorhersagegenauigkeit kann durch eine detailliertere Abbildung der Kontaktzone im Simulationsmodell erreicht werden, was jedoch die Leistungsfähigkeit der aktuell verfügbaren Simulationsrechner überschreitet. Mithilfe des validierten Modells wurden die thermo-mechanischen Belastungen entlang des gesamten Kontaktbogens simuliert. Analog zu den drei Phasen der Spanbildung nach KLOCKE und KÖNIG wurden drei Bereiche während des Korneingriffs mit charakteristischen Temperaturverläufen identifiziert. In der ersten Phase der Spanbildung trat ein leichter Anstieg der Temperaturen auf, während in der zweiten Phase ein starker Temperaturanstieg beobachtet wurde. Nach einsetzender Spanbildung blieben die Temperaturen annähernd konstant. In das validierte Modell wurden vereinfachte Korngeometrien in Anlehnung an das ABN-System implementiert und deren Einfluss auf die Belastungen im Korneingriff bei unterschiedlichen Prozessparametern analysiert. Die Erkenntnisse liefern einen maßgeblichen Beitrag zur Modellierung des Kornverschleißes, der entscheidend von den Kräften und Temperaturen beeinflusst wird, denen das Korn entlang des Korneingriffs ausgesetzt ist. Teilziel 3 wurde somit erreicht.
Publications
- Approach to the numerical modelling of the contact temperatures in single grain scratching. In: Production Engineering (2020), 1-5
Bergs, T.; Röttger, J.; Prinz, S.; Barth, S.
(See online at https://doi.org/10.1007/s11740-021-01017-7) - Methodik zur funktionsorientierten Charakterisierung der CBN-Korngeometrie. In: Jahrbuch Schleifen, Honen, Läppen und Polieren, Band 69, Essen, Vulkan Verlag 2020, ISBN: 978-3-8027-3133-4, S. 100–110
Bergs, T.; Röttger, J.; Barth, S.
- Methodik zur numerischen Simulation des thermo-mechanischen Kontakts beim Einkorneingriff. In: Diamond Business 15 (2020), 1, ISSN 1619-5558, S. 44–51
Bergs, T.; Röttger, J.; Prinz, S.; Barth, S.
- Numerical simulation of the thermo-mechanical contact during single grain scratching. Hanser Schleiftagung, Stuttgart Fellbach, 28.–29. Januar 2020
Röttger, J.; Bergs, T.
