Erfassung des thermomechanischen Belastungsprofils zwischen Schleifscheibe und Werkstück beim Innenrund-Schälschleifen
Final Report Abstract
2.1 Allgemeinverständliche Zusammenfassung Die Endbearbeitung gehärteter Futterteile wie Zahnräder oder Wälzlagerringe ist von enormer wirtschaftlicher Bedeutung für die gesamte Prozesskette. Die dazu eingesetzten Fertigungsverfahren müssen neben hoher Qualität und hoher Produktivität auch eine ausreichende Prozesssicherheit bieten. Das Innenrund- Schälschleifen (ISS) ist aufgrund seiner zum Hartdrehen ähnlichen Kinematik und der kombinierten Schrupp-Schlichtfunktion ein leistungsfähiges Verfahren zur Hartfeinbearbeitung. Um die Prozesssicherheit des Verfahrens bei hoher Zerspanleistung zu verbessern, ist eine systematische Untersuchung des im Prozess zwischen Schleifscheibe und Werkstück auftretenden thermomechanischen Belastungskollektives durchgeführt worden. Anhand der ermittelten Eingriffslasten wurde die mechanische Belastung in der Schleifscheibenkontaktzone in Abhängigkeit der Prozessstellgrößen sowie der Schleifscheibengestalt und -spezifikation bestimmt. Durch eine Erfassung der Werkstücktemperatur im Prozess wurde über die im Rahmen des Projektes entwickelten FE-Modelle zum Innenrund-Schäl- und -Einstechschleifen die zu erwartende Werkstückbelastung mithilfe einer Berechnung der Temperaturverteilung für einzelne Schleifprozessparameterkombinationen ermittelt. Die durchgeführten FE-Simulationen verbessern das grundlegende Verständnis des jeweiligen Prozesses und lassen sich darüber hinaus für eine entsprechende Prozessoptimierung nutzen. Verifizierungen der simulierten Temperaturen in der Schleifkontaktzone durch metallographische Gefügeuntersuchungen an geschliffenen Werkstückrandzonen zeigten jedoch, dass der im Prozess vorliegende maximale Temperaturgradient an der Werkstückoberfläche höher als durch die Simulation prognostiziert ausfällt, was auf die verwendete Standardmessmethodik mit Thermoelementen zurückzuführen ist, welche eine Auflösung des hohen Temperaturgradienten in der Schleifkontaktzone nicht zulässt. Die erlangte Durchdringung der Prozesszusammenhänge gibt Aufschluss über die Möglichkeiten einer Optimierung beim ISS. Einerseits sind dies die geeignete Anpassung der Prozessparameterwerte sowie die zweckmäßige Gestaltung der Schleifscheibenschruppzone. Andererseits können die Anforderungen an die einzusetzende Schleifscheibenspezifikation formuliert werden. Weiterhin wurde gezeigt, dass sich die Annahme einer annähernd kräftefrei arbeitenden Schlichtzone als richtig erweist. Die erreichbare Effizienz des Prozesses hinsichtlich sowohl der Zerspanleistung als auch der thermischen Belastung des Bauteils wird durch die Spanbildung bestimmt und im Wesentlichen von den Eigenschaften der 4 eingesetzten Schleifscheibe begrenzt. Die an den Werkstückkanten auftretende Gratbildung deutete auf einen hohen Anteil an plastischer Verformung des zerspanten Werkstoffes hin. Durch die Wahl der Prozessparameterwerte sowie durch die Gestaltung der Schruppzonengeometrie können die Eingriffsbedingungen optimiert und die auftretenden Belastungen reduziert werden. Der Vergleich zum Innenrund-Einstechschleifen (IES) zeigt, dass hierbei aufgrund der größeren Kontaktfläche die spezifischen Beanspruchungen von Schleifscheibe und Werkstück bei vergleichbarer Zerspanleistung geringer ausfallen. Der Nachteil der größeren Zerspankräfte bleibt jedoch beim IES bestehen. 2.2 Ausblick auf künftige Arbeiten und Beschreibung möglicher Anwendungen Es konnte gezeigt werden, dass hinsichtlich einer Leistungssteigerung des ISS eine Verbesserung der Eigenschaften der zu verwendenden Schleifscheiben notwendig ist. Es besteht somit weiterhin Forschungsbedarf seitens der Schleifscheibenhersteller, angepasste Spezifikationen zu entwickeln, welche die Aufnahme einer großen Spanmenge bei gleichzeitig erhöhter Kornhaltekraft sowie eine hohe Beständigkeit gegen abrasiven Verschleiß bieten. Prinzipiell ist die Kombination verschiedener Bindungsarten, wie einer galvanischen in der Schrupp- und einer keramischen Bindungsspezifikation in der Schlichtzone, denkbar, um so eine Leistungssteigerung bei höchster Oberflächenqualität zu ermöglichen. Um die Aussagefähigkeit und damit den Nutzen der FE-Simulationen zu erhöhen, ist eine verlässlichere Bestimmung von Eingangskenngrößen bereitzustellen. Dazu muss eine verbesserte experimentelle Erfassung der entsprechenden thermischen Belastungskenngrößen im Prozess erarbeitet werden. Hier ist die besondere Problematik der Messung im rotierenden Werkstücksystem zu berücksichtigten. Die optimierte Auslegung des Innenrund-Schälschleifprozesses unter Berücksichtigung der jeweils herrschenden Randbedingungen macht einen flexiblen Einsatz der CBN-Technologie für eine prozesssichere Hartfeinbearbeitung von Futterteilen möglich. Dies ist von besonderem Interesse für die Innovationsfähigkeit kleiner und mittelständischer Produktionsunternehmen.
Publications
- Weinert, K.; Kötter, D.: Wirtschaftlich auf den zweiten Blick ¿ Unkonventionelle Ansätze lösen schleiftechnische Problematiken. In: Moderne Schleiftechnologie und Feinstbearbeitung 2006. Tagungsband zum 6. Seminar "Moderne Schleiftechnologie und Feinstbearbeitung" am 17.05.2006 in Stuttgart, T. Tawakoli (Hrsg.), Villingen-Schwenningen 2006, ISBN 978-3-00- 018779-7
- Weinert, K.; Schulte, M.; Jansen, T.; Kötter, D.; Marschalkowski, K.; Noyen, M.: Optimierung von Fertigungsprozessen durch Forschung und Entwicklung. Forum der Schneidwerkzeug- & Schleiftechnik, 18 (2005) 4, S. 24-39
