Simulations- und versuchsbasierte Untersuchung der Wechselwirkung zwischen Zerspanprozess und Maschinenstruktur beim Hochleistungsflachschleifen
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Ziel des Forschungsvorhabens war die Vertiefung des Verständnisses von Prozess-Maschine-Interaktionen (PMI) beim Hochleistungsflachschleifen. Dazu wurden zahlreiche experimentelle Untersuchungen unter Anwendung konventioneller und erweiterter, selbstentwickelter Messmethoden durchgeführt. Weiterhin wurden simulative Untersuchungen mit Hilfe einer kinematischen Simulation des Schleifprozesses (KSIM) und im Rahmen des Projekts entwickelten Maschinenmodellen durchgeführt. Bei den experimentellen Untersuchungen lag ein besonderer Fokus auf den Messungen der im Prozess auftretenden Spindelverlagerungen als Maß für experimentelle PMI. Für die jeweiligen Parameterkombinationen wurden die Normalkräfte im statischen Schleifbereich auf die jeweiligen ermittelten Verlagerungen bezogen, resultierend in die dynamischen Relativsteifigkeiten. Im Verlauf des Projekts wurden unterschiedliche Werkstückgeometrien, Kühlschmierstoff-Zufuhrkombinationen, Einspannstrategien, Schleifscheibentypen und Werkstoffe untersucht. Dabei zeigte sich, dass unabhängig von den genannten untersuchten Größen stets steigende Vorschubgeschwindigkeiten in steigende Relativsteifigkeiten resultierten, während die anderen Einstellgrößen (Zustellung, Schnittgeschwindigkeit) nur einen geringen Einfluss hatten. Dabei stellte sich, ebenfalls unabhängig von den untersuchten Größen, stets ein Grenzwert der dynamischen Relativsteifigkeit ein, der trotz einer weiteren Steigerung der Vorschubgeschwindigkeit nicht überschritten wurde. Dies kann auf die Trägheit des Maschinensystems und die geringen Belastungszeiten bei hohen Vorschubgeschwindigkeiten zurückgeführt werden. Bezüglich der erzeugten Werkstückqualität wurden neben der Rauheit das Auftreten von Rattermarken und Schleifbrand ausgewertet. Hier zeigte sich wie bei der Relativsteifigkeit eine starke Abhängigkeit von der Vorschubgeschwindigkeit, zurückzuführen auf geänderten Spanungsdicken, jedoch ergab sich keine Proportionalität zur Relativsteifigkeit. Bei der Kopplung von Prozess- und Maschinenmodell kam es für eine schwache Kopplung (Austausch der Kraft- und Verlagerungswerte nach jeweils einer Schleifscheibenumdrehung) zu einem Hochschaukeln der Amplituden der Kraft- und Verlagerungssignale. Zur Realisierung einer starken Kopplung (Austausch der Kraft- und Verlagerungswerte nach jeweils einem Zeitschritt) wurde in das Maschinenmodell ein empirisches Schnittkraftmodell integriert. Die damit durchgeführten gekoppelten Simulationen ergaben, dass - im Gegensatz zu ungekoppelten Simulationen - Belastungsfrequenzen im Bereich von Eigenfrequenzen nicht zwangsläufig zu kritischen Prozessen führten, während Belastungsfrequenzen außerhalb der Eigenfrequenzen wiederum zu kritischen Prozessen führen können. Das bedeutet, dass die Kenntnis der Eigenfrequenzen eines Maschinensystems nicht ausreicht, um kritische Prozessbereiche vorhersagen zu können und verdeutlicht den Nutzen von Simulationstechniken, im Besonderen von gekoppelten Prozess-Maschine Modellen. Zur Betrachtung der Auswirkungen von PMI auf das mikrokinematische Materialabtragsverhalten wurden Kopplungen durch das Einlesen gemessener Spindelverlagerungen in KSIM realisiert. Dabei zeigte sich, dass Spindelverlagerungen zu kürzeren Eingriffslängen von Einzelkörnern führen, resultierend in größere mittlere Spanungsdicken. Für den realen Prozess bedeutet dies, dass höhere Spindel- bzw. Maschinensteifigkeiten mit gesteigerter Werkstückqualität einhergehen.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Advances in Modeling and Simulation of Grinding Processes. CIRP Annals – Manufacturing Technology 55 (2006) 2: 667–696
Brinksmeier, E., Aurich, J.C., Govekar, E., Heinzel, C., Hoffmeister, H.-W., Peters, J., Rentsch, R., Stephenson, D.J., Uhlmann, E., Weinert, K., Wittmann, M.
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Interaction of process and machine during high-performance grinding: towards a comprehensive simulation concept. International Journal of Manufacturing Technology and Management 12 (2007) 1–3: 156-170
Herzenstiel, P., Ching, C.Y., Ricker, S., Menzel, A., Steinmann, P., Aurich, J.C.
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Experimental Investigation and Computational Simulation of Process-Machine Interactions during High-Performance Surface Grinding. Proceedings of 1st International Conference on Process-Machine Interaction, PZH Hannover (2008): 267–278
Herzenstiel, P.; Bouabid, A.; Steinmann, P.; Aurich, J.C.
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Modelling and Simulation of Process - Machine Interaction in Grinding. Production Engineering – Research and Development 3 (2009) 1: 111–120
Aurich, J.C.; Biermann, D.; Blum, H.; Brecher, C.; Carstensen, C.; Denkena, B.; Klocke, F.; Kröger, M.; Steinmann, P.; Weinert, K.
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Experimental and Numerical Studies of a Surface Grinding Process. Proceedings of the 2nd International Conference on Process-Machine Interaction, Vancouver (2010), Session G1
Aurich, J.C.; Herzenstiel, P.; Kirsch, B.; Steffes, M.
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Identification of weak spots in the metrological investigation of dynamic machine behavior. Production Engineering – Research and Development 5 (2011) 6: 679–689
Brecher, C.; Denkena, B.; Grossmann, K.; Steinmann, P.; Bouabid, A.; Heinisch, D.; Hermes, R.; Löser, M.
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Simulation des Einflusses von Spindelverlagerungen auf den Materialabtrag beim Schleifen. Diamond Business (2011) 3: 32–37
Kirsch, B., Aurich, J.C.
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Vergleich unterschiedlicher Prozesssimulationen für das Flachschleifen und ihre Kopplung mit einer Finite-Elemente-Maschinensimulation. Schleifen + Polieren (2011) 4: 44–50
Aurich, J.C., Biermann, D., Blum, H., Kirsch, B., Rademacher, A., Scheidler, A.V.
