A03: Energiemodell für Schleifprozesse

Modell und Methode zur Erfassung und Bilanzierung der in Schleifprozessen umgesetzten Energien

Teilprojektleiter

Prof. Dr.-Ing. Dr.-Ing. E.h. Dr. h.c. Dr. h.c. Fritz Klocke, Dr.-Ing. Patrick Mattfeld: RWTH Aachen, Werkzeugmaschinenlabor, Lehrstuhl für Technologie der Fertigungsverfahren

Die im Schleifprozess benötigte Zerspanenergie wird zum größten Teil in Wärme umgesetzt und auf die beteiligten Komponenten Werkzeug, Werkstück, Kühlschmierstoff, Späne und Luft aufgeteilt. Je nach Auslegung der Komponenten, der Kühlstrategie und der Prozessführung variiert die Verteilung der Energieströme und beeinflusst damit die thermo-elastische Verlagerung der Maschinenstruktur während der Schleifbearbeitung. Die Kenntnis über die prozentuale Aufteilung der Energie- bzw. Wärmeströme und deren Quantifizierung ist jedoch für das Gesamtziel des vorliegenden SFB/Transregio eine Grundvoraussetzung.
Das Gesamtziel des Teilprojekts A03 ist die Erstellung eines parametrisierten Prozessmodells zur Beschreibung der Energieströme im Schleifprozess. Mit Hilfe dieses Modells wird es möglich, unter Berücksichtigung der Schleifwerkzeuge, der Werkstoffmaterialien sowie der Kühl- und Prozessstrategien die Energieströme in Abhängigkeit von den signifikanten Prozessstellgrößen zu beschreiben. Aufbauend auf der allgemeinen Wärmeleitungsgleichung wird dieser Ansatz entsprechend der drei Forschungszeiträume gegliedert. Die grundsätzliche Forschungsmethodik wird analog im Teilprojekt A02 vorgenommen. Für das Schleifen ist jedoch eine eigenständige Forschung notwendig, weil die Spanbildungsmechanismen und damit die Wärmedissipation sich qualitativ und quantitativ grundsätzlich vom Fräsen unterscheiden.
In der ersten Phase wurden die Wärmequellen beim Schleifen quantifiziert. Um den Einfluss der Schleifscheibentopographie und damit den Eingriff der einzelnen Körner zu berücksichtigen, wurde ein mehrstufiges Vorgehen verfolgt. Zunächst wurde die Energieumsetzung bei der Spanbildung am einzelnen Schleifkorn modelliert und dieses anschließend auf den realen Schleifprozess übertragen. Die Modellierung beim Eingriff eines einzelnen Schleifkorns erfolgte auf Basis der Spanbildungsphasen nach König und den dabei vorherrschenden Mechanismen elastische, plastische Werkstoffverformung und Spanabnahme. Für die Übertragung auf den Schleifprozess wurde ein kinematisch-geometrisches Eingriffsmodell entwickelt, mit dem die mit dem Werkstück in Eingriff kommenden Schneiden der Schleifscheibe ermittelt und geometrische analysiert werden können. Die so ermittelten statistischen Kennwerte für die Schleifscheibentopographie dienten als Eingangsgröße für die Modellierung der Wärmeentstehung im Schleifprozess. Aus den im ersten Antragszeitraum quantifizierten Wärmequellen kann allerdings nicht direkt auf die Wärmeausbreitung geschlossen werden.
In der zweiten Phase wird aufbauend auf den gewonnenen Erkenntnissen des ersten Forschungszeitraumes die stationäre Wärmeausbreitung untersucht. Die grundlegende Frage nach den im Prozess relevanten Wärmetransportmechanismen ist zu klären. Darauf aufbauend wird die Temperaturausbreitung für die am Zerspanprozess beteiligten Komponenten (Werkstück, Schleifscheibe, Späne, Kühlschmierstoff) ausgehend von der Zerspanstelle modelliert. Dabei wird erstmalig die reale Schleifscheibentopographie mit statistisch geformten und verteilten Schleifkörnern berücksichtigt. Zunächst wird eine Temperaturmessung unter Verwendung von Thermoelementen in der Schleifscheibe entwickelt, die es ermöglicht, die Temperatur unter dem Schleifbelag zu erfassen und so den Einfluss der Schleifscheibenbindung und des Grundkörpers auf den Wärmetransport zu erforschen. Darauf aufbauend erfolgt durch die Kopplung der beiden Modellierungsansätze Kornkontaktanalyse und Scheibenkontaktanalyse die Modellierung der Wärmestromaufteilung. Dabei wird in einer systematischen Vorgehensweise das Modell schrittweise um die einzelnen Einflussfaktoren erweitert. Zur Modellvalidierung wird aus den Wärmeströmen mit Hilfe einer thermischen FE-Simulation ein Temperaturfeld abgeleitet. Dieses wird mit lokal im Werkstück gemessenen Temperaturverläufen abgeglichen.
In Phase 3 (9.-12. Jahr) werden die bisher vernachlässigten instationären Prozesseinflüsse untersucht. Insbesondere gilt es zu erforschen, inwieweit die relevanten Wärmeströme für die thermo-energetische Gestaltung von Werkzeugmaschinen abstrahiert werden können.
Das Teilprojekt A03 liefert eine wesentliche Grundlage für die Erforschung der thermo-energetischen Gestaltung von Schleifmaschinen. Die Entstehung und Verteilung von Energien sowie die resultierenden Wärmeströme in Schleifprozessen auf die beteiligten Komponenten Werkzeug, Werkstück, Kühlschmierstoff, Späne und Luft sollen in Parametermodellen beschrieben werden. Damit können die qualitative und quantitative Beschreibung der Energieströme in die Teilprojekte A01, A05, A07, B01, B02, B03 und C04 einfließen. Eine enge Zusammenarbeit mit Teilprojekt A02 ist ebenso Grundlage für eine erfolgreiche Projektdurchführung.