Projekt
Thermo-Energetische Gestaltung von Werkzeugmaschinen – Energiemodell für Schleifprozesse (SFB/TR96 - A03)

 

Motivation
Ein Großteil der im Schleifprozess eingebrachten Zerspanenergie wird in Wärme umgewandelt. Die entstehende Wärme verteilt sich auf die Komponenten Werkzeug, Werkstück, Kühlschmierstoff und Späne. Je nach Auslegung dieser Komponenten, der Kühlschmierstrategie und der Prozessführung variieren die Größe und die Verteilung der Energieströme und beeinflusst damit die thermo-elastische Verlagerung der Maschinenstruktur während der Schleifbearbeitung. Die Zerspanung des Werkstückwerkstoffes erfolgt beim Schleifen durch die vielen unregelmäßig geformten, stochastisch angeordneten Schleifkörner auf der Schleifscheibentopographie und ist daher sehr komplex. Aus diesem Grund ist die Energieumwandlung und Wärmestromaufteilung im Schleifprozess nur unzureichend erforscht. Eine genaue Vorhersage der resultierenden Wärmeströme und Temperaturfelder im Schleifprozess ist daher bisher nicht möglich.

Die Wärmestromverteilung und die daraus resultierenden Temperaturfelder in der Zerspanzone sind jedoch von signifikanter Bedeutung für den Schleifprozess. So sind z. B. bei der Schleifbearbeitung einige Verschleißphänomene direkt oder indirekt temperaturgetrieben. In der Werkstückrandzone können zudem Werkstoffmodifikationen und Eigenspannungen entstehen, die das Einsatzverhalten und die Funktionalität des Bauteils beeinflussen. In der Werkzeugmaschine führen die Temperaturfelder und Wärmeströme aus der Zerspanstelle zu einer thermo-elastische Verlagerung der Maschinenstruktur.




Zielstellung

Das Ziel von dem Forschungsvorhaben ist die Entwicklung eines parametrisierten Prozessmodells zur Beschreibung der Energieströme im Schleifprozess. Mit diesem Modell wird es möglich sein unter Berücksichtigung des Schleifwerkzeugs, des Werkstückwerkstoffs sowie der Kühl- und Prozessstrategie die Wärmeströme zu beschreiben. Aufbauend auf der allgemeinen Wärmeleitungsgleichung wird dieser Ansatz entsprechend der drei Forschungszeiträume gegliedert.

Im ersten Antragszeitraum (Jahr 2011 – 2015) wurden die Energieumsetzung und damit die Wärmequellen während des Schleifens zeitlich und örtlich über der Kontaktlänge aufgelöst quantifiziert [RASIM16] (Link auf die Dissertation).

Aufbauend auf den identifizierten Wärmequellen, werden in der zweiten Phase (Jahr 2015 – 2019) die relevanten Wärmetransportmechanismen sowie die Wärmestromverteilung zwischen den am Zerspanprozess beteiligten Komponenten erforscht. Auf methodischer Ebene wird zunächst ein In-Prozess-Temperaturmesssystem für Schleifscheibe und Werkstück entwickelt. Mit diesem ist es ermöglicht, die Temperaturen und Temperatureindringtiefen während der Schleifbearbeitung experimentell über der Kontaktzone zu erfassen und so den Einfluss der Schleifscheibentopographie und der Prozessparameter auf den Wärmetransport zu erforschen. Darauf aufbauend wird die Wärmestromaufteilung über der Kontaktzone auf Grundlage der beiden Modellansätze der Scheiben- und Kornkontaktanalyse modelliert. Zunächst erfolgt die Modellierung für den Trockenschleifprozess, sodass die Wärmestromaufteilung nur zwischen Schleifscheibe und Werkstück erfolgt. Dabei wird das Modell schrittweise um die einzelnen Einflussfaktoren, wie der Kontaktflächenvariation und der Relativgeschwindigkeit, ergänzt. Anschließend erfolgen die Betrachtung des Nassschleifprozesses und die Erweiterung des Modells um den Wärmestromanteil in den Kühlschmierstoff. Zur Validierung wird aus den modellierten Wärmeströmen mit Hilfe einer FE-Simulation ein Temperaturfeld abgeleitet und mit den lokal experimentell gemessenen Temperaturverläufen abgeglichen.

In Phase 3 (Jahr 2019 – 2023) 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.

Die Projektpartner danken der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) für die Förderung des vorgestellten Forschungsvorhabens A03 - Modell und Methode zur Erfassung und Bilanzierung der in Schleifprozessen umgesetzten Energien - im Rahmen des Sonderforschungsbereichs Transregio 96 (SFB/TR96).



 

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Ansprechpartner(in):
Christian Wrobel, M.Sc. RWTH
 
Cluster Produktionstechnik 3A 346
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Fax: +49 241 80-22293
Mail: C.Wrobel@wzl.rwth-aachen.de