Forschungsbereich
Themen und Forschungsschwerpunkte

 

Themenschwerpunkt: Zerspanbarkeit
Die Zerspanbarkeit eines Werkstoffes ist eine der wesentlichsten Eingangskenngrößen für eine optimierte Prozessauslegung. Sie bestimmt neben dem Werkzeugverschleiß und den möglichen Zerspanraten auch die Gestalt sowie die chemischen und mechanischen Eigenschaften der Bauteiloberfläche. Die Zerspanbarkeit eines Werkstoffs ist abhängig von der Zusammensetzung der verschiedenen Legierungselemente und bietet somit ein sehr breit gefächertes Feld im Bereich der Grundlagenforschung.

Die Bauteiloberfläche, welche in ihrer Charakteristik durch das Fertigungsverfahren maßgeblich beeinflusst wird, ist neben dem Werkstoff und der Wärmebehandlung entscheidend für das Einsatzverhalten des Bauteils. Bei hohen Beanspruchungen des Werkstücks im Einsatz ist in nahezu 80% aller Fälle ein Schaden der Oberfläche ursächlich für den Bauteilausfall. Eine der Bauteilfunktion angepasste Fertigungsprozessauslegung, mit dem Ziel einer optimierten Oberflächencharakteristik, kommt somit eine entscheidende Bedeutung zu.

Themenschwerpunkt: Prozessüberwachung
Schleifprozesse stellen in der Prozesskette zur Bearbeitung von Bauteilen häufig eine Schlüsseltechnologie dar, da bis zum Einsatz der Schleifprozesse die Werkstücke bereits eine hohe Wertschöpfung erfahren haben und qualitätsbeeinflussende Fehler zu diesem Zeitpunkt sehr kritisch sind. Die Überwachung und Regelung des Schleifprozesses ist daher von besonderer Bedeutung und wird deshalb am WZL detailliert untersucht.

Dabei kommen unterschiedliche Überwachungssensoren zum Einsatz wie zum Beispiel die Kraft- oder Körperschallmessung im Schleifprozess. Darüber hinaus wird aktiv an Konzepten zur ganzheitlichen Überwachung und Regelung von Schleifprozessen über Closed-Loop-Steuerung gearbeitet.


Themenschwerpunkt: Prozessauslegung
Zur vollen Ausnutzung des Potentials der Zerspanung mit geometrisch unbestimmter Schneide muss der Prozess der Spanbildung verstanden werden. Eine Schwierigkeit dabei ist, dass der Schleifprozess eine Summe vieler unterschiedlicher Eingriffe von Schneiden mit komplexer Mikrostruktur darstellt, wobei eine Vielzahl von Spänen aus der Werkstoffoberfläche herausgetrennt wird. Der Zerspanungsvorgang muss daher unter energetischen Aspekten sowohl an der Einzelkornschneide betrachtet werden als auch makroskopisch am gesamten Werkzeug.

Die Leistungsfähigkeit des Schleifprozesses wird maßgeblich durch das anforderungsgerechte Profilieren und Schärfen der Schleifscheibe beeinflusst. Die Forschung am WZL betrachtet daher sowohl die Einsatzvorbereitung von konventionellen Schleif­mitteln mit stehenden Abrichtwerkzeugen, als auch das Abrichten von cBN- und Diamantschleifscheiben mit rotierenden Abrichtwerkzeugen wie Diamantform- und Diamantprofilrolle.

Den Einfluss der unterschiedlichen Korn- und Bindungsmaterialien auf den Schleifprozess und den Schleifscheibenverschleiß wird am WZL systematisch analysiert. In Schleifversuchen werden das Verschleißverhalten und das Arbeitergebnis beim Einsatz unterschiedlicher Schleifscheibenzusammensetzungen bei der Bearbeitung verschiedener Werkstoffe untersucht. Zusätzlich finden Mikroanalysen der Körner statt, um Mikroverschleißerscheinungen an den Körnern zu detektieren.

Generell stellen verschiedene Bearbeitungsaufgaben unterschiedliche Anforderungen an den Kühlschmierstoffeinsatz. Hierbei hängen sowohl die Auswahl des Kühlschmierstoffes selbst als auch die optimale Kühlschmierstoffzufuhr hinsichtlich Zufuhrdüse und Kühlschmierstoffmenge von dem Schleifverfahren, den Prozessparametern und dem zu bearbeitenden Werkstoff ab. Zur ausreichenden Versorgung der Kontaktstelle mit Kühlschmier-stoff sind der Kühlschmierstoffvolumenstrom, die Kühlschmierstoffaustrittgeschwindigkeit sowie die Konstruktion und die Position der Kühlschmierstoffdüse von Bedeutung.


Themenschwerpunkt: Funktionalität
Die Anforderungen an Bauteile wurden stets anhand ihrer zugedachten Funktion definiert. Sind die Funktionen, die ein Bauteil zu erfüllen hat, nur vergleichsweise gering, so fallen die Anforderungen entsprechend gering aus. Technologische Entwicklungen der letzten Jahre haben dazu geführt, dass die Anforderungen an Bauteile stetig gestiegen sind. Dabei haben sich sowohl die Leistungsdichte, wie auch die Funktionsvielfalt erhöht. Unter der Erhöhung der Leistungsdichte versteht man beispielsweise, dass bei einer Welle die zu übertragende Drehzahl und das Moment gesteigert werden, während Wellengeometrie und –material gleichbleiben. Die Funktionsvielfalt beschreibt den Zusammenhang, dass von einem Bauteil nun mehrere Funktionen übernommen werden. Für das Beispiel der Welle heißt das, dass hier also nicht nur Drehzahl und Moment übertragen werden, sondern zusätzlich noch die Wälzlagerung direkt von der Wellenoberfläche übernommen wird.

Die Anforderungen an Bauteile werden grundsätzlich über Kenngrößen definiert, wie die gemittelte Rautiefe Rz oder den Rundlauf bei einem Lagersitz. Makro- oder mikrogeometrische Kenngrößen beschreiben dabei stets die maximal zulässige Abweichung von der geometrischen Idealform. Diese Definition von Anforderungen hat in der Vergangenheit bei „normalen“ Anforderungen ausgereicht, um die den Bauteilen zugedachte Funktion sicherzustellen. Komplexe Funktionen, die hohe und vielfältige Anforderungen an Produkte stellen, können oftmals nicht über diese Kenngrößen definiert werden, da die Zusammenhänge zwischen den Bauteileigenschaften (bestimmt durch Konstruktion und Fertigung) und dem Funktionsverhalten nicht bekannt oder nicht beschreibbar sind. Da die geforderten Eigenschaften nicht exakt beschrieben werden können sind Fehlfunktionen oftmals erst nach der Fertigstellung des Produktes offensichtlich.

Die oberflächennahen Bereiche, die durch das Fertigungsverfahren maßgeblich beeinflusst werden, sind neben dem Werkstoff und der Wärmebehandlung von entscheidender Bedeutung für das Bauteilverhalten , da sie in nahezu allen Fällen der technischen Praxis die höchstbeanspruchten Werkstückbereiche darstellen. Hohe Beanspruchungen in Kombination mit oftmals nicht an den Einsatzfall angepassten physikalischen Eigenschaften der äußeren Werkstückrandzone führen zu ca. 85 % aller Schadensfälle. Einer funktionsgerechten Optimierung der Oberflächeneigenschaften kommt somit eine entscheidende Stellung bei der Fertigung zu.

Handlungsbedarf besteht sieht das WZL somit hinsichtlich der fundierten Beschreibung von Produkteigenschaften, die einen grundsätzlichen nachgewiesenen direkten Einfluss auf das Funktionsverhalten von Bauteilen haben. Darüber hinaus ist derzeit unbekannt, wie sich unterschiedlich gefertigte Oberflächen auf die Produkteigenschaften und somit das Funktionsverhalten auswirken. So weist eine gedrehte Oberfläche eine völlig andere Mikrogeometrie und Randzonenbeeinflussung als Produkteigenschaft wie eine geschliffene auf. Diese Eigenschaft wirkt sich aber direkt auf die Funktion und die Lebensdauer des Bauteils aus. Eine vollständige Erfassung und Beschreibung der wirklich wichtigen für die Funktion relevanten Eigenschaften erfolgt jedoch nicht.

Derzeit funktioniert das bisherige Vorgehen noch bei vielen Anwendungsfällen, da neben den wenigen geforderten Kenngrößen zur Produktbeschreibung noch empirisches Wissen der Prozessplanung mit in die Fertigung einfließt. Aber auch hier werden bei einigen Produkten Grenzen erreicht, wo bei ein und demselben Bauteil mit einer Fertigungsprozessfolge die Produkteigenschaften und –funktion erreicht wird und mit einer anderen Prozessfolge nicht. Die Zusammenhänge sind jedoch unklar und oftmals nicht reproduzierbar. Hier sehen wir ebenfalls einen Forschungsbedarf, der neben den Bereichen „Fertigungstechnik“ ebenso das „Qualitätsmanagement“ wie die “Konstruktion“ involviert.


Themenschwerpunkt: Modellierung und Simulation
Es existierten sieben grundlegend verschiedene Ansätze zur Modellierung von Fertigungsprozessen, die in drei Modellkategorien eingeteilt werden. Die Schwächen der einzelnen Modellierungsmethoden wie eine zu hohe Spezifizierung, ein zu hoher Modellierungs- und Simulationsaufwand oder die ungenaue Abbildung des Prozesses durch die getroffenen Vereinfachungen führten zu der Erkenntnis, dass die bestehenden Modellierungsansätze nicht alleine zu einer Lösung führen können. Die Folge ist die Entwicklung hybrider Modelle, die durch geeignete Kombinationen unterschiedlicher Ansätze bestrebt sind die Defizite der einzelnen Verfahren zu minimieren.

Ein Schwerpunkt der Arbeiten am WZL liegt auf der Entwicklung von Modellansätzen zur Vorhersage von Kräften im Schleifprozess. Dazu wird ein hybrider Modellansatz basierend auf der Entwicklung eines physikalisch-empirischen Basismodells und der kinematisch-geometrischen Prozessmodellierung gewählt. Der Modellansatz soll auf Grundlage weniger experimenteller Untersuchungen die Vorhersage von Prozesskräften, vergleichbar zur Kienzle-Formel in der definierten Zerspanung, ermöglichen.

Darüber hinaus ist die Modellierung der energetischen und thermischen Vorgänge beim Schleifen eine aktuelle Forschungsthematik. Durch eine Modellierung der Wärmeströme und der sich daraus ergebenden Temperaturverteilung im Werkstück lassen sich thermische Gefügeveränderungen in der Bauteilrandzone vorhersagen.




     

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    Ansprechpartner(in):
    Christian Wirtz, M.Sc. M.Sc.
    Gruppenleiter(in)
    Herwart-Opitz-Haus 54A 408
    Tel.: +49 241 80-27367
    Fax: +49 241 80-22293
    Mail: C.Wirtz@wzl.rwth-aachen.de

     

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