Untersuchungen zur numerischen Simulation des Schleifhärteprozesses zur Berechnung von Temperaturverteilung, Gefügeumwandlung und Bauteilverzug
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Im ersten Förderzeitraum wurde eine FE-gestützte Simulationsmethode umgesetzt, mit welcher ein Schleifhärteprozess als Flachschleifoperation dreidimensional modelliert werden kann. Durch gezielte Parameterkombinationen in zahlreichen experimentellen Untersuchungen wurden zur Entwicklung der numerischen Teilmodelle sowie zu deren Kalibrierung und Validierung Ergebnisgrößen hinsichtlich der Temperaturverteilung in der Randzone, der Schleifkräfte, der resultierenden Randzoneneigenschaften (Gefüge, Randhärtetiefe, Eigenspannungen) und Bauteilverzüge ermittelt. Aufbauend auf den experimentell gewonnenen Erkenntnissen lassen sich die identifizierten Prozessfenster für den Prozess des Schleifhärtens hinsichtlich einer Vielzahl von Einfluss- und Ergebnisgrößen analysieren und diskutieren. Innerhalb der Simulationen des Schleifhärteprozesses werden die thermischen und mechanischen Prozesseinwirkungen in der Kontaktzone zwischen Schleifscheibe und Werkstück mit einer für das Schleifhärten charakteristischen linear positiven Wärmestromdichteverteilung und unter Berücksichtigung der Schleifkräfte makroskopisch modelliert. Die Simulationen wurden mit der FEM-Software SYSWELD durchgeführt, allerdings sind die umgesetzten Methoden und Ansätze allgemeingültig gehalten und daher in jedes kommerzielle FE-Tool integrierbar. Des Weiteren können mit Hilfe der numerischen Simulationen die thermomechanischen und metallurgischen Vorgänge in der Werkstückrandschicht nachgebildet werden, so dass die Temperaturverteilung als Funktion der Zeit, die Gefügeumwandlungen und Veränderungen der Härte während und nach dem Schleifhärten sowie die hierdurch bedingten Verzüge numerisch betrachtet werden können. Im Rahmen der Forschungsarbeiten im 3. und 4. Forschungsjahr ist das Simulationsmodell auf Basis der gesammelten Erkenntnisse erweitert worden, so dass der Materialabtrag und die Beeinflussung der Phasenumwandlung durch die in der Kontaktzone wirkenden Schleifkräfte berücksichtigt werden. Weiterhin ist ein Modell zur rechnerischen Bestimmung der Prozesskräfte entwickelt worden, welches für die numerische Auslegung des Schleifhärteprozesses benötigt wird. Zur Steigerung der Effektivität und Qualität bei der Simulation von Bauteilverzügen wurden im Rahmen des zweiten Förderzeitraums die verzugsbeherrschenden Eigenspannungszustände in der schleifgehärteten Randschicht mit Hilfe eines analytischen Modells in Quellspannungen überführt. Durch das Antragen dieser Quellspannungen in Abhängigkeit einer parameter- und prozesskinematikspezifischen Wirktiefe auf die Stirnfläche einer komplexen Bauteilgeometrie (90°-V-Profil) in einer elastostatischen Simulation ist eine weniger zeitintensive Berechnung der Verzüge unter Verwendung einer verhältnismäßig einfachen Simulationsmethode erarbeitet worden. Weiterhin wurde die Schleifhärtesimulation für die Längs-Außen-Profilschleifkinematik auf die Verfahrensvarianten des Profil- und des Außenrundschleifhärtens erweitert und übertragen. In den experimentellen und den numerischen Untersuchungen waren neben der erzielten Gefügeumwandlung die Bauteilverzüge vom großen Interesse, wohingegen beim Außenrundschleifhärten der auftretenden Härteschlupf betrachtet wurde. Der Vergleich zwischen den experimentell ermittelten Ergebnisgrößen hinsichtlich Randhärtetiefe und der Bauteilverzüge beim Profil-Schleifhärten bzw. der Ausprägung des Härteschlupfs beim Außenrundschleifhärten zeigt eine gute Korrelation. Somit konnten innerhalb dieses Forschungsvorhabens analytische sowie numerische Modelle und Simulationen entwickelt und validiert werden, welche für eine Auslegung des Schleifhärteprozesses mit unterschiedlichen Prozesskinematiken und verschiedenen Bauteilgeometrien genutzt werden können. Die im Rahmen dieses Projektes entstandene Diplomarbeit von Herrn Lars Stahmann ist am 31. Oktober 2013 durch den Bremer Bezirksvereins des VDI (Verband Deutscher Ingenieure e.V.) mit dem Bremer Ingenieurpreis 2013 ausgezeichnet worden.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- Wärmequellenmodelle zur numerischen Auslegung des Schleifhärteprozesses. Konferenzbeitrag, Tagungsband zur 7. Industriefachtagung "Oberflächen- und Wärmebehandlungstechnik" und zum 10. Werkstofftechnischen Kolloquium, Chemnitz, 27.-28.09.2007, S. 325-334
Zäh, M. F.; Föckerer, T.
- Wärmestromdichteverteilung bei der Simulation des Schleifhärtens. Ingenieurspiegel 3 (2008), S. 26-27
Brinksmeier, E.; Heinzel, C.; Huntemann, J.-W.
- Einfluss der Wärmequellenmodellierung auf die Simulation der Einhärtetiefe und der Bauteilverzüge beim Schleifhärteprozess. Konferenzbeitrag, SYSWELD Forum 2009, Weimar, 22.-23.10.2009
Föckerer, T.; Huntemann, J.-W.; Heinzel, C.; Brinksmeier, E.; Zäh, M. F.
- Experimental and numerical identification of process parameters of grind-hardening and resulting part distortions. Production Engineering – Research and Development (Annals of the WGP) 3 (2009) 3, S. 271-279
Zäh, M. F.; Brinksmeier, E.; Heinzel, C.; Huntemann, J.-W.; Föckerer, T.
- Experimentelle und numerische Bestimmung der Einhärtetiefe beim Schleifhärten, wt Werkstattstechnik online, 99 (2009) 1/2, S. 49-55
Zäh, M. F.; Föckerer, T.; Brinksmeier, E.; Heinzel, C.; Huntemann, J.-W.
- Simulation of Part Distortions Resulting from Heat Input during Grind Hardening. Conference Contribution, NAFEMS World Congress 2009, Crete, Greece, 16.-19.06.2009, S. 37
Föckerer, T.; Zäh, M. F.; Huntemann, J.-W.; Heinzel, C.; Brinksmeier, E.
- Experimental and Numerical Analysis of the Influence on Part Distortion as a Result of Grind-Hardening Process. Konferenzbeitrag, 7th CIRP International Conference on Intelligent Computation in Manufacturing Engineering (ICME 2010): Innovative and Cognitive Production Technology and Systems, Capri (Gulf of Naples), Italy, 23.-25.06.2010
Föckerer, T.; Huntemann, J.-W.; Heinzel, C.; Brinksmeier, E.; Zäh, M. F.
- Identification and Analysis of Part Distortion Resulting from Grind- Hardening Process Using Computer-Based Methods. Conference Contribution, 3rd International Conference on Distortion Engineering (IDE) 2011, Bremen, Germany, 14.- 16.9.2011, S. 499-506
Kolkwitz, B.; Föckerer, T.; Huntemann, J.-W.; Heinzel, C.; Zäh, M. F.; Brinksmeier, E.
- Experimental and Numerical Analysis of the Surface Integrity Resulting from Outer-Diameter Grind-Hardening. Conference Contribution, 1st CIRP Conference on Surface Integrity (CSI) 2012, Bremen, Germany, 30.01.-01.02.2012, S. 222-227
Kolkwitz, B.; Föckerer, T.; Heinzel, C.; Zäh, M. F.; Brinksmeier, E.
- Experimental and numerical analysis of transient behavior during grind-hardening of AISI 52100. Production Engineering - Research and Development (Annals of WGP), Volume 6, Number 6, 2012, S. 559- 568
Föckerer, T.; Kolkwitz, B.; Heinzel, C.; Zäh, M. F.
