Optimized and accelerated process design and control in industrial Abrasive Flow Machining through numeric process models and better understanding of the process fundamentals
Final Report Abstract
Das Strömungsschleifen findet in der industriellen Fertigung bei der Bearbeitung komplexer Innenkonturen breite Anwendung. Dabei steht die Reduzierung der Oberflächenrauheit sowie die Entgratung und Kantenrundung im Mittelpunkt. Bisher wurden neue Prozesse erfahrungsbasiert ausgelegt, was sowohl zeit- als auch kostenintensiv ist. Das Hauptziel des Forschungsprojektes bestand also darin, die Prozessauslegung zu beschleunigen und die Prozesskenntnis zu vertiefen. Dafür wurden zunächst im Rahmen eines umfangreichen statistischen Versuchsplans zahlreiche technologische Untersuchungen durchgeführt, anhand derer die Prozesse analysiert wurden. Dabei wurden als Qualifizierungsparameter hauptsächlich die Oberflächenrauheit und die Kantenrundung herangezogen. Darüber hinaus erfolgten Untersuchungen der Eigenspannung, der Mikrohärte und der metallischen Gefüge. Wesentliche Erkenntnisse konnten insbesondere zum Einfluss der Werkstückgeometrie und der Maschinenparameter gewonnen werden. Hierbei sind einerseits die starke Abhängigkeit der Kantenform von der Hublänge der Kolben sowie der Werkstückgeometrie und andererseits die minimal erreichbaren arithmetischen Mittelwerte der Profilordinaten Ra von Werten unter 0,03 µm zu nennen. Parallel wurden Strömungssimulationen für die durchgeführten technologischen Untersuchungen durchgeführt. Dafür wurde zunächst das Strömungsschleifmedium rheologisch qualifiziert, um auf dieser Basis ein Stoffmodell zu entwickeln, mit dem die Strömungssimulationen berechnet werden konnten. Mithilfe der Strömungssimulation und den zugrunde liegenden Modellen konnten für verschiedene Positionen auf den Werkstückoberflächen lokale Prozessparameter ermittelt werden, die nach dem aktuellen Stand der Forschung maßgeblichen Einfluss auf die Spanbildung haben. Dies führte zu der Bestätigung der Annahme, dass die lokalen Prozessparameter entlang der Strömungslänge erheblichen Schwankungen unterliegen. Diese Schwankungen konnten ebenso in den Bearbeitungsergebnissen der technologischen Untersuchungen erkannt werden. Aus den technologischen Untersuchungen konnte die Kenntnis über die Einflüsse der Maschinenparameter auf die Bearbeitungsergebnisse gewonnen werden, während mit den Strömungssimulationen eine Korrelation zwischen den Maschinenparametern und den lokalen Prozessparametern hergestellt werden konnte. Daraus wurde ein Prozessmodell entwickelt, mit dem die Beziehung zwischen lokalen Prozessparametern und Bearbeitungsergebnissen vorhergesagt werden kann. Gemeinsam mit der Strömungssimulation ergibt sich daraus die gesamte Prozesssimulation. Für die Auslegung neuer Prozesse kann diese Prozesssimulation genutzt werden und weist dabei Gültigkeit für verschiedene Werkstückgeometrien und zahlreiche Prozessparameter auf. Dadurch wird die Zeit zur Prozessauslegung verkürzt und die Anzahl notwendiger Versuche verringert. Zudem ist es möglich die Gültigkeitsbereiche der Prozesssimulation durch Entwicklung zusätzlicher Teilmodelle, mit denen weitere Aspekte des Prozesses abgebildet werden, zu erweitern. Darüber hinaus haben die Untersuchungen gezeigt, dass die Maschinensysteme Verbesserungspotential aufweisen. Dies betrifft einerseits das verwendete Maschinensystem als auch Maschinen der übrigen Marktteilnehmer. Insbesondere stellt sowohl die Geschwindigkeits- als auch die Temperatursteuerung eine Herausforderung dar, denen aufgrund der rheologischen Eigenschaften und der geringen Wärmeleitfähigkeit des Bearbeitungsmediums nicht auf einfachem Wege begegnet werden kann. Diese Verbesserungen sind also sehr aufwendig und erfordern zudem ein weiter vertieftes Prozessverständnis, das in weiteren Untersuchungen erarbeitet werden muss. Diese Weiterentwicklungen würden zudem im Umfeld der industriellen Anwendung deutliche Vorteile hervorrufen, sodass sie auch vom Industriepartner befürwortet werden.
Publications
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A pragmatic modeling approach in Abrasive Flow Machining for complex-shaped automotive components. Procedia CIRP 46 (2016) 7th CIRP Conference on High Performance Cutting (HPC), S. 51 – 54
Uhlmann, E.; Mihotovic, V.; Roßkamp, S.; Dethlefs, A.
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Definiertes Kantenrunden durch Strömungsschleifen. wt Werkstattstechnik online 106 (2016) 6, S. 400 – 406
Uhlmann, E.; Roßkamp, S.
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Surface integrity and process simulation in abrasive flow machining. Proceedings of the 20th International Symposium in Advances in Abrasive Technology (ISAAT), 2017, S. 608 – 619
Uhlmann, E.; Roßkamp, S.
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Definition of edges in correlation to Abrasive Flow Machining as a finishing process. Surface Topography: Metrology and Properties 6 (2018) 3, S. 1 – 9
Gröger, S.; Segel, F.; Uhlmann, E.; Roßkamp, S.
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Surface integrity and chip formation in abrasive flow machining. Procedia CIRP, 4th CIRP Conference on Surface Integrity (CSI2018)
Uhlmann E.; Roßkamp, S.
