Prozessnahe Strömungsmessungen der Kühlschmierstoffzufuhr in Schleifprozessen

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Andreas Fischer; Dr.-Ing. Daniel Meyer
• Fachliche Zuordnung: Messsysteme
• Förderung: Förderung seit 2019
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 415003387

Schleifprozesse werden in der Regel am Ende einer Prozesskette eingesetzt. Dabei besteht durch lokal entstehende Wärme das Risiko von thermischen Schädigungen im Werkstück. Um diese zu vermeiden, kommen Kühlschmierstoffe (KSS) zum Einsatz, die für eine effiziente Abfuhr der Wärme in der Kontaktzone zwischen Werkstück und Werkzeug sorgen und die Reibung reduzieren. Obwohl empirisch ermittelte Kenntnisse zu für die Kühlleistung optimalen Schleifparametern existieren, sind die der Kühlung zugrundeliegenden Wirkmechanismen unerforscht, weil das KSS-Strömungsverhalten nach dem Auftreffen des Freistrahls auf die bewegte Schleifscheibenoberfläche schwer beschreibbar ist und für schleifscheibennahe Messungen mit stark eingeschränkter Zugänglichkeit ein geeigneter Ansatz fehlt. Das Forschungsgesamtziel des Vorhabens ist daher, ein grundlegendes Verständnis der Kühlwirkung der KSS-Strömung beim Schleifen zu erreichen, um die Grundlage für eine zielgerichtete Maximierung der Kühleffizienz sowie eine Minimierung des KSS-Bedarfs zu schaffen. Hierzu sollen sowohl die KSS-Strömung in der Kontaktzone als auch der strömungsabhängige Wärmeübergangskoeffizient bei der Werkzeug-Werkstück-Interaktion erforscht werden. Sowohl die Strömungsmessung als auch die Bestimmung des Wärmeübergangskoeffizienten findet jeweils bei Analogieversuchen ohne Zerspanung statt. Für die Strömungsmessung in der Schleifmaschine wird ein transparentes Werkstück realisiert, welches eine optische Zugänglichkeit in die Kontaktzone ermöglicht. Durch diesen Zugang wird die Strömung mit auf Particle Image Velocimetry und Shadow Image Velocimetry basierenden Verfahren gemessen. Die hierbei auftretenden Quereinflüsse werden im Rahmen der Arbeiten erforscht und quantifiziert. Die Bestimmung des Wärmeübergangskoeffizienten wird durch die Erweiterung eines bestehenden Versuchsstands mit zusätzlichen Temperatursensoren ermöglicht. Dabei ist zu klären, welche Abweichungen der Wärmebilanzierung auftreten und wie sich ihr Einfluss auf die Koeffizientenbestimmung minimieren lässt. Mit den beiden Versuchsständen wird ein gemeinsamer Versuchsplan durchgeführt, um die Wirkzusammenhänge zwischen der Fluiddynamik und dem Wärmeübergangskoeffizienten zu verstehen. Das diesbezüglich erarbeitete Modell zur Beschreibung des Wärmeübergangskoeffizienten wird dann in ein Schleifprozessmodell zur Prognose der Kühlleistung integriert. Durch Abgleich mit Zerspanversuchen wird das Koeffizientenmodell validiert und geklärt, inwieweit das Schleifprozessmodell noch an fertigungstechnische und werkstoffphysikalische Parameter angepasst werden muss. Im Ergebnis wird mit dem vertieften Verständnis der Kühlmechanismen unter Berücksichtigung der fluiddynamischen Einflüsse ein Prozessmodell erstellt, welches den Einfluss verschiedener Strömungsbedingungen vor und speziell in der Kontaktzone auf die Kühlleistung und die Werkstücktemperatur beschreibt.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen