Erweiterung der Möglichkeiten des kryogenen Schleifens
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Kühlschmierstoffe (KSS) sind beim Schleifen unverzichtbar, da sie dazu beitragen, hitzebedingte Probleme wie Oberflächenrisse, Schleifbrand und Zugeigenspannungen zu vermeiden. Eine alternative Kühlmethode ist die kryogene Kühlung, bei der Kryogene wie LN2 oder CO2 bei tiefkalten Temperaturen eingesetzt werden. In diesem Projekt wurden verschiedene Strategien der kryogenen Kühlung wie die Vorkühlung des Werkstücks, die partielle Vorkühlung und die direkte Kühlung mittels LN2 und CO2 untersucht. Es hat sich herausgestellt, dass der wichtigste Faktor zur erfolgreichen Anwendung der Vorkühlung beim Flachschleifen die Einspannstrategie ist. Im Gegensatz zum Außenrundschleifen dominiert die Wärmeleitung an der Einspannfläche von Werkstück und Spannvorrichtung die Erwärmung des kryogen vorgekühlten Werkstücks und nicht die thermische Konvektion mit der Umgebungsluft. Es konnte gezeigt werden, dass durch die Isolierung der Spannbacken (z.B. aus glasfaserverstärktem Kunststoff oder Polyurethan) die Kälte während des Schleifens im Werkstück gehalten werden kann. Es wurde jedoch festgestellt, dass die Vorkühlmethode für das Schleifen mit geringen Schnitttiefen nicht ideal ist, da die hohen Temperaturunterschiede über die Zeit zu einer Ausdehnung des Werkstücks führen. Die verschiedenen Kühlstrategien führten zu unterschiedlichen Oberflächengüten, Eigenspannungen, Mikrostrukturen und -härten im geschliffenen Werkstück aufgrund der unterschiedlichen thermomechanischen Belastungen während des Schleifens. Während frühere Untersuchungen in der Literatur zum kryogenen Schleifen eine verbesserte Schleifbarkeit gezeigt haben, wurde in diesem Projekt festgestellt, dass die Verwendung eines herkömmlichen KSS auf Ölbasis aufgrund der geringeren Bearbeitungskräfte und -temperaturen immer noch zu einer besseren Oberflächengüte führte. Die CO2-Prozesskühlung lieferte vielversprechende Ergebnisse in Bezug auf die erzielte Oberflächenqualität, die trotz höherer Kräfte und Temperaturen mit der konventionellen Kühlung vergleichbar war. Die partielle Vorkühlung und Vorkühlung führten zu ähnlichen Ergebnissen wie das Trockenschleifen. Verbesserungspotenzial besteht jedoch vor allem in der Verkürzung der Zeit zwischen dem Abkühlen des Werkstücks und dem Schleifen. Die direkte LN2-Kühlung schnitt am schlechtesten ab. Dies könnte auf die Bildung eines Dampfpolsters an der Werkstückoberfläche, das Vorhandensein einer gasförmigen Phase und die Vereisung der Düse zurückzuführen sein. Außerdem wurden dynamische 3D-FEM-Wärmeübergangssimulationen entwickelt, um die Werkstücktemperatur zeitlich und lokal abzubilden. Dabei wurde der kryogene Schleifprozesses durch eine bewegte Wärme- und Kühlquelle vereinfacht. Es wurden zunächst der Wärmeübergangskoeffizient hcryo zwischen dem Werkstück und dem Kryogen sowie die Länge der Kühlquelle lcryo mit der inversen Methode bestimmt. Die Simulationsmodelle wurden für verschiedene kryogene Kühlstrategien beim Flach- und Außenrundschleifen validiert.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
-
3D-FEM-Wärmeübertragungssimulation des Schleifens. Zeitschrift für wirtschaftlichen Fabrikbetrieb, 117(7-8), 484-488.
Weber, Daniel; Kirsch, Benjamin; Silva, Eraldo J. da & Aurich, Jan C.
-
3D FEM heat transfer simulation of surface grinding of cryogenic pre-cooled parts. Procedia CIRP, 117, 205-210.
Weber, D.; Kirsch, B.; Silva, J.S.; da Silva, E.J. & Aurich, J.C.
-
MODELING AND SIMULATION OF THERMAL EFFECTS IN CYLINDRICAL PLUNGE DRY GRINDING WITH PRECOOLING. Proceedings of the 27th International Congress of Mechanical Engineering. ABCM.
Carvalho, de Santana Ézio; Jannone, da Silva Eraldo & Urbano, Gabriel
