Experimentelle und modellbasierte Grundlagenuntersuchungen zur kontaktmechanischen Lastverteilung und der resultierenden Fertigungsqualität beim Nassschleifen

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Christoph Herrmann; Professor Dr.-Ing. Michael Müller
• Fachliche Zuordnung: Spanende und abtragende Fertigungstechnik
• Förderung: Förderung seit 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 498570013

Beim Schleifen von Metallen entstehen typischerweise erhebliche Wärmemengen, welche über einen Kühlschmierstoff (KSS) aus der Kontaktzone transportiert werden müssen, um Thermoschäden des Bauteils zu vermeiden. Neben dem Kühlen gehören das Schmieren der Kontaktzone sowie der Abtransport der Späne zu den Hauptaufgaben der KSS. Die Erfüllung dieser Funktionen ist dabei stark abhängig von den Kinematiken im Schleifspalt, der Lastverteilung und den Eigenschaften der KSS. Ein ganzheitliches Verständnis über diese Prozess-Struktur-Eigenschaftsbeziehungen ist besonders in Anbetracht des Schleifergebnisses von großem Interesse. Eine Beurteilung des Schleifprozesses hinsichtlich der Kräfte und des Schleifergebnisses erfolgt derzeitig in der Regel empirisch-experimentell und bisher nur selten bzw. eingeschränkt mit Unterstützung von Modellen und Simulationen. Trotz der verschiedenen Prüfverfahren auf der Laborebene sind aufwändige Untersuchungen auf Maschinenebene erforderlich, um Kinematiken und Kühlschmierbedingungen realer Schleifbedingungen abzubilden. Experimentell können hierbei zwar Gesamtlasten ermittelt werden, nicht jedoch die für das Schleifergebnis entscheidende Lastverteilung auf Fluid, Schleifscheibe bzw. Werkstück und der dabei wirkende hydrodynamische Einfluss. Die für die Beschreibung von Schleifprozessen bestehenden numerischen Methoden betrachten in der Regel entweder den Einzelkorneingriff beim Schleifen oder die durch die KSS-Zufuhr erzeugte Hydrodynamik, eine kombinierte Betrachtung hierzu ist nicht bekannt. Das hier geplante Vorhaben setzt an dieser Stelle an. Hierbei sollen in interdisziplinärer Zusammenarbeit zwischen Produktionstechnik und Simulationsmethodik die Mechanismen erforscht werden, welche die engen Wechselwirkungen von Oberflächenkonturen, Hydrodynamik, Lastverteilung, Bauteil- und Werkzeugtopographien, Materialabtrag und Wärmetransport bestimmen. Ein besonderes Augenmerk kommt hierbei den Spalttopographien zu, die sich mit dem Schleifprozess dynamisch ändern. Im Rahmen des beantragten Projekts findet eine enge Verknüpfung zwischen Experimenten mit innovativen Testeinrichtungen und Modellen auf unterschiedlichen Ebenen statt. Zum einen dienen die Studien an einem neuartigen Schleifprüfstand in Verbindung mit einem Modell auf Rauheitsebene zur Charakterisierung der Prozesse auf der mikroskopischen Skala. Zum anderen wird die Hydrodynamik im Labormaßstab sowohl experimentell als auch modellseitig herausgearbeitet. Schließlich werden die gewonnenen Erkenntnisse auf die Maschinenebene übertragen. Das Vorhaben stellt einen wesentlichen Schritt zum ganzheitlichen Verständnis der Vorgänge im Schleifspalt dar. Die in diesem Projekt entwickelten Versuche und Modelle bilden eine Basis für zukünftige Optimierungsstrategien zu den Prozessparametern einschließlich der verwendeten Schleifscheiben und KSS und lassen sich ferner auf weitere Prozesse übertragen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen