Ganzheitliche Betrachtung des Spindel-Werkstück-Systems beim NC-Formschleifen von Freiformflächen durch simulative Vorhersage des Prozessverhaltens auf Basis numerischer Verfahren
Final Report Abstract
Das Forschungsvorhaben befasst sich mit der simulativen Abbildung der Struktur-Prozess- Wechselwirkung bei der Schleifbearbeitung frei geformter Werkstückoberflächen unter Einsatz verschiedener Schleifscheiben. Aufgrund der Simulationsergebnisse können Schleifscheibenbahnen, die zu unerwünschten Änderungen an der Werkstückoberfläche führen, im Prozessvorfeld erkannt und angepasst werden. Die im Rahmen der Untersuchungen fortschreitende Durchdringung des Prozesses sowie des Strukturverhaltens der Maschine ermöglicht letztendlich einen weitreichenden Einsatz dieses Verfahrens in der spanenden Fertigung. Im ersten Förderungszeitraum wurde eine ganzheitliche Prozesssimulation bestehend aus einem kinematischen und einem kinetischen Simulationsanteil entwickelt, wobei der Schwerpunkt auf dem Zusammenwirken der beiden Simulationsteile zur Abbildung der Wechselwirkungen zwischen Werkzeugmaschine und Prozess lag. Im zweiten Förderungszeitraum konnte die Simulation basierend auf umfangreichen experimentellen Untersuchungen um die Abbildung reibungsbedingter sowie thermischer Effekte erweitert werden. Zunächst wurde im dritten Förderzeitraum eine Detailverbesserung der Simulation zur Steigerung der Prognosegenauigkeit durch die Einbeziehung zeitlich und örtlich veränderlicher Modellparameter durchgeführt. Der Fokus lag dann auf der Untersuchung der Übertragbarkeit des Simulationsansatzes auf andere Schleifprozesse. Zu diesem Zweck wurden neben der Torusschleifscheibe auch Zylinder- und Profilschleifscheiben eingesetzt sowie das Werkstückmaterial variiert. Hierbei kamen Hartmetallwerkstücke zum Einsatz. Die Anwendung der Simulation auf diese Schleifprozesse ist nach einer Neuparametrierung der einzelnen Modelle möglich, auch wenn im Bereich der Kraftmodellierung noch Forschungsbedarf hinsichtlich des Einflusses des Kühlschmierstoffes besteht. Darüber hinaus wurden die entwickelten Prozess- und Maschinensimulationen erfolgreich mit anderen Prozessmodellen gekoppelt und es gelang, die Prozesssimulation zur Modellierung einer zweiten Schleifmaschine einzusetzen. Um die Effizienz des Schleifprozesses zu steigern, wurde eine automatisierte Bahnplanung in die Simulation integriert. Eine wesentliche Voraussetzung dafür war die Untersuchung der Positioniergenauigkeit der verwendeten Schleifmaschine und die Feststellung der Parametergrenzen der einzelnen Prozesse. Darauf aufbauend ist es gelungen, die Planung des Schleifprozesses hinreichend genau zu gestalten, so dass aufwändige Nachbearbeitungen der Werkstückoberfläche im Rahmen der vorgegebenen und auf der verwendeten Schleifmaschine realisierbaren Toleranzen entfallen konnten. Zwei grundsätzliche Ansätze zur Kontrolle des Fehlers bezüglich einer vorgegebenen Größe im Rahmen der Finite-Elemente-Methode zur Diskretisierung von hyperbolischen Problemen zweiter Ordnung wurden entwickelt. Dabei zeigten sich bei beiden Ansätzen verschiedene Vor- und Nachteile. Insbesondere die Fehlerschätzer auf Basis der Semidiskretisierung sind aufgrund ihrer einfachen und effizienten Auswertung erfolgversprechend, um als Basis für adaptive Finite-Elemente-Methoden im Rahmen der ganzheitlichen Simulation verwendet zu werden.
Publications
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Adaptive Finite Element Methods for Nonlinear Hyperbolic Problems of Second Order, Dissertation, Technische Universität Dortmund, Verlag Dr. Hut, München, 2010
Rademacher, A.
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Simulation of Thermal Effects in NC-Shape Grinding of Free Formed Surfaces using Toroid Grinding Wheels. Part I: Experimental Results, in: Proceedings of the CIRP 2nd International Conference Process Machine Interactions, 10.6.-11.6. 2010, Vancouver, BC, Canada, ISBN 978-0-9866331-0-2
Biermann, D.; Blum, H.; Rademacher, A.; Scheidler, A.V.
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Simulation of Thermal Effects in NC-Shape Grinding of Free Formed Surfaces using Toroid Grinding Wheels. Part II: Modeling and FE-Discretization, in: Proceedings of the CIRP 2nd International Conference Process Machine Interactions, 10.6.-11.6. 2010, Vancouver, BC, Canada, ISBN 978-0-9866331-0-2
Biermann, D.; Blum, H.; Rademacher, A.; Scheidler, A.V.
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Simulation des NC-Formschleifprozesses mit unterschiedlichen CBN-Schleifscheibenformen, Dissertation, Technische Universität Dortmund, 2011
Scheidler, A.
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Simulation of Process Machine Interaction in NC-Shape Grinding, angenommen als Kapitel II.6, Abschlussbuch SPP1180, Hrsg. B. Denkena, 2011
Biermann, D.; Blum, H.; Rademacher, A.; Scheidler, A.V.; Weinert, K.
