Modellgestützte Untersuchung der Schwingungen aufgrund der Prozess-Struktur-Wechselwirkung beim Werkzeugschleife
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Die Wechselwirkungen zwischen Schleifscheibe, Werkstück, Maschinenstruktur und Prozess waren bisher kaum verstanden. Da sich die Wechselwirkungen sowohl auf makroskopischer (Verformungen im Millimeterbereich), mesoskopischer (dynamische Wechselwirkungen verursacht durch lokale Kontaktbedingungen) und mikroskopischer Ebene (Krafterzeugung durch das Eindringen eines Schleifkorns ins Werkstückmaterial) abspielen, sind im Rahmen des SPP 1180 Untersuchungen des Werkzeugschleifprozesses im interdisziplinären Verbund von Fertigungstechnikern, Mechanikern und Mathematikern durchgeführt worden. Diese Untersuchungen tragen zum allgemeinen Verständnis der Materialabtragsmechanismen und der lokalen Kontaktbedingungen bei. Die gewonnenen Erkenntnisse sind in ein physikalisch motiviertes Gesamtmodell für das Werkzeugschleifen eingeflossen, können aber durch die auf physikalische Gesetzmäßigkeiten beruhenden Teilmodule einfach auf andere Schleifoperationen übertragen werden. Mit dem Schleifprozessmodell lassen sich Vorhersagen über die dynamischen Kraftverläufe, der Werkstückabdrängung und in vereinfachter Form die Werkstücktemperatur vorhersagen. Explizit sind Ergebnisse der Strukturdynamikuntersuchung des Werkstücks eingeflossen, bei der sich deutlich gezeigt hat, dass das dynamische Verhalten der Bohrer während des Prozesses stark von der momentanen Geometrie und von der Einspannung abhängt. Die Geometrieabhängigkeit der Werkstückdynamik verursacht Änderungen der Eigenfrequenz von bis zu 25%. Die Elastizität der Einspannung ergibt zudem eine Reduktion der Eigenfrequenz um ca. 10%. In der Gesamtsimulation ist dieses zeitabhängige mechanische Verhalten deshalb in den Randbedingungen (für die Einspannung) und in der Bewegungsgleichung des Werkstücks berücksichtigt worden, womit die Verformung des Werkstücks beschrieben wird. Die Analyse der Prozesskräfte lässt eine Abhängigkeit von der Schleifscheibenrotationsgeschwindigkeit und der Schleifscheibentopographie erkennen, die zeitlich schwankende Verläufe der Prozesskraft verursachen. Zwischen der Normal- und Tangentialkraft ergeben sich zudem aufgrund der komplexen Eingriffsbedingungen nichtlineare Zusammenhänge, die in Form von einer Phasenverschiebung in den Zeitverläufen zu detektieren sind. Diese führen zu zeitlich schwankenden Reibwerten, die mit der Oberfläche der Schleifscheibe korrelieren. Eine quasistatische Betrachtung des Schleifprozesses ist aus diesen Gründen nicht zweckdienlich. In das Gesamtmodell sind deshalb Ergebnisse aus der Abhängigkeit von der Schleifscheibentopographie eingeflossen. Eine Abschätzung der Temperaturverteilung im Werkstück lässt sich im Anschluss an die Simulation des Schleifprozesses über ein einfaches analytisches Modell durchführen, womit die Gefahr von Gefügeveränderungen und Schleifbrand abgeschätzt werden kann. Die in das Gesamtmodell eingeflossenen Erkenntnisse über die Wechselwirkungen zwischen Struktur und Prozess ermöglichen nun für verschiedenste Parameterkombinationen die Prozesskräfte, die Geometriefehler und die Werkstücktemperatur vorherzusagen und damit Anhaltspunkte zur Verbesserung des Schleifprozesses und der Qualität des Werkstücks zu geben.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- Modeling and Simulation of the Process Machine Interaction During Tool Grinding Processes. 10th CIRP International Workshop on Modeling of Machining Operations, S. 391-398, (2007)
Denkena, B., Deichmueller, M., Kröger, M., Panning, L., Carstensen, C., Kilian, S.
- Modellierung der Schwingungen beim Werkzeugschleifen, PAMM Vol. 7 pp. 1-2 (2007)
Panning, L., Kröger, M.
(Siehe online unter https://doi.org/10.1002/pamm.200700845) - Analysis of the Machine Structure and Dynamic Response of a Tool Grinding Machine, 1st International Conference on Process Machine Interactions, pp. 299-307, (2008)
Popp, K.M.; Kröger, M.; Deichmueller, M.; Deknena, B.
- Geometrical Analysis of the Complex Contact Area for Modeling the Local Distribution of Process Forces in Tool Grinding, 1st International Conference on Process Machine Interactions, S. 289-298, (2008)
Denkena, B.; Deichmueller, M.; Kröger, M.; Popp, K.M.; Carstensen, C.; Schroeder, A.; Wiedemann, S.
- Das Werkzeug als Werkstück, Schleifprozesse von Hochleistungswerkzeugen unter der Lupe, Ingenieur Spiegel, 3, S. 28-29, (2009)
opp, K.M. & Kröger, M.
- Investigation on the Dynamics of Tool Grinding, Machine Dynamics Problems Vol. 33, No 2, S. 92-104, (2009)
De Payrebrune, K.M.; Kröger, M.; Deichmueller, M.; Denkena, B.
- Modelling and simulation of process: machine interaction in grinding, Production Engineering, Springer Berlin / Heidelberg, , 3, S. 111-120, (2009)
Aurich, J. C.; Biermann, D.; Blum, H.; Brecher, C.; Carstensen, C.; Denkena, B.; Klocke, F.; Kröger, M.; Steinmann, P. & Weinert, K.
(Siehe online unter https://doi.org/10.1007/s11740-008-0137-x) - On Contact Modeling of Workpiece and Grinding Wheel with Nonlinear Elements, 7th EUROMECH Solid Mechanics Conference, S. 281-282, (2009)
Popp, K.M.; Kröger, M.
- Modal Reduction of Dynamics of Tool Grinding, 2nd International Conference on Process Machine Interactions, (2010)
De Payrebrune, K.M.; Kröger, M.
- Nichtlineares Kontaktmodell für die Schleif-Prozess- Simulation, PAMM Vol. 10, No 1, S. 261–262, (2010)
De Payrebrune, K.M.; Kröger, M.
(Siehe online unter https://doi.org/10.1002/pamm.201010123) - Kleine Körner, große Wirkung - Schleifabtrags- und Abrasivverschleißprozesse unter der Lupe, Ingenieur Spiegel 3, S. 73-74, (2011)
Kröger, M; De Payrebrune, K.M.
- Nonlinear process machine interaction in tool grinding, PAMM Vol. 11, No 1, S. 927-930, (2011)
De Payrebrune, K.M.; Kröger, M.
(Siehe online unter https://doi.org/10.1002/pamm.201110441)
