Modellierung und Simulation von Schleifprozessen unter Berücksichtigung der Materialabtragsvorgänge
Final Report Abstract
Im Rahmen dieses Forschungsvorhabens wurden die Materialabtragsvorgänge beim Schleifen anhand von Ritzversuchen untersucht und anschließend in eine kinematische Simulation des Schleifprozesses implementiert. Für die experimentellen Untersuchungen wurden verschieden geformte, stochastisch ausgewählte Einzelkörner aus CBN verwendet, analog zu denen industrieller Schleifscheiben. Mit diesen Körnern wurden Werkstücke der Härte 30 HRC sowie 55 HRC bearbeitet. Neben dem Einfluss der Werkstückhärte wurde ebenfalls der Einfluss der Schnittgeschwindigkeit (zwischen 60 und 120 m/s), der Ritztiefe (1 bis 10 µm), sowie der Korngeometrie untersucht. Es zeigte sich, dass sich die Kontur des Korns in dem Material abformt, wie bereits vor dem Forschungsvorhaben in der Simulation implementiert. Daher musste lediglich die Aufwurfbildung zusätzlich in die Simulation implementiert werden, um eine realitätsnähere Simulation zu erhalten. Der Haupteinfluss auf die Aufwurfbildung ist die Korngeometrie. In Abhängigkeit des Bereichs des Korns, der mit dem Werkstoff in Eingriff ist, kommt es zu einem unterschiedlichen Aufwurf. Dabei kann keine allgemeine Zusammenfassung über die jeweiligen Kornklassen gegeben werden, da durch die regellose Anordnung der Körner verschiedene Bereiche der jeweiligen Körner in Eingriff mit dem Werkstoff sein können. Daher wurden die Körner in der Simulation anhand ihrer Spanwinkel und Ablenkwinkel charakterisiert und einer entsprechenden experimentell ermittelten Kurve für das relative Spanvolumen zugeordnet. Das Materialabtragsverhalten kann zusammenfassend wie folgt beschrieben werden. Eine steigende Schnittgeschwindigkeit führt zu einem höheren relativen Spanvolumen, da die Fließgeschwindigkeit des Materials ansteigt und die entstehenden Materialbänder daher nicht an den Seiten des Ritzes als Aufwurf hängen bleiben. Das Material mit der geringeren Härte besitzt eine geringere Fließgrenze, sodass mehr Material in Form eines Aufwurfs nach dem Ritz vorliegt. Eine geringere Ritztiefe führt dazu, dass sich der Materialabtragsmechanismus zum Pflügen verschiebt und damit ein größerer Aufwurf vorliegt. Da es bei einem realen Schleifprozess zu Interaktionen einzelner Ritze kommt, wurden diese ebenfalls experimentell untersucht. In Abhängigkeit der Lage interagierender Ritze zueinander kommt es zu einem unterschiedlichen Abtragsverhalten. Schneiden sich die beiden Ritzspuren, so wird in Abhängigkeit des Winkels, mit dem sich die beiden Ritzkonturen schneiden, sowie des Materials, welches das zweite Einkorn als Aufwurf verdrängen würde, ein unterschiedlich großer Materialanteil in die erste Ritzspur verdrängt. Verlaufen die beiden Ritzspuren in genügend kleiner Entfernung zu einander, ohne sich zu überschneiden, so wird das Material durch das zuletzt durchlaufende Korn in die Ritzspur des ersten Korns verdrängt. Der Einfluss der Schleifparameter und der Härte des Werkstücks auf die Materialverformung ist dabei identisch zu nicht interagierenden Ritzen. So führen geringere Werkstückhärten oder geringere Schnittgeschwindigkeiten auch bei interagierenden Ritzen zu einer Steigerung des verformten Materials. Die aus den Experimenten erhaltenen Ergebnisse wurden in die kinematische Simulation implementiert. Eine Validierung der Simulation erfolgte anhand von Referenzversuchen mit einer handelsüblichen Schleifscheibe. Die Schleifscheibe der Experimente wurde messtechnisch charakterisiert und realitätsnah in der Simulation modelliert. Dabei wurde die Anzahl der Körner, deren Verteilung, deren Größenverteilung, deren Zuordnung zu den Formklassen und der Anteil aktiver Körner berücksichtigt. Als Ergebnis der Simulation wurde die resultierende Oberflächentopographie betrachtet. Die simulierten Rauheiten liegen sehr nahe an den realen, experimentell ermittelten Werten, womit eine wesentliche Verbesserung im Vergleich zu Simulationen ohne Berücksichtigung des Materialverhaltens erreicht wurde.
Publications
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Single grain scratch test to determine elastic and plastic material behavior in grinding. Advanced Materials Research 325 (2011): S. 48-53
Aurich, J.C., Steffes M.
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Einfluss der Kornform auf das plastische Materialverhalten beim Einkornritzen. Diamond Business (2012) 3: S. 44-50
Steffes, M., Aurich, J.C.
