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Simulationsbasierte Auslegung von Hochleistungs-Innenrundschleifprozessen

Lange Kornkontaktzeiten, komplexe Eingriffsbedingungen und die erschwerte Kühlschmierstoffversorgung aufgrund der geometrischen Randbedingungen stellen eine große Her­aus­for­de­rung bei der Prozessauslegung des Innenrundlängs- und Innenrundeinstechschleifens dar. Eine Alternative ist das Innenrundschälschleifen, das sich durch eine hohe Flexibilität und Wirtschaftlichkeit auszeichnet.

Verwendet wer­den dabei schmale, galvanisch belegte CBN-Schleifscheiben, die in zwei Bereiche, einer konischen Schrupp- und einer zylindrischen Schlichtzone, unterteilt sind. Diese wer­den bei der Innenrundbearbeitung von gehärteten Stählen eingesetzt, da aufgrund des großen Spanraumes und der aggressiven Schleifscheibentopographie eine hohe Pro­duk­ti­vi­tät gewährleistet wird. Eine deutliche Steigerung des Zeitspanvolumens kann durch die Hochgeschwindigkeitsbearbeitung realisiert wer­den. Mit einer Einsatzvorbereitung der Schlichtzone der Schleifscheibe kön­nen gleichzeitig gemittelte Rautiefen von Rz ≈ 2 µm am Bauteil gewährleistet wer­den. Aufgrund der im Vergleich zu anderen Schleifprozessen kleinen Kontaktzone sind die Prozesskräfte gering. Die aus dem Prozess resultierende Wärme wird lokal konzentriert in das Bauteil eingebracht. Durch die hohe Wärmebelastung des Bauteils kön­nen thermisch bedingte Bearbeitungsfehler, wie z. B. durch die thermische Ausdehnung bedingte Maßabweichungen und Randzonenveränderungen entstehen, die sich auf die Betriebseigenschaften des Bauteils negativ auswirken. Zusätzlich negativ be­ein­flusst wer­den kann die Fertigungsgenauigkeit des Werkstücks durch eine elastische Deformation in Folge der Werkstückeinspannung sowie einer Nachgiebigkeit von Werkstück- und Werkzeugspindeln bei der Bearbeitung. Um prozesssicher Bauteile mit hohen Fertigungsgenauigkeiten zu realisieren, ist es entscheidend, diese Einflussfaktoren zu kennen und im Vorfeld zu vermeiden.

Im Rah­men eines grundlegenden Kooperationsprojekts wurde ein mehrskaliges Simulationssystem ent­wickelt, das die thermomechanischen Belastungen des Hochleistungs-Innenrundlängsschleifprozesses und deren Aus­wir­kungen auf Fertigungsfehler auf mehreren Betrachtungsebenen modelliert, siehe Abbildung. Aus diesem Modell abgeleitete Kompensationsmaßnahmen erwiesen sich als äußerst zielführend, so dass der Fertigungsfehler entlang der Bohrungstiefe um die Hälfte reduziert wer­den konnte. Die Ausnahme bildete hierbei der Auslaufbereich des Werkstückes, bei dem bedingt durch die Nachgiebigkeiten der Spindeln eine relativ große Maßabweichung verbleibt.

Das darauf aufbauende Er­kennt­nis­trans­fer-Projekt verfolgt das Ziel, das ent­wi­ckel­te, mehrskalige Simulationssystem zu erweitern, um es in einer ersten prototypischen Lö­sung in der in­dus­tri­el­len Praxis einzusetzen. In diesem Rah­men wer­den die Spindelnachgiebigkeiten und der Einzelkornverschleiß in den Komponenten des Systems detailliert modelliert, um alle relevanten Modellierungsaspekte beim Innenrundlängsschleifen berücksichtigt wer­den. Durch eine enge Ko­ope­ra­ti­on mit den Anwendungspartnern wer­den industrierelevante An­for­der­ungen an eine simulationsbasierte Werkzeug- und Prozessauslegung definiert. Durch die Anwendung des mehrskaligen Simulationssystems wer­den die CBN-Schleifscheiben optimal ausgelegt, im Vorfeld bereits NC-Kompensationsbahnen simulationsbasiert er­mit­telt und ex­pe­ri­men­tell validiert. Hierdurch wird die Einsatzeignung des Simulationssystems in der in­dus­tri­el­len Praxis herausgestellt, um um­fang­rei­che Verschleißuntersuchungen und Einfahrprozesse bei der Veränderungen der Prozessrahmenbedingungen bereits im Vorfeld simulationsbasiert nachbilden zu kön­nen. Das gekoppelte Simulationssystem kann in der Prozessauslegung und -optimierung eingesetzt wer­den, um potentielle Bearbeitungsfehler schon im Vorfeld zu vermeiden.

© ISF
Simulationssystem zur Modellierung des Innenrundschälschleifens

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Vom Autobahnkreuz Dort­mund/Unna auf die A44 Richtung Dort­mund, diese geht in die B1 über. Ausfahrt Dort­mund-Dorstfeld, Richtung Uni­ver­si­tät (weiter siehe Karte).

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