Computational multiscale modelling of grinding processes

Abstract

This thesis deals with the modelling and simulation of high-performance grinding using electroplated cubic Boron Nitride (cBN) wheels. Special focus is set on the application to Internal Traverse Grinding which satisfies the manufacturing industry demands for a high rate of material removal along with a high surface quality while minimising the number of manufacturing processes invoked. To overcome the major problem of the abrasive process, namely a highly concentrated thermal load on the workpiece, a multi-scale simulation system that combines different modelling methods in a hybrid framework is presented. The latter consists of three main components. First, a kinematic simulation that models the grinding wheel surface based on experimentally determined measurements as well as subsequent numerical analysis is used to calculate the transient penetration history of every grain intersecting with the workpiece. Secondly, an h-adaptive, plane-strain finite element model incorporating elasto-plastic work hardening, thermal softening and ductile damage is used to simulate the proximity of one cBN grain during grinding and to capture the complex thermo-mechanical material response on a meso-scale. For the third component of the framework, the results from the preceding two simulation steps are---by incorporation of a special scale-bridging scheme---combined into a macro-scale thermo-mechanical load compound. This load is subsequently applied as boundary condition in a process model that captures the thermo-mechanical workpiece response on a macro-scale. Based on a subsequent process simulation that captures the workpiece response during grinding, compensation strategies are developed to improve the manufacturing accuracy of the investigated abrasive process by minimising the geometrical error of the finished workpieces.

Die vorliegende Arbeit behandelt die Modellierung und Simulation von Hochleistungsschleifprozessen mit Schleifscheiben, welche mit kubischem Bornitrid (CBN) galvanisch belegt sind. Der Fokus liegt dabei auf der Simulation des Innenrundschälschleifens, welches als Schleifverfahren die Ansprüche der Fertigungsindustrie bezüglich hoher Materialabtragsrate bei gleichzeitig hoher Oberflächenqualität und einer Minimalanzahl von Arbeitsschritten erfüllt. Um dem zentralen Problem einer hohen thermischen Werkstückbelastung entgegenzuwirken, wird ein mehrskaliges Simulationssystem vorgestellt, welches verschiedene Modellierungsansätze in einem dreiteiligen Hybridmodell vereint. Die erste Teilkomponente ist eine Kinematiksimulation, welche basierend auf numerischen Analysen von experimentellen Messdaten den transienten Eingriffsverlauf jedes Schleifkorns mit dem Werkstück berechnet. Zweitens wird ein h-adaptives Finite-Elemente-Modell, welches elasto-plastische Verfestigung, thermische Entfestigung sowie duktile Schädigung des Werkstückmaterials abbildet, verwendet um die unmittelbare Umgebung eines CBN-Korns auf der Meso-Ebene hinsichtlich ihrer komplexen thermo-mechanischen Reaktion zu simulieren. Um die Randbedingungen für die dritte Modellkomponente zu bestimmen, wird basierend auf den vorigen Simulationskomponenten ein spezieller Skalentransformationsansatz für die thermo-mechanischen Reaktionen vorgestellt, um diese Werkstücklasten von der Meso- auf die Makroskala zu transferieren. Mithilfe einer anschließenden Prozesssimulation wird das makroskopische Werkstückverhalten während des Schleifens nachgebildet und schließlich simulationsgestützte Kompensationsstrategien entwickelt, um thermisch bedingte Maßfehler des fertigen Bauteils zu minimieren.