Mehrskalige Modellierung und Simulation des Hochleistungs-Innenrundschälschleifens

Abstract

Das Innenrundschälschleifen mit galvanisch gebundenen CBN-Schleifscheiben ist ein hocheffizientes Fertigungsverfahren der Bohrungsbearbeitung von gehärteten Stählen. Durch hohe Schleifscheibengeschwindigkeiten können beim Innenrundschleifen hohe Zeitspanvolumina realisiert werden. Trotz seiner Vorzüge stellt das Verfahren aufgrund der komplexen Eingriffsverhältnisse eine große Herausforderung in seiner Prozessbeherrschung dar. Um die Vorteile des Verfahrens prozesssicher und wirtschaftlich einzusetzen, wurde im Rahmen dieser Arbeit ein hocheffizientes mehrskaliges Simulationssystem aufgebaut, welches das Innenrundschälschleifen auf der Korn- und Prozessebene nachbildet. Hierzu werden unterschiedliche Ansätze der geometrisch-physikalischen Simulation, der analytischen Modellierung und der Finite-Elemente-Methode miteinander kombiniert. Die Basis des Gesamtmodells bildet die Schleifscheibentopographie, welche durch Messungen und numerische Analysen im Simulationssystem durch Verteilungen modelliert wird. Aufbauend auf dem mesoskopischen Werkzeug können die lokalen Eingriffsbedingungen mithilfe einer geometrisch-physikalischen Simulation ermittelt und die Einzelkornkräfte bestimmt werden. Somit können auf der einen Seite die globalen Belastungen nachgebildet und auf der anderen Seite durch einen innovativen Analyseansatz die Normal- sowie Schubspannungen und letztendlich auch die lokale Wärmestromdichte innerhalb der Kontaktzone hergeleitet werden. Hierdurch kann mithilfe eines effizienten Finite-Elemente-Modells des Innenrundschälschleifens die Temperaturverteilung im Werkstück ermittelt werden. Weitere Komponenten bilden aufbauend auf Messungen und einem analytischen Modell nach der Biegetheorie die Spindelnachgiebigkeiten in Abhängigkeit von den Normalspannungen und der Prozesskinematik nach. Das Simulationssystem wird genutzt, um die thermomechanische Belastung und die spezifischen Besonderheiten des Innenrundschälschleifens durch detaillierte, simulationsgestützte Prozessanalysen herauszustellen. Somit werden die Einflüsse von unterschiedlichen Werkzeugspezifikationen, Abrichtbedingungen und Abmessungen in Wechselwirkung mit den Prozessstellgrößen umfassend im gesamten Parameterraum sowohl auf der Korn- als auch auf der Prozessebene untersucht. Durch den sehr tiefen Einblick in die Eingriffsverhältnisse bei der Korn-Werkstück-Kombination und die neuartigen Analysemethoden kann das grundlegende Prozessverständnis des Innenrundschälschleifens deutlich gestärkt werden. Ein Metamodell berechnet in Abhängigkeit von den Prozessrahmenbedingungen die unterschiedlich thermomechanisch induzierten Deformationen und darauf aufbauend die resultierenden Fertigungsabweichungen. Im finalen Schritt der vorliegenden Arbeit werden sämtliche ermittelten Ergebnisse in einer simulationsgestützten Prozessgestaltungsrichtlinie zusammengefasst, mit der über eine Prozessoptimierung sichergestellt werden kann, dass für Innenrundschälschleifprozesse die Prozessparameter auf die Werkzeuggestalt optimal abgestimmt sind. Durch die vergleichsweise einfachere Modellierungstechnik kann eine simulationsgestützte Gestaltung bereits beim Werkzeughersteller und Anwender mit geringem numerischen Aufwand im Vorfeld durchgeführt werden, um ein möglichst produktives Innenrundschälschleifen zu gewährleisten.