Höhere Produktivität bei Werkzeugschleifprozessen durch neuartige Simulationsmethoden
Bei der Herstellung von zylindrischen Vollhartmetallwerkzeugen kommt der Schleifbearbeitung eine zentrale Bedeutung zu. In der Regel werden die typischen helixförmigen Spannuten in einem Arbeitsgang mithilfe von Diamantschleifscheiben in den Hartmetallrohling eingebracht. Dabei kommt es allerdings durch das große Zerspanvolumen zu hohen thermischen und mechanischen Belastungen an Werkstück und Werkzeug. „Dies kann zu Oberflächen- und Formfehlern führen“, erläutert IFW-Mitarbeiter Frederik Wiesener.
Ein wesentlicher Faktor für die Qualität des Werkstücks ist die richtige Kühlung und Schmierung des Prozesses. Im Gegensatz zu geometrisch bestimmten Zerspanungsprozessen stellt das Schleifen aufgrund der Vielzahl individueller Korneingriffe eine komplexe und bisher wenig erforschte Eingriffssituation dar. In der Praxis basiert die Auswahl des richtigen Kühlschmierstoffs, Schleifwerkzeugs und die Einstellung von Prozessparametern häufig auf Erfahrungswerten.
Um die Materialtrennung sowie die thermomechanischen und fluiddynamischen Vorgänge in der Kontaktzone beim Schleifen genauer zu erforschen, bieten Simulationsmethoden eine vielversprechende Herangehensweise. Durch Finite-Elemente-Simulationen können beispielsweise einzelne Korneingriffe simuliert und Prozesskräfte vorhergesagt werden. Eine große Herausforderung besteht dabei jedoch in der benötigten Rechenkapazität. Bereits eine geringe Anzahl von Einzelkörnern erfordert eine enorme Rechenleistung. Projektbearbeiter Wiesener: „Die Anwendung in der Industrie ist deswegen kaum praktikabel.“
Im Rahmen des Forschungsvorhabens SPP2231 FLUSIMPRO wird am IFW aktuell an neuen Herangehensweisen zur Simulation von Schleifprozessen gearbeitet. So wurde die hausinterne Materialabtragsimulation IFW-CutS erweitert, um multiskalige Simulationen von Schleifprozessen zu ermöglichen. Der Begriff Multiskaligkeit bezieht sich dabei auf die unterschiedlichen geometrischen und zeitlichen Auflösungen der Simulation. Eingeteilt wird die Methodik in drei Betrachtungsskalen:
Auf der übergeordneten, makroskopischen Ebene wird zunächst die gesamte Maschinenkinematik einschließlich der Schleifscheibe und des Werkstücks betrachtet. Die Komponenten werden auf einfache geometrische Körper zurückgeführt, um Rechenkapazität zu sparen und möglichst schnell ein Ergebnis zu erhalten. Zu den Ausgangsgrößen gehören neben der resultierenden Werkstückgeometrie auch das Zeitspanvolumen, der Gesamtspanungsquerschnitt und die Eingriffsbreite der Schleifscheibe.
Für eine detailliertere Betrachtung des Prozesses wird eine Zwischenebene, die sogenannte Mesoskala, eingeführt. Hierbei konzentriert sich der Betrachtungsbereich lediglich auf die Kontaktzone zwischen Schleifscheibe und Werkstück. Durch die Berücksichtigung der rauen Schleifscheiben- und Werkstückoberfläche können präzisere Aussagen zur Materialtrennung getroffen werden. In Kooperation mit dem Zentrum für Technomathematik der Universität Bremen (ZeTeM) wird bereits an der Kopplung von Thermofluiddynamik-Simulationen und der hier eingesetzten Materialabtragsimulation geforscht, um den Einfluss der Kühlschmierstoffströmung auf die Temperaturverteilung im Schleifspalt zu untersuchen.
Auf der untersten Ebene steht schließlich die Mikroskala. Auch hier konzentriert sich die Untersuchung auf die Kontaktzone zwischen Werkstück und Schleifscheibe, jedoch mit einer deutlich höheren geometrischen Auflösung und sehr geringen Simulationszykluszeiten (< 0,5 µm und < 10-8 s). Die Schleifscheibenoberfläche wird durch ein Parametrisches Schleifscheibenmodell digital beschrieben, bei dem neben der Bindungsstruktur einzelne Schleifkörner abgebildet werden können. Die Verwendung von realen, optisch erfassten Korngeometrien ermöglicht, durch Eingabe der Parameter Korngröße, -konzentration und Kornüberstand, die Erzeugung realitätsnaher Schleifscheiben. Aufwändige Topographiescans müssen nach der Validierung des Modells nicht mehr durchgeführt werden. Während der Simulation stehen umfassende Informationen wie Zerspanvolumen, Spanungsquerschnitte und Eingriffstiefen für jedes einzelne Korn zur Verfügung. Durch empirische Modelle können zusätzlich Einzelkornkräfte und Schnittleistungen berechnet werden, die als Eingangsgrößen für die Thermofluiddynamik-Simulation dienen. Das Ergebnis der Mikrosimulation ist die resultierende kinematische Werkstückoberfläche, deren Rauheitsparameter Ra, Rz und Rp bestimmt werden.
„Die Vision besteht darin, in Zusammenarbeit mit dem ZeTeM eine Möglichkeit zu schaffen, Schleifprozesse effizient und präzise zu simulieren. Auf diese Weise streben wir ein tieferes Verständnis für die thermomechanischen Effekte in der Kontaktzone zwischen Werkstück und Schleifscheibe an. Ziel ist es, durch die Modellierung und Simulation von Wechselwirkungen den Einfluss auf die Prozessqualität zu erfassen und somit langfristig eine schädigungsfreie Bearbeitung bei höherer Produktivität zu ermöglichen", erläutert Wiesener.
Wir danken der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG), die im Rahmen des Projekts SPP2231 FLUSIMPRO "Effizientes Kühlen, Schmieren und Transportieren – Gekoppelte mechanische und fluid-dynamische Simulationsmethoden zur Realisierung effizienter Produktionsprozesse" Mittel bereitgestellt hat.