Mariem Ben Salem (Bild rechts) und Andrii Skryhuntes (Bild links) sind studentische Hilfskräfte am IFW und haben ihre Abschlussarbeiten im Bereich Produktionssysteme geschrieben. Zusammen mit ihrem Betreuer arbeiten sie im Forschungsprojekt FLUSIMPRO (SPP2231), welches in Kooperation mit der Universität Bremen stattfindet. Dabei geht es um die Simulation von Werkzeugschleifprozessen zur Optimierung der Kühlwirkung.
Die Schleifbearbeitung ist ein zentraler Fertigungsschritt bei der Herstellung von zylindrischen Vollhartmetallwerkzeugen. Die typische Helixform der Spannuten von Fräswerkzeugen wird in einem Arbeitsgang mithilfe von Diamantschleifscheiben hergestellt. Dabei kommt es, aufgrund der hohen Materialabtragrate, zu enormen thermomechanischen Belastungen. Diese wirken sich nicht nur negativ auf das Schleifwerkzeug aus, sondern können auch zu Beschädigungen am Werkstück führen. Oberflächen- und Formfehler sind die häufigsten Ursachen des vorzeitigen Werkzeugversagens. Entscheidend 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 (KSS), Schleifwerkzeugs und die Einstellung von Prozessparametern häufig auf Erfahrungswerten.
Um die Materialtrennung sowie die thermomechanischen und fluiddynamischen Vorgänge in der Kontaktzone beim Werkzeugschleifen genauer zu erforschen sind umfangreiche Experimente erforderlich. Die Studentin Mariem beschäftigte sich in ihrer Masterarbeit mit dem Wärmetransfer zwischen Schleifscheibe, Werkstück und KSS. Anhand von Kraftmessungen wurde zunächst ein Zusammenhang zwischen dem Schleifscheibeneingriff, dem Materialabtrag und den resultierenden Prozesskräften abgeleitet. Auf Basis dieser Ergebnisse konnte sie ein Modell zur Simulation der Prozessleistung aufbauen, um Temperaturen in der Kontaktzone zu prognostizieren. Durch Temperaturmessungen im Werkstückinneren, an der Schleifscheibe und des Kühlschmierstoffs während des Schleifprozesses konnten die Wärmeströme in die jeweiligen Kontaktbereiche ermittelt werden. Dies bildet eine essenzielle Grundlage für die Parametrierung der thermomechanischen Modelle, welche in den numerischen Simulationen Anwendung finden.
Der Student Andrii begleitet das Projekt schon seit der ersten Förderphase. Neben seiner Arbeit mit der Materialabtragsimulation IFW-CutS untersucht er aktuell den Einfluss der Schleifscheibenmikrotopographie auf die resultierende Werkstückoberfläche. Die zeitliche Veränderung des Schärfzustands der Schleifscheibe hat dabei nicht nur Einfluss auf die Oberflächenrauheit, sondern auch auf die thermomechanische Belastung. Durch die zunehmende Abstumpfung der Schleifkörner und der Zusetzung der Schleifscheibenbindung erhöht sich die Reibung und damit die mechanische Belastung. Des Weiteren wird dadurch der Transport von KSS durch die Kontaktzone behindert, wodurch die Temperaturen stark ansteigen. Die Erkenntnisse aus den experimentellen Studien werden zur Parametrierung eines kornaufgelösten Schleifscheibenmodells genutzt. Dieses wird in der Materialabtragssimulation IFW-CutS eingesetzt, um den Schleifprozess mikroskopisch zu simulieren und die Wirkung einzelner Diamantkörner zu analysieren.
„Unser Ziel ist es, ein tieferes Verständnis über die thermomechanischen Effekte in der Kontaktzone zwischen Werkstück und Schleifscheibe zu bekommen und Methoden zu entwickeln, Schleifprozesse effizient und präzise zu simulieren. So können wir langfristig eine schädigungsfreie Bearbeitung bei höherer Produktivität ermöglichen. Die Arbeit unserer Studentinnen und Studenten schätzen wir sehr, da sie einen großen Teil zu unserer Forschung beitragen", erläutert IFW-Mitarbeiter Frederik 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.
Kontakt:
Für weitere Informationen steht Ihnen Frederik Wiesener, Institut für Fertigungstechnik und Werkzeugmaschinen der Leibniz Universität Hannover, unter Telefon +49 511 762 18238 oder per E-Mail (wiesener@ifw.uni-hannover.de) gern zur Verfügung.
