Ganzheitliche Betrachtung des Spindel-Werkstück-Systems
beim NC-Formschleifen von Freiformflächen
durch simulative Vorhersage des Prozessverhaltens
auf Basis numerischer Verfahren

Im Rahmen des Schwerpunktprogramms 1180 wird gemeinschaftlich vom Institut für Spanende Fertigung (ISF) und dem Lehrstuhl für Mathematik X, Wissenschaftliches Rechnen, ein Forschungsprojekt bearbeitet, welches sich mit der ganzheitlichen Betrachtung des Schleifprozesses und diesbezüglich bestehender Prozessinteraktionen beim NC-Formschleifen von Freiformflächen auseinandersetzt.

Das Forschungsvorhaben befasst sich mit der simulativen Abbildung der Schleifbearbeitung frei geformter Werkstückoberflächen unter Einsatz torusförmiger Schleifscheiben (Bild 1). Aufgrund der Simulationsergebnisse können Schleifscheibenbahnen, die zu unerwünschten Änderungen an der Werkstückoberfläche führen, im Prozessvorfeld erkannt und somit vermieden werden. Die im Rahmen der Untersuchungen fortschreitende Durchdringung des Prozesses ermöglicht letztendlich einen weitreichenden Einsatz dieses Verfahrens in der spanenden Fertigung.

Bild 1: Vorgehensweise zur Analyse des NC-Formschleifprozesses

Die teilweise komplexen Strukturen zu schleifender Bauteile setzen zur fehlerfreien Bearbeitung eine geeignete Prozessführung voraus. Lösungsansatz ist ein dynamisches Kontaktmodell zur vollständig Modellierung des Schleifvorganges. Hierbei werden sowohl mechanische, als auch thermische und dynamische Effekte berücksichtigt. Dieses Modell wird zum Aufbau einer fehlerkontrollierten und hochgenauen FE-Simulation des Schleifprozesses und der Maschinenstruktur hinzugezogen, so dass eine ganzheitliche Betrachtung des Spindel-Werkstück-Systems (Bild 2) erfolgt.

Bild 2 : Betrachtetes Teilsystem Spindel-Schleifscheibe

Die Überlagerung der unterschiedlichen mechanischen, thermischen und dynamischen Effekte (Bild 3) erfordert hierbei ein genaues Verständnis der einzelnen Fehlerquellen und deren technologischen Interaktionen.

Bild 3: Zu berücksichtigende Effekte beim NC-Formschleifen von Freiformflächen

A) Modellierung

Auf Basis experimenteller Daten und den vom Fräsen abgeleiteten Erfahrungen wird ein dynamisches Kontaktmodell zur vollständigen Modellierung des Schleifvorganges erstellt. Das Modell berücksichtigt die dem Freiformflächenschleifen zugrunde liegenden komplexen Eingriffsbedingungen zwischen Torusschleifscheibe und Werkstück und beschreibt darüber hinaus die auftretenden

•  mechanischen Effekte,

•  thermischen Effekte (durch Kontaktreibung induzierter Wärmeeintrag) und

•  dynamischen Effekte (Schwingungs- und Beschleunigungseffekte, Rückfederungseffekte).

B) Simulation

Auf Basis einer in diesem Projekt aufgebauten geometrisch-kinematischen Simulation und der bereits erprobten FE-Umgebungen SOFAR wird eine Simulation des Schleifprozesses und der Maschinenstruktur erstellt. Zur Diskretisierung dieser Probleme werden in Ortsrichtung Finite Elemente und in Zeitrichtung verschiedene Zeitschrittverfahren, wie das Generalized-a- und das Galerkin-Verfahren verwendet.

Ein Ziel des Projektes ist es, für diese Klasse von Problemen A-posteriori-Fehlerschätzer zu entwickeln und damit eine adaptive Steuerung der Zeit- und Ortsschrittweite zu realisieren Die Simulation erfolgt entsprechend fehlerkontrolliert und hochgenau (h-Gitteradaption).

C) Prozessführung

Zur Reduzierung bzw. Vermeidung von Schleiffehlern ist der Einsatz einer geeigneten Prozessführung erforderlich. Diese baut auf der vorhergehenden Modellierung und Simulation auf. Durch eine kontinuierliche Interaktion von Modellierung, Simulation und Prozessführung wird der Prozess des NC-Formschleifens von Freiformflächen systematisch angepasst.

Das Projekt verfolgt eine ganzheitliche Betrachtung des Spindel-Werkstück-Systems unter Berücksichtigung der bestehenden Wechselwirkungen, welche zu einer fehlerhaften Schleifbearbeitung des Werkstückes führen können.