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Schleifen Simulation ermöglicht die Vorhersage der Schleifqualität

| Autor / Redakteur: Fritz Klocke und Markus Weiß / Bernhard Kuttkat

Das komplexe Wechselspiel zwischen Prozess und Maschine bestimmt maßgeblich die Bauteilqualität beim Schleifen. Am WZL der RWTH Aachen wird ein gekoppeltes Modell entwickelt, das die Beurteilung der Qualität bereits vor dem Pendel- und Schnellhubschleifen ermöglicht.

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Der Kühlschmierstoff trägt erheblich zu den Prozesskräften beim Schleifen bei. Bild: WZL
Der Kühlschmierstoff trägt erheblich zu den Prozesskräften beim Schleifen bei. Bild: WZL
( Archiv: Vogel Business Media )

Die auftretenden Bearbeitungskräfte sowie die Steifigkeit der Maschinenstruktur bestimmen maßgeblich die Werkstückrauheit, die Werkstückrandzoneneigenschaften und die Form- und Maßgenauigkeit von geschliffenen Bauteilen. Hohe Tischvorschubgeschwindigkeiten bis zu 200 m/min und Tischbeschleunigungen bis zu 50 m/s2 sowie die Kühlschmierstoffapplikation führen bei Schnellhubschleifprozessen zu stark dynamischen Schleifkräften. Darüber hinaus hängen die Zerspanbedingungen und somit die Kräfte vom zu zerspanenden Werkstoff und der Schleifscheibenspezifikation ab. Dieses komplexe Wechselspiel der verschiedenen Einflussfaktoren bestimmt die Bauteilqualität (Bild 1 – siehe Bildergalerie).

Dynamisches Verhalten der Schleifmaschine kann Welligkeit erzeugen

Werkzeugmaschinen reagieren gemäß ihrem dynamischen Verhalten auf die während der Bearbeitung eingeleiteten Kräfte. Im Zusammenspiel mit der Maschinensteuerung, die die Position der Spindel und des Maschinentisches regelt, können so unerwünschte Welligkeiten und Maßabweichungen auf dem Bauteil entstehen.

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Ein besseres Verständnis dieser Zusammenhänge soll in Zukunft dazu beitragen, Prozesse schneller auslegen zu können. Dazu wird am Werkzeugmaschinenlabor (WZL) ein Modell entwickelt, das diese Wechselwirkungen zwischen Prozess und Maschine abbildet und so die Qualität von Bauteilen sowie stabile Prozesse vorhersagen kann.

Flexibles Mehrkörpersimulationsmodell bildet die reale Schleifmaschine ab

Das Modell besteht aus zwei Komponenten, die über geeignete Parameter miteinander gekoppelt werden. Die Schleifmaschine wird durch ein flexibles verfahrbares Mehrkörpersimulationsmodell (MKS-Modell) abgebildet. Dieses hat im Vergleich zu einem Finite-Elemente-Modell den Vorteil, dass das Maschinenverhalten nicht nur an einer definierten Position der Spindel und des Werkstücktisches, sondern für den gesamten Arbeitsraum abgebildet werden kann.

So können auch große Verfahrwege, wie sie beim Schnellhubschleifen auftreten, simuliert werden. Unter Berücksichtigung der Prozessparameter, der Position des Werkstücks und der Spindel berechnet die in Matlab Simulink implementierte Simulation in diskreten Zeitschritten das aktuelle Zeitspanungsvolumen und gibt die daraus abgeleiteten Kräfte aus.

Zum Aufbau der Datenbasis wurden vielfältige schleiftechnische Untersuchungen durchgeführt. Den Versuchsaufbau auf einer Blohm Profimat MT 408 HTS mit Präzisionsverstellung für die Kühlschmierstoffzufuhr zeigt Bild 2.

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