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Schleifen Simulation macht das Spitzenlosschleifen kleiner Stückzahlen rentabler

| Autor/ Redakteur: Bernd Meyer und Peter Krajnik / Frank Fladerer

Gefordert sind heute kurze Rüstzeiten der Maschinen und flexible Prozesse. Das Spitzenlosschleifen sticht durch seine hohe Produktivität hervor, zeichnet sich aber auch durch Komplexität und hohe Rüstzeiten im Vergleich zu anderen Fertigungsverfahren aus. Mit Hilfe neuer Simulationsansätze sollen in Zukunft die Prozessstabilität erhöht und die Rüstzeiten beim Spitzenlosschleifen drastisch reduziert werden.

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Stabilitätskarten werden derzeit meist als Hilfsmittel beim Einstellen des Schleifprozesses verwendet. Ihr Nachteil ist, dass die notwendigen Winkel zunächst aus der realen Schleifspaltgeometrie gemessen und berechnet werden müssen.
Stabilitätskarten werden derzeit meist als Hilfsmittel beim Einstellen des Schleifprozesses verwendet. Ihr Nachteil ist, dass die notwendigen Winkel zunächst aus der realen Schleifspaltgeometrie gemessen und berechnet werden müssen.
( Archiv: Vogel Business Media )

Das spitzenlose Durchlaufschleifen ist wegen seiner hohen Produktivität ein weit verbreitetes Endbearbeitungsverfahren für rotationssymmetrische Bauteile in der Serien- und Massenfertigung. Die hohe Komplexität des Spitzenlosschleifens erfordert eine genaue Justage der Prozesseinstellung. Häufig basiert die Einstellung der Prozessstellgrößen und Schleifspaltanordnung auf empirisch erworbenem Wissen sowie Erfahrungen des Maschinenbedieners und wird durch „try and error“ optimiert.

Die Einrichtzeiten der Maschine haben beim spitzenlosen Durchlaufschleifen einen wesentlichen Anteil an der gesamten Prozesszeit und können aufgrund der großen zeitlichen Varianz nicht exakt vorhergesagt werden. In den letzten Jahren wurden einige Werkzeuge und Softwaretools erstellt, um das Einrichten der Maschine zu vereinfachen und möglichst schnell einen optimalen Betriebspunkt zu erreichen.

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EU fördert Forschungsprojekt zu Rüstzeitenminimierung

Das aktuelle Forschungsprojekt Cegris II (Centreless Grinding Simulation part two), welches durch die EU im 6. Rahmenprogramm gefördert wird, verfolgt das Ziel, die Rüstzeiten der Maschine zu minimieren und somit das Spitzenlosschleifen flexibler und produktiver zu gestalten. Cegris II ist der Nachfolger des 2002 abgeschlossenen Projektes Cegris I, in dem beim spitzenlosen Einstechschleifen die Ausbildung des Rundheitsfehlers untersucht wurde.

Im Folgeprojekt werden die gewonnenen Erkenntnisse auf das spitzenlose Durchlaufschleifen übertragen, bei dem sich durch eine zusätzliche Regelscheibenneigung und Regelscheibenschwenkung die Geometrieverhältnisse entlang des Schleifspalts verändern können. Das Konsortium, das unter anderem aus Endanwendern, Universitäten, Messsystem-, Software- und Maschinenherstellern besteht, unterstützt die hohe Herausforderung der Simulationen des spitzenlosen Durchlaufschleifens.

Durch die Reduktion der Rüstzeit kann eine höhere Flexibilität hinsichtlich wechselnder Werkstück-geometrien erreicht werden. Somit kann im Vergleich zur heutigen Praxis die Bearbeitung kleinerer Stückzahlen durch das Spitzenlosschleifen wirtschaftlicher erfolgen, als dies bisher möglich ist. Dazu ist es erforderlich, eine geeignete Maschineneinstellung möglichst schnell zu finden sowie diese an der Maschine einfach und zügig einzustellen. Beim Spitzenlosschleifen ist der prozesstypische Rundheitsfehler einer der häufigsten Problemstellungen beim Einstellen des Prozesses. Im Alltag werden hierzu oftmals Stabilitätskarten als Hilfsmittel verwendet, die eine erste Aussage zum Auffinden geometrisch stabiler Einstellungen geben.

Stabilitätsformeln mit erweitertem analytischen Modell in Softwaretool implementiert

Nachteil dieser Stabilitätskarten ist, dass die notwendigen Winkel zunächst aus der realen Schleifspaltgeometrie gemessen und berechnet werden müssen oder bei anderer Darstellung der Karten diese nur für bestimmte Schleifscheiben- und Werkstückdurchmesser gelten. Des Weiteren berücksichtigen diese Diagramme lediglich die geometrische Stabilität, also die geometrische Anordnung des Schleifspalts, welche eine Aussage über die Wahrscheinlichkeit des Auftretens eines bestimmten Rundheitsfehlers zulässt.

Ob und wie stark sich die berechneten Rundheitsfehler in Wirklichkeit ausbilden, ist jedoch zusätzlich von den Prozessparametern abhängig. Bei dem im Cegris II gewählten Ansatz wird ein analytisches Modell benutzt, welches neben den geometrischen Zusammenhängen im Schleifspalt zusätzlich Prozessparameter mit einbezieht. In einem ersten Schritt wurde dazu ein 3D-Modell des Schleifspalts erstellt, welches die Geometrien der Schleif- und Regelscheibe sowie des Werkstücks entlang des Schleifspalts abbildet.

Mit Hilfe des 3D-Modells kann nun die geometrische Stabilität entlang des Schleifspalts, basierend auf den konventionellen Stabilitätsformeln, berechnet werden. Diese Stabilitätsformeln werden mit dem erweiterten analytischen Modell in ein Softwaretool implementiert, mit dem sich darüber hinaus die dynamischen Aspekte und ihre Auswirkungen auf die Bauteilrundheit berechnen lassen. Als Ergebnis hieraus erhält man nicht nur die Wahrscheinlichkeit eines auftretenden Rundheitsfehlers, sondern auch eine berechnete Werkstückrundheit, so wie sie bei der Rundheitsmessung eines bearbeiteten Werkstücks entsteht.

Prozessparameter können vor den ersten Bearbeitungsversuchen angepasst werden

Mit dem entwickelten Softwaretool ist es also möglich, vor der eigentlichen Schleifbearbeitung den entstehenden Rundheitsfehler zu simulieren und die Auswahl der Schleifspaltgeometrie und Prozessparameter gegebenenfalls schon vor den ersten Versuchen anzupassen. Die Prozesssimulation berücksichtigt nicht nur die aktuellen Einstellungen des Schleifprozesses, sondern die gesamte Einsatzzeit der einzelnen Werkzeuge, da sich durch das Abrichten der Schleif- und Regelscheibe die Geometrieverhältnisse im Schleifspalt und die Werkzeugstandzeit ändern, wodurch die Prozessstabilität wesentlich beeinflusst wird.

Die Ergebnisse der Modellierung und Simulation sollen zusätzlich in einer virtuellen 3D-Umgebung dargestellt werden, um die Werkstückbahn innerhalb des Schleifspalts besser visualisieren zu können. Diese Veranschaulichung kann in Forschungseinrichtungen für Prozessdemonstrationen sowie bei der Spezifizierung von Bearbeitungsproblemen genutzt werden und erhöht die Transparenz des Verfahrens. Eine Desktopversion unter Benutzung einer 3D-Brille wird ebenfalls als eine kostengünstigere Variante entwickelt, damit auch der Prozessplaner im Vorfeld die geometrischen und dynamischen Stabilitäten im Schleifprozess visualisiert bekommt und den Prozess dementsprechend auslegen kann.

Bernd Meyer ist Mitarbeiter der Abteilung Schleifen und Umformen am Werzkeugmaschinenlabor der RWTH Aachen, Tel. (02 41) 80-2 81 83, B.Meyer@wzl.rwth-aachen.de; Peter Krajnik ist Mitarbeiter an der Maschinenbaufakultät der Universität Ljubljana (Slowenien), Tel. (0 38 61) 47 71-7 69, peter.krajnik@fs.uni-lj.si

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