Modellierung und Simulation des NC-Formschleifens zur gezielten Erzeugung von Werkstückoberflächen unter Berücksichtigung der Werkzeugtopographie und des Werkzeugverschleißes

Das NC-Formschleifen mit Schleifstiften auf Bearbeitungszentren ist aufgrund der Prozesskinematik ein flexibles Feinbearbeitungsverfahren, welches insbesondere die Bearbeitung freigeformter Werkstückoberflächen ermöglicht. Ein Einsatzgebiet ist dabei die Fertigung vom Umformwerkzeugen, welche zur Standzeiterhöhung mittels thermischer Spritzverfahren, wie dem Hochgeschwindigkeitsflammspritzen (HVOF) oder dem Lichtbogendrahtspritzen mit Verschleißschutzschichten, versehen werden. Aufgrund der Schichtrauheit und der Formabweichungen durch den Beschichtungsprozess lassen sich die Werkstücke nicht direkt im Umformprozess einsetzen und müssen zunächst beispielsweise durch Schleifen nachbearbeitet werden.

Ein Vorteil der Nachbearbeitung der beschichteten Werkzeuge ist, dass diese dabei direkt mit tribologisch geeigneten Strukturen versehen werden können. Indem gezielt unterschiedliche Oberflächenstrukturen auf Funktionsflächen der Umformwerkzeuge aufgebracht werden, lässt sich der Materialfluss bei der Formgebung der Blechwerkstücke beeinflussen, um so den Umformprozess zu verbessern. Die aus der Schleifbearbeitung resultierenden Oberflächenstrukturen hängen von vielen Faktoren, wie den Prozessparametern, den Werkzeugen und insbesondere dem Korn- und Bindungsverschleiß, ab.

Um die Schleifprozesse dennoch gezielt auslegen zu können, werden Simulationssysteme entwickelt, mit denen eine Vorhersage der entstehenden Oberflächentopographien und auftretenden Prozesskräfte möglich ist. Im Kontrast zu Finite-Elemente-Modellen oder partikelbasierten Methoden bieten geometrische Modellierungsansätze in Kombination mit empirischen Modellen für beispielsweise die Prozesskräfte eine zeiteffiziente Möglichkeit zur Simulation größerer Prozessausschnitte. Da die aus dem Prozess resultierende Oberflächentopographie durch die Verteilung der einzelnen Schleifkörner beeinflusst wird, erfolgt nicht nur eine Betrachtung der makroskopischen Eingriffssituation, sondern eine explizite Modellierung jedes einzelnen Schleifkorns (Abb. a). Die Form der Diamant- oder CBN-Körner lässt sich dabei mit der Constructive-Solid-Geometry(CSG)-Methode als Schnittmenge von Hexaedern, Oktaedern und Tetraedern unterschiedlicher Größe abbilden. Die Werkstückoberflächen lassen sich mithilfe von Höhenfeldern darstellen, die mit den einzelnen Körnern in jedem Simulationsschritt verschnitten werden, um den Materialabtrag zu modellieren. Anhand des dabei entfernten Materials lässt sich die Spanungsform analysieren, um somit beispielsweise die Spanungsdicke und den Spanungsquerschnitt für jedes Korn zu berechnen. Diese Werte wiederum sind Eingangsgrößen für das empirische Prozesskraftmodell.

Ein wichtiger Einflussfaktor auf die entstehenden Oberflächentopographien ist der Verschleiß der einzelnen Körner. Da sich die dabei auftretenden komplexen Korngestalten mit dem idealisierten CSG-Ansatz nur schwierig abbilden lassen, wird ein flexibleres Einzelkornmodell auf Basis von Punktwolken entwickelt, welche anhand von experimentellen Verschleißuntersuchungen bestimmt werden. Hierzu wird die Topographie einer Auswahl von Körnern auf einem Schleifwerkzeug nach unterschiedlichen Einsatzzeiten digitalisiert, um die Gestaltänderung über den Verschleißverlauf untersuchen zu können (Abb. b). Anhand dieser Messdaten wird ein stochastisches, verschleißabhängiges Einzelkornmodell erstellt, welches in Kombination mit einer zufälligen Kornverteilung zur Modellierung verschiedener Werkzeuggestalten verwendet werden kann, ohne jeweils neue Verschleißuntersuchungen durchzuführen.

Abb.: Modell eines zylindrischen Schleifwerkzeugs mit der resultierenden Oberflächentopographie (a) und Messdaten von zwei exemplarischen Einzelkörnern in unterschiedlichen Verschleißzuständen (b)

Ansprechpartner