Simulation of deep and pendular grinding processes

 

Ziel dieses Projektes ist es, die Restspannungen nach Schleifprozessen mittels FE-Modellierung und Simulation quantitativ vorherzusagen.

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Ali Rajaei

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+49 241 80 99544

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  Schematik der eingesetzten ICME-Methodik Urheberrecht: © ICMEaix Schematik der eingesetzten ICME-Methodik

Das Schleifen wird oft am Ende der Fertigungskette in einer Vielzahl von Anwendungen platziert. Damit ist das Schleifen entscheidend für die Bauteileigenschaften in der Oberflächenzone verantwortlich. Durch das thermomechanische Spannungskollektiv im Schleifprozess kann eine thermische Überlastung im Material auftreten. Dies kann zu unerwünschten Änderungen der Oberflächenzoneneigenschaften führen, wie z. B. Zugrestspannungen und / oder Bildung von ungehärtetem sprödem Martensit. Die Verschleißfestigkeit von Bodenkomponenten hängt im Wesentlichen von der Oberflächenzonenmikrostruktur, der Oberflächenqualität sowie den Restspannungen ab. Eine große Anzahl von Bauteilen, die durch Schleifen hergestellt werden, werden während des Gebrauchs dynamisch belastet. Restliche Belastungen beeinflussen insbesondere die Ermüdungsbeständigkeit, wodurch Druckspannungen zu einer Erhöhung der Ermüdungsfestigkeit beitragen und somit als positiv eingestuft werden können. Die Lebensdauer eines Bauteils ist daher entscheidend von den Restspannungen in der Bauteiloberflächenzone abhängig.

Es wurde ein ICME-Simulationsansatz entwickelt, um die Restspannungsentwicklung während des Schleifens quantitativ vorherzusagen. Thermomechanische und metallurgische Effekte durch das Stresskollektiv in der Oberflächenzone werden mittels Finite-Element-Methode in Abaqus simuliert. Das thermomechanische Lastkollektiv und die gesamte Materialreaktion werden in einem umfassenden Fortran-Code unter Berücksichtigung der Wechselwirkung von Effekten, die auf mikro- und makroskopischen Skalen entstehen, modelliert. Der Wärmefluss und der Druck, der während des Schleifens der Oberflächenzone ausgesetzt ist, werden nach den Schleifscheiben- und Kühlmittelcharakteristiken sowie weiteren Prozessparametern modelliert. Das Materialmodell (FORTRAN-Code) umfasste Phasenumwandlungen, Transformationsplastizität und phasen- / temperaturabhängige Materialeigenschaften. Die Randbedingungen und die bewegte Wärme- und Druckquelle auf der Oberfläche werden in Abaqus gesetzt und der FORTRAN-Code ist mit Abaqus als Benutzer-Subroutine verknüpft. Die endgültige Ausgabe der Simulation ist die Mikrostruktur, die Streckgrenze und der Restspannungszustand der Oberflächenzone.

 

Projektpartner

Organisation Anschrift
Institut für Werkstoffanwendungen im Maschinenbau IWM,
RWTH Aachen
Augustinerbach 4,
52062 Aachen
Werkzeugmaschinenlabor WZL,
RWTH Aachen
Steinbachstr. 19,
52074 Aachen

 

Veröffentlichungen

  1. Duscha, M., Klocke, F., d’Entremont, A., Linke, B., Wegner, H.: Investigation of Temperatures and Residual Stresses in Speed Stroke Grinding via FEA Simulation and Practical Tests. In: Tagungsband zur Manufacturing System. 5. Jg., 2010, Nr. 3, S. 143-148
  2. Duscha, M.; Eser, A.; Klocke, F.; Broeckmann, C.; Bezold, A.: Phasenumwandlung durch Schleifprozesse. Modellierung und Simulation. In: wt Werkstattstechnik. 101. Jg., 2011, Nr. 6, 2011, S. 390‑397
  3. Duscha, M.: Beschreibung des Eigenspannungszustandes beim Pendel- und Schnellhubschleifen, Dissertation RWTH Aachen Universität, 2014