Rechnergestützte Versuchsplanung zur Schleifprozessoptimierung

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Westfälische Hochschule Campus Recklinghausen

Um systematische Verfälschungen, beispielsweise durch einen Trend, auszuschalten, werden die Versuche randomisiert, das heißt in zufälliger Reihenfolge durchgeführt. Dies lässt sich durch Zufallszahlentafeln beziehungsweise durch die Auswertesoftware entsprechender Programmpakete bewerkstelligen. Gerade dieser Punkt führt jedoch in der praktischen Durchführung zu mitunter erheblichem Mehraufwand durch Umrüsten.

Versuchsmodell liefert hinreichend genaue Beschreibung

Bei 2ⁿ Faktorversuchen wird zwischen zwei Stufen stets Linearität vorausgesetzt. Bei Verwendung teilfaktorieller 2^n-p Versuche lässt sich zwar durch Vermengung (typischerweise in die höheren Wechselwirkungen) der experimentelle Umfang reduzieren, die Annahme der Linearität bleibt aber erhalten. Der Versuchsaufwand mit höheren Faktorstufen, beispielsweise 3ⁿ vollfaktorielle oder 3^n-p teilfaktorielle Pläne, wird ebenfalls rasch so groß, dass die Wirtschaftlichkeit kaum mehr gewährleistet ist.

Zur Vermeidung dieser Schwächen wurden statistische Versuchspläne 2. Ordnung entwickelt, die es erlauben, mit vertretbarem Versuchsaufwand nichtlineare Abhängigkeiten mit Regressionsmodellen zu erfassen [2 bis 5]. Häufig liefert ein quadratisches Modell eine hinreichend genaue Beschreibung des empirischen Zusammenhangs. Die Umsetzung der Versuchspläne und Belegung der Faktorstufen mit konkreten Werten einzelner Stellgrößen unterliegt dabei den Restriktionen der Versuchseinrichtung oder der Maschine, beispielweise dem Drehzahlbereich, den eine Antriebseinheit zur Verfügung stellt.

Screeningphase zum Prüfen der Einflussfaktoren am Beispiel des Innenrundschleifens

Diese Pläne sollten mit signifikanten Einflussfaktoren erstellt und ausgewertet werden. Liegen viele vermutliche Einflussfaktoren vor, so kann man in einer Screeningphase zunächst durch voll- oder teilfaktorielle Pläne die Signifikanz der Einflussgrößen prüfen.

Als typisches Beispiel eines komplexen Produktionsprozesses wird nachfolgend das Innenrundschleifen behandelt. Die Erforschung grundlegender Zusammenhänge ist gerade beim Schleifen, wie generell bei allen Verfahren mit geometrisch nicht bestimmter Schneide, mit erheblichen Schwierigkeiten verbunden. Zum einen liegt eine äußerst komplexe Mikrostruktur der Werkzeuge vor, zum anderen erfolgt die Spanbildung im „Mikrometerbereich“ und lässt damit kaum eine direkte Beobachtung zu [8 bis 10].

Prozess beim Innenrundschleifen besonders schwierig

Beim Innenrundschleifen gestaltet sich der Prozess besonders schwierig, weil dort der Kontaktbogen zwischen Schleifscheibe und Werkstück erheblich größer als bei vergleichbaren Außenrundschleif-Operationen ist. Dadurch wird unter anderem die Kühlschmierstoff-Versorgung im Wirkbereich deutlich erschwert, es entstehen hohe Temperaturen in der Kontaktzone, was wiederum eine thermische Schädigung des Werkstückes zur Folge haben kann.

Beim Schleifen langer Bohrungen mit kleinem Durchmesser besteht die Gefahr, dass das weit auskragende Werkzeug stark verformt wird, mit der Folge erheblicher Maß- und Formabweichungen im Werkstück, insbesondere im Ein- und Auslaufbereich. Weiterhin sind die realisierbaren Schnittgeschwindigkeiten in der Regel suboptimal, da die notwendigen Spindeldrehzahlen nicht zur Verfügung stehen.

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