Honen Verbessertes Kurzhubhonen durch Simulation

Autor / Redakteur: Dirk Biermann, Raffael Joliet und Michael Kansteiner / Peter Königsreuther

Durch Kurzhubhonen gefinishte Werkstücke sind verschleißfester und haben optimierte Reib- und Gleiteigenschaften. Um diesen Prozess zu verbessern, müssen aufwendige empirische Untersuchungen angestellt werden. Mithilfe von adäquat modellierten Simulationen kann der Testumfang deutlich reduziert werden.

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Der Versuchsaufbau an einem MAG-Boehringer-Drehautomaten besteht aus einem Mikro­finishing-Aufsatz mit Schleifband aus Aluminiumoxid, das mittels Druckluft und Gummi-Andrück­rolle im Eingriff gehalten wird.
Der Versuchsaufbau an einem MAG-Boehringer-Drehautomaten besteht aus einem Mikro­finishing-Aufsatz mit Schleifband aus Aluminiumoxid, das mittels Druckluft und Gummi-Andrück­rolle im Eingriff gehalten wird.
(Bild: Joliet)

Das Kurzhubhonen oder Mikrofinishen ist ein Endbearbeitungsverfahren, mit dem sowohl die Mikro- als auch die Makrogeometrie von Funktionsoberflächen verbessert werden kann. Besonders die Oberflächenstruktur der Werkstücke wird so verbessert.

Modellierung von Schleifprozessen im Forschungsfokus

Die bearbeiteten Oberflächen bieten ein vergleichsweise geringes Verschleißverhalten, verbesserte Reibungs- und Gleiteigenschaften sowie reduzierte Geräuschemissionen und eine höhere Ermüdungsfestigkeit [1, 2]. Die Prozessentwicklung ist aber durch teure empirische Untersuchungen geprägt [3], um etwa das notwendige Prozesswissen bei der Bearbeitung neuer Werkstoffe aufzubauen.

Experimentelle und simulative Untersuchungen

Mithilfe der aktuell vorangetriebenen Modellierung von Schleifprozessen wird es jedoch möglich, die Zahl der empirischen Tests durch eine simulative Nachbildung zu verringern. Spezifische Problemstellungen des Schleifens, wie die Vielzahl gleichzeitig, aber unterschiedlich tief im Eingriff stehender Schleifkörner, sind eine Herausforderung für die Modellierung und Simulation. Innerhalb eines durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft geförderten Forschungsvorhabens am Institut für Spanende Fertigung (ISF) werden sowohl experimentelle als auch simulative Untersuchungen zu den Verfahren Kurz- und Langhubhonen durchgeführt. Dieser Beitrag beleuchtet das Kurzhubhonen.

Ziel der Experimente ist es, ein empirisches Ersatzmodell, das den Einfluss der Bearbeitungsparameter aufzeigt, aufzustellen und die gewonnenen Erkenntnisse in die Prozessmodellierung einfließen zu lassen. Mittels statistischer Versuchsplanung lassen sich diese Untersuchungen effektiv gestalten. Innerhalb des empirischen Ersatzmodells werden Eingangsgrößen wie die Bearbeitungsdauer, die Prozessgeschwindigkeiten und die Bearbeitungskraft zu den zu testenden Zielgrößen wie Rauheitskennwerte oder Formfehler in einen funktionalen Zusammenhang gebracht. Auf Seiten der Simulation werden für die Werkzeug- und Werkstückmodellierung Höhendaten genutzt, die durch die Digitalisierung der realen Werkzeug- und Werkstückoberflächen gewonnen werden können. Dazu werden optische Messverfahren, wie etwa die Weißlichtmikroskopie, eingesetzt. Innerhalb einer kinematischen Simulation, die zu den physikalischen Prozessmodellen gezählt wird, werden diese Höhendaten unter Berücksichtigung der Prozessparameter zeitdiskret miteinander verschnitten. Nach der Prozessmodellierung dienen weitere experimentelle Untersuchungen der Modellvalidierung. Sowohl die experimentell gewonnenen Erkenntnisse als auch die simulativ erzeugten Oberflächenstrukturen führen zu einer Erweiterung des allgemeinen Prozessverständnisses. Durch die Prozesssimulation wird die Prognose von Prozessergebnissen möglich, woraus eine angepasste Auswahl der Bearbeitungsparameter erfolgen kann.

Vorgehensweise beim Arbeitsschwerpunkt Kurzhubhonen

Das Kurzhubhonen ist ein Prozess, der speziell bei der Bearbeitung von hochbelasteten Funktionsflächen eingesetzt wird [1-4]. Durch Schaffung eines plateauartigen Oberflächenprofils, das durch die Beseitigung der Profilspitzen einer Oberfläche entsteht, wird das Funktionsverhalten positiv beeinflusst. Charakteristikum des Honverfahrens sind sich kreuzende Riefen, die erzeugt werden weil eine der Wirkbewegungen während der Bearbeitung oszilliert. Beim Kurzhubhonen wird als Werkzeug entweder ein Finishstein oder ein Finishband mit Andrückvorrichtung eingesetzt [4].

Mit einer kontinuierlichen Zuführung des Finishbandes, wodurch stets unverschlissene Schneidkörner in Eingriff gebracht werden, wird ein gleichbleibendes Schnittverhalten erzielt. Bei der Außenrundbearbeitung wird das Finishband pneumatisch über einen Stempel und eine Andrückrolle aus Vulcolan gegen das rotierende Werkstück gedrückt (Bild 1). In axialer Richtung erfolgt eine kurzhubige, hochfrequente Oszillation des Werkzeuges. Betrachtet man die Eingriffspur eines Schneidkorns, erkennt man einen sinusförmigen Verlauf [4]. Denn anders als bei den meisten anderen Schleifverfahren berühren sich Werkstück und Werkzeug ständig. Bei größeren Wellen, wie sie in der Papierindustrie üblich sind, findet meist eine Vorschubbewegung in axialer Richtung statt, um die gesamte Werkstückoberfläche bearbeiten zu können.

Die nötigen Eingangsgrößen, um das Ersatzmodell zu erhalten, sind die variablen Parameter Umfangsgeschwindigkeit vu, die Anpresskraft F (respektive Anpressdruck p), die Bearbeitungszeit t sowie der Bandvorschub vb. Als Konstanten fließen die Schwingfrequenz f (oder die Oszillationsgeschwindigkeit vosz), die Amplitudenhöhe lhub, die Härte der Andrückrolle, die Bandspezifikation sowie das Werkstückmaterial in die Modellierung mit ein. Die Prozessmodellierung und -simulation wird immer wichtiger, da sie ein sehr gutes Werkzeug ist, um das Prozessverständnis zu erhöhen, um stete Optimierungen zu erreichen [5]. Die Entwicklung von Schleifsimulationen wird dabei durch stets leistungsfähigere Rechner unterstützt. Bei der kinematischen Simulation wird eine numerische Nachbildungen des Werkzeuges und des Werkstückes in zeitdiskreten Schnitten und unter Berücksichtigung der Prozessparameter durch eine Relativbewegung miteinander verschnitten [5].

Weißlichtmikroskopie digitalisiert die Werkstückoberfläche

Durch diese Verschneidung oder Durchdringung entsteht eine dreidimensionale Überlagerung, aus der sich die neue Werkstücktopografie und -geometrie ergibt. Die kinematische Abtragsimulation erfolgt mithilfe der Software ISF-Machining, die am ISF zur Simulation des Fräsprozesses entwickelt wurde [6]. Werkstück und Werkzeug fußen dabei auf Höhendaten, die durch optische Vermessung gewonnen werden. Mit der Weißlichtmikroskopie steht ein gutes Messverfahren zur Verfügung, um die geschliffene Werkstückoberfläche (Wälzlagerstahl 100Cr6) zu digitalisieren. Auch das Finishband kann mittels Weißlichtmikroskopie vermessen werden. Ein Ausschnitt des eingesetzten Finishbandes ist in Bild 2 dargestellt. Der qualitative Vergleich zwischen der REM- und Weißlichtaufnahme beweist die gute Übereinstimmung. Zur Digitalisierung der Oberflächen wird je ein repräsentativer Bereich gewählt, der in die Simulationsumgebung geladen und dann mehrmals dupliziert wird, um Werkzeug und Werkstück zu modellieren. Die Simulationsumgebung samt Finishband- und Werkstückausschnitt zeigt Bild 3.

Die Basis für eine gute simulative Nachbildung dieser Prozesse ist die Modellierung der relevanten Mechanismen, die das Fertigungsergebnis beeinflussen. Abhängig davon, welche Ergebnisgrößen vorhergesagt werden sollen, werden unterschiedlich realistische oder heuristische Interaktionsmodelle benötigt. Speziell für die Abbildung des Kurzhubhonens wurde die Modellierung der resultierenden Oberflächenstrukturen untersucht, um aus den Simulationsergebnissen charakteristische Rauheitskennwerte zu ermitteln.

Es ergeben sich direkt hohe Anforderungen an die Präzision des Werkstückmodells sowie an die Zeitintervalle zur Simulation des Materialabtrags. Das führt schnell zu sehr großen Modellen, die im Computer gespeichert und manipuliert werden müssen, und außerdem sind pro simulierter Prozesssekunde bis zu 1 Mio. Einzelmaterialabträge nötig, um eine kontinuierliche Relativbewegung nachzubilden [7].

Ergebnisse zur simulativen Nachbildung des Kurzhubhonens

Bild 4 vergleicht eine simulierte Oberflächenstruktur mit einem realen Ergebnis. Anzumerken ist hierbei, dass eine weggeregelte Zustellung innerhalb der Prozesssimulation umgesetzt wurde. Erkennbar bei beiden Oberflächen ist, dass während des Prozesses einzelne stark hervorstehende Schneidkörner tiefe Riefen in der Oberfläche erzeugen. Dazwischen liegen plateauartige Oberflächenbereiche vor. Die ausgeprägten Riefen in der simulierten Oberfläche weisen auf weit hervorstehende Datenpunkte hin. Innerhalb der Simulation müssten diese Punkte durch ein Verschleißmodell relativ schnell zurückgesetzt werden, da auch im realen Prozess weit hervorstehende Schneidkörner aufgrund der größeren Belastung schneller abstumpfen als weiter zurückliegende Schneidkörner. Die Entwicklung eines geeigneten Verschleißmodells sowohl für hervorstehende Schneidkörner als auch für Bindungsbestandteile stellt eine der Herausforderungen innerhalb der Abtragsmodellierung dar. Die Autoren danken der Deutschen Forschungsgemeinschaft für die Bereitstellung von Fördermitteln im Rahmen des DFG-Projekts BI 498/40-1. MM

Literatur

[1] Rudloff, G.: Superfinish von Automobil-Komponenten mit Band. In: Spanende Fertigung – Prozesse, Innovationen, Werkstoffe. Weinert, K.; Biermann, D. (Hrsg.), 5. Ausgabe, Vulkan, Essen, 2005, S. 119-132.

[2] Paffrath, K. U.; Heymann, T.; Biermann, D.: Umweltfreundlicher Glanz – Super-/Micro-Bandfinishen ohne Kühlschmierstoff. WB Werkstatt und Betrieb, Jahrgang 143, Heft 3 (2010), S. 62-64.

[3] Puthanangady, T. K.; Malkin, S.: Experimental investigation of the superfinishing process. Wear, Jahrgang 185, Heft 1-2 (1995), S. 173-182.

[4] Hildebrand, O.: Superfinish – ein innovatives Verfahren zur Verbesserung von Oberfläche und Form. In: Moderne Schleiftechnologie und Feinstbearbeitung 2010 – Neue Entwicklungen und Trends aus Forschung und Praxis, Tawakoli, T. (Hrsg.), 2010, S. 12/1–12/19.

[5] Brinksmeier et al.: Advances in modeling and simulation of grinding processes. CIRP Annals, Volume 55, Issue 2 (2006), S. 667-696.

[6] Zabel, A.; Odendahl, S.; Peuker, A.: Detaillierte Analyse der Fräsbearbeitung von Freiformbauteilen mit Hilfe eines multiskaligen Simulationssystems. In: SFB 708 – 3. öffentliches Kolloquium, 25.11.2009, Tillmann, W. (Hrsg.), 2009, S. 77-84.

[7] Joliet, R.; Kansteiner, M.: A High Resolution Surface Model for the Simulation of Honing Processes. Advanced Materials Research, 769 (2013), S. 69-76.

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