Modellbildung des Tauchgleitschleifens zur Abtrag- und Topografievorhersage an komplexen Geometrien

In dieser Arbeit wurde die Modellierung des Tauchgleitschleifprozesses mittels der Diskreten Elemente Methode (DEM) zur quantitativen Betrachtung lokaler Prozesskenngrößen, sowie die Entwicklung von lokalem Materialabtrag und Rauheitsveränderungen am Werkstück betrachtet.
Zur Sicherstellung der quantitativen Aussagefähigkeit der Simulation wurden Experimente zur Validierung von lokalen Drücken und Geschwindigkeiten auf der Werkstückoberfläche sowie Messungen der Mediaverteilung im Prozess durchgeführt. Mit ringförmigen Proben erfolgte eine simulative Ermittlung von lokalen Drücken und Geschwindigkeiten in einem breiten Prozessstellgrößenfenster. ... mehrExperimente an Prozesspunkten mit konstantem Druck und variierter Geschwindigkeit und umgekehrt erlaubten die Ableitung eines bereichsweise gültigen Abtrag- und Rauheitsmodells. Letzteres wurde anhand einer Turbinenschaufel validiert. Im Gültigkeitsbereich des Modells konnte grundsätzlich eine Übereinstimmung an 65 % der betrachteten Punkte erreicht werden. Bei Vernachlässigung von Bereichen mit Geschwindigkeiten kleiner als 0,3 m/s, ergab sich eine Übereinstimmung von 90 %.
Hinsichtlich der Prozessauslegung im Tauchgleitschleifen zeigt diese Arbeit erstmalig eine allgemeingültige Vorgehensweise zur Charakterisierung und Modellierung und es gelang eine prozesskenngrößenbasierte Analyse des Abtrags und der Rauheit sowie eine darauf basierende Ableitung eines Modells zur Vorhersage dieser Größen. Der hier gewählte Ansatz ist dabei gänzlich neu und direkt übertragbar auf weitere Mediavarianten. Er bietet die Grundlage zur vollständig digitalen Vorhersage der Bearbeitungsprozesse in Gleitschleifverfahren und die Möglichkeit zur signifikanten Reduktion des versuchsbasierten Aufwands zur Prozessauslegung.

The present work is focused on the modeling of the stream finishing process by means of the Discrete Element Method (DEM), for the quantitative investigation of local pro-cess parameters, as well as the development of local material removal and roughness changes on the workpiece. For this purpose, a characterization of a globular and sto-chastically shaped media for mass finishing was carried out with respect to size distri-bution, bulk density, adhesive behavior and particle geometry as well as restitution coef-ficient, static and dynamic friction coefficients, respectively, for the contact of the parti-cles within the media and to the workpiece. ... mehrBased on these media properties, the stream finishing process was modelled using the SF1 68 machine type which is manu-factured by the OTEC Präzisionsfinish GmbH. Through various valid simplifications and optimizations, such as the use of symmetry planes and the reduction of the particle Young’s modulus, low calculation times with sufficiently long simulation times were achieved. To ensure the quantitative validity of the simulation, experiments were carried out to validate local pressures and velocities on the workpiece surface as well as of the media distribution in the process. This provided evidence that the modeling carried out has sufficient validity at relevant circumferential bowl velocities and that force validation is possible, not only by direct measurement but also by considering the media distribu-tion. Investigations with ring-shaped specimens were then used to determine local pres-sures and velocities in a wide process window by variation of the bowl filling height and rotational speed. Connected to this, experiments at defined process parameters with constant pressure and varying velocity and vice versa allowed the assignment of ero-sion mechanisms depending on the local parameters as well as the derivation of an ero-sion and roughness model valid for certain areas. It was validated using a turbine blade. An agreement in principle at 65 % of the points considered was achieved. If the stagna-tion point was not taken into account in the processing of the suction side, an agree-ment of 90 % was obtained. With regard to process design in stream finishing, this work is the basis for a fully digital prediction of machining process parameters.