Methoden der Prozessführung für das Planfinishen durch Dreh-Seiten-Querschleifen
Dissertation
zur Erlangung des akademischen Grades
Doktoringenieur (Dr.
-
Ing.)von Dipl.-Ing. (FH) Ronny Stolze, geboren am 23.02.1983 in Quedlinburg, genehmigt durch die Fakultät für Maschinenbau der Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg.
Gutachter:
Prof. Dr.-Ing. habil. Prof. h.c. Dr. h.c. Bernhard Karpuschewski Prof. Dr.-Ing. habil. Carsten Heinzel
Prof. Dr.-Ing. Harald Goldau
Promotionskolloquium am 03.08.2017
Shaker Verlag Aachen 2017
Berichte aus dem Institut für Fertigungstechnik und Qualitätssicherung Magdeburg
Band 43
Ronny Stolze
Methoden der Prozessführung für das Planfinishen
durch Dreh-Seiten-Querschleifen
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Zugl.: Magdeburg, Univ., Diss., 2017
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Printed in Germany.
ISBN 978-3-8440-5560-3 ISSN 1863-0936
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„Bewerte Deine Erfolge daran,
was Du aufgeben musstest, um sie zu erzielen.“
S.H. der Dalai Lama
Vorwort I
Vorwort
Obwohl die technischen und technologischen Erkenntnisse auf dem Gebiet des Dreh-Seiten-Querschleifens durch diverse wissenschaftliche Arbeiten im Allgemeinen gut dargestellt werden, sind die technologischen Grundlagen und Zusammenhänge für den Einsatz des Dreh-Seiten-Querschleifens als Fein- bzw. Feinstbearbeitungs- verfahren mit rotierenden, gebundenen Schleifwerkzeugen bisher noch offenstehend.
In der vorliegenden Arbeit werden die technologischen Einflüsse und Zusammen- hänge für dieses Finishverfahren auf der Basis von Grundlagenversuchen erläutert.
Ausgehend von den Besonderheiten dieses Fertigungsverfahrens wie der sehr geringen Schnittgeschwindigkeit und Spanungsdicke sowie dem selbstschärfenden Einsatz der Schleifscheiben werden bestehende Gesetzmäßigkeiten erörtert und neue verfahrensspezifische Gesetzmäßigkeiten und Zusammenhänge beschrieben.
Mit der daraus resultierenden Ableitung und Erarbeitung innovativer technologischer Ansätze eröffnen sich dem Anwender neue Perspektiven sowohl für die technolo- gische Auslegung als auch für die Regelung des Prozesses.
Die vorliegende Arbeit entstand im Rahmen einer kooperativen Promotion zwischen der Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg und der Hochschule Magdeburg- Stendal während meiner Tätigkeit als Projektingenieur am Institut für Maschinenbau des Fachbereiches Ingenieurwissenschaften und Industriedesign der Hochschu- le Magdeburg-Stendal.
Mein erster Dank gilt Prof. Dr.-Ing. habil. Prof. h.c. Dr. h.c. Bernhard Karpuschewski, dem ehemaligen geschäftsführenden Leiter des Institutes für Fertigungstechnik und Qualitätssicherung der Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg für die Annahme der Arbeit und im Besonderen für die grundlegende Bereitschaft und das Vertrauen, diese kooperative Promotion mit der Hochschule Magdeburg-Stendal eingegangen zu sein, ohne die diese Arbeit nicht hätte entstehen können. Weiterhin bedanke ich mich bei Prof. Dr.-Ing. habil. Carsten Heinzel von der Universität Bremen für die Übernahme des Korreferates.
Prof. Dr.-Ing. Harald Goldau, dem Prorektor für Forschung, Entwicklung und Techno- logietransfer sowie Leiter des Industrielabors Innovative Fertigungsverfahren der Hochschule Magdeburg-Stendal danke ich zuerst einmal für seine Bemühungen, kooperative Promotionen an der Hochschule Magdeburg-Stendal voranzutreiben und für die gewährte Möglichkeit, an diesem Forschungsthema wirken zu können. Für die stetige Unterstützung, intensive Betreuung und die wertvollen Anregungen und Diskussionen möchte ich einen besonderen Dank aussprechen. Nicht zuletzt bedanke ich mich bei Prof. Dr.-Ing. Harald Goldau für den unermüdlichen Einsatz, die forschungsseitigen und wissenschaftlichen Strukturen an der Hochschule Magdeburg-Stendal kontinuierlich zu verbessern.
II Vorwort
Mein freundschaftlicher Dank gilt den ehemaligen Kolleginnen und Kollegen sowie den Mitarbeitern des Institutes für Maschinenbau der Hochschule Magdeburg- Stendal, insbesondere Friedhelm Fechtner, Dirk Sude und Wolfgang Fröse für die tatkräftige Unterstützung bei der Versuchsvorbereitung und dem Vorrichtungsbau. Im speziellen danke ich Markus Petzold für die intensive Unterstützung bei der Vorberei- tung, Durchführung und Auswertung der Versuche sowie der Mitarbeit in den Forschungsprojekten. Die wertvollen Beiträge aller wissenschaftlichen Hilfskräfte, Bachelor- und Masterstudenten möchte ich an dieser Stelle ebenso lobend erwäh- nen. Einen weiteren Dank richte ich an Frau Dr.-Ing. Mirjam Bäse für die Einrichtung unserer Schreibwerkstatt, welche mir speziell in der letzten Phase als besonders wertvoll in Erinnerung bleiben wird.
Bedanken möchte ich mich bei den Kooperationspartnern der Klaus Eichhorn Steuerungstechnik, im Einzelnen Klaus Eichhorn und Christian Kunz für die Projek- tierung und Programmierung der Maschinensteuerung und Regelung, der AMETEK Germany GmbH (BU Zygo), im Einzelnen Dr. rer. nat. Robert Sachs und Frank Stanzel für die Unterstützung auf dem Gebiet der optischen Oberflächenmesstechnik sowie der Atlantic GmbH im Einzelnen dem ehemaligen Mitarbeiter Dr. rer. nat.
Michael Pötzsch für die Bereitstellung von Schleifwerkzeugen und die stetige Diskussion über den Einsatz der unterschiedlichen Schleifwerkzeugspezifikationen.
Bedanken möchte ich mich ganz herzlich bei meinen Freunden Nancy und Ronny Brinkmann. In guten wie in schlechten Zeiten waren sie über die Jahre der Promo- tionsphase immer ein sehr wichtiger Rückhalt. Abschließend gilt mein besonderer Dank meiner Lebensgefährtin Stefanie Köhn, die speziell in den letzten Monaten, trotz der wenigen gemeinsamen Zeit, viel Verständnis für meine Situation aufbrachte.
Magdeburg, Oktober 2017 Ronny Stolze
Kurzfassung III
Kurzfassung
Schwerpunkt einer spanenden Feinbearbeitung ist das Herstellen von technischen Oberflächen, die komplexe Funktionalitäten sicherstellen müssen. Dazu gehören Gleit- oder Wälzkontakte in der Lager-, Führungs-, Spindel-, Getriebe- und Motoren- technik sowie metallisch dichtende Oberflächen in der Armaturenindustrie oder der Einspritz-, Pumpen- und Ventiltechnik im Motorenbau. Diese Systeme stellen hohe Anforderungen bezüglich Oberflächenrauheit in Kombination mit definierten Plateau- strukturen sowie an Form- und Maßgenauigkeiten. Die funktionsgerechte Ausbildung der oberflächennahen Stoffbereiche gehört heutzutage ebenso zum Anforderungs- portfolio einer Funktionsoberfläche. Insgesamt werden diese Oberflächeneigen- schaften primär durch das eingesetzte Fertigungsverfahren bestimmt.
Ausgehend von den stetig wachsenden Ansprüchen an eine Funktionsfläche und den daraus resultierenden steigenden Herausforderungen an den Fertigungsprozess befasst sich die vorliegende Arbeit mit der Entwicklung und Erprobung innovativer Strategien für die technologische Auslegung und Regelung von spanenden Feinstbearbeitungsverfahren. Im Mittelpunkt steht das Verfahren „Dreh-Seiten- Querschleifen“, ein Finishprozess unter dem Einsatz von rotierenden Schleifscheiben für die Bearbeitung von planen oder sphärischen Formelementen. Durch innovative Verfahrenstechnologien und Prozessregelstrategien sollen die hohen Anforderungen an eine Funktionsoberfläche erfüllt und neue Anwendungen erschlossen werden.
Diese Technologie- und Regelstrategien werden im Umfeld heutiger technischer Perspektiven und dem aktuellen Stand der Technik auf den Gebieten der Antriebs- und Steuerungstechnik, der Schleifwerkzeugtechnik sowie der Prozess- und Ferti- gungsmesstechnik entwickelt. Es werden Möglichkeiten aufgezeigt, die sich durch den Einsatz innovativer und moderner Maschinen- und Prozesstechnik ergeben.
Dargestellte und beschriebene Ansätze und Methoden für die technologische Auslegung und Regelung von Planfinishprozessen durch Dreh-Seiten-Querschleifen werden auf der Grundlage von Zusammenhängen zwischen den technologischen Stellgrößen, den Prozessgrößen und den Arbeitsergebnissen erarbeitet. Die Eignung der innovativen Methoden in Bezug auf eine angestrebte Steigerung der Werkstückqualität sowie der Erhöhung der Maschinen- und Prozessfähigkeit wird anhand von praxisnahen Anwendungen nachgewiesen.
IV Abstract
Abstract
The principal goal of precision machining is the creation of specialized surfaces fulfilling specific technological functions. These functions include: sliding and rolling contact in the context of bearings; guiding, lead-screw, and gear in the context of engine technology; metal-to-metal sealing in the context of armature industry; valves, fuel-injection, fuel pumps in the context of engine technology. The listed functions create high demands on surface roughness, surface form, and accuracy.
Additionally, the material properties of the subsurface layer have become part of functional specifications. All properties mentioned above are determined by the machining process.
The present thesis deals with the development and testing of innovative strategies for the design and control of fine-grinding processes, which are necessitated by steadily growing demands on surface quality and by extension, on the machining process.
The central strategy described here is that of face-traverse-grinding, a finishing process utilizing rotating grinding disks for the treatment of planar and spherical elements. An innovative method of process feedback and control is employed to meet the high standards for functional surfaces and to open new fields of application.
The technological and control strategies in this thesis are developed against the background of current technological perspectives and state of the art in the fields of drive systems and components, machine tooling and metrology. Potential applications of these strategies are given in the fields of modern machining and process development.
The strategies and methods are generated on the basis of correlations between technological actuating variables, process variables and the process result. Their viability in achieving the required part quality, as well as an increase in machine and process capability is demonstrated in case studies deriving from actual industrial practice.
Inhaltsverzeichnis V
Inhaltsverzeichnis
Vorwort ... I Kurzfassung ... III Abstract ... IV Inhaltsverzeichnis ... V Formelverzeichnis ... VIII Abkürzungsverzeichnis ... XIII Abbildungsverzeichnis ... XV Tabellenverzeichnis ... XIX
1 Einleitung ... 1
2 Stand der Technik und Wissenschaft ... 3
2.1 Finishverfahren – Feinschleifen und Kurzhubhonen ... 3
2.1.1 Verfahrenseinordnung im aktuellen Normenumfeld ... 3
2.1.2 Finishverfahren im Vergleich zum Schleifen und Honen – Eigenschaften, Funktionen und Vorteile der Technologie ... 4
2.1.3 Anwendungen und Einsatzgebiete der Finishverfahren ... 7
2.2 Dreh-Seiten-Querschleifen – Verfahren, Eingriffsverhältnisse, Kinematik und Zerspanungsgrößen ... 8
2.3 Einfluss technologischer Stellgrößen beim Schleifen... 12
2.3.1 Spanungsdicke ... 13
2.3.2 Vorschubgeschwindigkeit, Zustellung und Zeitspanungsvolumen... 13
2.3.3 Schnittgeschwindigkeit ... 14
2.3.4 Zerspanungsvolumen ... 14
2.3.5 Werkstückgeschwindigkeit ... 15
2.3.6 Kühlschmierstoff ... 15
2.4 Spanbildungsmechanismen beim Schleifen ... 16
2.5 Prozessführung, Prozessregelung und Prozessüberwachung ... 20
2.5.1 Allgemeine Konzepte und Strategien der Prozessführung ... 20
2.5.2 Spezielle Entwicklungen in der Prozessführung und Regelung für das Planfinishen durch Dreh-Seiten-Querschleifen ... 25
2.5.3 Modellbildung, Regelung und Simulation ... 29
2.6 Schleifwerkzeuge für die Feinst- und Finishbearbeitung ... 32
2.7 Werkzeugmaschinen zum Dreh-Seiten-Querschleifen ... 33
3 Aufgabenstellung und Zielsetzung ... 35
VI Inhaltsverzeichnis
4 Versuchseinrichtung und Versuchsmethodik ... 37
4.1 Planfinishmaschine ... 37
4.2 Eingesetzte Schleifscheiben ... 41
4.3 Versuchswerkstücke ... 43
4.4 Fertigungs- und Prozessmesstechnik ... 44
4.4.1 Zerspankraftmessung ... 44
4.4.2 Zerspanungsvolumen und Werkzeugverschleiß ... 46
4.4.3 Prinzip und Verfahren der Rauheitsmessung ... 47
4.4.4 Form- und Rauheitsauswertung ... 51
4.5 Versuchsplanung – Arbeits- und Lösungskonzept ... 53
5 Neuartige Ansätze und Konzepte der technologischen Prozessauslegung ... 55
5.1 Stellgrößen, Prozessgrößen und Arbeitsergebnisse ... 55
5.2 Anforderungen an ein Verfahren zur Prozessauslegung ... 57
5.3 Einfluss der technologischen Stellgrößen beim Dreh-Seiten- Querschleifen ... 58
5.3.1 Vorschub ... 58
5.3.2 Schnittgeschwindigkeit ... 61
5.3.3 Schnitteingriff ... 63
5.4 Zerspanungsmechanismen und Selbstschärfung für das Planfinishen durch Dreh-Seiten-Querschleifen... 65
5.5 Methoden und Verfahren der Prozess- und Technologieauslegung ... 78
5.5.1 Grundlagenbetrachtung zum Konzept der Technologiekennlinie ... 78
5.5.2 Vorschubkennlinie ... 81
5.5.3 Schnittgeschwindigkeitskennlinie ... 84
5.5.4 Schnitteingriffkennlinie ... 85
5.6 Einsatzfähigkeit der Technologiekennlinien ... 87
5.6.1 Wiederholpräzision einer Technologiekennlinie ... 87
5.6.2 Eignungsnachweis der Technologiekennlinie für die Prozessauslegung ... 90
6 Praktische Anwendung der Technologiekennlinien ... 102
6.1 Vorgehensweise und Richtlinien für den praktischen Einsatz der Technologiekennlinien zur Prozessauslegung ... 102
6.2 Vorteile, Nachteile und Anwendungsgrenzen der Technologiekennlinien ... 113
Inhaltsverzeichnis VII
7 Prozessführung und Prozessregelung ... 116
7.1 Problemstellungen konventioneller Kraftregelungen beim Planfinishen durch Dreh-Seiten-Querschleifen... 116
7.2 Strategien einphasiger Prozesszyklen ... 125
7.3 Ableitung von Prozess- und Regelparametern aus der Technologiekennlinie ... 129
7.4 Technologischer Vergleich ein- und mehrphasiger Prozessführungen auf der Grundlage der Kennlinien ... 132
7.5 Praktischer Vergleich der Prozessregelstrategien ... 142
8 Zusammenfassung und Ausblick ... 151
Literatur- und Quellenverzeichnis ... 155
Lebenslauf ... 170
VIII Formelverzeichnis
Formelverzeichnis
As Spanraumquerschnitt [µm²]
AK Kontaktfläche zwischen Schleifscheibe und Werkstück [mm²]
AWS Werkstückfläche [mm2]
C Kapazität [F]
Cg Fähigkeitsindex: Messmittelfähigkeit [-]
Cgk kritischer Fähigkeitsindex: Messmittelfähigkeit [-]
Cm Fähigkeitsindex: Maschinenfähigkeit, Kurzzeitfähigkeit [-]
Cmk kritischer Fähigkeitsindex: Maschinenfähigkeit, Kurzzeitfähigkeit
[-]
Cp Fähigkeitsindex: Prozessfähigkeit, Langzeitfähigkeit [-]
Cpk kritischer Fähigkeitsindex: Prozessfähigkeit, Langzeitfä- higkeit
[-]
FA Anfunkkraft [N]
FKA Kornausbruchkraft [N]
Fc Schnittkraft [N]
FE Abbruchkraft [N]
Fan Ansprechschwelle der piezoelektrischen Sensoren [N]
Ff Vorschubkraft [N]
Ffa axiale Vorschubkraft [N]
Fn Normalkraft [N]
Fni Normalkraft (schleifkornbezogene Einzelkraft) [N]
Fn,max Maximalwert der Normalkraft [N]
Fn,min Minimalwert der Normalkraft [N]
Fn,mittel mittlere Normalkraft [N]
Fn,soll Sollwert der Normalkraft [N]
FR resultierende Zerspanungskraft [N]
FRi resultierende Zerspanungskraft (schleifkornbezogene Einzelkraft)
[N]
Ft Tangentialkraft [N]
Fta axiale Schnittkraft (Oszillation, Pendeln) [N]
Fti Tangentialkraft (schleifkornbezogene Einzelkraft) [N]
Ftc tangentiale Schnittkraft [N]
Ftci tangentiale Schnittkraft
(schleifkornbezogene Einzelkraft)
[N]
Ftf tangentiale Vorschubkraft [N]
Formelverzeichnis IX
Ftfi tangentiale Vorschubkraft (schleifkornbezogene Einzelkraft)
[N]
FX Zerspanungskraftkomponente in X-Richtung [N]
FX1…FX4 Einzelkräfte der Piezosensoren 1 bis 4 in X-Richtung [N]
FX12 summierte Kraft der Piezosensoren 1, 2 in X-Richtung [N]
FX34 summierte Kraft der Piezosensoren 3, 4 in X-Richtung [N]
FY Zerspanungskraftkomponente in Y-Richtung [N]
FY1…FY4 Einzelkräfte der Piezosensoren 1 bis 4 in Y-Richtung [N]
FZ Zerspanungskraftkomponente in Z-Richtung [N]
FZ1…FZ4 Einzelkräfte der Piezosensoren 1 bis 4 in Z-Richtung [N]
FZ14 summierte Kraft der Piezosensoren 1, 4 in Z-Richtung [N]
FZ23 summierte Kraft der Piezosensoren 2, 3 in Z-Richtung [N]
G Schleifverhältnis [-]
GV Volumenschleifverhältnis [-]
Iist Strom-Istwert [A]
Isoll Strom-Sollwert [A]
Kp Proportionalfaktor: P-Anteil PID-Regler [-]
Lkin kinematischer Schneidenabstand [µm]
Mc Schnittmoment [Nm]
MX errechnetes Moment um die X-Achse [Nm]
MY errechnetes Moment um die Y-Achse [Nm]
MZ errechnetes Moment um die Z-Achse [Nm]
QMP Messprozesseignung, Prüfprozesseignung [%]
QMS Messsystemeignung [%]
Qw Zeitspanungsvolumen [mm3/s]
Qw,eff effektives Zeitspanungsvolumen [mm3/s]
Q‘w bezogenes Zeitspanungsvolumen [mm3/mms]
Q’w,eff effektives bezogenes Zeitspanungsvolumen [mm3/mms]
R Widerstand [Ω]
Rpk reduzierte Spitzenhöhe [µm]
Rt Rautiefe [µm]
Rz gemittelte Rautiefe [µm]
Rmax maximale Rautiefe [µm]
S Standardabweichung -
Sz flächenbezogene gemittelte Rautiefe [µm]
T Zeitkonstante der Verzögerung infolge einer instationären Phase: Indizes: T1, T2, T3, …
[s]
X Formelverzeichnis
TR Zykluszeit, Taktzeit, Regler-Taktzeit [ms]
Taus Ausregelzeit [s]
Tµ Schnitteinsatztiefe [µm]
Tn Nachstellzeit: I-Anteil PID-Regler [ms]
Tv Vorhaltezeit: D-Anteil PID-Regler [ms]
U Spannung [V]
UMP einfache Unsicherheit des Messprozesses [µm]
V’W bezogenes Zerspanungsvolumen [mm3/mm]
VB Bindungsvolumen [%]
VK Kornvolumen (prozentual gewichtet) [%]
VሶKSS Volumenstrom des zugeführten Kühlschmierstoffes [l/mim]
VP Porenvolumen [%]
VS Schleifscheibenvolumen [%]
VW Zerspanungsvolumen [mm3]
Wt Wellentiefe [µm]
X Werkstückmaß zu einem beliebigen Prozesszeitpunkt [mm]
X0 Gesamtaufmaß [mm]
X1 Aufmaß Schlichtphase [mm]
Xa, Xb, Xc technologische Stellgrößen [-]
Xi technologische Stellgröße [-]
a Achsabstand zwischen Schleifscheibe und Werkstück [mm]
at Amplitudendämpfung Tiefpassfilter [-]
a(ω) Dämpfung des RC-Tiefpassfilters [dB]
ae Arbeitseingriff, Eingriffsbreite [mm]
ap Schnitteingriff, Vorschubeingriff, Schnitttiefe, Eingriffstiefe [µm]
au Achsüberdeckung zwischen Schleifscheibe und Werk- stück
[mm]
da Außendurchmesser [mm]
di Innendurchmesser [mm]
dk mittlerer Schleifkorndurchmesser [µm]
dws Werkstückdurchmesser [mm]
dwz Werkzeugdurchmesser [mm]
f Vorschub [µm]
fe Ebenheitsabweichung nach ISO 1101 [µm]
Formelverzeichnis XI
fe1 Ebenheitsabweichung (Auswertung der gesamten Fläche)
[µm]
fe2 Ebenheitsabweichung (Auswertung am Kreis) [µm]
fg Grenzfrequenz [Hz]
fk Einzelkornvorschub, Schleifkornvorschub [µm]
fosz Oszillationsfrequenz [Hz]
fmess Messfrequenz der Prozessdatenerfassung [Hz]
ft Frequenz des Tiefpassfilters [Hz]
hcu Spanungsdicke, Einzelkornspanungsdicke [µm]
hcu,eff effektive Spanungsdicke [µm]
hcu,max maximale Spanungsdicke (theoretischer Wert) [µm]
hcu,eq äquivalente Spanungsdicke [µm]
lcu Spanungslänge [mm]
lfr radialer Vorschubweg, Zustellung [mm]
lg geometrische Kontaktlänge [mm]
lk kinematische Kontaktlänge [mm]
nist Drehzahl-Istwert [min-1]
nsoll Drehzahl-Sollwert [min-1]
nws Werkstückdrehzahl [min-1]
nwz Werkzeugdrehzahl [min-1]
pn Anpressdruck [N/mm²]
q Geschwindigkeitsquotient vc/vws [-]
s0 Ausgangsmaß des Werkstückes zu Prozessbeginn [mm]
sA Werkstückaufmaß [mm]
sa axiales Werkstückaufmaß [mm]
sf Vorschubweg [mm]
t0 Startzeitpunkt des Prozesszyklus [s]
tA Ausfeuerzeit [s]
tc Schleifzeit, Prozesszeit [s]
tc,max maximale Schleifzeit [s]
th Haltezeit je Definitionswert einer Technologiekennlinie [s]
tmax,s maximale Spanraumtiefe [µm]
tT Taktzeit [s]
v1 Vorschubgeschwindigkeit der Schruppphase [mm/min]
v2 Vorschubgeschwindigkeit der Schlichtphase [mm/min]
vc Schnittgeschwindigkeit [m/s]
XII Formelverzeichnis
vcA Schnittgeschwindigkeit Ausfeuern [m/s]
vca axiale Schnittgeschwindigkeit (Oszillation, Pendeln) [m/min]
vct tangentiale Schnittgeschwindigkeit [m/min]
vf Vorschubgeschwindigkeit [mm/min]
vfa axiale Vorschubgeschwindigkeit [mm/min]
vf,max maximale Vorschubgeschwindigkeit [mm/min]
vf,min minimale Vorschubgeschwindigkeit [mm/min]
vft tangentiale Vorschubgeschwindigkeit [mm/min]
vmax maximale Geschwindigkeit [mm/min]
vmin minimale Geschwindigkeit [mm/min]
vR resultierende Schnittgeschwindigkeit [m/s]
vRa resultierende Schnittgeschwindigkeit an der Werkzeug- außenkante und des mittleren Werkstückdurchmessers
[m/s]
vRi resultierende Schnittgeschwindigkeit an der Werkzeugin- nenkante und des mittleren Werkstückdurchmessers
[m/s]
vws Werkstückgeschwindigkeit [m/s]
ΔF Kraftdifferenz [N]
ΔFn Differenz der Normalkraft [N]
Δtc Differenz der Schleifzeit (Prozesszeit) [s]
Δrw Werkstückabtrag, Radiusabnahme [mm]
ΔsA Aufmaßabnahme [mm]
α Führungswinkel, Spindelsturz [°]
αk Kreuzungswinkel der Schleifspuren [°]
β Neigungswinkel [°]
µ Schnittkraftverhältnis -
η Wirkrichtungswinkel [°]
γ Spanwinkel [°]
λf Grenzwellenlänge Formfilter [mm]
λc Grenzwellenlänge des Hochpassfilters [mm]
λs Grenzwellenlänge des Tiefpassfilters [µm]
τ Zeitkonstante [ms]
Abkürzungsverzeichnis XIII
Abkürzungsverzeichnis
100Cr6 legierter Chromstahl, 1.3505, 1.2067 20A Edelkorund, weiß (Herstellerspezifikation) 201A Edelkorund, weiß (Herstellerspezifikation) 50C Siliziumkarbid, grün (Herstellerspezifikation) 60C Siliziumkarbid, grün (Herstellerspezifikation) 70C Siliziumkarbid, grün (Herstellerspezifikation) 89A Edelkorund, weiß (Herstellerspezifikation) Al2O3 Aluminiumoxid, Korund
ACC Adaptive Control Constraint ACO Adaptive Control Optimization
C Siliziumkarbid, grün (Herstellerspezifikation) CBN kubisches Bornitrid (cubic boron nitride) CNC Computerized Numerical Control CSI Coherence Scanning Interferometry EK7 Einkristallkorund (Herstellerspezifikation) FA Edelkorund, weiß (Herstellerspezifikation) FEPA Federation of European Producers of Abrasives
HMI Human Machine Interface
HRC Härte nach Rockwell
HV51W keramisches Bindungssystem (Herstellerspezifikation) IPO-Takt Interpolationstakt einer CNC-Steuerung
IT ISO-Grundtoleranz
KSS Kühlschmierstoff
LWD Long Working Distance (Bauart eines Interferometer-Objektives)
MLD Motion Logic Drive
MSA Messsystemanalyse
OSG obere Spezifikationsgrenze
NC Numerical Control
P1 Punkt des Schleifkorneintrittes an der Werkstückinnenkante
XIV Abkürzungsverzeichnis
P2 Punkt des Schleifkornaustrittes an der Werkstückaußenkante
PC Personal Computer
R&R Repeatability & Reproducibility
SC9 Siliziumkarbid, grün (Herstellerspezifikation) SERCOS Serial Realtime Communication System
SiC Siliziumkarbid
SiO2 Siliziumdioxid
SPC Statistische Prozesskontrolle SPS speicherprogrammierbare Steuerung SWLI Scanning White Light Interferometry USG untere Spezifikationsgrenze VDA Verband der Automobilindustrie
VDW Verein Deutscher Werkzeugmaschinenfabriken e.V.
VDMA Verband Deutscher Maschinen- und Anlagenbau e.V.
V51M keramisches Bindungssystem (Herstellerspezifikation) V51MS keramisches Bindungssystem (Herstellerspezifikation) V51W keramisches Bindungssystem (Herstellerspezifikation) V51MZ keramisches Bindungssystem (Herstellerspezifikation) V62S keramisches Bindungssystem (Herstellerspezifikation) V70/14S keramisches Bindungssystem (Herstellerspezifikation) V70/16S keramisches Bindungssystem (Herstellerspezifikation) V783-PW keramisches Bindungssystem (Herstellerspezifikation) V83 keramisches Bindungssystem (Herstellerspezifikation) V83T3 keramisches Bindungssystem (Herstellerspezifikation) V83T7 keramisches Bindungssystem (Herstellerspezifikation) VPF keramisches Bindungssystem (Herstellerspezifikation) VUF keramisches Bindungssystem (Herstellerspezifikation) VYH keramisches Bindungssystem (Herstellerspezifikation) X, Y, Z Maschinenkoordinatensystem
mesh Angabe der Schleifkorngröße nach FEPA
Abbildungsverzeichnis XV
Abbildungsverzeichnis
Bild 2-1: Einteilung spanender Finishverfahren auf der Basis von Hon- und
Schleifverfahren ... 4
Bild 2-2: Einteilung des Finishverfahrens anhand der Ordnungsnummern (ON) der DIN 8589-T11 ... 8
Bild 2-3: Vergleich der Eingriffsverhältnisse – Spanungsquerschnitte verschiedener Schleifverfahren ... 9
Bild 2-4: Geschwindigkeits- und Zerspankraftkomponenten ... 10
Bild 2-5: Kontaktlängen und Schleifkorneingriff beim Dreh-Seiten- Querschleifen... 11
Bild 2-6: Elastische und plastische Verformung sowie Spanabnahme beim Schleifkorneingriff ... 17
Bild 2-7: Abtragsmechanismen beim Furchungsverschleiß [Zum83a] und beim Schleifen [Mar92] ... 18
Bild 2-8: Prozessführung und instationäre Phasen beim Außenrund-Umfangs- Querschleifen [Klo05] ... 20
Bild 2-9: Prozesszyklus Planfinishen durch Dreh-Seiten-Querschleifen ... 21
Bild 2-10: Prozessführungsstrategien beim Außenrund-Umfangs-Querschleifen ... 24
Bild 2-11: Prozessführungsstrategien und Prozessregelung beim Dreh-Seiten- Querschleifen (Teil 1) ... 27
Bild 2-12: Prozessführungsstrategien und Prozessregelung beim Dreh-Seiten- Querschleifen (Teil 2) ... 28
Bild 2-13: Finishmaschinen zum Dreh-Seiten-Querschleifen der Thielenhaus Technologies GmbH und der Supfina Grieshaber GmbH & Co. KG ... 34
Bild 3-1: Vorgehensweise zur Realisierung der Technologiemodelle und Prozessregelstrategien ... 36
Bild 4-1: Planfinishmaschine (Superfinish-Maschine) ... 37
Bild 4-2: Arbeitsraum der Dreh-Seiten-Querschleifmaschine (Planfinishmaschine) ... 38
Bild 4-3: Wirkungsplan des Regelkreises mit PID-Prozessregler im Antrieb nach Bosch Rexroth ... 39
Bild 4-4: Vergleich der Steuerungsarchitekturen ... 40
Bild 4-5: Antriebs- und Steuerungskonzept der Superfinish-Maschine ... 41
Bild 4-6: Prozesskrafterfassung und Prozesskraftauswertung ... 45
Bild 4-7: Amplitudenfrequenzgang und Dämpfungsverlauf des RC-Tiefpasses 1. Ordnung ... 46
Bild 4-8: Ergebnis der Studie: Richtlinien zur optischen 2D-Rauheitsmessung mit dem CSI Zygo NewView am Beispiel der gemittelten Rautiefe Rz ... 50
Bild 4-9: Messmittelfähigkeit: Messsystemanalyse und Prüfprozesseignung ... 51
XVI Abbildungsverzeichnis
Bild 4-10: Messeinstellungen, Messstellen und Messrichtung der Form- und
Rauheitsauswertung ... 52
Bild 4-11: Versuchsplan für die Vorgehensweise zur Entwicklung und Erprobung der Technologien sowie Regelungsstrategien für die Finishbearbeitung durch Dreh-Seiten-Querschleifen ... 54
Bild 5-1: Eingangs-, Prozess- und Ausgangsgrößen ... 56
Bild 5-2: Anforderungen an ein Verfahren zur technologischen Schleif- /Finishprozessauslegung ... 57
Bild 5-3: Einfluss der Vorschubgeschwindigkeit auf die Prozessparameter und das Schleifergebnis ... 59
Bild 5-4: Einfluss der Schnittgeschwindigkeit auf die Prozessparameter und das Schleifergebnis ... 62
Bild 5-5: Einfluss der Werkstückgeschwindigkeit auf die Prozessparameter und das Schleifergebnis ... 64
Bild 5-6: Zusammenhang zwischen Spanungsdicke, Schleifkraft und Verschleiß ... 67
Bild 5-7: Analyse von Prozesszuständen und Zerspanungsmechanismen anhand der Schleifkraftverläufe bei sehr geringen maximalen Spanungsdicken ... 68
Bild 5-8: Vergleich verschiedener Schleifscheibentopografien – Schleifscheibenzustand: Abstumpfen der Schleifkörner bei sehr geringen Spanungsdicken ... 69
Bild 5-9: Analyse von Prozesszuständen und Zerspanungsmechanismen anhand der Schleifkraftverläufe bei geringen maximalen Spanungsdicken ... 70
Bild 5-10: Vergleich verschiedener Schleifscheibentopografien – Schleifscheibenzustand: Schichtspäne, Kornbeläge und Zusetzen bei mittleren Spanungsdicken ... 71
Bild 5-11: Analyse von Prozesszuständen und Zerspanungsmechanismen anhand der Schleifkraftverläufe bei mittleren maximalen Spanungsdicken ... 72
Bild 5-12: Analyse von Prozesszuständen und Zerspanungsmechanismen anhand der Schleifkraftverläufe: Selbstschärfung bei geringen maximalen Spanungsdicken ... 74
Bild 5-13: Analyse von Prozesszuständen und Zerspanungsmechanismen anhand der Schleifkraftverläufe: Selbstschärfung bei mittleren maximalen Spanungsdicken ... 75
Bild 5-14: Analyse von Prozesszuständen und Zerspanungsmechanismen anhand der Schleifkraftverläufe: Überbeanspruchung bei höheren maximalen Spanungsdicken ... 76
Bild 5-15: Theorie einer Technologiekennlinie ... 79
Bild 5-16: Praktisches Beispiel einer Vorschubgeschwindigkeitskennlinie ... 82
Bild 5-17: Praktisches Beispiel einer Schnittgeschwindigkeitskennlinie ... 84
Bild 5-18: Praktisches Beispiel einer Schnitteingriffkennlinie ... 86
Abbildungsverzeichnis XVII
Bild 5-19: Wiederholpräzision der Vorschubgeschwindigkeitskennlinie ... 88 Bild 5-20: Wiederholpräzision einer Schnittgeschwindigkeitskennlinie ... 89 Bild 5-21: Vorschubkennlinie zum Nachweis des praktischen Verfahrens zur
Technologieauslegung ... 90 Bild 5-22: Exemplarische Prozessbeispiele je einer Versuchsreihe aus den vier
Bereichen bestehend aus drei Normalkraftverläufen der Prozesse 1, 25 und 50 ... 92 Bild 5-23: Bewertung der Fähigkeit der Technologiekennlinie: Auswertung der
Schleifnormalkraft bezogen auf die einzelnen
Vorschubgeschwindigkeitswerte ... 93 Bild 5-24: Bewertung der Fähigkeit der Technologiekennlinie: Auswertung von
Abtragvolumen und Verschleißvolumen in Abhängigkeit der
Vorschubgeschwindigkeit ... 94 Bild 5-25: Bewertung der Fähigkeit der Technologiekennlinie: Auswertung der
Schleifnormalkraft in Abhängigkeit des Zerspanungsvolumens (1) ... 95 Bild 5-26: Bewertung der Fähigkeit der Technologiekennlinie: Auswertung des
Schnittkraftverhältnisses in Abhängigkeit des Zerspanungsvolumens (1) ... 96 Bild 5-27: Bewertung der Fähigkeit der Technologiekennlinie: Auswertung der
Schleifnormalkraft in Abhängigkeit des Zerspanungsvolumens(2) ... 98 Bild 5-28: Bewertung der Fähigkeit der Technologiekennlinie: Auswertung des
Schnittkraftverhältnisses in Abhängigkeit des Zerspanungsvolumens (2) ... 98 Bild 5-29: Bewertung der Fähigkeit der Technologiekennlinie: Auswertung der
Formabweichungen in Abhängigkeit der Vorschubgeschwindigkeit ... 99 Bild 5-30: Bewertung der Fähigkeit der Technologiekennlinie: Auswertung der
Rauheit und Welligkeit in Abhängigkeit der Vorschubgeschwindigkeit ... 100 Bild 6-1: Anwendungsbeispiel: Schleifaufgabe für den Einsatz der
Technologiekennlinien ... 102 Bild 6-2: Richtlinien für den praktischen Einsatz der Kennlinien zur
Prozessauslegung [Gol16a] ... 103 Bild 6-3: Vorschubkennlinien (gesamter Wertebereich) – Anwendungsbeispiel
zum praktischen Einsatz der Technologiekennlinien ... 106 Bild 6-4: Vorschubkennlinien (eingeschränkter Wertebereich) –
Anwendungsbeispiel zum praktischen Einsatz der
Technologiekennlinien ... 107 Bild 6-5: Maßnahmen für die Anpassung der konstanten Stellgrößen einer
Technologiekennlinie ... 108 Bild 6-6: Schnittgeschwindigkeitskennlinie – Anwendungsbeispiel zum
praktischen Einsatz der Technologiekennlinien ... 109 Bild 6-7: Schnitteingriffkennlinie – Anwendungsbeispiel zum praktischen
Einsatz der Technologiekennlinien ... 110 Bild 6-8: Auswertung der Schleifnormalkraftverläufe – Anwendungsbeispiel
zum praktischen Einsatz der Technologiekennlinien ... 111
XVIII Abbildungsverzeichnis
Bild 6-9: Auswertung der Prozess- und Schleifergebnisse – Anwendungsbeispiel zum praktischen Einsatz der
Technologiekennlinien ... 112
Bild 7-1: Zyklus einer konventionellen Kraftregelungsstrategie am Beispiel eines einphasigen Finishprozesses ... 116
Bild 7-2: Problemstellungen konventionell ausgeführter Kraftregelungen ... 117
Bild 7-3: Konventionelle Kraftregelung mit offenen Vorschubgrenzen – Prozesszustand nach dem Abrichten der Schleifscheibe ... 118
Bild 7-4: Konventionelle Kraftregelung mit offenen Vorschubgrenzen – Prozesszustand nach dem 2., 6. und 10. Finishprozess ... 119
Bild 7-5: Konventionelle Kraftregelung mit offenen Vorschubgrenzen – Prozesszustand nach dem 12., 13. und 16. Finishprozess ... 121
Bild 7-6: Konventionelle Kraftregelung mit offenen Vorschubgrenzen – Prozesszustand nach dem 22. Finishprozess ... 122
Bild 7-7: Konventionelle Kraftregelung mit offenen Vorschubgrenzen – Auswertung der Prozessstreuung anhand der Vorschubgeschwindigkeit, Schleifzeit, Ebenheit und Rauheit ... 123
Bild 7-8: Einphasige Prozessführungs- und Regelungsstrategien ... 126
Bild 7-9: Beschreibung der einphasigen Prozessführungs- und Regelungsstrategien anhand des Normalkraftverlaufes ... 128
Bild 7-10: Ableitung von Technologie- und Regelparametern aus der Technologiekennlinie am Beispiel der Vorschubgeschwindigkeitskennlinie ... 130
Bild 7-11: Möglichkeiten und Vorteile einphasiger Finishprozesse ... 133
Bild 7-12: Vergleich einphasiger und zweiphasiger Prozessführungsstrategien ... 135
Bild 7-13: Vorschubkennlinien für die Optimierung der Schlichtphase ... 138
Bild 7-14: Auswertung des Finishprozesses und der Arbeitsergebnisse der über die Technologiekennlinie optimierten Schlichtphase ... 139
Bild 7-15: Zweiphasige Prozessführung basierend auf der Methode der Technologiekennlinien ... 141
Bild 7-16: Praktisches Anwendungsbeispiel zum Vergleich der Prozessregelstrategien ... 142
Bild 7-17: Vorschubgeschwindigkeitskennlinien: Anwendungsbeispiel – Planflächenbearbeitung eines Anschlusses aus einem Diesel- Einspritzsystem ... 143
Bild 7-18: Schnittgeschwindigkeitskennlinie: Anwendungsbeispiel Anschluss Diesel-Einspritzsystem ... 145
Bild 7-19: Vergleich der Regelstrategien anhand der Prozessauswertung des Anwendungsbeispiels Anschluss Diesel-Einspritzsystem ... 146
Bild 7-20: Qualitative und quantitative Auswertung der Arbeitsergebnisse des Anwendungsbeispiels Anschluss Diesel-Einspritzsystem für die Prozessführung der Parameterregelung (PID-2) ... 149
Tabellenverzeichnis XIX
Tabellenverzeichnis
Tabelle 2-1: Technologischer Vergleich zwischen Finish- und Schleifverfahren – Einsatz keramisch gebundener Schleifscheiben sowie SiC,
Al2O3 und CBN als Kornwerkstoff ... 5 Tabelle 2-2: Zusammenfassung wesentlicher Finishverfahren sowie deren
technologische Merkmale ... 6 Tabelle 2-3: Berechnungsgrundlagen kinematischer und
zerspanungstechnischer Größen ... 12 Tabelle 2-4: Eingesetztes Spektrum an Schleifwerkzeugen für das Planfinishen .... 32 Tabelle 4-1: Technische Daten der Superfinish-Maschine
Supfina 814 D2F2 NC ... 38 Tabelle 4-2: Schleifscheibenspezifikation ... 42 Tabelle 4-3: Zusammenstellung der Versuchswerkstücke ... 44 Tabelle 6-1: Technologische Richtwerte für das Planfinishen durch Dreh-
Seiten-Querschleifen ... 104 Tabelle 6-2: Festlegung der Definitionsbereiche für die Kennlinien des
Anwendungsbeispiels ... 105 Tabelle 6-3: Maximale Spanungsdicken hcu,max der technologischen Stellwerte
aus Bild 6-3 ... 106 Tabelle 7-1: Vergleich der IST-Technologie mit der Technologie resultierend
aus der Anwendung der neuen Methoden und Strategien:
Kennlinie, Prozessführung und Prozessregelung ... 150
