Konzeptentwicklung und Verifizierung einer Versuchseinrichtung zur werkstück- und werkzeugseitigen Temperaturmessung beim Flachschleifen

Studienarbeit von Detlef Armin Kube

Einleitung:

Die Prozessüberwachung während des Schleifprozesses – das „in-process-monitoring“ – gewinnt zunehmend an Bedeutung. Insbesondere direkt in der Kontaktzone zwischen Werkzeug und Werkstück gemessene Prozessgrößen wie z.B. die Schleiftemperaturen haben einen großen Einfluss auf die Werkstückqualität und sind nicht zuletzt für eine wirtschaftliche Prozessgestaltung wichtig.

Im Rahmen der vorliegenden Arbeit werden werkzeug- sowie werkstückseitig Messketten aufgebaut und die Funktionsnachweise mit Hilfe stationärer Spannungs- und Wärmequellen erbracht. Anschließend wird die Spannungsreihe der eingesetzten Thermoelemente experimentell überprüft und durch die Gegenüberstellung mit den theoretischen Werten der Verstärkungsfaktor des eingesetzten Telemetriesystems ermittelt. Neben der stationären Verifizierung werden Stichversuche beim Flachschleifen durchgeführt und anschließend die Einsetzbarkeit der Versuchseinrichtungen für Kontaktzonentemperaturmessungen im Flachschleifprozess beurteilt.

In der werkzeugseitigen Messkette wird ein Telemetriesystem zur drahtlosen Datenübertragung eingesetzt. Die Vorversuche haben gezeigt, dass dieses System die Datenübertragung aus der Schleifscheibe gewährleistet und die Messwertaufzeichnung ermöglicht. Während der Stichversuche bereitet die rotierende Schleifscheibe mit integriertem Telemetriering ebenfalls keine Probleme bei der Datenerfassung. Die Schleifscheibenspezifikation und der vorliegende Thermoelementeinbau ermöglichten keine Messung der unmittelbaren Kontaktzonentemperatur. Es wurde allerdings durch einen provozierten Werkzeugbruch auf Grund der gewählten Zustellung deutliche Temperatursignale erfasst. Die Versuchsserie bestätigt zudem die in der Fachliteratur genannte Beobachtung, dass die Schleiftemperaturen mit zunehmender Vorschubgeschwindigkeit ansteigen. Werkstückseitig ist die Messwerterfassung durch stationäre Spannungs- und Wärmequellen mit der entwickelten Messkette erfolgreich durchgeführt worden.

Problemstellung:

Die in-process Erfassung der in der Kontaktzone herrschenden Temperaturen sowie die Aufzeichnung z.B. der Prozesskräfte und Schallemission beim Schleifprozess ist aus technologischen Gesichtspunkten deshalb von großem Interesse, weil das Arbeitsergebnis schon während des Prozesses beeinflusst werden kann, wenn im Anschluss an die Messwerterfassung ein Ist-Soll-Vergleich stattfindet und bei Bedarf die Prozessführung mit sofortiger Wirkung geändert wird. Dadurch kann eine kontinuierliche Qualitätsüberwachung stattfinden, Ausschusszahlen reduziert werden und die Prozessrentabilität gesteigert werden. Bezogen auf eine während des Prozesses stattfindende Aufzeichnung der Kontaktzonentemperatur können durch in-process Regelungen z.B. Oberflächenschäden durch Schleifbrand oder Verzug vermieden werden [INA 95] [BRI 98] [OPP 00] [NAC 00].

Die Messung der Kontaktzonentemperatur während des Schleifprozesses ist zwar schon Gegenstand etlicher Untersuchungen gewesen, allerdings beschränken sich diese meist auf werkstückseitig implizierte Messverfahren. Nur wenige Ansätze beschäftigen sich mit der Integration der Messeinrichtung in das rotierende Werkzeug. Ein wesentlicher Nachteil werkstückseitig integrierter Messstellen ist, dass die Bauteilgeometrie stets verändert werden muss und diese Tatsache den industriellen Einsatz aus funktionellen, zeitlichen und wirtschaftlichen Gesichtspunkten beinahe unmöglich macht. Hinzu kommt die Schwierigkeit, die wirkliche Kontaktzonentemperatur zu messen. Es reicht nicht, in der Nähe zu messen und durch Rechenmodelle auf die Kontaktzonentemperatur zu schließen.

Die Aufgabe dieser Studienarbeit besteht in der Konzeption und anschließender Verifizierung einer Versuchseinrichtung, die es ermöglicht, werkstück- und werkzeugseitig Temperatursignale zu erfassen und diese mit entsprechenden Messprogrammen aufzuzeichnen. Dazu werden zwei Messketten aufgebaut und mit Hilfe stationärer Spannungs- und Wärmequellen jeweils auf ihre Funktionsfähigkeit überprüft. Die eingesetzten Thermoelemente vom Typ K – NiCr-NiAl – werden kalibriert, d.h. die dem Typ K entsprechende Spannungsreihe wird bezogen auf die Eigenschaften des werkzeugseitig integrierten Telemetriesystems experimentell ermittelt. Dafür ist im Schleifscheibenflansch eine Telemetrieeinheit mit Sekundärspule und Antenneneinheit integriert. Diese dient zur berührungslosen Datenübermittlung von der Schleifscheibe an stationäre Datenerfassungs- und Auswerteeinrichtungen. Durch anschließende Stichversuche wird untersucht, ob der Messkettenaufbau während Flachschleifversuchen ebenfalls den Anforderungen entspricht. Die Auswertung der stationären Vorversuche und der Stichversuche soll dazu dienen, den im Rahmen dieser Arbeit entwickelten Messaufbau zum einen und die Einsatzmöglichkeit des im Rahmen dieser Untersuchung eingesetzten konstruktiven Schleifscheibenaufbaus zum anderen kritisch zu beurteilen und evtl. Verbesserungsvorschläge zu erarbeiten.

Große Aufmerksamkeit soll auf eine möglichst geringe Entfernung der Temperaturmessstelle, in diesem Fall der punktförmigen Thermoelementmessstelle, von der Kontaktzone gerichtet werden. Aus diesem Grund ist ein direktes Überschleifen der Thermoelementmessstelle anzustreben.

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