Beim Fertigungsverfahren Schleifhärten wird die beim Schleifen in das Werkstück eingebrachte Prozesswärme genutzt, um eine definierte Randschichthärtung zu realisieren. Das durch die DFG geförderte Forschungsprojekt wird in Zusammenarbeit mit dem IWT Bremen durchgeführt und umfasst seitens des iwb die auf die FEM gestützte Entwicklung und Umsetzung einer Methode zur numerischen Analyse des Schleifhärteprozesses. Das IWT Bremen liefert durch experimentelle Untersuchungen (siehe Abbildung 1) die Vergleichsbasis zur Verifikation der Simulationsmethode.

Abbildung 1: Schleifhärten mit Überflutungskühlschmierung (Quelle: IWT Bremen)

 

Das Ergebnis des Schleifhärteprozesses ist von einer Vielzahl von Parametern abhängig und erfordert aktuell zur Prozessauslegung zahlreiche experimentelle Untersuchungen. Die Simulationsmethode soll eine numerisch berechnete Vorhersage der Randschichthärte und der Randschichtdicke des bearbeiteten Werkstücks und damit eine virtuelle Parameterauslegung des Schleifhärteprozesses ermöglichen.

Die Qualität des Schleifhärteprozesses wird, neben der resultierenden geometrischen Oberflächenbeschaffenheit und dem den Prozess begleitenden Bauteilverzug, nach den Eigenschaften und den Abmessungen der gehärteten Werkstückrandschicht beurteilt. Diese sind primär abhängig von der Leistung, die in den Schleifprozess eingebracht wird, und der daraus innerhalb des Werkstücks resultierenden Wärmebilanz.

Daher muss die Simulationsmethode, zur Realisierung einer aussagekräftigen virtuellen Prozessanalyse, die numerische Berechnung der wärmeinduzierten Gefügeumwandlung und des Werkstückverzugs unterstützen. Abbildung 2 zeigt die Arbeitsschritte der am iwb entwickelten und erfolgreich eingesetzten Schweißverzugssimulation. Ausgehend von den bestehenden Modellumfängen wird die bestehende Simulationsmethode entsprechend den Anforderungen des Schleifhärteprozesses adaptiert, erweitert und optimiert.

Abbildung 2: Schweißverzugssimulation über die FEM

Über die Simulationsmethode soll neben dem Planschleifen auch das Rundschleifen numerisch dargestellt werden können. Die numerische Abbildung des dabei auftretenden Härteschlupfs stellt, durch die erforderliche Berücksichtigung von zwei aufeinander folgenden Gefügeumwandlungen, eine besondere Herausforderung dar. Die Verifikation der Simulationsmodelle und -methoden erfolgt iterativ in Zusammenarbeit mit dem IWT Bremen.

Ausgewählte Simulationsergebnisse

Abbildung 3 zeigt das simulierte Temperaturfeld sowie die numerisch berechneten Temperaturzyklen an ausgewählten Orten im Werkstück für einen Längs-Außen-Profilschleifhärteprozess.

Abbildung 3: Simuliertes Temperaturfeld in der Kontaktzone sowie numerisch berechnete Temperaturzyklen an ausgewählten Orten im Werkstück

Der Vergleich eines gemessenen und simulierten Härtetiefenverlaufs am Referenzpunkt sowie der Querschliff der schleifgehärteten Probe sind in Abbildung 4 dargestellt. Hinsichtlich der Einhärtetiefe ist eine gute Übereinstimmung festzustellen. Die erkennbaren Abweichungen der Simulationsergebnisse im Vergleich zu den Messresultaten sind auf die FE-Modellierung zurückzuführen.

Abbildung 4: Gegenüberstellung gemessener und simulierter Härtetiefenverläufe sowie Schliffbild einer schleifgehärteten Probe

laufend

06/2010-05/2012

11.05.2011

Stiftung Institut für Werkstofftechnik, Universität Bremen IWT Bremen

Deutsche Forschungsgemeinschaft DFG

projektbezogene Veröffentlichungen hier