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
Inhaltsverzeichnis
1. Abstract
2. Aufgabenstellung und Zielsetzung
3. Technologischer Kenntnisstand
3.1. Flachschleifen
3.2. Energiebilanz und Wärmeverteilung
3.3. Technologische Kenngrößen
3.4. Schleifscheibenaufbau und Einsatzvorbereitung
3.5. Thermische Prozeßüberwachung
3.5.1. Das Thermoelement
3.5.2. Werkstückseitige Temperaturmessung
3.5.3. Werkzeugseitige Temperaturmessung
4. Konzeptentwicklung
4.1. Werkstückseitige Konzeptionierung
4.2. Werkzeugseitige Konzeptionierung
4.3. Kalibrierung
5. Aufbau der Meßkette und Funktionsnachweis
5.1. Werkstückseitige Meßkette
5.2. Werkzeugseitige Meßkette
5.3. Funktionsnachweis der werkstückseitigen Meßkette
5.3.1. Batterie als stationäre Spannungsquelle
5.3.2. Flamme als stationäre Wärmequelle
5.4. Funktionsnachweis der werkzeugseitigen Meßkette
5.4.1. Batterie als stationäre Spannungsquelle
5.4.2. Flamme als stationäre Wärmequelle
5.5. Kalibrierung der Thermoelemente
5.5.1. Die Thermoelementspannungsreihe
5.5.2. Einfluß des Telemetriesystems
5.5.2.1. Bestimmung im Wasserdampf
5.5.2.2. Bestimmung am Heizblock
5.5.3. Der Telemetrieverstärkungsfaktor
6. Durchführung der Stichversuche
6.1. Die Werkzeugmaschine
6.2. Das Versuchswerkstück
6.3. Das Versuchswerkzeug
6.3.1. Vorbereitung und Einbau der Thermoelemente
6.3.2. Schleifscheibenvorbereitung
6.4. Die Schleifversuche
7. Darstellung und Diskussion der Versuchsergebnisse
7.1. Werkstückseitige Meßwertaufnahme
7.2. Werkzeugseitige Meßwertaufnahme
7.2.1. Werkzeugbruch
8. Zusammenfassung der Ergebnisse und Ausblick
9. Literaturverzeichnis
10. Anhang
Anhang 1: PIN-Belegung der KEITHLEY „DAS-1802ST“ Meßkarte
Anhang 2: PIN-Belegung der KEITHLEY „DAS1000-series“ Meßkarte
Anhang 3: Versuchsparameter und Meßwerte
Anhang 4: Spannungs- und Temperaturwerte der Stichversuche
Anhang 5: Telemetriesystem Multiplex
Anhang 6: Funktionskontrolle des Datenaustauschs an der Telemetrieeinheit
Anhang 7: Eingesetzter Anschlußplan am STP-37
Abkürzungen und Formelzeichen
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
1. Abstract
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.
2. Aufgabenstellung und Zielsetzung
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 [CHO 86] [BLA 96].
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.
3. Technologischer Kenntnisstand
Nach DIN 8580 gehört Schleifen zu den Fertigungsverfahren, die Zusammenhalt vermindern oder trennen. Diese in der 3. Hauptgruppe enthaltenen Verfahren des Trennens untergliedern sich in sieben weitere Untergruppen.
Die Schleifverfahren werden nach DIN 8589 T 11 in sechs Verfahren eingeteilt. Hauptkriterium für die Einteilung ist dabei die Form der erzeugten Fläche. Die sechs Verfahren lauten:
- Flachschleifen (Planschleifen)
- Rundschleifen
- Schraubschleifen
- Wälzschleifen
- Profilschleifen
- Formschleifen
Jede dieser Gruppen kann weiter unterteilt werden. So werden z.B. die wirksamen Flächen der Schleifscheibe (Stirn- oder Umfangsschleifen) und die Vorschubbewegung (Längs- oder Einstechschleifen) unterschieden. Die DIN 8589 berücksichtigt die jeweiligen Verfahrensvarianten durch Zuordnung von Ordnungsnummern. Das in dieser Arbeit eingesetzte Flachschleifverfahren hat die Ordnungsnummer 3.3.1.1.
3.1. Flachschleifen
Das Flachschleifen, ein spanendes Fertigungsverfahren mit geometrisch unbestimmten Schneiden und gebundenem Korn, umfasst mehrere Verfahrensvarianten. Unterschieden werden Umfang-Quer- und Umfang-Längsschleifen sowie Seiten-Quer- und Seiten-Längsschleifen. Durch alle genannten Flachschleifprozesse werden entweder vollständig ebene oder in der Hauptvorschubrichtung der Schleifscheibe geradlinig verlaufende Flächen erzeugt [KÖN 96].
Charakteristisch für das Spanen mit geometrisch unbestimmten Schneiden und gebundenem Korn sind stark negative Spanwinkel, geringe Spandicken (mit dadurch hohem elastischem Anteil an der Formänderung des Werkstückwerkstoffes) und nur statistisch darstellbare Werte verschiedener Prozeßgrößen, z.B. Kraft und Temperatur, am Einzelkorn [TÖN95].
Abbildung 3-1 stellt die Spanbildung beim Spanen mit bestimmter und unbestimmter Schneide gegenüber.
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abbildung 3-1 Spanbildung [TÖN 95]
Bei der Spanbildung mit geometrisch unbestimmten Schneiden dringen die Schleifkörner auf einer flachen Bahn in den Werkstoff ein und verursachen im Vergleich zum Spanbildungsvorgang mit geometrisch bestimmter Schneide zusätzliche Reibungs- und Verdrängungsvorgänge. Hinzu kommt, daß ein Schleifkorn mehrere Schneiden haben kann und die Spanbildungsvorgänge gleichzeitig ablaufen, und daß die Größenordnungen der am Prozeß beteiligten Komponenten wesentlich geringer sind als z.B. beim Drehen oder Fräsen [BEI 97] [TÖN 95].
3.2. Energiebilanz und Wärmeverteilung
Während des Schleifprozesses wird die mechanische Energie Pc dem Prozeß zugeführt.
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Gleichung 3-1
Beim Gleichlaufschleifen werden die Geschwindigkeiten addiert und beim Gegenlaufschleifen subtrahiert, weil sich die Geschwindigkeiten bei gleichgerichteter Bewegung unterstützen. Daraus resultieren größere Geschwindigkeiten, ein Abbremsen durch entgegengesetzte Bewegungsrichtungen wird vermieden [PAU 93].
Die Kontaktzone kann näherungsweise als wandernde Wärmequelle angesehen werden, von der aus ein Wärmestrom u.a. in das Werkstück fließt [SPU 80].
Wesentliche Einflussfaktoren für die entstehende Wärmemenge sind die geometrischen und kinematischen Korneingriffsverhältnisse beim Schleifen. Die abgeführte Wärmemenge in den Kühlschmierstoff beim Gegenlaufschleifen ist z.B. bedeutend höher als beim Gleichlaufschleifen [DEM 00]. Die Wärmeleitfähigkeit der im Schleifprozess eingesetzten Materialien, z.B. Schneidstoff, Bindung und Werkstückmaterial, ist Haupteinflußfaktor der Wärmeverteilung [HIE 95].
Für den Gesamtwärmestrom gilt:
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Gleichung 3-2
Der Wärmeaufteilungsfaktor k1 beschreibt die Aufteilung des Wärmestroms in verschiedene Anteile. Unterschieden werden die Wärmeströme ins Werkzeug (Ls), Werkstück (Lw), die Späne (Lch), den Kühlschmierstoff (Ll) und die Umgebung (Lr). Die Abhängigkeiten zwischen den spezifischen Wärmeleitungskoeffizienten und den Wärmeströmen nennt Tönshoff in [TÖN 95]. Laut Choi nehmen Werkzeug und Werkstück den größten Anteil auf [CHO 86]. Zwischen den einzelnen partiellen Wärmeströmen besteht folgender Zusammenhang:
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Gleichung 3-3
Aus diesen Zusammenhängen kann man die thermische Randzonenbeeinflussung bei verschiedenen Schleifstoffen abschätzen. Voraussetzung ist eine eindimensionale, stationäre Wärmeleitung und die Annahme, daß in geringem Abstand von der Kontaktzone auch noch die Kontaktzonentemperatur vorliegt. Bei Berücksichtigung der werkstoffspezifischen Wärmeleitungskoeffizienten erhält man Vergleichswerte, bei welchen Werkstoffkombinationen kleinere oder größere Wärmemengen ins Werkstück/Werkzeug fließen. Beim Schleifen von Stahl mit Korund z.B. fließt laut Tönshoff die 17fache Wärmemenge ins Werkstück verglichen mit Bornitrid als Schneidstoff [TÖN 95].
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abbildung 3-2 Energieverteilung und Wärmefluss beim Schneideneingriff
[KÖN 96]
Abbildung 3-2 zeigt deutlich die Energieumsetzung und Wärmeentstehung durch Reibung, z.B. Spanflächen- und Freiflächenreibung, und plastischer Verformung des Werkstoffs sowie den Wärmefluss in die unterschiedlichen Medien.
Eine genauere Bestimmung der Aufteilung des Wärmestroms haben mehrere Autoren versucht. Dabei variiert z.B. der Wärmestromanteil, der ins Werkstück fließt, zwischen 27% und 95%. Bei CBN-Schleifscheiben liegt nach Choi der ins Werkzeug fließende Wärmestromanteil bei 73% [CHO 86]. Allerdings gibt es eine einheitliche Tendenz zu der Aussage, daß der größte Anteil der entstehenden Wärme ins Werkstück fließt.
Die Wärmeverteilung im Werkstück, ausgehend von der in der Kontaktzone zwischen Werkstück und Werkzeug erzeugten Wärme, kann z.B. durch thermoelektrische Meßverfahren, mittels Thermoelementen, während des Schleifprozesses gemessen werden. Es bilden sich in der Randzone Isothermen aus, die von den Eingangs- und Prozeßgrößen abhängig sind.
Bei einem Flach-Einstechschleif-Prozeß hat Dederichs durch thermoelektrische Messungen im Werkstück extrapolierte Isothermen aufgenommen, die als Anhaltswerte für die zu erwartete Temperaturverteilung dienen [SPU 80].
Neben den experimentell bestimmten Wärmeverteilungen und Kontaktzonentemperaturen finden zahlreiche Temperaturmodelle für die theoretische Berechnung der Kontaktzonentemperatur Anwendung, z.B. die Modelle von Jaeger und Werner. Nachteile des Modells von Werner sind z.B. der geringe Einsatzbereich – nur Pendelschleifen – und die für jeden Schleifprozess neu zu ermittelnden Stellgrößen [TAW 90].
3.3. Technologische Kenngrößen
Eine mögliche Gliederung der Einflußgrößen des Schleifprozesses ist die Einteilung in Eingangs-, Prozeß- und Ausgangsgrößen.
Eingangsgrößen sind System-, Stell- und Störgrößen, die durch die Werkzeugmaschine, das Werkstück und das Werkzeug bestimmt werden. Stellgrößen (z.B. Schnittgeschwindigkeit vc und Zustellung ae) sowie Störgrößen (Schwingungen, Umgebungstemperatur etc.) gehören ebenfalls zu dieser Gruppe. Zu den Prozeßgrößen zählen u.a. die auftretenden Kräfte und die Kontaktzonentemperatur. Ausgangsgrößen des Schleifprozesses sind der Werkzeugverschleiß, die Zerspanprodukte und Arbeitsergebnisse am Werkstück (Geometrieveränderungen u.a.).
Die Schnittgeschwindigkeit vc als eine der wichtigsten Stellgrößen lässt sich wie in Gleichung 3-4 dargestellt aus Umdrehungszahl ns und Schleifscheibendurchmesser ds berechnen.
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Gleichung 3-4
Eine Erhöhung der Schnittgeschwindigkeit bewirkt bei vft=const. ein häufigeres Eingreifen der Schleifkörner in das Werkstück. Dadurch reduziert sich die abzutragende Werkstoffmenge pro Eingriff, wodurch die Schleifkräfte abnehmen. Durch die geringere Schleifkraft sinkt die Belastung auf die einzelnen Schleifkörner, was einen geringeren Verschleiß zur Folge hat. Das Zeitspanungsvolumen allerdings bleibt konstant.
Das Zeitspanungsvolumen Qw beschreibt den Volumenstrom, der vom Werkstück getrennt wird. Es wird gebildet aus dem Produkt von Zustellung ae, Eingriffsbreite ap und Vorschubgeschwindigkeit vft.
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Gleichung 3-5
Das bezogene Zeitspanungsvolumen Q’w setzt das Zeitspanungsvolumen Qw ins Verhältnis zur Eingriffsbreite ap.
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Gleichung 3-6
Die geometrische Kontaktlänge lg beschreibt die Länge der Werkstückoberfläche, auf der die Schleifkörner im Eingriff sind. Sie wird wie folgt bestimmt:
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Gleichung 3-7
Für die Bestimmung der gesamten Kontaktzonenfläche AK zwischen Werkstück und Werkzeug wird die Kontaktlänge lg mit der Eingriffsbreite ap multipliziert.
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Gleichung 3-8
Wird die Kontaktlänge lg auf die Umfangsgeschwindigkeit vs bezogen, erhält man die Zeit, die für eine Meßdatenerfassung einer punktförmigen Meßstelle auf dem Schleifscheibenumfang pro Umdrehung zur Verfügung steht [BOE 01].
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Gleichung 3-9
3.4. Schleifscheibenaufbau und Einsatzvorbereitung
Schleifwerkzeuge werden in ihrem Aufbau nach Schleifstoff und Bindung typisiert. Die Schleifscheibenspezifikation ist durch DIN 69100 standardisiert.
Innerhalb der Schleifstoffe werden natürliche und synthetische Kornwerkstoffe unterschieden. Allerdings stehen die natürlichen Kornwerkstoffe hinsichtlich ihrer industriellen Verwendbarkeit hauptsächlich wegen ihrer zu geringen Festigkeit deutlich hinter den synthetischen zurück. Die Ausnahme bildet nur Naturdiamant als Schleifstoff. Die gebräuchlichsten Kornwerkstoffe sind Korund (Al2O3), Siliziumkarbid (SiC), Kubisches Bornitrid (CBN) und synthetischer Diamant. Neben den physikalischen Eigenschaften sind Korngröße, –form und –dichte charakteristische Schleifstoffmerkmale.
Beim Schleifen mit gebundenem Korn werden die Schleifkörner durch Bindungen bzw. Bindestoffe auf der Scheibe gehalten. Die Bindung muss jedes einzelne Schleifkorn möglichst bis zum völligen Verschleiß festhalten. Daran anschließend sollte das Korn von der Bindung freigegeben werden, um ein neues scharfes Korn an der Oberfläche bereitzuhalten. Als häufigste Bindungsarten werden Kunstharzbindung, keramische und metallische Bindungen und für Sonderfälle auch mineralische oder Gummibindungen eingesetzt [KÖN 96] [TÖN 95].
Die Einsatzvorbereitung beschreibt die Arbeitsschritte Montage, Konditionieren und Auswuchten. Sie dient der Erzeugung des Schleifscheibenzustands, der für den Schleifprozess erforderlich ist. Die für die Aufbereitung von Schleifscheiben wichtigen Vorgänge – das Abrichten und Reinigen – umfasst das Konditionieren. Die Auswirkungen des Konditionierens auf die Schleifscheibe sind Abbildung 3-3 zu entnehmen.
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abbildung 3-3 Konditionieren von Schleifscheiben [TÖN 95]
Abrichtwerkzeuge können in rotierende und nicht rotierende eingeteilt werden.
Zu den nicht rotierenden Abrichtwerkzeugen zählen beispielsweise Blockdiamantabrichter, Einkorndiamanten, Abrichtfliesen und Vielkornabrichter. Beim Abrichten mit nicht rotierenden Abrichtwerkzeugen wird durch axiales Verfahren der rotierenden Schleifscheibe die Schneidfläche erzeugt. Rotierende Abrichtwerkzeuge sind z.B. Diamantprofilrollen, -formrollen und -topfscheiben. Beim Einsatz dieser Werkzeuge überlagert sich die vom Abrichter ausgeführte Bewegung in Schleifscheibenumfangsrichtung mit der Rotationsbewegung der Schleifscheibe [KÖN 96].
3.5. Thermische Prozeßüberwachung
Für die thermische Prozeßüberwachung kommen unterschiedliche Verfahren zum Einsatz. Eine mögliche Gliederung nimmt Tönshoff vor:
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abbildung 3-4 Temperaturmeßverfahren [TÖN 95]
Einzelne Meßprinzipien werden im Folgenden näher erläutert, um deren Charakteristika deutlich herauszustellen. Für den Schleifprozeß von Bedeutung sind thermoelektrische Meßprinzipien mit Hilfe von Thermoelementen. Unterschieden wird zwischen der Eindrahtmethode und der Zweidrahtmethode, jeweils in offener und geschlossener Anordnung.
3.5.1. Das Thermoelement
Das Thermoelement ist ein Temperaturaufnehmer, der unter Nutzung seiner thermoelektrischen Eigenschaften direkt ohne Hilfsenergie eine elektrische Spannung bzw. einen Strom liefert. Es handelt sich um das Prinzip der Differenztemperaturmessung zwischen Meßstelle und Vergleichsstelle.
Grundlage für die Funktionsweise der Thermoelemente ist der Seebeck-Effekt. Dieser thermoelektrische Effekt ist die Erzeugung einer elektromotorischen Kraft (EMK) durch eine Temperaturdifferenz zwischen zwei Verbindungsstellen zweier unterschiedlicher Metalle oder Legierungen, die Teil eines gemeinsamen Stromkreises sind. Für das Thermoelement bedeutet dies, daß zwischen Meßstelle und der Stelle des Spannungsabgriffs unterschiedliche Temperaturen herrschen müssen. Dann kann eine zur Temperaturdifferenz proportionale Thermospannung gemessen werden [FEN 80] [FIS 90].
Das Thermoelement besteht aus zwei unterschiedlichen Metallen, die an einem Ende verbunden sind. Diese Verbindungsstelle heißt „Meßstelle“ und das Thermoelement reagiert nur an dieser Stelle auf eine Erwärmung. Durch eine Erwärmung tritt die Spannungsdifferenz – die Thermospannung Uth – auf. Die Thermospannung beschreibt die Spannungs- und damit die Temperaturdifferenz zwischen der Meßstellentemperatur JM und der Vergleichsstellentemperatur JV.
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abbildung 3-5 Thermoelement zur Temperaturmessung
Die Thermospannung ist abhängig von der Metallpaarung, weil alle Metalle eine eigene Stellung in der thermoelektrischen Spannungsreihe aufweisen. Für jede Metallpaarung ist die Thermospannung proportional zur Temperaturerhöhung, es besteht ein direktes Verhältnis zwischen Thermospannung und Temperatur an der Meßstelle. DIN 43710 nennt z.B. die Spannungsreihe für Ni-CrNi-Thermoelemente vom Typ K [WAR 84].
Mathematisch beschrieben wird die Thermospannung durch Gleichung 3-10.
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Gleichung 3-10
Der Seebeck-Koeffizient kt ist über den gesamten Temperatureinsatzbereich nahezu konstant und abhängig von der Metallpaarung [WAR 84].
Abbildung 3-6 zeigt beispielhaft ausgewählte Kennlinien von den Thermopaaren NiCr-Konstantan, NiCr-Ni und PtRh-Pt nach DIN 43710. Deutlich zu erkennen sind die verschiedenen Einsatzbereiche der Thermopaare. Während PtRh-Pt Thermoelemente bis zu 1500°C eingesetzt werden können, dabei allerdings nur eine geringe Thermospannung ausgeben, haben NiCr-Konstantan einen Einsatzbereich bis ca. 900°C. Diese weisen aber einen deutlich höhere „Auflösung“ auf, d.h. der Gradient zwischen Thermospannung und Temperaturdifferenz ist größer als bei den anderen Thermopaaren. Eine bessere Übersichtlichkeit bei der Spannungserfassung ist ein Vorteil der Kombination NiCr-Konstantan, und deshalb ist es dem PtRh-Pt Thermoelement im gemeinsamen Temperatureinsatzbereich vorzuziehen. NiCr-Ni Thermoelemente liegen sowohl mit ihrem Einsatzbereich – bis 1200°C – als auch ihrem Gradienten im Zwischenbereich der beiden eben beschriebenen und stellen einen guten Kompromiß für sehr viele Anwendungsbereiche dar.
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abbildung 3-6 Kennlinien von Thermopaaren nach DIN 43710 [WAR 84]
Bei der Verwendung von Thermoelementen in experimentellen Aufbauten ist unbedingt zu beachten, daß alle Thermoelemente nur solange die originale Thermospannung wiedergeben, wie sie weder physikalisch noch chemisch verändert sind. Aufkohlung, Oxidation und Biegen z.B. verändern die Eigenschaften [KÖR 87].
Abbildung 3-7 zeigt die offene sowie geschlossene Anordnung bei der Eindrahtmethode. Bei der offenen Anordnung befindet sich im Werkstück integriert ein gegenüber diesem isolierter Draht, der bis zur Bearbeitungsfläche gelangen muß. Während des Schleifprozesses werden durch Überschleifen an der Meßstelle durch Verschweißungen kurzzeitige Verbindungen zwischen Draht und Werkstück geschaffen. Dadurch entsteht das Thermopaar Draht-Werkstück. Die unterschiedlichen Potentiale der beiden Materialien führen zu Spannungsunterschieden, wodurch ein funktionstüchtiges Thermoelement entsteht. Die geschlossene Anordnung unterscheidet sich dadurch von der offenen, daß der Draht ständig mit dem Werkstück in Kontakt ist. Dabei darf die Meßstelle nicht überschliffen werden, sie liegt also nicht direkt in der Kontaktstelle [CHO 86].
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abbildung 3-7 Eindrahtmethode
Die beiden möglichen Anordnungen der Zweidrahtmethode zeigt Abbildung 3-8. Grundsätzlich wird bei dieser Methode das Werkstück nicht als Teil des Thermoelementes genutzt. In der offenen Anordnung sind beide Thermoschenkel isoliert gegenüber sich selber und in dem Werkstück integriert. Sie reichen ähnlich wie bei der Eindrahtmethode bis zur zu schleifenden Oberfläche. Die durch Überschliff entstehende Meßstelle liegt also direkt in der Kontaktzone. Stehen sie in Kontakt, so ist ein Spannungssignal meßbar. Die geschlossene Anordnung unterscheidet sich von der offenen dadurch, daß die beiden Thermoschenkel von Anfang an ein geschlossenes Thermoelement bilden, die Meßstelle existiert ohne Unterbrechung. Meistens ist dadurch die Anordnung des Thermoelementes im Werkstück so realisiert, daß nicht direkt in der Kontaktzone sondern in einem möglichst genau definierten Abstand zu dieser gemessen wird. Allerdings kann auch durch Überschliff, d.h. Zerstörung, der Meßstelle unmittelbar in der Kontaktzone gemessen werden [CHO 86].
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abbildung 3-8 Zweidrahtmethode
Beim Thermocolorverfahren werden temperaturabhängige chemische Umwandlungsreaktionen genutzt. Die Meßoberfläche wird mit einer speziellen Farbe versehen, die bei Temperaturänderungen charakteristische Farbänderungen zeigt. Beim Schleifprozeß wird der Anstrich direkt neben der zu überschleifenden Werkstückoberfläche aufgetragen. Mit dieser Methode lassen sich nur Isothermenverläufe der Maximaltemperaturen aufzeichnen. Außerdem wird eine gewisse Zeitdauer der Temperatureinwirkung benötigt, um die temperaturabhängige Verfärbung als Ergebnis einer chemischen Reaktion sichtbar werden zu lassen, was den industriellen Einsatz einschränkt und die Erfassung kurzzeitiger Temperaturänderungen nicht ermöglicht [CHO 86] .
Pyrometrie als berührungsloses Temperaturmeßverfahren beschreibt die Messung von Wärmestrahlung mit Hilfe eines Pyrometers, der die abgestrahlte Infrarot-Energie des „warmen“ Körpers erfaßt. Der Strahlungsenergie kann durch Vergleich mit dem sog. schwarzen Körper – dem Strahlungsnormal – eine Temperatur zugeordnet werden. Beim Einsatz dieses Verfahrens ist besonders die Zugänglichkeit der Meßstelle von großer Bedeutung. Die realisierbare Meßstelle ist örtlich sehr begrenzt und auf Vermeidung von Fremdstrahlung ist zu achten. Für den Schleifprozeß ist dieses Verfahren eingeschränkt einsetzbar, weil z.B. Kühlschmierstoff, die Eingriffsverhältnisse im Prozeß – Werkstück und Werkzeug verdecken die Kontaktzone – und evtl. die Werkstückgeometrie die Zugänglichkeit der Kontaktzone stark behindern oder sogar unmöglich machen. Die mit Pyrometern außerhalb der Kontaktzone meßbare Temperatur ist durch Wärmeabstrahlung an die Umgebung und Wärmeleitung im Werkstück deutlich geringer als die Kontaktzonentemperatur
[CHO 86] [UED93] [BOE 01].
Die PVD-Methode (Physical Vapor Deposition) bestimmt die Schmelzpunktisotherme eines in das geteilte Werkstück aufgedampften Materials während des Schleifprozesses. Dazu wird das Werkstück koaxial zur Schleifrichtung geteilt, die Innenflächen werden poliert und anschließend das Deposit, z.B. Lithium Fluorid, Bismuth, Indium oder Blei, mittels PVD-Verfahren in einer Dicke von ca. 0,2 µm aufgedampft. Das wieder geschlossene Werkstück wird dann überschliffen und nach den Versuchen wird es vorsichtig wieder geöffnet. An dem Deposit ist mit einem Mikroskop deutlich die geschmolzene Zone von der nicht geschmolzenen durch eine klar definierbare Grenze zu trennen. Die Trennlinie stellt die Schmelzpunktisotherme des Depositmaterials dar. Durch den Einsatz verschiedener Depositmaterialien mit zuvor bekannten Schmelzpunkten kann bei gleichen Prozeßbedingungen die Wärmeverteilung im Werkstück bestimmt werden. Bei senkrecht zur Schleifrichtung eingebautem Werkstück kann auch die Wärmeverteilung quer zur Schleifrichtung aufgenommen werden [KAT 97].
3.5.2. Werkstückseitige Temperaturmessung
Die werkstückseitige Temperaturmessung ist mit zahlreichen Methoden bereits in Laborversuchen durchgeführt worden. Anwendung fanden z.B. das thermoelektrische Meßprinzip in Eindraht- und Zweidrahtanordnung, im Werkstück integrierte Infrarotdetektoren, Wärmestrahlmessungen und der Einsatz der sog. PVD Methode. Die folgende Darstellung der einzelnen Methoden erfolgt methodenorientiert und wird jeweils in ihrer zeitlichen Entwicklung gesehen.
Peklenik begann im Jahre 1957 mit der Entwicklung der Temperaturmessung während des Schleifprozesses mittels eingebauter Thermoelemente. Er setzt die offene Eindrahtmethode ein, um die werkstückseitige Temperatur zu erfassen:
Ein Platindraht wird durch eine Bohrung in das Werkstück eingebracht und gegenüber diesem isoliert. Der Draht ragt ein wenig über die Werkstückoberfläche hinaus. Beim Überschleifen verschweißt der Platindraht immer dann mit dem Werkstück, wenn ein Schleifkorn an dieser Stelle in Eingriff kommt. Durch die Verschweißung entsteht ein Thermoelement aus den beiden Elementen Platin-Stahl. Das so entstandene Thermoelement gibt eine Spannung aus, welche auf die Werkstücktemperatur unmittelbar in der Kontaktzone schließen läßt [PEK 57]. Eine große Schwierigkeit dieser „offenen“ Anordnung besteht allerdings in der Kalibrierung dieses Systems [BRA 78] [BLA 96].
Für seine werkstückseitige Temperaturmessung nutzte Gühring die bereits von Peklenik eingesetzte und von Daude weiterentwickelte Eindrahtmethode. Bei seinen Untersuchungen befindet sich eine beidseitig isolierte 8 mm breite Platinfolie im Werkstück aus Ck45N, Abbildung 3-9. Wie in den o.g. Arbeiten wird durch Verschweißung während des Schleifprozesses ein Thermoelement erzeugt. Gühring weist nach, daß eine erhöhte Wärmeentwicklung durch steigende Zerspanleistung und Schleifscheibenumfangsgeschwindigkeit zu beobachten ist [GÜH 67], Abbildung 3-10. Eine experimentelle Bestätigung dieser Aussage trifft später Kato. Der zweite von Gühring nachgewiesene Zusammenhang zwischen steigender Werkstückgeschwindigkeit und damit verbundener Verringerung der Wärmeentwicklung wird ebenfalls durch Kato bestätigt [KAT 00].
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abbildung 3-9 Werkstück [GÜH 67]
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abbildung 3-10 Temperatur in Abhängigkeit von Schleifscheibenumfangsgeschwindigkeit und Zerspanleistung [GÜH 67]
Brandin setzt bei seinen Temperaturmessungen ebenfalls das werkstückseitige Eindrahtverfahren ein. Er kombiniert das für den Thermoelementeinbau geteilte Werkstück aus Ck45N und den eingesetzten Thermodraht aus Chromel zu einem beim Überschliff kurzzeitig entstehenden Thermopaar [BRA 78].
Einen beispielhaft von Brandin aufgezeichneten Temperatur-Zeit-Verlauf stellt Abbildung 3-11 dar.
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abbildung 3-11 Temperaturverlauf beim Überschleifen des Thermoelementes [BRA 78]
Die Bereiche A und B beschreiben den Temperaturanstieg vor dem Überschleifen des Thermoelements. Beim Überschleifen ist die Temperatur nahezu konstant, Bereich C, anschließend sinkt sie wieder auf Ausgangsniveau ab, dargestellt durch Bereich D.
Lowin geht nach der Zweidrahtmethode bei der werkstückseitigen Temperaturmessung vor. Er setzt für den Außenrund-Einstechschleifprozeß Mantelthermoelemente vom Typ Chromel-Alumel in radial angeordnete Werkstücknuten ein und sichert die Meßdatenübertragung durch einen Quecksilberdrehübertrager. Die Thermoelemente sind so eingesetzt und die Prozeßparameter entsprechend gewählt, daß die Schweiß-/Meßstelle der Thermoelemente abgeschliffen wird, also direkt in der Kontaktzone gemessen wird. Dadurch entsteht ein deutliches Spannungssignal. Er stellt anschließend fest, daß nach dem Abschleifen die Thermoelemente nach der Eindrahtmethode funktionieren, d.h. weiter meßbare Signale weitergeben. Er zeigt in seinen Versuchen, daß die Kontaktzonentemperatur mit zunehmendem Zeitspanungsvolumen und abnehmender Werkstückgeschwindigkeit ansteigt.
Bei seinen Flachschleifversuchen setzt er in ein geteiltes Werkstück eine Platinfolie ein, arbeitet also nach der Eindrahtmethode. Bezogen auf die Zustellung und die Werkstückgeschwindigkeit findet er den Zusammenhang heraus, daß bei steigender Zustellung sowie abnehmender Werkstückgeschwindigkeit die Kontaktzonentemperatur zunimmt. Lowin vergleicht Flachschleifen im Gleich- und Gegenlauf miteinander. Beim Einsatz von Kühlschmierstoff zeigt sich deutlich, daß beim Gleichlauf der Kühlschmierstoff durch die Schleifscheibe von der Kontaktzone abgeschirmt wird, eine geringere Kühlwirkung während des Schleifvorgangs ist die Folge und die anschließende Abkühlung dauert ebenfalls länger [LOW 80].
Choi nutzt für seine experimentellen Temperaturmessungen die offene sowie geschlossene Ein- und Zweidrahtmethode. Sein Thermopaar in der Kontaktzone bilden zunächst ein Platindraht und das Werkstück aus Wälzlagerstahl 100Cr6. Zur Messung in der Werkstückrandzone dient ein geschlossenes Eindrahtthermoelement aus den gleichen Materialien. Für die Zweidrahtmethode nutzt er speziell hergestellte Dünnschichtthermoelemente Ni-NiCr, welche auf die Innenseite einer Werkstückhälfte aufgedampft werden. Diese können durch mehrere Warmlötstellen die Schleiftemperaturen in verschiedenen Tiefen messen. Beim abschließenden Vergleich der auf unterschiedliche Weise gemessenen Temperaturen stellt er fest, daß einerseits die aufgedampften Thermoelemente niedrigere Temperaturen messen als durch die Eindrahtmethode möglich war (ca. 30% Abweichung) – er vermutet eine unzureichende Isolierschicht als wesentliche Ursache – und andererseits beeinflußt die Schleifscheibenspezifikation – hier CBN im Vergleich zu Korund – bei gleichen Prozeßparametern wesentlich die Höhe der zu messenden Kontaktzonentemperatur. Beim Einsatz der Korundscheibe mißt er bis zu 400°C höhere Temperaturen als beim Schleifen mit CBN [CHO 86].
Black vergleicht bei gleichen Schleifbedingungen die Eindraht- mit der Zweidrahtmethode. Zunächst setzt er beide Thermoschenkel eines Thermoelementes vom Typ K gegeneinander isoliert ins geteilte Werkstück ein. Durch Überschliff wird diese offene Anordnung geschlossen, ein Spannungssignal kann aufgezeichnet werden. Bei der eingesetzten Eindrahtmethode verwendet er lediglich den Thermoschenkel aus Chromel. Ein nach dem Einbau durchgeführter Kurzschlußtest gegenüber dem Werkstück stellt den funktionierenden Einbau sicher. Ergebnis der Versuche ist die Erkenntnis, daß je kleiner die Meßstelle ist – in diesem Fall bei der Eindrahtmethode – desto qualitativ besser ist das zu messende Signal. Diese Aussage trifft er sowohl für Trockenschleifen als auch für den Einsatz von Kühlschmierstoff. Der weitere Schritt zur Verbesserung der Anordnung im Werkstück ist laut Black die Reduzierung der Isolierschicht, also die Verringerung der Meßstelle [BLA 96].
Einen Vergleich zwischen Eindraht-, Zweidrahtmethode und Infrarotmessung führt Xu durch. Bei der Eindrahtmethode setzt er einen Konstantandraht ins Werkstück ein. Ein Thermoelement Typ K baut er 2,1 mm unterhalb der Werkstückoberfläche ein und den Infrarot Detektor platziert er 2 mm unterhalb der zu schleifenden Oberfläche. Alle drei Meßanordnungen befinden sich in demselben Werkstück. Durch mehrere Schleifversuche mißt er mit der Zweidrahtmethode sowie mit dem Infrarot Detektor steigende Temperaturen mit kleiner werdendem Abstand der Kontaktzone zu den jeweiligen Meßstellen. Das offene Thermoelement Konstantan-Stahl liegt jeweils direkt in der Kontaktzone, gibt folglich stets gleiche Spannungs-/Temperatursignale ab. Alle drei gemessenen Temperaturverläufe stimmen recht gut überein, so daß Xu bei der Empfehlung, welches Verfahren im Prozeß eingesetzt wird, lediglich auf das Ansprechverhalten der einzelnen Versuchsanordnungen eingeht. Bei der Eindrahtmethode liegt z.B. eine deutlich kürzere Ansprechzeit vor. Diese ist abhängig von der zu erwärmende Masse: je dünner die Thermoelementdrähte sind desto weniger Material muß erwärmt werden, um die Thermospannung messen zu können. [KÖR 87]. Dieser Zusammenhang führt dazu, daß dieses Verfahren bei sehr kurzen Versuchszeiten sinnvoll ist [XUA 01].
Im Rahmen einer weiteren Untersuchung, diesmal mit der Paarung Diamantscheibe-Granitwerkstück, setzte Xu werkzeugseitig einen Zweifarben-Infrarotdetektor für die Temperaturmessung ein. Während des trockenen Flachschleifprozesses zeichnet Xu sowohl Temperaturen im Werkstück als auch die Leistung an der Schleifspindel auf und errechnet mit diesen Daten die Energieverteilung zwischen Werkzeug und Schleifscheibe. Er kommt zu dem Ergebnis, daß die Schleifscheibe ca. 70% der Gesamtenergie aufnimmt. Bezüglich der Temperatur stellt er bei zunehmendem Abstand von der zu schleifenden Oberfläche abnehmende Temperaturen fest und mit größer werdender Zustellung steigt der prozentuale Energieanteil der Schleifscheibe [XUB 01].
Aussagen zur Energieverteilung zwischen Werkstück und Werkzeug präzisiert Chen. Es zeigt – vergleichbar mit Choi –, daß die Temperaturverteilung abhängig von der Schleifscheibenspezifikation ist, d.h. daß mit CBN-Schleifscheiben niedrigere Temperaturen im Werkstück, dafür aber höhere in der Schleifscheibe zu messen sind – die CBN Körner haben eine bessere Wärmeleitung – als beim Einsatz von Al2O3-Scheiben [CHE 02]. Zu gleichen Ergebnissen bezüglich der Schleifscheibenspezifikationen kommen sowohl Lavine als auch Rowe, der die offene Eindrahtmethode einsetzt [LAV 91] [ROW 95] [ROW 95a].
Das Pyrometer als Meßapparat für die Temperaturmessung setzt Deiva Nathan ein. Beim Außenrundschleifprozeß ordnet er das Pyrometer so an, daß es die Temperatur des entstehenden Funkenstrahls, die nach Deiva Nathan nahezu mit der Kontaktzonentemperatur übereinstimmt, mißt. Ziel seiner Messungen ist es, durch die Temperaturerfassung auf Schleifbrand zu schließen und diesen letztendlich zu verhindern. Er stellt zunehmende Funkenstrahltemperaturen bei steigenden Schleifscheibenumfangsgeschwindigkeiten fest [DEI 99].
Die werkstückseitige Temperaturverteilung während des Flachschleifprozesses erfaßt Weber ebenfalls mit einer Infrarotkamera, deren Projektionsfläche die zur Erzielung eines hohen Emissionskoeffizienten angeschwärzte Werkstückseite ist. Durch Erhöhung der Tischvorschubgeschwindigkeit erzielte er steilere Temperaturgradienten im Werkstück, was die Tiefe der wärmebeeinflußten Zone verringert. Die durch Wärme beeinflußte Zone im Werkstück ist also mit zunehmender Vorschubgeschwindigkeit parallel zur Schleifrichtung stärker ausgedehnt [WEB 00].
Grof nutzt die Zweidrahtmethode, um die Werkstücktemperatur zu messen. Dazu ordnet er in verschiedenen Tiefen Isotan-Manganin-Thermoelemente an, die im Probenring offen befestigt sind, im Verlauf der Schleifversuche jeweils überschliffen werden und dadurch deutliche Spannungssignale ausgeben. Er belegt den Zusammenhang, daß mit steigendem Zeitspanungsvolumen die Werkstücktemperatur zunimmt. Gleichzeitig ermittelt er den Temperaturverlauf im Werkstück durch die in unterschiedlichen Tiefen angeordneten Thermoelemente [GRO 77].
Tawakoli führte Hochleistungs-Flachschleif-Versuche mit Werkstücken durch, in die Ni/CrNi-Mantelthermoelemente vom Typ K in unterschiedlichen Tiefen eingesetzt wurden. Durch Extrapolation der während des Schleifprozesses gemessenen Temperatur im Werkstück schließt er auf die Kontaktzonentemperatur. Rowe nutzte für die Experimente, die sein Temperaturmodell beim Hochleistungsschleifen unterstützen sollen, Konstantan Thermoelemente in der Eindrahtanordnung. Als Ergebnis seiner Schleifversuche erhält Tawakoli eine tiefenabhängige und zeitlich dem Werkzeugeingriff zuzuordnende Temperaturverteilung. Bei seinen Versuchen ermittelt er eine Abnahme der Temperatur mit steigender Werkstückgeschwindigkeit. Die zunehmende Werkstückgeschwindigkeit hat eine kürzere Einwirkzeit der Wärmequelle auf das Werkstück und damit eine geringere Wärmeeinbringung zur Folge. Ebenso zeigt er den Zusammenhang zwischen Zustellung (ae) und Temperatur. Die Temperatur steigt nach seinen Untersuchungen proportional mit der Zustellung. Tawakoli erhielt wie zuvor Gühring und Grof proportional zum Zeitspanungsvolumen ansteigende Kontaktzonentemperaturen [ROW 01] [JIN 02] [TAW 90].
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abbildung 3-12 Temperatur in Abhängigkeit von Werkstückgeschwindigkeit und Zustellung [TAW 90]
Eine indirekte Temperaturmessung realisiert Shamsunder durch den in Abbildung 3-13 dargestellten Versuchsaufbau.
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abbildung 3-13 Versuchsaufbau zur Temperaturmessung [SHA 89]
In dem zu schleifenden Werkstück ist eine durchgehende Bohrung von 2 mm Durchmesser, welche die Temperaturmessung mit Hilfe des unter einem Stahlblock angeordneten Infrarotsensors an der Spitze der auf der Schleifscheibe sitzenden Diamantkörnern ermöglicht. Die Messung erfolgt sofort, nachdem das Korn im Eingriff war und nur unerheblich abgekühlt ist. Shamsunder vergleicht einerseits Temperaturen an einem einzelnen Korn sowie die Kontaktzonentemperatur beim Einsatz einer Diamantscheibe und andererseits variiert er das Werkstückmaterial – Eisen, Saphir und Stahl – um bei gleichen Prozeßkonditionen die Ergebnisse anschließend vergleichen zu können. Beim Überschleifen von Eisen registriert er 570-700°C, bei Saphir 900- 1300°C an den Schleifkörnern. Zusätzlich stellt er mit steigender Schleifscheibengeschwindigkeit zunehmende Temperaturen am Diamantkorn fest. Hinsichtlich der Abkühlgeschwindigkeit durch die Scheibenrotation belegt er, daß bereits nach einer Viertelumdrehung erhebliche Temperaturgefälle zu beobachten sind und schließt daraus, daß bereits nach einer vollen Umdrehung die Temperatur des Schleifkorn nahezu die Umgebungstemperatur erreicht hat [SHA 89].
Ein neues Verfahren zur in-process Temperaturmessung – begrenzt auf den Außenrundschleifprozeß – entwickelte Cogdell, dieses ist in Abbildung 3-14 dargestellt. Er mißt die Temperatur des hoch viskosen Kühlschmierstofffilms, der sich beim Außenrundschleifen auf der Werkstückoberfläche bildet. Die Meßstelle befindet sich ca. bei ¾ des Werkstückumfangs hinter der Kontaktzone. Es muß durch hochsensibles Andrücken des Thermoelementes sichergestellt werden, daß dieses nicht den hydrodynamischen Film durchdrückt und mit dem Werkstück in Kontakt kommt. Probleme dieser Methode sind z.B. die Werkstückausdehnung bei sehr hohen Temperaturen und die Entfernung von der Kontaktzone, weshalb die meßbaren Temperaturen deutlich geringer als die in der Kontaktzone herrschenden sind [COG 91].
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abbildung 3-14 Versuchsaufbau [COG 91]
Temperaturmessungen während des Schleifprozesses mit der PVD-Methode hat Kato durchgeführt. Das koaxial zur Schleifrichtung geteilte Werkstück wird an den Innenflächen mit einem Deposit beschichtet, dessen Schmelzpunkt exakt bekannt ist. Anschließend wird es mit hohem Druck zusammengefügt, so daß der Spalt möglichst gering ist und die Wärmeausbreitung im Werkstück wenig behindert. Während des Schleifprozesses schmilzt ein Teil des Deposits bis zu der Tiefe, in der der Schmelzpunkt des eingesetzten Materials herrscht. Unter dem Mikroskop ist die Grenze zwischen geschmolzenem und nicht geschmolzenem Deposit genau zu erkennen, Abbildung 3-15. Diese Grenze wird gebildet von der Schmelzpunktisothermen innerhalb des Werkstücks. Durch den Einsatz unterschiedlicher Deposits mit voneinander abweichenden Schmelzpunkten hat Kato gezeigt, daß die Temperatur mit wachsendem Abstand von der Kontaktzone abnimmt und gleichzeitig hat er vom Werkstückmaterial abhängige Temperaturgradienten aufgezeichnet. Es ist zu berücksichtigen, daß die Temperatur des Werkstücks in unmittelbarer Nähe der Schmelzzone höher sein kann als die Schmelztemperatur und daß die Temperatur in der nicht geschmolzenen Zone deutlich unterhalb der Schmelztemperatur liegen kann. Demzufolge kann mit dieser Methode nur eine einzelne Isotherme aufgezeichnet werden. Vorteile dieser Methode sind, daß parallel sowie senkrecht zur Schleifrichtung gemessen werden kann und die Meßstelle nicht nur punktuell ist [KAT 97].
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abbildung 3-15 Zonenverteilung im PVD Film nach dem Schleifen [KAT 97]
Um die Energieverteilung während des Flachschleifprozesses zu ermitteln, verwendet Kato ebenfalls die werkstückseitig integrierte PVD-Methode. Er bestätigt die von ihm selbst bereits aufgezeichneten Temperaturgradienten im Werkstück und zeigt, daß beim Einsatz von Diamant- bzw. CBN-Schleifscheiben niedrigere Temperaturen auftreten als z.B. beim Einsatz von Aluminiumoxidscheiben [KAT 99].
In weiterführenden Experimenten hat Kato den Einfluß einzelner Parameter auf die Werkstücktemperatur untersucht. Er setzt wiederum die oben beschriebene PVD-Methode ein und stellt fest, daß die Temperatur mit zunehmender Zustellung und Schnittgeschwindigkeit ansteigt und daß diese bei wachsender Werkstückgeschwindigkeit abnimmt, Abbildung 3-16 [KAT 00].
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abbildung 3-16 Temperatur in Abhängigkeit von der Werkstückgeschwindigkeit [KAT 00]
Eine wesentliche Einschränkung für den industriellen Einsatz dieser vorgestellten werkstückseitigen Temperaturmeßmethoden besteht darin, daß bei allen Varianten die Werkstückgeometrie für den Thermoelementeinsatz verändert werden muß.
[...]
- Quote paper
- Detlef Armin Kube (Author), 2002, Konzeptentwicklung und Verifizierung einer Versuchseinrichtung zur werkstück- und werkzeugseitigen Temperaturmessung beim Flachschleifen, Munich, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/19196
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