GrIntCool

Im Forschungsprojekt „GrIntCool“ (Grinding with intelligent coolant supply) beschäftigen sich Prof. Dr.-Ing. Wilfried Saxler (Projektleiter) und Roman Stabauer M.Eng. (wissenschaftlicher Mitarbeiter) mit der Gefahr von Schleifbrand und Schleifscheibenzusetzung. Durch die Entwicklung einer geregelten und intelligenten Kühlschmierstoff-Kombinationsdüse für den Schleifprozess soll diesem Problem entgegengewirkt werden. Ein Kooperationsprojekt des Instituts für Werkstoff und Fertigungstechnik der RFH Köln und der Grindaix GmbH.

Eine Besonderheit des Schleifens ist der Materialabtrag durch eine Vielzahl an Schneiden bei hohen Schnittgeschwindigkeiten. Dadurch können hohe Form- und Maßgenauigkeiten ebenso erreicht werden, wie auch - vor allem durch die Entwicklung synthetischer, hochharter Schneidstoffe wie Diamant und CBN - hohe Materialabtragsraten. Im Vergleich zur Zerspanung mit geometrisch bestimmter Schneide müssen beim Schleifen bedeutend höhere spezifische Energien zur Zerspanung eines Werkstoffvolumens eingesetzt werden. Dadurch kann es aufgrund mechanischer und thermischer Belastung bei der Zerspanung zu unerwünschten Änderungen der Gefügeeigenschaften in der oberflächennahen Randzone kommen. Beispielsweise zu einer Änderung der Zähigkeit oder der Härte.

Eine adäquate Schmierung und Kühlung ist speziell bei hohen Materialabtragsraten zur Vermeidung unerwünschter Gefügeeigenschaften geschliffener Bauteile unerlässlich. Der Einsatz von Kühlschmierstoff kann die Maß- und Formgenauigkeit, Oberflächengüte und Randzoneneigenschaften positiv beeinflussen. Aufgrund der großen Kontaktfläche zwischen Schleifscheibe und Werkstück sowie der hohen Schnittgeschwindigkeit, wird die Kühlung der Wirkstelle erschwert. Außerdem führen die hohen Schnittgeschwindigkeiten zu der Bildung eines Luftpolsters um die Schleifscheibe, die eine Ablenkung des Kühlschmierstoffstrahls bewirkt.

Eine weitere Problematik beim Schleifen ist die Zusetzung der Schleifscheibe. Die Gefahr von Zusetzung besteht vor allem bei der Bearbeitung von duktilen Stahlwerkstoffen oder Nickelbasislegierungen. Im Zuge des Schleifvorganges findet eine Relativbewegung zwischen Schleifwerkzeug und Werkstück statt. Die freiwerdenden Späne werden unter anderem auch in den Spanräumen zwischen den einzelnen Schleifkörnern aus der Kontaktzone zwischen Schleifscheibe und Werkstückoberfläche abtransportiert. Je nach Schleifprozess und zu zerspanendem Werkstoff setzen sich die Späne in den Spanräumen fest, so dass sie diese dauerhaft verstopfen. Durch das Zusetzen und/oder ein zu hohes Spanungsvolumen wird der Transport des Kühlmediums in die Kontaktzone erschwert und die Griffigkeit der Scheibe wird reduziert. Die Prozesskräfte und -temperaturen nehmen zu. Oberflächenrauheit sowie das Schleifbrandrisiko steigen und die Maßgenauigkeit geht verloren. Im Randgefüge des Bauteils bilden sich sogenannte „Schleifbrand-Zonen“, die eine hohe Zugspannung aufweisen. Diese können zu schleifbrandinduzierten Mikrorissen führen und bei einer späteren Belastung der Bauteile zum Bauteilversagen führen können.

Das Forschungsprojekt GrIntCool löst die skizzierte Problematik durch die Entwicklung einer intelligenten, speziell für das Projekt entwickelten, KSS-Kombinationsdüse. Die Regelung erlaubt es die verschiedenen Kammern der Kombinationsdüse je nach Veränderung der Schleifkräfte, der Wirkleistung sowie ggf. der Köperschallsignale so anzusteuern, dass Schleifbrand bzw. Zusetzung beim Schleifen vermieden wird. Die einzelnen Düsen der Kombinationsdüse werden hinsichtlich der Position, des Druckes sowie des Volumenstroms und somit der Strömungsgeschwindigkeit geregelt. Innerhalb des Forschungsprojektes wird zusätzlich zur Regelungsstrategie die dazugehörige bereits erwähnte Multifunktionsdüse entwickelt. Diese Düse soll alle Hauptaufgaben der KSS-Zufuhr beim Schleifen, wie Luftpolsterabtrennung, Reinigung, Kühlung und Schmierung der Kontaktzone sowie des Schleifspalts erfüllen. Diese einzelnen Funktionsdüsen sollen je nach Bedarf einzeln angesteuert werden können.

Die geplante Neuentwicklung grenzt sich signifikant von bisherigen industriefernen Teillösungen, durch das Entgegenwirken aller am Schleifprozess auftretenden Probleme durch eine einzige Düse und insbesondere der Regelungsstrategie ab. So soll zusammenfassend für das Schleifen von zusetzungsgefährdeten Werkstoffen eine Prozessstrategie erstellt werden, die unter besonderer Berücksichtigung der KSS-Zufuhr einen sicheren, produktiven, wirtschaftlichen und qualitativ hochwertigen Schleifprozess bereitstellen soll. Der Fokus liegt hierbei neben der Produktivität auf einer hohen Oberflächengüte, hohen Maßtoleranz, guten Profiltreue und der Vermeidung von Schleifbrand.

Projektname:
„GrIntCool“ - Grinding with intelligent coolant supply

Projektträger:
AiF Projekt GmbH (Projektträger des BMWi)

Förderprogramm:
Zentrales Innovationsprogramm Mittelstand (ZIM)
      
Projektform:
Kooperationsprojekt
      
Partner:
Grindaix GmbH (KMU)
iWFT der RFH Köln gGmbH (Forschungseinrichtung)
      
Projektdurchführung (RFH):
Prof. Dr.-Ing. Wilfried Saxler (Projektleiter)
Roman Stabauer M.Eng. (Wissenschaftlicher Mitarbeiter)
      
Projektzeitraum:
01.01.2018 – 30.06.2020

Kontakt:
M.Eng. Roman Stabauer
Raum: V5-203
Telefon: 0221 54687-9047
E-Mail: