Vor dem Hintergrund ständig steigender Anforderungen an Werkstoffe und Bearbeitungsverfahren befasst sich die Abteilung Schleifen und Verzahnung mit der Weiterentwicklung von schleiftechnischen Anwendungen zur Bearbeitung vorwiegend metallischer Werkstoffe und Bauteile. Die wissenschaftliche Durchdringung der Wirkmechanismen bei der Zerspanung mit geometrisch unbestimmter Schneide erfordert dazu einen ganzheitlichen Ansatz, der spezifische Werkstoffeigenschaften ebenso berücksichtigt, wie die Prozesskinematik, die Werkzeugentwicklung oder die Applikation von Prozesshilfsstoffen.
Die Simulation als Mittel zur Verbesserung des Prozessverständnisses ist dabei ein unverzichtbares Hilfsmittel unserer Arbeiten. Neben grundlagenorientierten Forschungsarbeiten, die beispielsweise durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) gefördert werden, findet ein großer Teil der Forschungs- und Entwicklungsarbeit auf der Basis industrieller Kooperationsprojekte statt. Wissenschaftlich geschultes und motiviertes Personal, ein moderner Werkzeugmaschinenpark und umfangreiche Laboreinrichtungen bilden dabei die Basis für eine erfolgreiche Projektarbeit.
Als häufig letzter Schritt in einer längeren Wertschöpfungskette zur Herstellung hochwertiger Bauteile werden an die schleiftechnische Bearbeitung hohe Anforderungen in Bezug auf die Bearbeitungsqualität und die Produktivität gestellt. Hinzu kommen Forderungen an die Energie- und Ressourceneffizienz der eingesetzten Verfahren. Nur durch eine tiefgreifende Analyse können die Wechselwirkungen zwischen der Prozessgestaltung, dem zu bearbeitenden Werkstoff, den eingesetzten Werkzeugen und Prozesshilfsstoffen beherrscht werden.
In der Abteilung Schleifen und Verzahnung werden die schleiftechnischen Forschungsarbeiten in der Hauptabteilung Fertigungstechnik konzentriert. Mit dem Fokus auf eine werkstofforientierte, produktive und ressourceneffiziente Gestaltung von Prozessketten wird hier grundlagen- und anwendungsbezogene Forschungsarbeit geleistet. In diesem Spannungsfeld verknüpfen die Forschungs- und Entwicklungsarbeiten dabei das im Leibniz-Institut für Werkstofforientierte Technologien vorhandene werkstoff- und verfahrenstechnische Know-how. Die ausgereiften Entwicklungen finden in der Automobilindustrie und ihren Zulieferbetrieben Anwendung, in der Luft- und Raumfahrttechnik und anderen Schlüsselbranchen. Zusätzlich werden Innovationen in der Werkzeugtechnologie, der Medizintechnik und dem Werkzeugmaschinenbau realisiert.
Das Schwerpunktprogramm FluSimPro steht für die Entwicklung fortschrittlicher Simulationstechniken, die mechanische und fluiddynamische Prozesse für effizientes Kühlen, Schmieren und Transportieren in spanenden Fertigungsprozessen koppeln. Im Teilprojekt ViBohr des Leibniz-IWT VT/FT wird dies für das Vibrationsbohren umgesetzt.
Die zusätzliche axiale Bewegung beim vibrationsunterstützten Bohren führt zu kleineren Spänen und geringeren thermischen und mechanischen Belastungen. Durch die Minimalmengenschmierung
kann der Prozess mit deutlich geringeren Mengen an Kühlschmierstoff (KSS) betrieben werden. Die Kombination beider Technologien verbessert den Bohrprozess, erhöht aber auch die Anzahl der Prozess- und Stellgrößen, die aufeinander abgestimmt werden müssen. In 2024 wurde das gekoppelte Vibrationsbohrmodell weiterentwickelt und damit die Benetzung des Bohrgrundes und der gasvolumenstromabhängige Spantransport untersucht.
Kooperation: Leibniz-IWT VT/FT
Förderung: DFG (SPP 2231 FluSimPro)
Kontakt:
Teresa Tonn
Tel.: +49 421 218 51235
E-Mail: t.tonn@iwt.uni-bremen.de
Im Rahmen dieses Projektes soll basierend auf dem Prozesssignatur-Konzept des SFB/ TRR 136 ein Assistenzsystem zur Erkennung von unerwünschten Werkstoffmodifikationen beim Plan- und Profilschleifen von gehärteten Stählen entwickelt werden.
Hauptziel ist die Schaffung der Grundlagen und die anschließende Entwicklung sowie Erprobung eines Prototyps bei dem Anwendungspartner Blohm Jung GmbH. Das Assistenzsystem soll eine In- Prozess-Erkennung von Schleifbrand und damit von unerwünschten Randzonenmodifikationen wie z. B. Anlasszonen beim Plan- und Profilschleifen ermöglichen.
Kooperation: Blohm Jung GmbH
Förderung: DFG
Kontakt:
M.Sc. Nikolai Guba
Tel.: +49 421 218 51143
E-Mail: guba@iwt-bremen.de
Der Einsatz von Öl als Kühlschmierstoff für das Verzahnungsschleifen ist unabdingbar. Die chemischen und physikalischen Eigenschaften des Öls beeinflussen den Schleifprozess und damit die Produktivität.
Das Hauptziel dieses Projektes ist die Untersuchung des Einflusses drei unterschiedlicher Schleiföle beim diskontinuierlichen Profilschleifen von Zahnrädern. Es soll ein geeignetes Öl identifiziert werden, bei dem die thermische Belastung während des Schleifprozesses trotz eines zunehmenden zerspanten Volumens möglichst gering ist. Mit Hilfe eines solchen Öls können deutlich mehr Zahnräder geschliffen werden, bevor es zu einer thermischen Schädigung kommt und die Schleifscheibe abgerichtet werden muss.
Förderung: Kooperationsprojekt mit Fa. Master Fluid Solutions WDG GmbH
Kontakt:
M.Sc. Nikolai Guba
Tel.: +49 421 218 51143
E-Mail: guba@iwt-bremen.de
Die Ergebnisse aus FVA 758 I-III haben neben einem deutlichen Einfluss des Randschichtzustandes auch einen Werkstoffeinfluss auf die Verzahnungsschleifbarkeit gezeigt. In allen bisherigen Projektteilen konnten dabei klare Indizien für einen besonders signifikanten Einfluss der äußersten Randschicht auf die resultierende Schleifbarkeit nachgewiesen werden. Bisher fehlen allerdings Erkenntnisse und ein Verständnis zu den Ursachen dieses Einflusses.
Im vorliegenden Forschungsvorhaben konnte der große Einfluss des Werkstoffes und insbesondere der äußersten Randschicht bestätigt werden. Dies wurde u. a. durch die deutlich bessere Schleifbarkeit (bis zu Faktor 11) der hier zusätzlich berücksichtigten im Niederdruck wärmebehandelten Varianten ohne Randoxidationsschicht verdeutlicht. Zudem ist es erstmalig gelungen, klare Zusammenhänge zwischen Legierungssystem, der Ausbildung der äußersten Randschicht nach dem Einsatzhärten und der resultierenden Verzahnungsschleifbarkeit aufzudecken. Eine besondere Bedeutung ist hierbei dem Mangangehalt des Rohmaterials unter Berücksichtigung des Gesamtoxidationspotenzials PIGO des Legierungssystems zuzuschreiben.
Bearbeitung: Leibniz-IWT FT/WT
Förderung: FVA Eigenmittel
Kontakt:
Dr.-Ing. Tobias Hüsemann
Tel.: +49 421 218 51190
E-Mail: huesemann@iwt-bremen.de
Eine Verfahrensvariante des Bohrens ist das vibrationsunterstützte Bohren. Dieses zeichnet sich durch seine spezielle Prozesskinematik aus, bei der das Werkzeug zeitweise aus dem Eingriff kommt und so zu einem kinematisch erzwungenen Spanbruch führt.
Dadurch entstehen vergleichsweise kleine trichterförmige Späne, was insbesondere bei langspanenden duktilen Materialien hilfreich ist. Im Rahmen des Forschungsprojektes soll neben dem genannten vibrationsunterstützten Bohren zudem die Minimalmengenschmierung sowie dessen Interaktionen untersucht werden. Zur Gewinnung detaillierter Erkenntnisse über das Verhalten sowie die resultierenden Effekte und Wechselwirkungen der Minimalmengenschmierung (MMS) beim vibrationsunterstützten Bohren werden in diesem Projekt vielfältige Messtechniken und insbesondere numerische Simulationsmethoden eingesetzt. Ziel ist eine umfassende Kopplung des Strömungsverhaltens der MMS mit der Spanbildung des vibrationsunterstützten Bohrprozesses zu erreichen. Daraus sollen in Zukunft Auslegungsempfehlungen für den Prozess sowie Gestaltungsempfehlungen für das Werkzeug abgeleitet werden.
Kooperation: Leibniz-IWT FT/VT
Förderung: DFG (SPP 2231)
Kontakt:
M.Sc. Lukas Schumski
Tel.: +49 421 218 51152
E-Mail: schumski@iwt-bremen.de
Bei der praxisorientierten Studie wird die Fragestellung des Wirkzusammenhangs zwischen den Stell- und Systemgrößen mit den sich einstellenden Eigenspannungen nach der Finishbearbeitung systematisch analysiert. Anhand unterschiedlicher Schleifscheibenspezifikationen mit einem elastischen Bindungssystem wird eine Betrachtung der Grenzen der Bearbeitung in Abhängigkeit der resultierenden Randzoneneigenschaften durchgeführt.
Förderung: FGS – Forschungsgemeinschaft Schleiftechnik e. V.
Kontakt:
Dr.-Ing. Tobias Hüsemann
Tel.: +49 421 218 51190
E-Mail: huesemann@iwt-bremen.de
In dem Transferprojekt T07 soll eine Erhöhung der mechanischen Last im Prozess durch eine Anpassung der Systemgrößen erzielt werden.
Als Kornform mit dem größtmöglichen Spanwinkel konnte gezeigt werden, dass mit einer Kugel als Schleifkorn das Potential zur Randschichtverfestigung durch die Einstellung günstiger Druckeigenspannungen besteht. Neben den Randzoneneigenschaften wird die resultierende Rauheit der Bauteile berücksichtigt, da diese ebenfalls maßgeblich die Funktionseigenschaften bestimmt. Die theoretischen Überlegungen werden dabei durch Simulationsmodelle und Schleifversuche unterstützt.
Kooperation: Artifex Dr. Lohmann GmbH & Co. KG
Förderung: DFG
Kontakt:
Dr.-Ing. Tobias Hüsemann
Tel.: +49 421 218 51190
E-Mail: huesemann@iwt-bremen.de
Bei der Prozesszyklusgestaltung mehrstufiger Schleifprozesses werden thermische Schädigungen in der Randzone stets vermieden, da diese das Funktionsverhalten negativ beeinflussen können.
Dabei wird jedoch in der Regel nicht berücksichtigt, dass eine durch den Schruppprozess hervorgerufene Schädigung der Randzone in den nachfolgenden Prozessschritten (Schlichten und Feinschlichten) bis zu einer gewissen Tiefe wieder entfernt werden kann, solange die geforderte Endkontur des Werkstücks noch innerhalb des verbleibenden Schleifaufmaßes liegt. Ziel des Vorhabens ist die Entwicklung eines Modells, das eine systematische Berücksichtigung der Randzonentiefenbeeinflussung durch vorgelagerte Prozessschritte in die Auslegung des Schleifprozesszyklus integriert. Dies soll zu einer optimierten Schnittaufteilung und damit zu einer Produktivitätssteigerung durch verkürzte Hauptzeiten beitragen.
Förderung: DFG
Kontakt:
M.Sc. Gerrit Kuhlmann
Tel.: +49 421 218 51141
E-Mail: gkuhlmann@iwt-bremen.de
Das Nitrieren ist eine thermochemische Wärmebehandlung, bei der Stickstoff in die Bauteilrandschicht eindiffundiert wird, um die Randschichteigenschaften zu verbessern. Bei Temperaturen unterhalb von 600 °C wird eine Nitrierschicht an der Bauteiloberfläche gebildet, welche je nach Verfahrensvariante und behandelter Legierung aus Nitriden und/oder Carbonitriden besteht.
Da diese festigkeitssteigernden Ausscheidungen bis hin zur Nitriertemperatur stabil sind, wird das Nitrieren u. a. zur Verbesserung der Warmfestigkeit von Schmiedegesenken eingesetzt. Durch die geringen Prozesstemperaturen findet beim Erwärmen keine Phasenumwandlung und keine martensitische Härtung der Bauteile statt. Bedingt hierdurch kann die bauteilnahe Endfertigung bereits vor der Wärmebehandlung stattfinden. Somit wird ein Fertigungsschritt in der Prozesskette eingespart. Die Bearbeitung der Bauteile findet zumeist über spanende Fertigungsverfahren unter Zuhilfenahme von Kühlschmierstoffen statt. Hierbei führen Wechselwirkungen der Werkzeugrandschicht mit dem Bauteil und dem Kühlschmierstoff sowie der thermischen Last zu einer Entstehung von Randschichtzuständen, welche das Nitrierergebnis negativ beeinflussen. Die Abbildung zeigt beispielhafte Oberflächenzustände nach dem Schleifen mit unterschiedlichen Prozessparametern. In diesem Forschungsvorhaben wird untersucht, unter welchen Bedingungen Randschichtveränderungen während der Hartfeinbearbeitung entstehen und wie sich diese auf das Nitrieren auswirken, um eine optimale Abstimmung der einzelnen Arbeitsschritte in der Prozesskette nitrierter Werkzeuge und Bauteile zu ermöglichen.
Kooperation: Leibniz-IWT WT/FT
Förderung: BMWK-AiF/IGF (AWT)
Kontakt:
M.Sc. Nikolai Guba
Tel.: +49 421 218 51143
E-Mail: guba@iwt-bremen.de
Ziel dieses Forschungsvorhabens ist die Erforschung bislang unbekannter Wirkzusammenhänge bei der mikromagnetischen Prüfung geschliffener Verzahnungen zur Detektion thermomechanischer Randzonenschädigungen.
Aufbauend auf bereits abgeschlossenen Vorgängerprojekten werden Untersuchungen an profil- und wälzgeschliffenen Zahnrädern aus dem Einsatzstahl 20MnCr5 in verschiedenen Wärmebehandlungszuständen durchgeführt. Über zunehmende Zusetzung der Schleifscheibe (Profilschleifen) bzw. Variation von Schleifparametern (Wälzschleifen) wurden verschiedene Randzonenzustände erzeugt und ausführlich charakterisiert. Neben Barkhausenrauschmessungen und Nitalätzung wurde an einigen Flanken je Zahnrad die röntgenografische Halbwertsbreite ermittelt. Repräsentative Flanken in Anlehnung an die Nitalätzklassen wurden mittels metallografischer Schliffe, Härtemessungen und Eigenspannungstiefenverläufen charakterisiert.
Kooperation: Leibniz-IWT WT/FT
Förderung: BMWi-AiF/IGF (FVA)
Kontakt:
M.Sc. Nikolai Guba
Tel.: +49 421 218 51143
E-Mail: guba@iwt-bremen.de
Carbonitrierte, hoch restaustenithaltige Zahnräder zeichnen sich im Vergleich zu konventionell einsatzgehärteten Zahnrädern durch verbesserte mechanische Eigenschaften aus. Folglich kann im Sinne der Ressourcenschonung die Zahnradgröße sowie -masse bei gleichzeitiger Zunahme der übertragbaren Betriebslasten reduziert werden.
Eine wirtschaftliche Schleifbearbeitung derartiger Randschichtgefüge ist aber aufgrund der starken Zusetzung und des Verschleißes der Schleifscheiben zum aktuellen Zeitpunkt nicht gegeben. Mit Hilfe dieses Vorhabens soll aufgezeigt werden, dass durch den Einsatz einer auf die Schleifscheibenstruktur abgestimmten KSS-Zufuhr das technologische Prozessfenster beim diskontinuierlichen Profilschleifen von tragfähigkeitsoptimierten Zahnrädern erweitert werden kann. Dazu soll der Einfluss unterschiedlicher Schleifscheibenstrukturen auf die Schleifbarkeit tragfähigkeitsoptimierter Zahnräder und deren Interaktion mit dem KSS-Strahl systematisch untersucht und basierend auf den dabei gewonnenen Ergebnissen die KSS-Zufuhr optimiert werden.
Förderung: BMWK-DLR/IGF 23195 N/FVA 1023 I
Kontakt:
M.Sc. Lasse Jakob Arera
Tel.: +49 421 218 51144
E-Mail: arera@iwt-bremen.de
In diesem neu gestarteten Verbundvorhaben sollen die Energieeffizienz und Leistungsfähigkeit von Schleifprozessen von schwer zerspanbaren Materialien mit erhöhten Schnittgeschwindigkeiten signifikant gesteigert werden. Diese Steigerung soll u. a. durch eine optimierte KSS-Zufuhr realisiert werden. Betrachtet werden Flachschleifprozesse von Keramiken und Werkzeugschleifprozesse von Hartmetall.
Kooperation: QSIL Ingenieurkeramik GmbH, Lightway GmbH, Spreyer Werkzeug-Technik GmbH, Esgemo Schmierstofftechnik GmbH & Co KG, Präzisionsmaschinenbau Bobertag GmbH
Förderung: BMWK, PTJ
Kontakt:
B.Sc. Mona Cordes
Tel.: +49 421 218 51124
E-Mail: cordes@iwt-bremen.de
Im Anschluss an das Schleifen gehärteter Bauteile erfolgt meist eine zerstörungsfreie Prüfung auf thermo-mechanische Randzonenschädigungen. In-Prozess-Prüfmethoden ermöglichen hingegen eine frühzeitige Reaktion auf negative Veränderungen und Zeiteinsparung durch Entfall der Post-Prozess-Prüfung.
In diesem Projekt wurde das Potential einer softsensorbasierten Prozessregelung zum Ausschluss von Randzonenschädigungen bei gleichzeitig hoher Produktivität aufgezeigt. Der Softsensor kombiniert eine von kontaktflächenbezogener Schleifleistung Pc‘‘ und Kontaktzeit Δt abhängende thermische Grenze, die den Ausschluss von Anlasszonen ermöglicht, mit dem in-Prozess gemessenen Barkhausenrauschen. Bei Einsatz von CBN als Schneidstoff wurde eine Verschiebung der für Korund ermittelten Prozessgrenze beobachtet. Das Barkhausenrauschen wird neben dem erzeugten Randzonenzustand auch durch den mechanischen Effekt des Schleifscheibeneingriffs beeinflusst, der sich vor allem auf das Signal im Sättigungsbereich auswirkt.
Kooperation: Leibniz-IWT WT/FT, Fraunhofer IWU Chemnitz
Förderung: DFG (SPP 2086)
Kontakt:
Dr.-Ing. Jérémy Epp
Tel.: +49 421 218 51335
E-Mail: epp@iwt-bremen.de
