Quasistatische Schleifbelastung durch adaptive Prozessregelung beim Verzahnungsschleifen
Der Graduate School of Excellence advanced Manufacturing Engineering der Universität Stuttgart
zur Erlangung der Würde eines Doktoringenieurs (Dr.-Ing.) genehmigte Abhandlung
Vorgelegt von Dipl.-Ing. Yiwen Xu
aus Shanghai
Hauptberichter: Prof. a. D. Dr.-Ing. Prof. E. h. Dr.-Ing. E. h. Dr. h.c. multi.
Engelbert Westkämper Mitberichter: Prof. Dr.-Ing. Klaus Dröder
Tag der mündlichen Prüfung: 02.02.2017
Graduate School of Excellence advanced Manufacturing Engineering & Institut für Industrielle Fertigung und Fabrikbetrieb der Universität Stuttgart
2017
D 93 (Diss. Universität Stuttgart)
Shaker Verlag Aachen 2017
Berichte aus der Fertigungstechnik
Yiwen Xu
Quasistatische Schleifbelastung durch adaptive
Prozessregelung beim Verzahnungsschleifen
Bibliografische Information der Deutschen Nationalbibliothek
Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über http://dnb.d-nb.de abrufbar.
Zugl.: Stuttgart, Univ., Diss., 2017
Copyright Shaker Verlag 2017
Alle Rechte, auch das des auszugsweisen Nachdruckes, der auszugsweisen oder vollständigen Wiedergabe, der Speicherung in Datenverarbeitungs- anlagen und der Übersetzung, vorbehalten.
Printed in Germany.
ISBN 978-3-8440-5255-8 ISSN 0945-0769
Shaker Verlag GmbH • Postfach 101818 • 52018 Aachen Telefon: 02407 / 95 96 - 0 • Telefax: 02407 / 95 96 - 9 Internet: www.shaker.de • E-Mail: info@shaker.de
Danksagung I
Danksagung
Die vorliegende Arbeit entstand während meiner industriellen Promotion in Form eines Industrieprojektes bei ZF Friedrichshafen AG in der Division Nutzfahrzeugtechnik. Die wissenschaftliche Betreuung fand am Institut „Graduate School of Excellence advanced Manufacturing Engineering & Institut für Industrielle Fertigung und Fabrikbetrieb der Universität Stuttgart“ statt.
Meinem ersten Abteilungsvorgesetzten bei ZF Friedrichshafen AG, Herrn Oliver Bleicher möchte ich zuerst für sein Engagement bei der Bereitstellung des Arbeitsplatzes und für seine Projekteinführung herzlich danken.
Meinem akademischen Betreuer von der Universität Stuttgart, Herrn Professor Dr. Engelbert Westkämper danke ich für die Übernahme der wissenschaftlichen Betreuung dieser Arbeit und für anregungsreiche Fachdiskussionen.
Herrn Professor Dr. Klaus Dröder danke ich für die Übernahme des Mitberichtes.
Bei folgenden weiteren Kollegen von ZF Friedrichshafen AG möchte ich mich bedanken:
Einen großen Dank möchte ich Herrn Dr. Herman Yakaria für die fachliche Betreuung dieser Arbeit aussprechen. Auch bei Herren Tobias Kösler und Thomas Ackermann möchte ich mich für die fachliche Unterstützung bedanken. Durch zahlreiche Fachdiskussionen mit diesen Herren entstanden hilfreiche Gedankenanstöße, die zur Lösungsfindung dieser Arbeit beigetragen haben.
Mein besonderer Dank gilt Herrn Falko Fahnauer. Durch seine technische Unterstützung konnte das Prototypsystem des Arbeitsergebnisses realisiert werden.
Herrn Karlheiz Schätzle danke ich für seine organisatorische Unterstützung im Unternehmen.
Herren Johann Martello, Wolfram Aicher und Alfred Knörle danke ich für die kooperative Zusammenarbeit im Unternehmen und für die Bereitstellung von personellen und materiellen Ressourcen für die durchgeführten Versuche.
II Danksagung Ein großer Dank geht auch an zahlreiche Praktikanten und Bacheloranden bzw.
Masteranden, wie Herren Philipp Bader, Jens Anstenberger, Max Köchig, Meikun Wu, Christoph Tzschoch und Touffo Tsoffo, die maßgeblich an dieser Arbeit mitgewirkt haben.
Bei folgenden Personen von Liebherr Verzahntechnik GmbH möchte ich mich bedanken:
Herrn Dr. Wolfgang Mehr, Herrn Florian Schuon und Herrn Thomas Breith danke ich für die technische Unterstützung bei den durchgeführten Grundlagenversuchen.
Frau Barbara Fendt danke ich für ihre organisatorische Unterstützung bei der Terminierung der Versuchsmaschine.
Bei Herrn Manfred Zankl bedanke ich mich besonders für die Hilfen und zahlreiche Tipps bezüglich der Bedienung der Versuchsmaschine.
Bei folgenden Personen von der Universität Stattgart möchte ich mich bedanken:
Mein besonderer Dank gilt Herrn Hans-Friedrich Jacobi, meinem Mentor, für das hohe Engagement bei der Gestaltung der wissenschaftlichen Ausbildungsprogramme und für zahlreiche Tipps für die Erstellung von wissenschaftlichen Arbeiten.
Frau Professorin Dr. Sylvia Rohr und Frau Corinna Noltenius danke ich für die Hilfe bei der Abwicklung des Promotionsprozesses.
Mein letzter jedoch größter Dank geht an meine Eltern Ming Lu und Xiao Xu sowie meine Frau Ying Ying für die Ausdauer, Ruhe und Geduld in den letzten, nicht einfachen Jahren.
Inhaltsverzeichnis III
Inhaltsverzeichnis
Inhaltsverzeichnis ... III Formelzeichen und Abkürzungen ... VIII Kurzfassung ... XV
1 Einleitung ... 1
1.1 Ausgangssituation ... 1
1.2 Problemstellung ... 2
1.3 Zielsetzung und Aufgabenstellung ... 4
1.4 Vorgehensweise und Aufbau der Arbeit ... 5
2 Stand der Wissenschaft und Technik ... 7
2.1 Prozessüberwachung und -regelung für spanende Fertigungsverfahren ... 7
2.1.1 Signalbasierte Methoden ... 9
2.1.2 Modellbasierte Methoden ... 10
2.1.3 Wissensbasierte Methoden ... 11
2.1.4 Fazit ... 14
2.2 Grundlagen des kontinuierlichen Wälzschleifens von Verzahnungen ... 16
2.2.1 Definition von Schleifbelastung ... 16
2.2.2 Prozesskinematik und -eigenschaften des kontinuierlichen ... Wälzschleifens ... 18
2.3 Modelle des Verzahnungsschleifens ... 21
2.3.1 Kinematisch-geometrische Modelle ... 21
2.3.2 Finite-Elemente-Modelle ... 22
2.3.3 Regressionsmodelle ... 23
2.3.4 Analytische Modelle ... 23
2.3.5 Fazit ... 24
2.4 Messtechnische Ansätze für die Prozesszustandserfassung beim Schleifen .. 25
2.4.1 Erfassung der Maschinenschwingungen ... 25
2.4.2 Erfassung der Motorleistungen der Maschinenachsen ... 26
2.4.3 Erfassung der Schleifkraft ... 27
2.4.4 Erfassung der Schleiftemperatur in der Kontaktzone ... 27
2.4.5 Sonstige Messverfahren ... 28
2.5 Fazit des Standes der Wissenschaft und Technik ... 28
3 Analyse des Verzahnungsschleifprozesses ... 32
3.1 Fertigungsrelevante Einflussgrößen auf die Schleifbelastung ... 32
3.1.1 Vorgegebene Einflussgrößen ... 33
IV Inhaltsverzeichnis
3.1.2 Abweichende Einflussgrößen ... 35
3.2 Bewertung kritischer Einflussgrößen mithilfe der FMEA-basierten ... Bewertungsmethode ... 36
3.2.1 Bewertungssystematik ... 36
3.2.2 Zusammenfassung der Bewertungsergebnisse ... 37
4 Entwicklung des adaptiven Prozessregelungssystems ... 40
4.1 Konzept des adaptiven Prozessregelungssystems ... 40
4.2 Methodische Vorgehensweise zur Entwicklung der Funktionsbausteine ... 41
5 Versuchseinrichtungen ... 44
5.1 Versuchsmaschine ... 44
5.2 Versuchswerkstücke ... 45
5.3 Versuchswerkzeuge ... 46
5.3.1 Schleifwerkzeuge ... 46
5.3.2 Abrichtwerkzeuge ... 46
5.4 Mess- und Analysetechnik... 46
5.4.1 Erfassung maschinensteuerungsintegrierter Antriebssignale ... 48
5.4.2 Erfassung der Maschinenschwingungen ... 48
5.4.3 Signalanalysetechnik ... 49
5.4.4 Verzahnungsmessung ... 50
5.4.5 Zahnweitenmessung ... 50
5.4.6 Rauheitsmessung ... 50
5.4.7 Statistische Versuchsplanung und Analyse ... 50
6 Maschinen- und aggregatbedingte Störgrößen auf die Messsysteme ... 52
6.1 Störgrößen auf die Stromwerte der Antriebssignale ... 52
6.1.1 Kühlschmierstoffbedingte Störgrößen auf die Stromwerte der B1- ... Werkzeugspindelachse ... 54
6.1.2 Unterdrücken des Signalrauschens der Stromwerte ... 61
6.2 Störgrößen auf die Schwingungssignale ... 63
6.2.1 Grundlagen der Spektralanalyse zur Signalauswertung ... 63
6.2.2 Spektralanalyse der Schwingungssignale ... 64
6.2.3 Fazit ... 67
7 Wiederholgenauigkeitsuntersuchung ... 68
7.1 Begriffsbestimmung ... 68
7.1.1 Versuchsmethodik ... 68
7.1.2 Versuchsplan ... 72
7.1.3 Versuchsergebnisse ... 73
Inhaltsverzeichnis V
8 Berechnung der Schleifbelastung ... 76
8.1 Methode für die Ermittlung des effektiven Spindelstroms für das ... Prozessregelungssystem ... 76
8.2 Serienaufnahme effektiver Spindelströme ... 79
8.3 Entwicklung eines analytischen Rechenmodells für das lokale Kontaktverhältnis beim kontinuierlichen Wälzschleifen ... 81
8.3.1 Der Modellansatz für das lokal bezogene Zeitspanvolumen ... 81
8.3.2 Die Geschwindigkeiten des Kontaktpunktes ... 82
8.3.3 Das Kontaktvolumen ... 87
8.3.4 Modellvalidierung ... 92
8.3.5 Erweitertes Modell für das globale Zeitspanvolumen ... 93
8.3.6 Fazit ... 95
9 Ermittlung der Schleifbelastungsgrenze ... 96
9.1 Voruntersuchung zur Ermittlung des Werkzeugverschleißverhaltens ... 96
9.1.1 Versuchsplan ... 97
9.1.2 Versuchsergebnis ... 98
9.1.3 Fazit ... 102
9.2 Hauptversuch zur Ermittlung der werkstückspezifischen Prozessgrenze ... 103
9.2.1 Versuchsplan ... 104
9.2.2 Entscheidungsrelevante Werkstückqualitätsmerkmale ... 105
9.2.3 Versuchsergebnis der werkstückspezifischen Grenzwertfindung ... 106
9.2.4 Grenze der Schleifleistung ... 109
9.2.5 Zwischenfazit ... 111
9.3 Werkstückunabhängige Grenzwertfindung ... 112
9.3.1 Bezogene Schleifleistungsreduktion zur Beschreibung des ... Werkzeugverschleißes ... 112
9.3.2 Verfahren zur werkstückunabhängigen Grenzwertfindung ... 114
9.3.3 Validierung des Verfahrens zur werkstückunabhängigen ... Grenzwertfindung ... 117
9.3.4 Mathematische Abbildung des Signalverlaufes der grenzwertigen ... Schleifleistung ... 118
9.4 Modifizierung des Signalverlaufes der grenzwertigen Schleifleistung ... 119
9.5 Zwischenfazit ... 121
10 Untersuchung des Einflusses von Vorschubänderung auf die ... Werkstückqualität ... 122
VI Inhaltsverzeichnis
10.1Theoretische Ursachen- und Wirkungsanalyse ... 122
10.2Strategie für definierte Vorschubänderungen ... 124
10.3Vorversuch zur Plausibilisierung des Einflusses von Vorschubänderung auf die . Werkstückqualität ... 125
10.3.1 Versuchsplan ... 126
10.3.2 Versuchsergebnis ... 126
10.4Hauptversuche zur Ermittlung der Grenze der Vorschubänderung ... 128
10.4.1 Versuchsplan ... 128
10.4.2 Versuchsergebnis ... 129
10.5Fazit ... 130
11 Strategien der Prozessregelung und -überwachung ... 131
11.1Schleifleistungskennfeldabhängige Prozessregelung ... 131
11.1.1 Entwurf des Reglers ... 131
11.1.2 Definition der Schleifleistungskennfelder ... 133
11.2Prozessüberwachung zur Erkennung vom Luftschleifen ... 134
11.3Prozessüberwachung zur Erkennung falsch positionierter KSS-Zuführung ... 135
11.4Fazit ... 136
12 Prototypenbau des adaptiven Prozessregelungssystems ... 138
12.1Aufbau des Prototyps ... 138
12.2Regelkreis des Prozessregelungssystems ... 139
13 Validierung des Prototypsystems ... 141
13.1Funktionsvalidierung der Prozessregelung und -überwachung ... 141
13.1.1 Signalanalyse des Schleifvorgangs mit Regelung ... 141
13.1.2 Nachweis der Werkstückqualitätsanforderungen ... 142
13.2Kosten- und Nutzenanalyse ... 146
13.2.1 Einsparpotential der Schleifzeit ... 146
13.2.2 Wirtschaftlichkeitsrechnung ... 147
14 Zusammenfassung und Ausblick ... 149
Literaturverzeichnis ... 152
15 Anhang ... 166
15.1Bewertung der Einflussgrößen auf die Schleifbelastung in Anlehnung an ... FMEA ... 166
15.2Komplexe Spektralanalyse der Schwingungssignale ... 167
15.2.1 Platzierung: oben; Messrichtung: X1-Zustellachse ... 167
15.2.2 Platzierung: oben; Messrichtung: Z1-Vorschubachse ... 169
15.2.3 Platzierung: seitlich; Messrichtung: V1-Shiftachse ... 171
Inhaltsverzeichnis VII 15.2.4 Platzierung: seitlich; Messrichtung: X1-Zustellachse ... 173
15.2.5 Platzierung: seitlich; Messrichtung: Z1-Vorschubachse ... 175
