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
Zielsetzung & Themen
Ziel der Arbeit ist die Konzeption und experimentelle Verifizierung einer Versuchseinrichtung zur werkstück- und werkzeugseitigen Erfassung von Temperatursignalen beim Flachschleifen, um die thermische Prozeßüberwachung durch in-process Messungen zu verbessern.
- Entwicklung und Aufbau von Meßketten für Werkzeug und Werkstück
- Experimenteller Funktionsnachweis mittels stationärer Spannungs- und Wärmequellen
- Kalibrierung der verwendeten Thermoelemente vom Typ K
- Einsatz eines Telemetriesystems zur drahtlosen Datenübertragung aus der rotierenden Schleifscheibe
- Durchführung von Flachschleif-Stichversuchen und Auswertung der Temperatursignale
Auszug aus dem Buch
3.5.1. Das Thermoelement
Das Thermoelement ist ein Temperaturaufnehmer, der unter Nutzung seiner thermo elektrischen 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 M und der Vergleichsstellentemperatur V.
Zusammenfassung der Kapitel
1. Abstract: Gibt einen kurzen Überblick über die Entwicklung der Meßketten zur Prozeßüberwachung und die erfolgreiche Durchführung erster Stichversuche.
2. Aufgabenstellung und Zielsetzung: Erläutert die Bedeutung der in-process Temperaturerfassung beim Schleifen zur Qualitätsüberwachung und definiert die Zielsetzung der Arbeit.
3. Technologischer Kenntnisstand: Bietet eine tiefgehende Literaturanalyse zu Schleifprozessen, Energiebilanzen und bestehenden Temperaturmessverfahren, insbesondere zur Eindraht- und Zweidrahtmethode.
4. Konzeptentwicklung: Beschreibt die theoretische Auswahl der Thermoelemente sowie die Konzeption der werkstück- und werkzeugseitigen Meßanordnungen.
5. Aufbau der Meßkette und Funktionsnachweis: Dokumentiert detailliert den hardwareseitigen Aufbau der Meßsysteme und die erfolgreiche Validierung der Komponenten durch stationäre Prüfquellen.
6. Durchführung der Stichversuche: Beschreibt die Versuchsbedingungen, die Vorbereitung der Werkzeuge und Werkstücke sowie die Parameter der durchgeführten Schleifversuche.
7. Darstellung und Diskussion der Versuchsergebnisse: Analysiert die Messergebnisse der Stichversuche und diskutiert kritisch die Herausforderungen bei der Integration der Sensoren in Werkstück und Werkzeug.
8. Zusammenfassung der Ergebnisse und Ausblick: Fasst die gewonnenen Erkenntnisse zusammen und zeigt Potenziale für zukünftige Arbeiten sowie für eine Miniaturisierung der Sensorik auf.
Schlüsselwörter
Flachschleifen, Temperaturmessung, Thermoelement, in-process Monitoring, Kontaktzonentemperatur, Telemetriesystem, Schleifprozeß, Energieverteilung, Seebeck-Effekt, Meßkette, Prozeßüberwachung, Werkzeugverschleiß, Zerspanung, Signalübertragung.
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in dieser Studienarbeit grundsätzlich?
Die Arbeit befasst sich mit der Entwicklung und Verifizierung eines Messaufbaus, der Temperaturen direkt in der Kontaktzone zwischen Werkzeug und Werkstück während des Flachschleifprozesses erfassen soll.
Was sind die zentralen Themenfelder der Arbeit?
Zu den zentralen Themen gehören die Thermoelementtechnik, die drahtlose Datenübertragung mittels Telemetrie in rotierenden Systemen sowie die experimentelle Bestimmung von Wärmeaufteilungsfaktoren beim Schleifen.
Was ist das primäre Ziel der Untersuchung?
Ziel ist es, eine belastbare Versuchseinrichtung zu schaffen, die es ermöglicht, Temperatursignale sowohl werkzeug- als auch werkstückseitig aufzuzeichnen und somit einen Beitrag zur Optimierung der Prozessführung zu leisten.
Welche wissenschaftliche Methode wird zur Messung verwendet?
Es werden thermoelektrische Messprinzipien (vornehmlich Typ K Thermoelemente) eingesetzt, wobei sowohl Eindraht- als auch Zweidrahtanordnungen hinsichtlich ihrer Praxistauglichkeit evaluiert werden.
Was wird im Hauptteil der Arbeit behandelt?
Der Hauptteil umfasst den detaillierten Aufbau der Messketten, deren Kalibrierung unter kontrollierten Bedingungen sowie die Durchführung von Stichversuchen unter variierenden Prozessparametern.
Welche Schlüsselwörter charakterisieren diese Arbeit am besten?
Schlüsselwörter sind unter anderem Flachschleifen, in-process Monitoring, Kontaktzonentemperatur, Telemetrie und Thermoelement-Messtechnik.
Warum ist die werkzeugseitige Temperaturmessung im Vergleich zur werkstückseitigen Messung komplexer?
Die werkzeugseitige Messung erfordert eine rotierende Datenerfassung, was den Einsatz eines Telemetriesystems zur drahtlosen Signalübertragung notwendig macht, sowie den Einbau der Sensoren direkt in das rotierende Schleifwerkzeug.
Welche Rolle spielt der Werkzeugbruch im letzten Stichversuch?
Der provozierte Werkzeugbruch diente dazu, extrem hohe thermische Belastungen und damit verbundene deutliche Temperatursignale zu erzeugen, um die Funktionsfähigkeit des Messaufbaus auch unter außergewöhnlichen Belastungsbedingungen zu testen.
- Arbeit zitieren
- Detlef Armin Kube (Autor:in), 2002, Konzeptentwicklung und Verifizierung einer Versuchseinrichtung zur werkstück- und werkzeugseitigen Temperaturmessung beim Flachschleifen, München, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/19196
