SI/502466

Schlussbericht

Schleifen ist ein energieintensiver Prozess. Als weltweit führender Exporteur von Schleifmaschinen ist es für die Schweiz wichtig, einen energieeffizienten Schleifprozess zu haben. Das Projekt RESI konzentriert sich auf die Verbesserung der Energieeffizienz im Schienenschleifprozess unter Verwendung der von inspire AG und IWF, ETH Zürich, gemeinsam entwickelten Simulationssoftware iBRUS. Dies soll durch die Auswahl der optimalen Prozessparameter erreicht werden. Das Gesamtprojekt ist in 6 Arbeitspakete unterteilt. Der vorliegende Bericht fasst die Arbeiten der Arbeitspakete 1-4 zusammen. Die Entwicklung eines kinematisch-geometrischen Simulationswerkzeuges ermöglicht die präzise Abschätzung des Materialabtrags von Einzelkornkratzern mit einer Fehlermarge von nur 6%. Diese Simulationsechnik erlaubt die Anpassung der Schleifkräfte an das Kienzle-Kraftmodell und eröffnet die Simulation von Materialabtrag und Kraftprofilen unter Verwendung von Schleifscheiben mit mehreren Körnern. Das Ergebnis der Arbeit zeigt die Robustheit des Materialabtrags bezüglich Zeitschrittgröße und der Werkstückauflösung. Darüber hinaus kann festgestellt werden, dass der spezifische Energieverbrauchs mit Hilfe von iBRUS im voraus geschätzt werden kann. Diese Abschätzung wird jedoch nie exakt sein, da es zu viele Unsicherheiten in den Experimenten für die Modellkalibierung gibt, die wiederum zu Abweichungen der Ergebnisse in den Simulationen führen. Durch Anpassungen der Prozessparameter – Schnittgeschwindigkeit und Vorschub konnte eine Einsparung des Energieverbrauchs von bis zu 12%. erreicht werden. Diese Einsparung ist jedoch abhängig von einem Modell für die Schnitttiefe und gilt nur für einen bestimmten Bereich. Da der Prozess des Schienenschleifens viele technische Eigenheiten aufweist, die in einer Simulation nur schwer zu beschreiben sind, gelten die Ergebnisse auch nur für die quasi-stationäre Phase des Prozesses. Nicht untersucht wurde ob die zur Minimierung des Energieverbrauchs gefundenen Parameter zu Schleifbrand führen können. Eine generelle Schlussfolgerung ist dass höhere Spindeldrehzahlen den Energieverbrauch senken, während höhere Vorschubgeschwindigkeiten den Energieverbrauch erhöhen. Die Grenze für höhere Spindeldrehzahlen wird durch die Schleifscheibe gesetzt, die bei zu hohen Drehzahlen versagen kann. Abschliessend lässt sich sagen, dass die Simulationen aus diesem Projekt erhebliche Fortschritte bei der Verbesserung der Energieeffizienz des Schienenschleifprozesses aufzeigen. Allerdings bleiben zu mehreren wichtige Aspekten - darunter die konstante Normalkraft, Nichtlinearitäten im Schnitttiefenmodell und das Potenzial für Schleifbrand - offene Fragen, die eine weitere experimentelle Validierung und eventuell die Neukonstruktion der Schleifwerkzeuge erfordern bevor die erwarteten Energieeinsparungen voll ausgeschöpft werden können. Aufgrund begrenzter Zeit und Ressourcen wurde der Schwerpunkt dieses Projektes darauf gelegt, die optimalen Prozessparameter für das in der Praxis am häufigsten verwendete Werkzeug zu finden. Damit wird eine bessere Ausganslage für weitere Schritte wie die Entwicklung neuer Schleifscheiben und deren Einsatz in Feldversuchen geschaffen.