A plasma arc erosion process can be used to create metal and metal oxide particles in the ultra-fine size range (<70 µm). An electric arc is struck between two metallic electrodes, submerged in water, melting the surface of the electrodes. When the arc collapses a high energy pressure wave strikes the molten surface of the electrode. When the pressure wave strikes the molten metal, small metallic particles are created from the molten metal and are immediately cooled in the water. Previous research developed a process that used a constant current power supply and electrode motion to create ultra-fine particles. This research improves upon previous research by using a pulsed power supply similar to those used in Electrical Discharge Machining (EDM). The pulsed power supply eliminates the need for electrode motion and improves the rate of particle production, provides control over size of the particles created, and reduces the amount of energy needed to produce the particles. The new process improves the maximum particle production rate from 3.6 g/hr to 14 g/hr, provides a method to control the mean diameter of the particles produced, and reduces the amount of energy needed from 200 kWh/kg(previous constant current process) to 10.6 kWh/kg(using the pulsed power supply).

Die Schleifbearbeitung ist häufig ein abschließender Bearbeitungsschritt, dessen Misserfolg zu hohen wirtschaftlichen Verlusten führt. Um im Vorfeld stabile Prozessparameter und optimale Schleifbahnen finden und den Bearbeitungsablauf simulativ testen zu können, werden Modelle benötigt, die die Zusammenhänge über physikalische Gesetzmäßigkeiten abbilden. In dieser Arbeit sind speziell für das Werkzeugschleifen charakteristische Eigenschaften systematisch untersucht und ein Gesamtmodell des Schleifprozesses aufgebaut worden. Die untersuchten Haupteinflüsse sind dabei die aufgrund der starken Geometrieänderung durch den Nutenschleifprozess zeitlich veränderlichen dynamischen Eigenschaften des Werkstücks und die Anregung durch die Rotation und Topographie der Schleifscheibe. Analysiert werden darüber hinaus der Materialabtrag und die Schleifkräfte in Abhängigkeit der Prozessparameter. Die Ergebnisse der Untersuchung dienen als Basis zum Aufbau effizienter, überwiegend auf physikalischen Gesetzmäßigkeiten beruhender Einzelmodelle. Mit dem gekoppelten Gesamtmodell lassen sich Schleifbearbeitungen an einseitig eingespannten und lang auskragenden Werkstücken hochdynamisch und bis zu einigen Minuten abbilden. Es können die Schleifkräfte sowie die Geometriefehler der geschliffenen Werkstücke aufgrund ihrer Durchsenkung berechnet und eine Abschätzung der Werkstücktemperatur durchgeführt werden. Darüber hinaus lässt sich das Schleifmodell zur Anpassung der Schleifbahn nutzen um die Geometriefehler zu reduzieren und die Effizienz der Bearbeitung zu steigern. Durch die physikalisch begründeten Modelle ist die systematische Untersuchung des Schleifens und der Wechselwirkungen möglich, wodurch das Verständnis des Schleifprozesses erweitert wird. / As final machine processing mostly grinding is used so failure of this production step leads to high economic losses. To avoid instable process condition, to adapt the grinding wheel path, and to simulate grinding setups in advance, efficient and physically based models are need. In this work especially the tool grinding process is analysed and characteristically effects are investigated to build up an overall grinding model. The main effects are thereby the time variant dynamical properties of the workpiece due to strong geometry changes during the flute grinding process and the excitation due to the rotation and topography of the grinding wheel. Additionally analysis of the contact conditions and grinding forces in dependency of the predefined process parameters are carried out. Based on the results of these investigation efficient models are build up to represent the behaviour mostly by physical laws. With the coupled model, grinding processes of one-sided clamped and long cantilevering workpieces can be simulated high dynamically over several minutes. It is possible to predict grinding forces and geometry errors of the ground flute due to deformation of the workpiece. Additionally the temperature of the workpiece can be estimated. Furthermore the grinding wheel path can be adapted and tested to reduce geometrical errors and to increase the efficiency of the manufacturing process. With these physically based models systematically investigations of the grinding process and the interaction are possible. With this simulation the understanding of grinding can be enhanced which is important to adapt the manufacturing process.

Die Schleifbearbeitung ist häufig ein abschließender Bearbeitungsschritt, dessen Misserfolg zu hohen wirtschaftlichen Verlusten führt. Um im Vorfeld stabile Prozessparameter und optimale Schleifbahnen finden und den Bearbeitungsablauf simulativ testen zu können, werden Modelle benötigt, die die Zusammenhänge über physikalische Gesetzmäßigkeiten abbilden. In dieser Arbeit sind speziell für das Werkzeugschleifen charakteristische Eigenschaften systematisch untersucht und ein Gesamtmodell des Schleifprozesses aufgebaut worden. Die untersuchten Haupteinflüsse sind dabei die aufgrund der starken Geometrieänderung durch den Nutenschleifprozess zeitlich veränderlichen dynamischen Eigenschaften des Werkstücks und die Anregung durch die Rotation und Topographie der Schleifscheibe. Analysiert werden darüber hinaus der Materialabtrag und die Schleifkräfte in Abhängigkeit der Prozessparameter. Die Ergebnisse der Untersuchung dienen als Basis zum Aufbau effizienter, überwiegend auf physikalischen Gesetzmäßigkeiten beruhender Einzelmodelle. Mit dem gekoppelten Gesamtmodell lassen sich Schleifbearbeitungen an einseitig eingespannten und lang auskragenden Werkstücken hochdynamisch und bis zu einigen Minuten abbilden. Es können die Schleifkräfte sowie die Geometriefehler der geschliffenen Werkstücke aufgrund ihrer Durchsenkung berechnet und eine Abschätzung der Werkstücktemperatur durchgeführt werden. Darüber hinaus lässt sich das Schleifmodell zur Anpassung der Schleifbahn nutzen um die Geometriefehler zu reduzieren und die Effizienz der Bearbeitung zu steigern. Durch die physikalisch begründeten Modelle ist die systematische Untersuchung des Schleifens und der Wechselwirkungen möglich, wodurch das Verständnis des Schleifprozesses erweitert wird.:Inhaltsverzeichnis Formelverzeichnis VII Kurzfassung XI Abstract XII 1 Einleitung und Ziel der Arbeit 1 2 Stand desWissens und der Forschung 4 2.1 Modellvorstellung des Schleifprozesses 5 2.2 Schleifprozessmodelle 7 2.2.1 Kinematikmodelle 9 2.2.2 Schleifkraftmodelle 14 2.2.3 Temperaturmodelle 17 2.3 Prozessdynamik 19 2.3.1 Schwingungen 19 2.3.2 Rattererkennung im Zeitbereich 21 2.3.3 Rattererkennung im Frequenzbereich 22 3 Analyse und Modellierung der Systemstruktur 24 3.1 Charakterisierung der Dynamikeigenschaften des Werkstücks 26 3.2 Maschinentisch und Werkstückeinspannung 29 3.3 Modellierung der Werkstückstruktur 34 3.4 Parameterbestimmung für das Strukturmodell und Einflussanalyse 41 4 Analyse und Modellierung der Anregungsmechanismen 51 4.1 Dynamische Einflüsse beim Schleifen 51 4.2 Charakterisierung der Schleifscheibeneinflüsse auf die Werkstückdynamik 53 4.3 Modellierung der Schleifscheibentopographie 56 4.4 Schleifscheibenverschleiß 63 4.5 Implementierung des Schleifscheibenmodells im Gesamtmodell 67 5 Kontaktmodellierung und Prozesseinflussanalyse 69 5.1 Kontaktanalyse und Schleifkraftberechnung 69 5.2 Materialabtragsmodellierung 78 5.3 Prozesseinflussanalyse auf die Schleifkraft 83 5.3.1 Einfluss der Schleifscheibentopographie 84 5.3.2 Einfluss der Prozessparameter 89 5.4 Prozesseinflußanalyse auf die Werkstückgeometrie 93 5.4.1 Parametereinfluss auf die Werkstückgeometrie 93 5.4.2 Parametereinfluss auf die Rauheit der geschliffenen Werkstückoberfläche 95 6 Temperaturmodellierung 99 6.1 Grundmodelle bewegter Wärmequellen 99 6.2 Erweiterungen zur Abbildung von Schleifprozessen 102 7 Gesamtsimulation des Werkzeugschleifens 109 7.1 Einfluss der Simulationsmodule 112 7.2 Variation der Prozessparameter 115 7.3 Variation der Werkstückgeometrie 121 7.4 Variation des Werkstückquerschnitts 124 7.5 Kinematikvariation zur Verbesserung der Formhaltigkeit 129 8 Zusammenfassung 131 A Unterteilung der Fertigungsverfahren 135 B Mathematische Grundlagen 136 B.1 Herleitung der Ansatzfunktionen und Systemmatritzen 136 B.2 Partikuläre Lösung für Systeme mit Fremderregung 141 C Analytische Beschreibung der Kontaktfläche von Werkstücken mit Spiralnut 143 D Simulationsergebnisse 145 D.1 Simulationsergebnis des Längsnutenschleifens 145 D.2 Einfluss der Simulationsmodule 146 D.3 Variation der Prozessparameter 147 D.4 Variation der Werkstückgeometrie 149 D.5 Variation der auskragenden Werkstücklänge 150 D.6 Variation des Werkstückquerschnitts 151 Literatur / As final machine processing mostly grinding is used so failure of this production step leads to high economic losses. To avoid instable process condition, to adapt the grinding wheel path, and to simulate grinding setups in advance, efficient and physically based models are need. In this work especially the tool grinding process is analysed and characteristically effects are investigated to build up an overall grinding model. The main effects are thereby the time variant dynamical properties of the workpiece due to strong geometry changes during the flute grinding process and the excitation due to the rotation and topography of the grinding wheel. Additionally analysis of the contact conditions and grinding forces in dependency of the predefined process parameters are carried out. Based on the results of these investigation efficient models are build up to represent the behaviour mostly by physical laws. With the coupled model, grinding processes of one-sided clamped and long cantilevering workpieces can be simulated high dynamically over several minutes. It is possible to predict grinding forces and geometry errors of the ground flute due to deformation of the workpiece. Additionally the temperature of the workpiece can be estimated. Furthermore the grinding wheel path can be adapted and tested to reduce geometrical errors and to increase the efficiency of the manufacturing process. With these physically based models systematically investigations of the grinding process and the interaction are possible. With this simulation the understanding of grinding can be enhanced which is important to adapt the manufacturing process.:Inhaltsverzeichnis Formelverzeichnis VII Kurzfassung XI Abstract XII 1 Einleitung und Ziel der Arbeit 1 2 Stand desWissens und der Forschung 4 2.1 Modellvorstellung des Schleifprozesses 5 2.2 Schleifprozessmodelle 7 2.2.1 Kinematikmodelle 9 2.2.2 Schleifkraftmodelle 14 2.2.3 Temperaturmodelle 17 2.3 Prozessdynamik 19 2.3.1 Schwingungen 19 2.3.2 Rattererkennung im Zeitbereich 21 2.3.3 Rattererkennung im Frequenzbereich 22 3 Analyse und Modellierung der Systemstruktur 24 3.1 Charakterisierung der Dynamikeigenschaften des Werkstücks 26 3.2 Maschinentisch und Werkstückeinspannung 29 3.3 Modellierung der Werkstückstruktur 34 3.4 Parameterbestimmung für das Strukturmodell und Einflussanalyse 41 4 Analyse und Modellierung der Anregungsmechanismen 51 4.1 Dynamische Einflüsse beim Schleifen 51 4.2 Charakterisierung der Schleifscheibeneinflüsse auf die Werkstückdynamik 53 4.3 Modellierung der Schleifscheibentopographie 56 4.4 Schleifscheibenverschleiß 63 4.5 Implementierung des Schleifscheibenmodells im Gesamtmodell 67 5 Kontaktmodellierung und Prozesseinflussanalyse 69 5.1 Kontaktanalyse und Schleifkraftberechnung 69 5.2 Materialabtragsmodellierung 78 5.3 Prozesseinflussanalyse auf die Schleifkraft 83 5.3.1 Einfluss der Schleifscheibentopographie 84 5.3.2 Einfluss der Prozessparameter 89 5.4 Prozesseinflußanalyse auf die Werkstückgeometrie 93 5.4.1 Parametereinfluss auf die Werkstückgeometrie 93 5.4.2 Parametereinfluss auf die Rauheit der geschliffenen Werkstückoberfläche 95 6 Temperaturmodellierung 99 6.1 Grundmodelle bewegter Wärmequellen 99 6.2 Erweiterungen zur Abbildung von Schleifprozessen 102 7 Gesamtsimulation des Werkzeugschleifens 109 7.1 Einfluss der Simulationsmodule 112 7.2 Variation der Prozessparameter 115 7.3 Variation der Werkstückgeometrie 121 7.4 Variation des Werkstückquerschnitts 124 7.5 Kinematikvariation zur Verbesserung der Formhaltigkeit 129 8 Zusammenfassung 131 A Unterteilung der Fertigungsverfahren 135 B Mathematische Grundlagen 136 B.1 Herleitung der Ansatzfunktionen und Systemmatritzen 136 B.2 Partikuläre Lösung für Systeme mit Fremderregung 141 C Analytische Beschreibung der Kontaktfläche von Werkstücken mit Spiralnut 143 D Simulationsergebnisse 145 D.1 Simulationsergebnis des Längsnutenschleifens 145 D.2 Einfluss der Simulationsmodule 146 D.3 Variation der Prozessparameter 147 D.4 Variation der Werkstückgeometrie 149 D.5 Variation der auskragenden Werkstücklänge 150 D.6 Variation des Werkstückquerschnitts 151 Literatur