Schleifen Abral-Schneidkorn steigert Effizienz beim Schleifen von Duplexstahl

Grundlegende Untersuchungen zur Schleifbearbeitung von Duplexstahl im Pendelschliff zeigen mit Abral als Schneidkorn ein hohes Potenzial auf. Der Einsatz von Abral-Schleifscheiben ermöglicht eine weitaus effizientere Bearbeitung von Duplexstahl im Vergleich zu bislang eingesetzten Sol-Gel-Schleifscheiben.

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TU Dortmund Institut für Spanende Fertigung

Nichtrostende Stähle sind eine Werkstoffgruppe, deren technologische und wirtschaftliche Bedeutung einen kontinuierlichen und bis heute andauernden Zuwachs erfahren hat. Besonders die Gruppe der Duplexstähle zeichnet sich durch ihre hervorragenden Werkstoffeigenschaften bezüglich hoher chemischer Beständigkeit bei guten Festigkeits- und Zähigkeitskennwerten aus. Zu den Haupteinsatzgebieten zählen deshalb der chemische Apparatebau, der Reaktorbau, der Umweltschutz sowie das Bauwesen und die Meeres- beziehungsweise Offshoretechnik [1 bis 4].

Hohe Festigkeit bringt Probleme bei der Bearbeitung

Die hohen Festigkeiten und Zähigkeiten dieser Werkstoffe bedingen jedoch nicht nur hervorragende Gebrauchseigenschaften, sondern sind auch ursächlich für ein problematisches Zerspanverhalten. Nach der Untersuchung der Zerspanbarkeit von Duplexstählen mittels geometrisch bestimmter Schneide [5] befassen sich aktuelle Arbeiten am Institut für Spanende Fertigung (ISF) der Universität Dortmund mit der Schleifbearbeitung dieser Werkstoffgruppe.

Die bisherigen Ergebnisse zeigen bei Einsatz moderner Schneidstoffe ein hohes Potenzial zur wirtschaftlichen Bearbeitung von Duplexstählen mit geometrisch unbestimmter Schneide auf. Dabei ergeben sich aus den problematischen Zerspaneigenschaften des Werkstoffs große Herausforderungen zur Optimierung der Prozessgestaltung.

Selbstschärfverhalten ist ausgeprägt

Aufgrund des hohen Legierungselementgehaltes an Chrom, Nickel, Molybdän und Stickstoff erreichen Duplexstähle eine sehr hohe Korrosionsbeständigkeit und hohe Festigkeitswerte bei vergleichsweise großer Bruchdehnung. Die für die Bearbeitung austenitischer Gefüge typischen Probleme hoher Prozesskräfte und hoher Temperaturen am Werkzeug werden durch die hohen Festigkeiten des Duplexstahls weiter verschärft [5].

Für die schleiftechnische Bearbeitung von Duplexstählen ist darüber hinaus mit einer hohen Neigung zur Schleifscheibenzusetzung im Prozess durch plastifizierten Werkstückwerkstoff zu rechnen. In den Untersuchungen soll dem durch die Verwendung des Schneidstoffes Abral begegnet werden. Der im Elektroschmelzprozess hergestellte Schneidstoff auf Basis von Aluminiumoxinitrid zeichnet sich laut Hersteller durch eine im Vergleich zu Korunden höhere Kornhärte, eine äußerst geringe Benetzungsneigung durch Metalle sowie ein ausgeprägtes Selbstschärfverhalten aus [6].

Die Kombination dieser Eigenschaften soll außer einer hohen Schleifscheibensteifigkeit einen geringen Verschleiß aufgrund niedriger Einzelkornkräfte ermöglichen und das Zusetzen der Scheibe vermeiden. Die am ISF durchgeführten Untersuchungen zum Schleifen von Duplexstahl mit Abral sollen die grundsätzliche Eignung des Schneidstoffes für diese anspruchsvolle Zerspanaufgabe sowie die Einflüsse der Stellgrößen und der Schleifscheibenauswahl auf den Prozessverlauf und die Werkstückqualität klären. Darauf aufbauend sollen die Potenziale des Schneidstoffes zur Bearbeitung rostfreier Stähle durch Schleifen und entsprechend geeignete Parameter zur Prozessführung erarbeitet werden.

Bearbeitung der Werkstücke im Pendelschliff

Die experimentellen Untersuchungen erfolgten auf einer Flachschleifmaschine FS 635-Z CNC von Geibel und Hotz. Bearbeitet wurde der Duplexstahl X2CrNiMoN 22-5-3 (Werkstoffnummer 1.4462). Allen Versuchen gemein ist die Bearbeitung der Werkstücke im Pendelschliff. Kühlschmierstoff war ein nichtwassermischbares, auf Mineralöl basierendes Schleiföl, das tangential zugeführt wurde. Auf den Einsatz von Reinigungsdüsen zur Beseitigung von Schleifscheibenzusetzungen wurde bewusst verzichtet. Für die Untersuchungen wurden Schleifscheiben der Typen 55N60 F15VPH902W sowie 55N60 H15VPH902W von Rappold Winterthur benutzt. Das Abrichten der Schleifscheiben wurde mit einer Diamantrolle realisiert.

Im Rahmen der erstmaligen Untersuchung des Schleifens von Duplexstahl mit Abral variierte man die grundlegenden Prozessgrößen Vorschubgeschwindigkeit vw und Zustellung ae sowie die Härte der Schleifscheibe. Die Schnittgeschwindigkeit vc betrug konstant 30 m/s. Zur Beurteilung der auftretenden Werkzeug- und Werkstückbelastung wurden die entstehenden Prozesskräfte werkstückseitig mittels eines Drei-Komponenten-Dynamometers erfasst.

Eine Erhöhung des bezogenen Zeitspanvolumens Q‘w durch eine Vergrößerung der Schleifscheibenzustellung ae führte erwartungsgemäß zu einer Vergrößerung der auftretenden Belastungen durch steigende Normalkräfte Fn (Bild 1). Dieser Anstieg verhielt sich im betrachteten Parameterbereich annähernd linear, so dass davon auszugehen ist, dass im betrachteten Parameterbereich keine Überlastung der Schneidkörner oder der Schleifscheibenbindung vorliegt, die zu überproportional ansteigenden Kräften und Werkzeugverschleiß aufgrund von Kornausbrüchen führen würden.

Eine erhöhte Belastung für das Werkzeug ließ sich bei Erhöhung der Vorschubgeschwindigkeit vw unter konstant gehaltenem Q‘w anhand gestiegener Schleifnormalkräfte erkennen (Bild 2). Es wird deutlich, dass die Prozesskräfte trotz Abrichtens der Schleifscheibe vor jeder Versuchsreihe mit zunehmendem Zerspanvolumen Vw kontinuierlich ansteigen. Dies lässt sich unter anderem auf lokale Einschlüsse des Werkstückwerkstoffs am Schleifscheibenumfang zurückführen. Eine flächenhafte Zusetzung des Schleifwerkzeugs konnte jedoch in keinem Fall festgestellt werden, so dass die Prozessfähigkeit der Werkzeuge jederzeit vorhanden war.

Abral-Schleifscheiben mit hohem Kühlschmiermitteldurchsatz

Die Abral-Schleifscheiben sind von der Spezifikation so gewählt, dass ein hoher Porenanteil in der Keramikbindung vorliegt. Deshalb kann ein hoher Kühlschmierstoffdurchsatz im Kontaktbereich zwischen Scheibe und Werkstück realisiert werden. Ferner führt der dadurch bedingte große Kornabstand zu einer höheren Einzelkornbelastung und kann so den Selbstschärfeffekt des Abral-Schleifkorns unterstützen.

Unterschiede weisen die beiden eingesetzten Schleifscheiben im Bindungsanteil und somit in der Schleifscheibenhärte auf. Die Schleifscheibe 55N60 F15VPH902W wird als weich bezeichnet, die Schleifscheibe 55N60 H15VPH902W ist mittelhart. Die Härte der Scheibe beeinflusst die Prozesskräfte. Bild 3 zeigt, dass bei der härteren Schleifscheibe die Schleifnormalkräfte bei gleichen Prozessbedingungen um etwa 40 N höher liegen.

Die Wirtschaftlichkeit des Prozesses fordert einen möglichst geringen Verschleiß an der Schleifscheibe. Zur Bewertung der Wirtschaftlichkeit wird deshalb das Schleifverhältnis G, das das Verhältnis zwischen zerspantem Werkstückvolumen Vw und verschlissenem Schleifscheibenvolumen Vs darstellt, betrachtet. Abral-Schleifscheiben zeigen bei der Bearbeitung des verwendeten Duplexstahls einen deutlich höheren Wert für das Schleifverhältnis gegenüber den in vergleichbaren Untersuchungen eingesetzten Sol-Gel-Schleifscheiben [7]. Die härtere der beiden Abral-Schleifscheiben weist mit einem Schleifverhältnis von G = 128 einen um 38% höheren G-Wert gegenüber der Abral-Schleifscheibe mit der Härte F auf (Bild 4).

Alle Werkstücke zeigen eine ausgeprägte Gratbildung

Unabhängig von der Wahl der Prozessstellgrößen zeigten alle geschliffenen Werkstücke eine ausgeprägte Gratbildung (Bild 5), die ein augenscheinliches Merkmal für die vorliegende Zähigkeit des Werkstoffes ist. An keinem der bearbeiteten Werkstücke konnten Oberflächendefekte in Form von Schleifbrand oder Spannungsrissen festgestellt werden. Fortführende Untersuchungen am ISF befassen sich mit der Prozessoptimierung.

Prof. Dr.-Ing. Dr. h. c. Klaus Weinert ist Leiter des Instituts für Spanende Fertigung der Universität Dortmund; Dipl.-Ing. Tim Jansen, Dipl.-Ing. Thomas Mohn und Dipl.-Ing. Kai-Uwe Paffrath sind wissenschaftliche Mitarbeiter am Institut. Weitere Informationen: Tim Jansen, 44227 Dortmund, Tel. (02 31) 7 55-52 72, jansen@isf.de

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