Forschung für die Feinstbearbeitung Funkenerosion konditioniert Honleisten deutlich schneller

Autor / Redakteur: Prof. Dr. h. c. Dr.-Ing. Eckart Uhlmann , Dipl.-Ing. Sascha Zimmermann und Dipl.-ing. Sami Yabroudi / Peter Königsreuther

Noch ist die initiale Vorbereitung von Honwerkzeugen sehr zeitaufwändig. Auch Expertenwissen und viel Fingerspitzengefühl sind gefragt. Doch per Funkenerosion klappt das schneller, sicherer und nicht zuletzt automatisch.

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Anwendung des sogenannten Plateauhonens mit Kühlschmierstoff-Doppelfunktion auf einem Heller-Bearbeitungszentrum des Typs H 2000. An der TU Berlin forscht man derzeit, wie sich das Konditionieren der dafür benötigten Honleisten durch Funkenerosion vereinfachen und automatisieren lässt.
Anwendung des sogenannten Plateauhonens mit Kühlschmierstoff-Doppelfunktion auf einem Heller-Bearbeitungszentrum des Typs H 2000. An der TU Berlin forscht man derzeit, wie sich das Konditionieren der dafür benötigten Honleisten durch Funkenerosion vereinfachen und automatisieren lässt.
(Bild: Diahon)

Das funkenerosive Abrichten von Schleifscheiben mittels Drahterosion ist etabliert und wird von einigen Unternehmen täglich angewendet. Im Gegensatz dazu ist die Einsatzvorbereitung von Honwerkzeugen noch immer mit viel Aufwand verbunden. Denn nach der Bestückung des Werkzeug-Grundkörpers mit neuen Honleisten werden diese erst rundgeschliffen, um die Makroform zu generieren. Danach wird das Werkzeug demontiert und die Honleisten werden durch Läppen manuell geschärft – Expertenwissen und Fingerspitzengefühl sind nötig, damit das Endergebnis brauchbar ist. Es folgt der Zusammenbau. Abgesehen von den hohen Nebenzeiten und dem manuellen Aufwand (hohe Personalkosten), ist diese Vorgangsweise zumeist auch nicht reproduzierbar. Aufgrund des erforderlichen Expertenwissens erfolgt die Einsatzvorbereitung zumeist auch nicht innerhalb des produzierenden Unternehmens, sondern durch einen Honwerkzeug-Hersteller.

Sofort einsetzbare Honwerkzeuge

Am Institut für Werkzeugmaschinen und Fabrikbetrieb (IWF) der TU Berlin wurde im Rahmen des vom BMWi geförderten Projektes „Rebound“ nun ein Verfahren entwickelt, das diese Prozesskette zeitlich erheblich verkürzt, die Reproduzierbarkeit der Einsatzvorbereitung sicherstellt und durch die Automatisierbarkeit auch erhebliche Personalkosten einsparen kann. In umfangreichen Untersuchungen wurden Parameter ermittelt, mit denen in einem einzigen Bearbeitungsschritt sowohl die Makroform des Werkzeugs als auch eine geeignete Honleistentopografie hergestellt werden kann. Mithilfe der Funkenerosion können die so vorbereiteten Honwerkzeuge für den anschließenden Honprozess sofort eingesetzt werden. Da dieser Prozess automatisiert werden kann, ist eine reproduzierbare Einsatzvorbereitung beziehungsweise Aufbereitung von Honwerkzeugen auch in nicht dafür spezialisierten Unternehmen möglich. Innerhalb der Untersuchungen wurden verschiedene Bindungsspezifikationen der Honleisten, Schneidkorngrößen, Elektrodenmaterialien, Dielektrika und Prozessparameter des Erodierprozesses analysiert.

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Funkenerosive Konditionierung

Das funkenerosive Abtragen beruht auf elektrischen Entladungen zwischen Werkzeug und Werkstück. Das Material der abzutragenden Bindungen der Honleisten muss daher elektrisch leitfähig sein. Als Schneidstoff der Honleisten kommt Diamant zum Einsatz. Diese elektrisch nicht beziehungsweise sehr gering leitfähigen Schneidkörner sind von den Entladungen nicht betroffen und verbleiben weitestgehend unbeeinflusst in der erodierten Oberfläche. Sie ragen damit aus der erodierten Oberfläche, der Bindung, heraus, wodurch die Schneidfähigkeit beziehungsweise Schärfe der Honleiste gewährleistet wird. Der generierte Kornüberstand, das heißt die Höhe, um die die Schneidkörner aus der Bindung herausragen, ist, je nach Schneidkorngröße und Bindungsspezifikation, stets gleich groß und damit reproduzierbar. Im unmittelbaren Umfeld der einzelnen Schneidkörner ist der Abtrag der Bindung geringfügig höher als die eingestellte Höhe. Dies führt beim Einsatz der Werkzeuge innerhalb der ersten Honprozesse zu einem vermehrten Kornausbruch.

Substitution des Rundschleifprozesses

Für den Konditioniervorgang wird die Werkzeugelektrode als Zylindersegment ausgeführt, welches einer Negativform des Honwerkzeugs entspricht. Die Honleisten werden vor der Konditionierung innerhalb des Grundkörpers auf den zu honenden Zylinderdurchmesser aufgeweitet und arretiert. Während der Konditionierung beziehungsweise des Erosionsvorgangs wird das Werkzeug in Rotation versetzt und kontinuierlich an die Werkzeugelektrode herangeführt. Der Schneidbelag und somit das Honwerkzeug nimmt dabei die Form und das Maß der Werkzeugelektrode an, wodurch der Rundschleifprozess substituiert wird. Mithilfe der Funkenerosion kann somit gleichzeitig die Makroform als auch die erforderliche Topografie und somit die Mikrostruktur in das Werkzeug eingebracht werden, die für erfolgreiche Honprozesse erforderlich sind.

Anhand der durchgeführten Untersuchungen lässt sich feststellen, dass die Qualität und auch die Dauer der Einsatzvorbereitung von verschiedenen Faktoren abhängig ist. So müssen die Prozessparameter des Erodierprozesses, wie beispielsweise der Entladestrom, auf die jeweilige Spezifikation der Honleisten, insbesondere an die Bindungsmaterial und die Schneidkorngröße, angepasst werden.

Erodierte Honleisten haben Potenzial

Nach den funkenerosiven Konditionierungen wurden die Honwerkzeuge umfangreichen Tests an Reparaturbuchsen aus Grauguss unterzogen. Hierbei wurden einerseits die Auswirkungen unterschiedlicher Konditionierstrategien auf die Bearbeitungsergebnisse gegenübergestellt als auch verschiedene Honleistenspezifikationen getestet. Anhand der Prozesskenngrößen und Arbeitsergebnisse ist ersichtlich, dass die entstandene Oberflächentopografie der Honleisten für anschließende Honprozesse sehr gut geeignet ist. Im Vergleich zu eingehonten, selbstschärfenden und damit prozessstabilen Honleisten liegen nach dem funkenerosiven Konditionierprozess zunächst schärfere Honleisten-Oberflächen vor. Hierbei ragen viele Schneidkörner aus der Bindung heraus, deren Einbetttiefe innerhalb der Bindung sehr gering ist. Diese überhöhte Schärfe verringert sich jedoch innerhalb einer kurzen Einlaufzeit, die insbesondere signifikant kürzer ist als die von manuell geschärften Honleisten, die ebenfalls getestet wurden. Diese aufgeführten allgemeinen Erkenntnisse wurden bei allen unterschiedlichen Honleistenspezifikationen ermittelt. Dabei wurden sowohl unterschiedliche Bindungen als auch verschiedene Schneidkorngrößen getestet.

Innerhalb der Untersuchungen konnte ebenfalls gezeigt werden, dass auch größere Formfehler, wie sie bei der Herstellung von Honleisten beispielsweise durch den Sinterprozess auftreten können, durch den Erodierprozess reproduzierbar und effizient beseitigt werden können. Im Vergleich zur konventionellen Konditioniertechnik durch Rundschleifen und manuellem Schärfen konnte die Zeit zur Einsatzvorbereitung von Honwerkzeugen durch den Einsatz der Funkenerosion um 88 % gesenkt werden. Das Unternehmen Diahon Werkzeuge GmbH & Co. KG aus Filderstadt setzt das Verfahren bereits erfolgreich ein und führt ein Gebrauchsmuster unter der Dokumentennummer DE202018105343U1. Im Fachjournal Precision Engineering (Ausgabe 62, 2020) ist zu diesem Thema erst kürzlich ein umfangreicher Fachaufsatz unter dem Titel „Electrical discharge dressing of honing stones“ erschienen. MM

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