Hochleistungs-Pendelhubschleifen im Schälschliff erhöht Produktivität

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TU Dortmund Institut für Spanende Fertigung

Die Vorteile hoher Schleifscheiben-Umfangs- und Werkstückvorschubgeschwindigkeiten bei verhältnismäßig großen Zustellungen lassen sich bevorzugt durch galvanisch gebundene CBN-Schleifscheiben erzielen. Diese verfügen aufgrund des großen zur Verfügung stehenden Spanraumes über eine sehr viel höhere Zerspanfähigkeit als mehrschichtig gebundene CBN-Schleifscheiben und ermöglichen somit auch die höchsten bezogenen Zeitspanvolumina sowie eine effektive Nutzung des vorhandenen Schneidstoffvolumens.

Als Konsequenz lässt sich damit ein optimales Verhältnis von zerspantem Werkstoff- zu benötigtem Kornvolumen (G-Verhältnis) erreichen. Eine wesentliche Einschränkung beim HEDG-Verfahren besteht in der realisierbaren Bauteilqualität bei hoher Zerspanleistung. Zusätzlich bedingen der große Kornüberstand sowie die geringe Rundlaufgenauigkeit am Schleifbelag eine immanent hohe Rauheit, sodass gegenüber einer Schrupp-Schlicht-Strategie ein Werkzeugwechsel zur Erzeugung einer erhöhten Qualität durchzuführen ist.

Effiziente Spanbildung beim Hochleistungsschleifen

In Bild 2 ist der Versuchsaufbau zum Einsatz des HPSS-Verfahrens zur Bearbeitung des Kaltarbeitsstahles 100Cr6 (Werkstoffnummer 1.2067, etwa 64 HRC) zu sehen. Die Untersuchungsergebnisse zeigt Bild 3. Das je Hub zerspante Gesamtaufmaß betrug a_e,ges = 0,2 mm, wobei der Zeilenvorschub schrittweise von a_p = 0,1 auf 1,0 mm erhöht wurde.

Im Vergleich zum Flachschleifprozess tritt trotz eines zehnfach höheren Zeitspanvolumens von Q_w = 80 mm³/s eine weiterhin geringe Prozesskraft auf. Vor allem die prozessbestimmende Komponente der Normalkraft steht beim HPSS in einem wesentlich besseren Verhältnis zur Tangentialkraft. Grund dafür sind neben der Verwendung einer galvanischen CBN-Schleifscheibe sowohl die geringe Eingriffsbreite als auch die höhere Schleifscheibengeschwindigkeit v_S.

Daraus resultiert eine äußerst effiziente Spanbildung beim Schleifen. Entsprechend dem hohen Kornüberstand an der Schleifscheibe ergibt sich jedoch eine große Rautiefe, die sich nach Erreichen des Einlaufverschleißes auf einem Wert von etwa Rz = 19 µm einstellt.

Schleifscheibe wie beim Hochleistungsinnenrund-Schälschleifen

Die in Anlehnung an das Hochleistungsinnenrund-Schälschleifen (HISS) ausgelegte Gestaltung der Schleifscheibe mit konischer Schrupp- und zylindrischer Schlichtzone erlaubt eine gezielte Angleichung des Kornüberstandes zur Verbesserung der Oberflächenqualität [3]. Dazu wird durch einen Abrichtprozess der Kornüberstand in der Schlichtzone (Breite b_Schlicht = 4 mm) so weit reduziert, bis die gewünschte Rautiefe erreicht werden kann. Bild 4 zeigt für eine ausgewählte Kombination der Parameterwerte von Gesamtzustellung a_e,ges und Zeilenvorschub a_p die Rautiefe in Abhängigkeit von der Gesamtabrichtzustellung.

Bei dem Zeitspanvolumen von Q_w = 50 mm³/s lassen sich die Werte für Rz und Rmax durch die schrittweise Zustellung beim Abrichten drastisch senken. Bei einer Gesamtabrichtzustellung von a_ed,ges = 20 µm beträgt Rz ≈ 3 µm und Rmax ≈ 4 µm. Mit einer weiteren Erhöhung von a_ed,ges strebt die erzielbare Rautiefe einem Grenzwert entgegen, der unter den vorliegenden Prozessbedingungen bei Rz ≈ 1,8 µm liegt. Aufgrund der entkoppelten Funktion von Schruppen und Schlichten an den Funktionsflächen der Schleifscheibe ist trotz der hohen Gesamtabrichtzustellung von a_ed,ges = 125 µm kein Anstieg der Prozesskräfte zu verzeichnen.

Das vorgestellte Verfahren zum Hochleistungs-Pendelhubschleifen im Schälschliff (HPSS) ermöglicht eine maßgebliche Steigerung des Zeitspanvolumens beim Flachschleifen bei gleichzeitiger Einhaltung einer geforderten Bauteilqualität. Dazu werden galvanisch gebundene CBN-Schleifscheiben mit einer kombinierten Schrupp- und Schlichtzone in Verbindung mit hohen Schnittgeschwindigkeiten eingesetzt.

Großer Zeilenvorschub und große Zustellung beim Schleifen möglich

Mittels Einsatzvorbereitung durch Abrichten zur Reduzierung des Kornüberstandes in der Schleifscheiben-Schlichtzone kann eine geringe Rauheit am Werkstück eingestellt werden. Neben hohen Werten für den Zeilenvorschub sind auch große Zustellungen möglich, sodass eine Steigerung der Produktivität nicht nur bei der Hartbearbeitung, sondern generell auch bei anderen Anwendungen möglich ist. Vergleichbar dem NC-Formschleifen [4] ermöglicht der zeilenweise Vorschub beim HPSS prinzipiell die Herstellung von Profilformen zur Erzeugung verschiedener Geometrieelemente, beispielsweise für den Werkzeugformenbau.

In Abhängigkeit von den Bauteilkonturen können dabei komplexe Eingriffsbedingungen auftreten. Deswegen ist für zukünftige Untersuchungen der Einsatz eines geometrisch-kinematischen Simulationsmodells für das HPSS vorgesehen, um eine optimale Auslegung des Prozesses effizient durchführen zu können und für die Praxis handhabbar zu machen.

Literatur:

• [1] Ferlemann, F.: Schleifen mit höchsten Schnittgeschwindigkeiten. Dissertation RWTH Aachen 1992.

• [2] Tawakoli, T.: Technologie des Hochleistungs-Flachschleifens. Dissertation Universität Bremen 1989.

• [3] Biermann, D. und K. Marschalkowski: Innenrund-Schälschleifen – Hochleistung für die Hartfeinbearbeitung von Futterteilen durch galvanisch gebundene CBN-Schleifscheiben. dihw-Diamant Hochleistungswerkzeuge 1/2009, S. 26-31.

• [4 ] Jansen, T.: Entwicklung einer Simulation für den NC-Formschleifprozess mit Torusschleifscheiben. Dissertation TU Dortmund 2007.

* Prof. Dr.-Ing. Dirk Biermann ist Leiter des Instituts für spanende Fertigung (ISF) der TU Dortmund; Dipl.-Ing. Kay Marschalkowski und Dipl.-Ing. Sascha Rausch sind wissenschaftliche Mitarbeiter am Institut

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