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Hochleistungsschleifbearbeitung

Hochleistungskeramik effizienter schleifen

| Autor/ Redakteur: Tiago Borsoi Klein und Stefan Koprowski / Mag. Victoria Sonnenberg

Untersuchungen zeigen, dass durch die Hochleistungsschleifbearbeitung mit genuteten Diamantschleifstiften mindestens viermal höhere Zeitspanvolumina als mit konventionellen Schleifverfahren erzielt werden können.

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Bild 1: Genutete Diamantschleifstifte mit Innenkühlung von der G. W. Schultz Tool Group.
Bild 1: Genutete Diamantschleifstifte mit Innenkühlung von der G. W. Schultz Tool Group.
(Bild: Fraunhofer-IPK)

Die stetig wachsenden Anforderungen an komplexe Bauteile, Baugruppen und Produkte hinsichtlich Oberflächengüte, höherer Formgenauigkeiten und Fertigungsflexibilität sowie die Reduzierung der Herstellungskosten sind aktuelle Herausforderungen in der Produktionstechnik [2]. Ein großes Verbesserungspotenzial, um den Marktansprüchen gerecht zu werden und sich Wettbewerbsvorteile zu verschaffen, können moderne Bearbeitungssysteme bieten. Neben innovativer Maschinentechnik und Prozessgestaltung kann auch die geeignete Wahl und Auslegung der eingesetzten Werkzeuge und des Werkzeugspannsystems einen entscheidenden Beitrag im Sinne der angeführten Ziele leisten. Deren Hauptanforderungen beschränken sich längst nicht mehr nur auf die Hartbearbeitung, sondern beinhalten oft hohe Zeitspanvolumina bei geringem Werkzeugverschleiß und einer qualitativ komplexen Bauteilgüte an Werkstücken aus Hochleistungskeramiken [9, 7].

Bild 1: Genutete Diamantschleifstifte mit Innenkühlung von der G. W. Schultz Tool Group.
Bild 1: Genutete Diamantschleifstifte mit Innenkühlung von der G. W. Schultz Tool Group.
(Bild: Fraunhofer-IPK)

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Für die Bearbeitung komplexer Bauteile aus Hochleistungskeramik mit erhöhten Ansprüchen an Maßhaltigkeit, Formgenauigkeit und Oberflächen im Werkzeug- und Formenbau, im Anlagenbau, in der Medizintechnik und in der Turbomaschinenindustrie wird oft das NC-Formschleifen mit Schleifstiften eingesetzt [2]. Das mehrachsige NC-Formschleifen auf CNC-5-Achs-Werkzeugmaschinen bietet die Möglichkeit zur Formgebung schwer zerspanbarer Materialien wie monolithischen Keramiken, CMC und hochlegierten Stählen. Aufgrund der geringeren Flächenleistung kommt dieser Prozess in erster Linie für kleinere Freiformflächen sowie für die Endbearbeitung von Konturen in Frage. Die Entwicklung und Optimierung innovativer Bearbeitungssysteme für das Mehrachsschleifen bietet daher die Möglichkeit, die Leistung, bzw. das bezogene Zeitspanvolumen Q‘w des Prozesses zu steigern.

Erhöhung der Leistung durch Schleifen mit strukturierten Schleifscheiben

Strukturierte Schleifwerkzeuge werden heutzutage als Potential der Schleiftechnologie sehr intensiv erforscht. Zu den neuartig strukturierten Schleifwerkzeugen gehören die genuteten Schleifscheiben, die laserstrukturierten Schleifscheiben und die Schleifscheiben mit selektiver Korn-Positionierung [1, 7]. Als Hauptmerkmal der genuteten Schleifscheibe wird hier eine regelmäßig über die Umfangsfläche der Schleifscheibe verteilte Höhenänderung des Schleifbelags verstanden, die mindestens eine, oft jedoch mehrere Größenordnungen über den Höhendifferenzen der Schleifbelagstopografie liegt [7]. Durch Verringerung der statischen Dichte der Schneidkante wird die Anzahl an kinematisch beteiligten und augenblicklich eingreifenden Schneidkanten reduziert. Infolge des intermittierenden Schleifprozesses bewirken niedrigere Schleifkräfte und Temperaturen ein höheres Schleifverhältnis G. Das ausgewählte Diamantwerkzeug für die aktuelle Hochleistungsbearbeitung am Fraunhofer-IPK besitzt zudem eine Innenkühlung in Form von Kanälen, Bild 1.

Der unterbrochene Schnittprozess erzeugt jedoch eine charakteristische Schwingung, vergleichbar mit den Schwingungen, die aufgrund der definierten Schnittkanten beim Fräsen auftreten. Eine Möglichkeit zur Reduzierung dieser Vibrationen und zur Stabilisierung des Prozesses ist die Anwendung optimierter Werkzeugspannsysteme. Moderne Modelle mit hoher Vibrationsdämpfung zeichnen sich durch den geringen Aufwand beim Spannen von Werkzeugen und einen qualitativ hochwertigen Gesamtsystemrundlauf aus. In aktuellen Studien wird das Modell Powrgrip der Firma Rego-Fix verwendet, Bild 2. Dieses Modell besitzt einen hohen Dämpfungsgrad, eine hohe statische und dynamische Steifigkeit und eine gute Rundlaufgenauigkeit < 3 µm [10].

Versuchsbedingungen und Messmethoden

Die Bearbeitungsuntersuchungen wurden am Fraunhofer-IPK mit einer 5-Achs-Koordinatenschleifmaschine der Firma Röders GmbH, Soltau, vom Typ RXP 600 DSH UHP durchgeführt. Die Koordinatenschleifmaschine ist mit einer Spindel der Firma Fischer Precise Group AG, Herzogenbuchsee, Schweiz, vom Typ MFW1224/60 ausgestattet. Die Programmierung der Werkzeugwege wurde durch die Software MasterCam am Fraunhofer-IPK realisiert. Es wurden Werkzeugspannungssysteme der Firma Rego-Fix mit einer Powrgrip Spannzange PG15 × 75, D = 1/4“ (Ø 6,35 mm) benutzt, um die Diamantschleifwerkzeuge der G. W. Schultz Tool Group vom Typ Cera X Series D = 1/4“ (Ø 6,35 mm) zu spannen. Die Prozesskräfte wurden mit dem Mehrkomponenten Dynamometer vom Typ 9257A der Firma Kistler Instrumente AG, Winterthur, Schweiz, gemessen. Die Rundlaufgenauigkeit der Werkzeugspannsysteme wurde mittels des Universalmessgeräts Smartcheck 450 der Firma Zoller GmbH & Co. KG, bestimmt.

Das Zeitspanvolumen beim Schleifen von Aluminiumoxidkeramik maximieren

Eine effiziente Schleifbearbeitung monolithischer Keramiken bedingt eine gezielte Parameterauswahl, um die Zeitspanvolumina bei Berücksichtigung der Oberflächengüte zu maximieren. Die geringe Bruchzähigkeit erschwert aufgrund der hohen Anfälligkeit zur Rissinitiierung die Bearbeitbarkeit. Das Ziel der aktuellen Arbeit ist es, das Zeitspanvolumen bei der Schleifbearbeitung von Aluminiumoxidkeramik (Al203) zu maximieren. Die Vorschubgeschwindigkeit vf und der Arbeitseingriff ae wurden ausgehend vom bisherigen Stand der Technik (beziehungsweise Zeitspanvolumen Q’w = 2 mm3/mm·s) um mehr als den Faktor 4 erhöht (Q’w = 8,33 mm3/mm·s) (Bild 3). Die Untersuchung der tangentialen und normalen Kraftkomponenten zeigt einen Schnittkraftquotienten von etwa µ = 1, sodass beide Kraftkomponenten quantitativ nahezu gleich groß sind. Erwartungsgemäß steigen mit zunehmendem Zeitspanvolumen auch die Prozesskräfte an. Bild 4 rechts zeigt die Formabweichung, die für die Parameter 1-3 in etwa konstant und für Parameter 4 stark erhöht ist.

Bild 5: Werkzeuganalyse nach der Bearbeitung für die Parametern 1 bis 4.
Bild 5: Werkzeuganalyse nach der Bearbeitung für die Parametern 1 bis 4.
(Bild: Fraunhofer-IPK)

Bild 5 stellt das Werkzeug des jeweiligen Parameters nach der Schleifbearbeitung dar. Die eingearbeiteten Nuten im Werkzeug haben eine signifikante Verbesserung des Schleifprozesses bewirkt, wobei der Effekt des Kühlschmierstoffes erhöht werden konnte. Aufgrund seiner Eigenschaften ist das Werkzeug in der Lage, selbst bei einem Zeitspanvolumen von Q’w = 8,33 mm3/mm·s seine Funktionsfähigkeit beizubehalten.

Schwer zerspanbare und nicht elektrisch leitfähige bzw. nicht erodierbare Werkstücke mit einer Kontur, die aus einer Kombination verschiedener Formen besteht, werden mittels NC-Formschleifen mit Schleifstiften bearbeitet. Eine komplexe Kontur erfordert die Anwendung von Kinematiken, die einer Kombination von Plan-, Außenrund-, Innenrund- und Freiformschleifen entspricht [5]. Bei der Schleifbearbeitung von komplexen Formen spielen Faktoren wie Schleifwerkzeugspezifikationen, Prozessparameter, Werkstückeigenschaften und kinematische Zerspanungsbedingungen eine bedeutende Rolle. Unterschiedliche Kontaktbedingungen an den verschieden gekrümmten Bereichen einer Kontur führen zu instabilen Arbeitsergebnissen. Veränderungen der geometrischen und kinematischen Eingriffsbedingungen beeinflussen die Spanbildung in der Wirkzone und somit die Prozesssicherheit der Werkstückbearbeitung [2].

Bild 6: Bauteile mit Pläne, Konkave und Konvexe Profile.
Bild 6: Bauteile mit Pläne, Konkave und Konvexe Profile.
(Bild: Fraunhofer-IPK)

Bild 6 stellt eine typische Kombination von geometrischen Eigenschaften eines zum NC-Formschleifen bestimmten Bauteils dar. Die geometrische Kontaktlänge lg zwischen dem Schleifwerkzeug und dem Werkstück in der Wirkzone variiert von minimalen Werten bei der konvexen Kontur lg1, zu maximalen Werten bei der konkaven Kontur lg3. Die drei dargestellten Eingriffsbedingungen können mit Außen-, Plan- und Innenrundschleifen verglichen werden. Große Kontaktlängen lg wie beim NC-Formschleifen von konkaven Konturen und beim Innenrundschleifen sorgen für erheblich größere Kontaktflächen. Dieses erschwert die Spanabfuhr und die Gefahr der Zusetzung der Schleifscheibe steigt an. Die Kühlschmierstoffversorgung der Kontaktzone ist aufgrund der Geometrieverhältnisse schwierig, bedingt somit eine hohe Kontaktzonentemperatur und erhöht damit den Werkzeugverschleiß. Zusätzlich kommt es beim Bohren von kleinen Durchmessern zu erheblichen Deformationen des Werkzeugs aufgrund von Biegebeanspruchungen. Als Folge können sich unerwünschte Maß- und Formabweichungen ergeben [6, 2].

Profil wurde mit einem bezogenen Zeitspanvolumen bearbeitet

Aufgrund des erhöhten Zeitspanvolumens infolge der Konkavität in Relation mit der Planfläche und der Konvexität für eine bestimmte Kombination von Vorschubgeschwindigkeit und Arbeitseingriff wurde das Profil mit einem bezogenen Zeitspanvolumen Q'w = 5,25 m3/mm·s bearbeitet. Es wurden weder an der Bodenfläche noch an den Werkstückkanten Sprödbrüche beobachtet. Das Werkzeug behielt seine Makrogeometrie bei, jedoch konnte unter dem Mikroskop ein mäßiger Werkzeugverschleiß bis hin zum kompletten Kornausbruch festgestellt werden, siehe Bild 7. Durch den Einsatz eines optimierten Schleifsystems konnte die Kontur durch Hochleistungsschleifen in Probenbauteilen aus gesinterter Hochleistungskeramik (Al203) in etwa 3 min und 40 s erzeugt werden. Hierbei wurden Bearbeitungsparameter verwendet, die typisch für eine Fräsbearbeitung sind.

Die erhöhte Nachfrage an Hochleistungskeramiken hat zur Folge, dass innovative Werkzeugmaschinensysteme entwickelt werden, um Prozesskosten und Bearbeitungszeit zu verringern. Jedoch bleibt die Bearbeitung von Hochleistungskeramik eine Herausforderung – insbesondere bei komplexen Geometrien. Die Verwendung genuteter Werkzeuge ist ein unverkennbarer Trend, der jedoch auch zusätzliche Schwierigkeiten für die Schleifbearbeitung im Vergleich zu konventionellen Werkzeugen in sich birgt.

In dieser Arbeit wurde mit einem optimierten Bearbeitungssystem gearbeitet, um das volle Potential genuteter Werkzeuge auszunutzen. Mit der Anwendung dieses Systems in Verbindung mit dem Spannsystem powRgrip konnte ein Zeitspanvolumen von Q‘w = 8,33 mm3/mm·s erreicht werden, was einer Steigerung um den Faktor 4 gegenüber dem bisherigen Stand der Technik entspricht. Hierbei waren keine makroskopischen Brüche am Werkstück und ein geringer Werkzeugverschleiß festzustellen.

Literatur

[1] Azarhoushang, B.: Intermittent grinding of ceramic matrix composites, Dissertation, Universität Stuttgart, 2011.[2] Borsoi Klein, T.: Prozessstrategien beim NC-Formschleifen mit Schleifstiften, Dissertation, Technische Universität Berlin, 2015.[3] Denkena, B.; Reichstein, M.; von der Meer, M.: Endbearbeitung komplexer keramischer Prothesen. Symposium Hochleistungskeramik, 2010.[4] Lee, D.H.: external cylindrical plunge dry grinding with CBN wheels, Dissertation, Universität Stuttgart, Shaker Verlag, 2012.[5] Mühl, A.: Technologie und angepasste Maschinenkonzepte zum Schleifen von Konstruktionskeramik auf Koordinatenschleifmaschinen. Dissertation Tu Dresden, 1996.[6] Klocke, F.; König, W.: Fertigungsverfahren 2 - Schleifen, Honen, Läppen. 4. Auflage, Springer Verlag, Berlin-Heildelberg-New York, 2005.[7] Kirchgatter, M.: Einsatzverhalten genuteter CBN-Schleifscheiben mit keramischer Bindung beim Außenrund-Einstechschleifen, Dissertation, Technische Universität Berlin, 2010.[8] Tawakoli, T.; Azarhoushang, B. : Intermittent grinding of ceramic matrix composites (CMCs) utilizing a developed segmented wheel. International Journal of Machine Tools & Manufacture 51 (2011) S. 112-119.[9] Feinbearbeitung quo vadis – die Schleifbearbeitung im Spannungsfeld zwischen Hochpräzision und Hochleistung. Motion. Sonderdruck zum Schleifring Grinding Symposium 2009, Interlaken. Körber Schleifring GmbH, Hamburg. Ausgabe 1/2009, S. 32-33.[10] Wacinski, M.: Keramische Schaftfräswerkzeuge für die Hochgeschwindigkeitsbearbeitung von Nickelbasis-Legierungen, Dissertation, Technische Universität Berlin, 2015.

* Dr.-Ing. Tiago Borsoi Klein ist wissenschaftlicher Mitarbeiter und Dr.-Ing. Stefan Koprowski ist ehemaliger wissenschaftlicher Mitarbeiter, beide im Bereich Fertigungstechnologien am Fraunhofer-Institut für Produktionsanlagen und Konstruktionstechnik IPK in 10587 Berlin, Tel. (0 30) 39 00 62 67, tiago.borsoi.klein@ipk.fraunhofer.de

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