Mikro- und Nanozerspanung werden effizienter

Hohes Zeitspanvolumen, höchste Oberflächenqualität und Formgenauigkeit sowie kurze Prozesszeiten sind charakteristische Merkmale für moderne Feinstbearbeitungsmaschinen. Weiterentwickelte...

Anbieter zum Thema

Schages GmbH & Co.KG

trivid GmbH

Mikron Switzerland AG, Division Tool

Hohes Zeitspanvolumen, höchste Oberflächenqualität und Formgenauigkeit sowie kurze Prozesszeiten sind charakteristische Merkmale für moderne Feinstbearbeitungsmaschinen. Weiterentwickelte Suspensionen und Emulsionen tragen dazu bei, die Entsorgungskosten zu minimieren.Unter den Feinstbearbeitungsverfahren mit losen, ungebundenen, rollenden Silizium- oder Borcarbidkorn ist das konventionelle Läppen das verbreitetste Verfahren. Durch das auf der Werkstückoberfläche abrollende Korn wird eine gleichmäßig matte und leicht körnige Oberfläche erreicht. Die Abtragsraten liegen bei wenigen Mikrometern pro Minute. Die Arbeitsgeschwindigkeit liegt hierbei im Bereich von 1 bis 50 m/min.Die Forderung von Anwendern nach hoher Wirtschaftlichkeit und Qualität sowie die Verwendung neuer oder schwer zerspanbarer Werkstoffe, wie Hartmetall oder Keramik, führen auch beim Läppen und Polieren dazu, effizientere Verfahren zu entwickeln. Das klassische Läppen mit losem Korn kommt nur noch dort zum Einsatz, wo zwingend die matte Oberfläche erforderlich ist oder aufgrund benötigter Oberflächenqualitäten die konventionellen Technologien die Anwendung neuer Verfahren nicht zulassen. Vielfach verhindert auch eine veraltete Maschinentechnik beim Anwender den Einsatz neuer Technologien.Das neue Verfahren ,,Flachhonen" arbeitet mit gebundenen Werkzeugen und niedrigen Schnittgeschwindigkeiten. Die Maschinenkinematik ist vergleichbar der des Läppverfahrens. Der Flachhonprozess findet bei Umfangsgeschwindigkeiten des Werkzeuges von 10 bis 100 m/min statt. Prozessbezogene Anlagen bei definierten Anwendungen erreichen aber auch heute schon Umfangsgeschwindigkeiten bis zu 600 m/min. Abtragsleistungen von 300 bis 500 µm/min bei erreichbaren Ebenheiten und Planparallelitäten von 1 bis 2 µm und Fertigmaßtoleranzen von ±1 µm sind nach heutigem Stand der Technik nicht außergewöhnlich (Tabelle 1).Hohes Zeitspanungsvolumen mit EinscheibenmaschinenDie teilweise für dieses Verfahren gebräuchliche Bezeichnung des Feinschleifens ist technologisch nicht korrekt. Gemäß DIN 8589 liegen die Schnittgeschwindigkeiten für das Feinschleifen als zerspanendes Bearbeitungsverfahren mit gebundenem Korn im Bereich von 10 bis 100 m/s und darüber. Dabei können Abträge über 1,0 mm/min erreicht werden.Das hohe Zeitspanungsvolumen des Flachhonens konnte bisher meist nur auf Zweischeibenmaschinen erreicht werden. Zunehmend nutzt man jedoch auch Einscheibenmaschinen. Dabei wirkt sich die Übernahme der Kinematik zur Ebenhaltung der Arbeitswerkzeuge bei dem hohen technischen Stand des einseitigen Bearbeitungsverfahrens positiv aus. Es kann hierbei von einer Zerspanung im mikroskopischen Bereich, vom Begriff der Mikrozerspanung oder Mikrofurchung, gesprochen werden. Die Mikrozerspanung ist in ihrer Schleifkraft gegenüber dem Läppen um etwa Faktor 10 kleiner. Dies beruht auf der Anzahl der Kontaktflächen der sich gleichzeitig im Eingriff befindlichen Schneiden.Das Flachhonen ist ein technisch sehr anspruchsvolles Verfahren. Der ständige, vollflächige Eingriff von Werkzeug und Werkstück bei maximaler Kontaktfläche gegenüber dem konventionellen Schleifen, wo nur eine schmale Kontaktzone besteht, stellt hohe Anforderungen an die Maschinen- und Werkzeughersteller. Neben der Wechselwirkung von Maschine und Werkzeug haben die Temperaturentwicklung an der Kontaktfläche sowie die Wahl von Korn und Porösität der Bindung der Arbeitsscheibe entscheidende Einflüsse auf die geforderte Bearbeitungsqualität.Dickentoleranzen, Oberflächenqualität, Ebenheit und Planparallelität der Werkstücke hängen in sehr engen Grenzen von den keramisch- oder kunstharzgebundenen Silizium-, Korund-, CBN- oder Diamantschleifscheiben ab. Entscheidend bei der Definition des Werkzeuges ist auch, ob ein pelletbelegter oder segmentierter Werkzeuggrundkörper gewählt werden kann. In direkter Zusammenarbeit zwischen Hersteller und Anwender wird unter Berücksichtigung der Vielzahl der technologischen und werkstückbezogenen steuerbaren Einflussgrößen eine exakte Werkzeugdefinition erarbeitet. So besteht heute vielfach schon die Möglichkeit der Substitution von Schrupp-, Schlicht- und Läppvorgängen durch eine einzelne Flachhonbearbeitung. Neben einer Verringerung der Werkzeugkosten um bis zu 25% wird damit auch eine Verkürzung der Folgeprozesse, wie das Polieren der Oberflächen, erreicht.Nicht in jedem Anwendungsfall rechtfertigen die zu bearbeitenden Werkstückzahlen die in der Relation stehende hohe Investition eines Diamant- oder CBN-Werkzeuges. So werden potenzielle Anwender oft von den hohen Kosten der Vorinvestition für die Verbrauchsmaterialien (Werkzeuge) der nächsten 2000 bis 3000 Anwendungsstunden abgeschreckt. Darüber hinaus müssen auch maschinenseitige Voraussetzungen - meist durch eine Neuinvestition - geschaffen werden.Eine Alternative zum Flachhonen ist der Einsatz von losem Diamantkorn auf entsprechenden Werkzeugen (Tabellen 2 und 3). Das Korn ist in Suspensionen oder Emulsionen aufgenommen und wird über Sprühgeräte auf Basis einer Mindermengendosierung dem Läppprozess zugeführt. Die Läppscheibe besteht je nach zu bearbeitendem Material des Werkstückes aus einer Materialkombination von GG/Stahl oder GG/Cu beziehungsweise Stahl/Bronze. Diese Läppscheiben werden auch als ,,Multimetall-Läppscheiben" bezeichnet.Prozessdefinierte Nutzung er ArbeitsscheibenÜber eine prozessdefinierte Nutzung der Arbeitsscheiben wird erreicht, dass das Werkzeug eine Speicherwirkung für das aufgebrachte Flüssigkeits-Diamantgemisch übernimmt. Dies ist insbesondere bei größeren Werkstücken von Bedeutung, weil hierdurch auch ein höherer Abtrag erreicht werden kann und sich die Gefahr des Metallschlusses (Kaltverschweißung) durch fehlendes Läppmittel erheblich reduziert. Einen weiteren, nicht unerheblichen Vorteil erbringt dieses Verfahren hinsichtlich einer raschen Umstellung der eingesetzten Korngröße gegenüber dem Einsatz von gebundenen Diamant- oder CBN- Werkzeugen. Innerhalb kürzester Zeit besteht die Möglichkeit, über ein in der Maschine integriertes Reinigungssystem das Werkzeug auf eine kleinere Korngröße umzustellen, während die Umstellung auf ein größeres Korn ohne zusätzlichen Aufwand möglich ist.Immer höher werdende Anforderungen des Umweltschutzes verlangen nach neuen Verfahren und Technologien. Es wird beständig nach Möglichkeiten gesucht, eine Reduzierung des Prozessabfalls zu erreichen. Bisher war die Bearbeitung von Werkstücken hoher Präzision mit der Läpptechnologie an hohe Entsorgungskosten gebunden. Innerhalb der Läppsuspension macht die Splitterung der Läppkörner diese nach einmaligem Durchlauf durch die Kontaktzone des Prozesses zu einem nicht mehr einzusetzenden öl- oder wasserhaltigen Sondermüll.Der darüber hinaus erforderliche Reinigungsaufwand geläppter Werkstücke stellt letztendlich einen nicht unerheblichen Anteil der Gesamtprozesskosten dar, sodass insgesamt von einem Prozess mit hohem Entsorgungsaufkommen gesprochen werden muss. Die Entsorgungskosten für Abfallstoffe der Läpp- und Poliertechnik sind im Zeitraum der letzten fünf Jahre um über 20% gestiegen!Bei der Anwendung neuerer Verfahren kann eine deutliche Reduzierung der Abfall- und Schmutzentstehung erreicht werden. Der Einsatz von Kühlschmiermitteln (auf Öl- oder Wasserbasis) zum Entfernen des Werkstückabtrages reduziert erheblich den Anfall von Läpp- und Schleifschlämmen, die als Sondermüll am Ende der Prozessfolge entsorgt werden müssen.Diamantsuspensionen und -emulsionen für den Prozess des Multimetall-Läppens erbringen gegenüber dem konventionellen Verfahren des Läppens mit Silizium- oder Borcarbid auf Öl- oder Wasserbasis einen um mehr als Faktor 20 reduzierten Ausstoß der als Sondermüll zu entsorgenden Zusatzstoffe. Der anfallende Abtrag beziehungsweise Verschleiß des Werkzeuges ist sogar gänzlich zu vernachlässigen, was sich auch sehr positiv auf die Formgenauigkeit und damit die Endgeometrie des Werkzeuges auswirkt.Läppsuspensionen kostengünstig aufbereitenWeil die Kühlschmiermittel beim Flachhonen in einem geschlossenen System im Kreislauf gefahren werden, können sie über entsprechende Filtereinheiten oder Zentrifugen wirtschaftlich und kostengünstig gereinigt werden. Nach dem chemischen und biologischen Verschleiß erfolgt im Anschluss eine Entsorgung wie beim konventionellen Schleifen.Technisch aufwendig, aber kostengünstig ist ein Verfahren, das zur Wiederaufbereitung ausgewählter Läppöle entwickelt wurde. In speziellen Anlagen erfolgt ein definierter, gesteuerter Durchsatz der verunreinigten Läppsuspensionen. Im kontinuierlichen Verfahren werden Läppkörnung und abgetragene Materialbestandteile von der wieder zu verwendenden Flüssigkeit getrennt. Im Anschluss erfolgt eine neue Einstellung der im Prozess verbrauchten Additive.Die Forderung der Industrie besteht darin, vor allem in der Mikrozerspanung über die Weiterentwicklung der Prozesse und Maschinen diese auch nach der Installation ständig optimieren zu können. Gerade im Bereich der Mikro- und Nanozerspanung ist dies nicht ohne entsprechende Vorleistungen von Anwender und Anlagenhersteller/Prozessentwickler möglich. Über einen langen Weg einer gemeinsamen Prozesskettenentwicklung, meist beginnend in der Stähli-Group, werden neue, hochgenaue und sensible Prozesse realisiert.Die starke Vernetzung von Einflussfaktoren, deren Auswirkung auf den Prozessverlauf und das gewünschte Ergebnis, stellen einen meist nicht im Rahmen des normalen Fertigungsablaufes zu bestimmenden Aufwand dar. Das direkte Abhängigkeitsschema der Werkzeuge und die Ausbildung ihrer Verschleißprofile spiegeln sich letztlich im Bereich der Geometrie und Randzoneneigenschaften der Oberflächen der zu bearbeitenden Materialien wider.Die Werkstoffeigenschaften sind nach Verfahrens- und Werkzeugparametern weitere wichtige, steuerbare Einflussgrößen. Je größer die Anzahl der Einflussfaktoren ist und je anspruchsvoller die zu erreichenden Prozessparameter werden, um so intensiver ist das Arrangement der Prozessgröße ,,Mensch" gefordert. Auch heute hat noch immer die betriebliche Praxis eine äußerst starke Abhängigkeit von den Erfahrungswerten der entsprechenden Fachkräfte.Die Zielstellung, ein hohes Zeitspanungsvolumen mit höchster Oberflächenqualität und Werkstückgeometrie (möglichst bei Substitution von Prozessschritten) zu erreichen, ist ein Wunsch der Anwender. Wurde noch vor drei bis vier Jahren über jedes Mikrometer ,,gefeilscht", so ist heute - als sei es selbstverständlich - von Nano- und Subnanometern die Rede. Entsprechende Werte sind in Tabelle 4 dargestellt.