Spanende Fertigung Ohne Fehl und Tadel

Die Strategie beim Werkzeugschleifen beeinflusst die Leistungsfähigkeit des Werkzeugs. Die beim Schleifen von Zerspanwerkzeugen generierte thermomechanische Belastung des geschliffenen Werkzeuges...

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Die beim Schleifen von Zerspanwerkzeugen generierte thermomechanische Belastung des geschliffenen Werkzeuges beeinflusst die Werkzeugrandzone und kann sich negativ auf das spätere Einsatz- und Verschleißverhalten des Werkzeuges auswirken. Übersteigt die Belastung ein kritisches Niveau, so treten beispielsweise Gefügeschädigungen in Form von Mikrorissen oder Ausbrüchen auf. Mikrorisse sind unmittelbar nach dem Schleifen nicht zwangsläufig erkennbar. Erst im späteren, mit dem geschliffenen Werkzeug vorgenommenen Fertigungsprozess führen sie zu einem vorzeitigen Erreichen der Standzeit und wirken sich deutlich auf die Wirtschaftlichkeit der Produktion aus. Außer Gefügeschädigungen führt eine erhöhte thermische Belastung beim Schleifen zur Ausdehnung des Schneidstoffes. Weil sich diese Ausdehnung in Richtung der Schleifscheibe vollzieht, liegt während des Schleifens ein erhöhter Materialabtrag und damit nach dem Schleifen eine fehlerhaftte Werkzeuggestalt vor. Diese Gestaltabweichung wiederum kann beim späteren Werkzeugeinsatz ein ungleichmäßiges Belastungskollektiv hervorrufen, das ebenfalls mit einem erhöhten Werkzeugverschleiß sowie Form- und Maßfehlern des bearbeiteten Werkstücks einhergeht [1].Simulation ermöglicht Analyse der SchleifprozessführungAm Institut für Spanende Fertigung (ISF), Universität Dortmund, wurde der Einfluss des Schleifprozesses auf die Eigenschaften und das Einsatzverhalten geschliffener Zerspanwerkzeuge eingehend untersucht. Außer experimentellen Analysen stellt die Simulation des Schleifprozesses mit der Finite-Elemente-Methode (FEM) ein überaus nützliches Werkzeug zur Beurteilung der Schleifprozessführung dar. Mit der FEM kann der zeitliche und räumliche Verlauf relevanter Belastungskenngrößen im Werkstück berechnet werden. Mit dieser Kenntnis ließen sich beispielsweise angepasste NC-Bahnen für die Schleifmaschine generieren, die den Formfehler minimieren würden. Eine solche Simulation ist jedoch zur Prozessauslegung nur dann geeignet, wenn sie einen universellen Charakter aufweist und der Aufwand zur Durchführung minimal ist. Aus diesen Gründen wurden am ISF autonome Softwaretools zur automatisierten Simulationsgenerierung entwickelt. Aktuelle Forschungsprojekte haben das Ziel, durch die Implementierung der Methoden der statistischen Versuchsplanung funktionale Formulierungen für die Eingangsgrößen der Simulation herzuleiten.Zur Verdeutlichung des Einflusses relevanter Prozessparameter auf den Schleifprozess zeigt Bild 2 exemplarisch die bezogene Normalkraft in Abhängigkeit der Maschineneinstellgrößen Schnittgeschwindigkeit, Vorschubgeschwindigkeit und Zustellung bei Einsatz einer kunstharzgebundenen Diamantschleifscheibe der Körnung D64 unter Öl. Geschliffen wurden Schneidplatten aus Hartmetall unterschiedlicher Gefügestruktur. Wie die Diagramme zeigen, ist der Einfluss des Hartmetallgefüges bei den gegebenen Randbedingungen eher gering. Mit steigender Schnittgeschwindigkeit sinkt die bezogene Normalkraft für beide Hartmetalle. Dies ist darauf zurückzuführen, dass bei einer Steigerung der Schnittgeschwindigkeit und damit der Drehzahl pro Zeiteinheit eine größere Anzahl von Schleifkörnern im Eingriff ist. Dadurch sinkt die maximale Spanungsdicke hc1 eines Schleifkorns. Die geringeren Verformungsquerschnitte gehen mit geringeren Zerspankräften einher [2]. Die Einzelkornbelastung und die Schleifkraft sinken demnach bei einer Steigerung der Schnittgeschwindigkeit. Bei einer Steigerung der Schnittgeschwindigkeit und damit der Prozessleistung werden jedoch in Abhängigkeit der übrigen Parameter im Allgemeinen höhere Temperaturen generiert, die bei der Auslegung des Werkzeugschleifprozesses von großer Bedeutung sind.Höhere Vorschubgeschwindigkeiten führen zu einer höheren Schleifnormalkraft, weil die Schleifscheibe das Zerspanvolumen in einer kürzeren Zeit abtragen muss. Ebenso resultieren aus einer größeren Zustellung höhere Schleifkräfte, weil die Schleifscheibe bei gleicher Vorschubgeschwindigkeit mehr Volumen abzutragen hat. Die bereits erläuterten Mechanismen wirken sich außer bei den Kräften ebenso auf die Bearbeitungstemperaturen aus. Die Tatsache, dass die Schleifscheibe bei einer Steigerung der Vorschubgeschwindigkeit das Zerspanvolumen in einer kürzeren Zeit abtragen muss, führt zwar zu erhöhten Kontaktzonentemperaturen, aber auch zu kürzeren Wärmeeinwirkzeiten. Die größere Kontaktlänge beim Schleifen mit erhöhter Zustellung unter ansonsten identischen Randbedingungen geht ebenfalls mit höheren Temperaturen einher. Außer den Maschineneinstellgrößen übt die verwendete Schleifscheibenspezifikation einen großen Einfluss auf die Bearbeitungstemperaturen aus. Diese Aussage bestätigt Bild 3. Darin sind die beim Schleifen von Cermet-Schneidplatten generierten Werkstücktemperaturen in Abhängigkeit des verwendeten Schleifscheibentyps über dem Abstand zwischen Kontaktzone und Thermoelement aufgetragen. Der Versuchsaufbau geht ebenfalls aus der Abbildung hervor. Bei allen Schleifscheibentypen handelt es sich um kunstharzgebundene Schleifscheiben gleicher Spezifikation. Der Typ C unterscheidet sich vom Typ E ausschließlich durch die Beschichtung der Diamantkörner. Bei den Typen F und G sind Bindungsbestandteile zur Erhaltung des Porenraums und zur Schmierung enthalten. Darüber hinaus kann auch die höhere Kornsplittrigkeit der Schleifscheibe vom Typ G gegenüber dem Typ F die Temperaturen beim Schleifen weiter reduzieren. Die Optimierungen der Schleifscheiben verbinden eine Verminderung der Wärmeentstehung durch eine höhere Schnittfreudigkeit und bessere Schmierung mit einer Verbesserung der Wärmeabfuhr aus der Kontaktzone [3].Die bereits getroffene Aussage, dass sich eine kritische thermische Belastung beim Schleifen negativ auf das Einsatzverhalten der geschliffenen Zerspanwerkzeuge auswirken kann, verdeutlicht Bild 4. Im Rahmen der Untersuchungen wurden Schneidplatten aus Hartmetall und Cermet mit unterschiedlichen Schnittgeschwindigkeiten geschliffen und dann zum Drehen unter konstanten Bedingungen eingesetzt. Der Verschleiß beim Drehen hängt sowohl für Hartmetall als auch für Cermet deutlich von der beim Schleifen gewählten Schnittgeschwindigkeit ab. Mit steigender Schleif-Schnittgeschwindigkeit wird eine Zunahme der Kolktiefe beim Drehen beobachtet. Dieser Sachverhalt ist auf die bei höheren Schleif-Schnittgeschwindigkeiten vorliegende höhere Schnittleistung zurückzuführen, die mit höheren Werkstücktemperaturen einhergeht. Dadurch besteht die Gefahr einer bereits im Schleifprozess auftretenden Gefügeschädigung der Schneidplatten, so dass bei einem angreifenden Belastungskollektiv ein höherer Verschleiß vorliegt [5].Geeignete Prozessstrategie reduziert WerkstückbelastungEine Simulation des Schleifprozesses ermöglicht es, die im Bauteil generierten Belastungskenngrößen zu erkennen und mit geeigneter Prozessstrategie zu minimieren. Bild 5 verdeutlicht diesen Sachverhalt am Beispiel der Schleifbearbeitung von Cermet. Es zeigt exemplarisch die simulierten Temperaturen, Spannungen und Deformationen im Werkstück für drei verschiedene Schnittgeschwindigkeiten bei gekoppelter thermischer und mechanischer Betrachtung. Zum dargestellten Zeitpunkt hat die Schleifscheibe gerade die Auslaufkante des Werkstückes erreicht. Es wird deutlich, dass ein Minimum der thermomechanischen Werkstückbelastung bei einer mittleren Schnittgeschwindigkeit vorliegt. Ist die Schnittgeschwindigkeit zu gering, steigt aufgrund der geringen Anzahl der pro Zeiteinheit am Spanungsprozess beteiligten Schneiden die maximale Spanungsdicke hc1 eines einzelnen Kornes. Neben einer Verschlechterung der erzeugten Oberfläche wirken deutlich höhere Schnittkräfte auf die Körner, wodurch Reibung und Temperatur steigen. Eine Steigerung der Schnittgeschwindigkeit führt zu einer größeren Anzahl aktiver Schneiden und somit zu einer Umkehr dieses Effektes, so dass die Temperaturen in der Kontaktzone zunächst sinken. Durch die Erhöhung der Schnittgeschwindigkeit wird jedoch gleichzeitig mehr Leistung in den Prozess eingebracht, so dass bei einer weiteren Erhöhung der Schnittgeschwindigkeit die Temperaturen wiederum steigen [5]. Im vorliegenden Beispiel sollte demnach unter den gegebenen Randbedingungen eine Schnittgeschwindigkeit von vc = 20 m/s gewählt werden.Die Eingangsgrößen der Simulation wurden in experimentellen Untersuchungen ermittelt. Für jede der dargestellten Schnittgeschwindigkeiten war die Messung der Temperatur an einer beliebigen Stelle im Bauteil sowie der Zerspankräfte erforderlich. Über die Simulation ließen sich daraufhin die zeitliche und räumliche Verteilung der Belastungskenngrößen verdeutlichen. Weil die zwingende Durchführung eines Experimentes dem Praxiseinsatz der Simulation entgegensteht, wurde am ISF die statistische Versuchsplanung herangezogen. Mit dieser Methodik ist es möglich, nach der einmaligen Durchführung einer bestimmten Anzahl von Versuchen funktionale Abhängigkeiten zwischen den für die Simulation benötigten Eingangsgrößen und den innerhalb der Versuche variierten Prozessparametern herzuleiten. Damit lassen sich dann innerhalb der betrachteten Grenzen beliebige Parameterkombinationen simulieren [6].Maschinensteifigkeit beeinflusst SchleifqualitätIm Hinblick auf die beim Schleifen erzielte Qualität des geschliffenen Werkzeuges spielt die Nachgiebigkeit der verwendeten Schleifmaschine eine wichtige Rolle. Dies verdeutlicht ein Anwendungsbeispiel. Zur Verbesserung des Einsatz- und Verschleißverhaltens werden Zerspanwerkzeuge häufig mit einer definierten Kantengestalt versehen. Dazu zählen Radien oder Fasen, durch die die Stabilität der Schneidkante erhöht werden soll. Radien werden im Allgemeinen durch die Verfahren Bürsten oder Strahlen eingebracht, während eine Fase durch Schleifen erzeugt werden kann [7]. Bild 6 zeigt am Beispiel einer gefasten Schneidplatte eine mögliche Prozessstrategie. Gewählt wurde ein Längs-Umfangs-Planschleifprozess, um den Einfluss der Maschinennachgiebigkeit zu verdeutlichen. Die Fase könnte allerdings auch mit einer Topfschleifscheibe in Verbindung mit einer Einstechkinematik erzeugt werden.Zur Erhöhung der Wirtschaftlichkeit des Schleifprozesses werden bei der Schleifbearbeitung möglichst hohe Zeitspanvolumina angestrebt. Weil bei einer Steigerung der Abtragsrate die Belastung des Werkstücks und damit der Schleifscheibe ansteigt, liegt eine erhöhte Deformation der Werkzeugschleifmaschine vor. Dieser Vorgang wirkt sich zwangsläufig auf die Gestalt des geschliffenen Werkstücks aus.In Bild 7 sind die Fasenbreite und der Fasenwinkel einer Werkzeugschneide über dem bezogenen Zeitspanvolumen, das sich beim Planschleifen aus dem Produkt aus Vorschubgeschwindigkeit und Zustellung errechnet, aufgetragen. Während der Fasenwinkel nahezu keine Abhängigkeit vom bezogenen Zeitspanvolumen zeigt, steigt dagegen die Fasenbreite mit zunehmendem bezogenem Zeitspanvolumen degressiv an. Innerhalb der Untersuchungen wurden die Spanfläche, die Fase und die Freifläche der Schneidplatte bearbeitet. Beim Schleifen der Spanfläche kommt es zu einer Auffederung der Schleifmaschine. Diese Auffederung führt dazu, dass das Soll-Aufmaß nicht erreicht wird (Bild 8). Die im Anschluss an die Spanfläche geschliffene Fase, die durch den Start- und Endpunkt der Schleifmaschine innerhalb dieser Operation definiert wird, weist nun eine von der Soll-Breite bf,soll abweichende Breite bf,ist auf. Je größer die Auffederung beim Schleifen der Spanfläche ist, umso größer ist die Fasenbreite nach dem Schleifen.Der Formfehler kann durch unterschiedliche Maßnahmen reduziert werden. Zum einen kann die Belastung des Systems Werkstück - Schleifscheibe - Schleifmaschine durch die Wahl moderater Maschineneinstellgrößen minimiert werden. Eine weitere Alternative stellen nachträgliche Ausfeuerhübe dar. Im Allgemeinen wirken sich solche Modifikationen negativ auf die Hauptzeit und somit auf die Wirtschaftlichkeit des Schleifprozesses aus. Darüber hinaus können adaptive Regelungen zu einer hohen Konturtreue des geschliffenen Bauteils beitragen (ACC-Regelung: adaptive control constraint, ACO-Regelung: adaptive control optimization) [8 bis 10]. Eine Deformationskompensation bei der Bearbeitung komplexer Zerspanwerkzeuge mit einer Finite-Elemente-Simulation unter Berücksichtigung der Maschinendeformation ist Gegenstand aktueller Forschungsarbeiten am ISF.Literatur: [1] Weinert, K., und M. Schulte: Kompensation der prozessbedingten Deformation beim Werkzeugschleifen. VDI-Z 9/2003, S. 54]58.[2] Martin, K., und K. Yegenoglu: HSG-Technologie - Handbuch zur praktischen Anwendung. Frohnstetten: Guehring Automation GmbH 1992.[3] Weinert, K., G. Johlen, und M. Schulte: Wirtschaftliches Schleifen von Hartmetall- und Cermet-Werkzeugen. wb Werkstatt und Betrieb 11/2001, S. 112]119.[4] Schulte, M.: Optimierungspotenziale beim Werkzeugschleifen. Dortmunder Schleifseminar 22. September 2004. Institut für Spanende Fertigung der Universität Dortmund.[5] Profilschleifen von Hartlegierungen und Hartverbundwerkstoffen mit konventionellen Schleifmitteln. Dissertation Universität Dortmund 2004.[6] Weinert, K., M. Schulte und I. Kresing: Schleifprozesssimulation - Unterstützung der Prozessauslegung. IDR Industrie Diamanten Rundschau 38/2004, S. 156-162.[7] Denkena, B., T. Friemuth, C. Spengler, K. Weinert, M.Schulte und D.Kötter: Kantenpräparation an Hartmetall-Werkzeugen. wt Werk-stattstechnik online 3/2003, S. 202]207.[8] Mühl, A. und B. Wunderlich: ACC-Regelung von Bahnschleifprozessen. Schriftenreihe des Lehrstuhls für Werkzeugmaschinen der Universität Dortmund.[9] Saljé, E., H. Mushardt und E.Scherf: Optimierregelung für das Außenrund-Einstechschleifen. VDI-Z 6/1980), S. 215-224.[10] König, W., G. Werner: Adaptive Control Optimization of High Efficiency External Grinding - Concept, Technological Basics and Application. Annals of the CIRP 23 (1974) 1, pp. 101]102.[11] Schneider, M.: Auswirkungen thermomechanischer Vorgänge beim Werkzeugschleifen. Schriftenreihe des ISF. Essen: Vulkan Verlag 2000.