Spanende Fertigung Schnittfreudige Schleifscheibe

Sinterkorundschleifscheiben haben Selbstschärfeffekt

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Beim Profilschleifen von Werkstücken aus hochharten Legierungen ist Sinterkorund wirtschaftliche Alternative zum CBNDie Eigenschaften metallischer Werkstoffe auf Eisen-, Nickel- und Kobaltbasis lassen sich durch die Einlagerung von Hartphasen mit keramischen Eigenschaften in die Metallmatrix entscheidend verbessern. Durch die unterschiedlichen Eigenschaften von Hartphasen und Matrix weisen derartige Werkstoffe, die je nach Herstellverfahren als Hartlegierungen oder Hartverbundwerkstoffe bezeichnet werden, eine gute Kombination aus Verschleißwiderstand und Bruchsicherheit auf, weshalb sie in der industriellen Praxis häufig für korrosions- und/oder hoch verschleißbeanspruchte technische Bauteile zum Einsatz kommen. Anwendungsbeispiele sind Umformwerkzeuge, Auslassventile an Schiffsdieselmotoren, Schnecken und Zylinder für Kunststoffextruder und Hochdruckzerkleinerungswalzen in der Steine- und Erdenindustrie.Die hohe Matrixhärte und die harten Karbide führen dazu, dass die spanende Bearbeitung dieser Werkstoffe erheblich erschwert wird. Deshalb wird im Allgemeinen das Schleifen mit dem hochharten Schneidstoff CBN (kubisches Bornitrid) für die Zerspanung angewandt. Für das Schleifen von Profilen ist eine wirtschaftliche Fertigung mit den teuren CBN-Schleifscheiben aber nur für große Losgrößen sinnvoll. Insbesondere in der Kleinserienfertigung und bei häufig variierenden Profiltypen stellt deshalb trotz des höheren Verschleißes der Einsatz von konventionellen Schleifscheiben aufgrund der einfachen Profilierbarkeit die wirtschaftlichere Variante dar.Am Institut für Spanende Fertigung (ISF), Universität Dortmund, wurde im Rahmen eines von der Forschungsvereinigung Werkzeugmaschinen und Fertigungstechnik e.V. (FWF) geförderten Forschungsprojektes das Profilschleifen karbidischer Cr-Stähle und pulvermetallurgisch hergestellter Stähle auf Eisenbasis mit konventionellen und hochharten Schleifscheiben untersucht.

Sinterkorundschleifscheiben haben Selbstschärfeffekt

Neben der chemischen Zusammensetzung werden die Eigenschaften des Werkstoffgefüges von Hartlegierungen und Hartverbundwerkstoffen entscheidend durch den Fertigungsablauf bestimmt. Während Hartlegierungen durch Erstarrung einer Schmelze unter Ausscheiden von Hartphasen hergestellt werden, entstehen Hartverbundwerkstoffe meist durch Heißkompaktieren einer Pulvermischung aus Legierungs- und Hartstoffpulvern. Ein nachgeschalteter Umformprozess dient zum einen der weiteren Formgebung, zum anderen können so die Eigenschaften des Werkstoffes manipuliert werden. Eine Wärmebehandlung kann, je nach Einsatzfall des Werkstoffes, zum Verfestigen oder Entfestigen der Metallmatrix, beispielsweise durch martensitisches Härten oder Weichglühen, herangezogen werden.Der Anteil der aus Karbiden, Boriden oder Nitriden bestehenden Hartphasen bestimmt in erster Linie das Einsatzfeld des Werkstoffes. Die größte Bedeutung haben Hartlegierungen oder Hartverbundwerkstoffe mit 15 bis 40 Volumenprozent an Hartphasen erlangt. Nach unten schließen sich mit fließendem Übergang die Werkzeugstähle an. Mit einem Hartphasengehalt von mehr als 50 Volumenprozent beginnt das Gebiet der Sinterhartmetalle und Cermets [1].Die innerhalb des Forschungsprojektes geschliffenen Werkstoffe wurden im Hinblick auf eine detaillierte Charakterisierung unterschiedlichen Werkstoffgruppen entnommen und sind in Bild 1 dargestellt. Die ersten beiden Werkstoffe gehören zu den hoch chromhaltigen karbidischen Kaltarbeitsstählen (Gruppe KAS 3). Es handelt sich dabei einerseits um die sekundärhärtende Legierung X155 CrVMo 12 1 und um den Stahl X210 Cr 12, der keine Sekundärhärte zeigt. Beide Legierungen werden auf schmelzmetallurgischem Wege mit einer nachfolgenden Warmumformung hergestellt. Die Legierung PM-KAS 3 hat eine ähnliche chemische Zusammensetzung wie die Legierung KAS 3 und kann somit mit dieser verglichen werden. Aufgrund der pulvermetallurgischen Herstellung weist sie ein deutlich feindisperseres Gefüge auf. Der Schnellarbeitsstahl S 6-5-3 hat eine höhere Härte und Warmhärte als die karbidischen Kaltarbeitsstähle.Eine weitere Steigerung der Anforderungen an die Prozessgestaltung stellen die beiden letzten Werkstoffe dar. Bei diesen handelt es sich um Werkstoffe, die zur Gruppe der Metallmatrix-Verbundwerkstoffe (MMC) zählen und auf pulvermetallurgischem Weg hergestellt werden. Beide Werkstoffe besitzen zur Anhebung der Verschleißbeständigkeit einen hohen TiC-Anteil in Verbindung mit einer extrem hohen Härte. Im Gegensatz zu der Legierung C-Spezial hat die Legierung WFN eine sekundärhärtende Matrix, was eine höhere Warmfestigkeit des Materials zur Folge hat.Aufgrund der hohen Verschleißbeständigkeit der betrachteten Werkstoffe sind Sinterkorundschleifscheiben geeignet, weil dieser Schneidstoff erhebliche Leistungsverbesserungen beim Schleifen ermöglicht [2]. Sinterkorund zeichnet sich durch eine mikrokristalline Struktur aus. Die Einzelkristalle haben eine Größe von etwa 0,5 µm, was dazu führt, dass bei einer angreifenden Belastung nur kleine Bereiche aus dem Korn ausbrechen. Auf diese Weise entstehen viele neue Einzelschneiden, wodurch die Schleifscheibe eine hohe Schnittfreudigkeit erhält. Damit jedoch ein solches Bruchverhalten einsetzt, muss der Betrag der Einzelkornbelastung in einem optimalen Bereich liegen. Die in diesem Bereich liegende Kraft wird als Initialkraft bezeichnet [3].

Fürs Tiefschleifen weniger geeignet

Im Rahmen der experimentellen Untersuchungen wurde zunächst mit unprofilierter Schleifscheibe das Tiefschleifen dem Pendelschleifen gegenübergestellt. Die im Tiefschliff geschliffenen Proben weisen eine extreme thermische Schädigung auf. Diese spiegelt sich in einer sichtbaren Anlasszone (Schleifbrand) sowie in einer stark variierenden Profilabweichung wider (Bild 2). Zur Erläuterung der für die Schädigung verantwortlichen Vorgänge ist die bezogene Normalkraft dem gemessenen Oberflächenprofil gegenübergestellt. Die Profilabweichung weist analog zur bezogenen Schleifkraft sich wiederholende Maxima und Minima auf. An den Positionen, an denen die Maxima auftreten, liegt keine sichtbare thermische Schädigung vor. Die geringe Vorschubgeschwindigkeit in Verbindung mit dem hohen Schleifaufmaß führt zu extrem hohen Bearbeitungstemperaturen in der Schleifkontaktzone. Die hohen Temperaturen führen zu einer Ausdehnung des Werkstücks. Zum Werkstückinneren sinken die Temperaturen, so dass sich der Werkstoff zur Schleifscheibe hin am stärksten ausdehnt. Daraus resultiert ein erhöhter Materialabtrag. Durch die hohen Temperaturen kommt es zu einer Werkstoffentfestigung, die zu sinkenden Bearbeitungskräften, aber auch zu Ablagerungen auf der Schleifscheibenoberfläche führt. Die anschließende Zufuhr von Kühlschmierstoff führt zu einer Werkstoffkontraktion, so dass nach der Bearbeitung eine hohe Profilabweichung vorliegt. Lösen sich die Ablagerungen, sinken die Bearbeitungstemperaturen kurzzeitig. Der Werkstoff verfestigt und die Kraft wird maximal. Die Werkstoffausdehnung ist zu diesem Zeitpunkt minimal, so dass der programmierte Materialabtrag eingehalten wird. Steigen die Temperaturen erneut, wiederholt sich der zuvor beschriebene Prozess. Aufgrund der erheblichen Werkstückschädigung beim Tiefschleifen empfiehlt sich die Bearbeitung der betrachteten Werkstoffe im Pendelschliff. In Bild 3 ist der beim Flachschleifen des karbidischen Kaltarbeitsstahls X210 Cr 12 mit einer Sinterkorundschleifscheibe generierte Schleifscheibenradialverschleiß Drs über dem bezogenen Zeitspanvolumen Q´w für zwei verschiedene Schnittgeschwindigkeiten vc aufgetragen. Darüber hinaus ist in der Abbildung der beim Schleifen mit F vorliegende Verlauf des Schleifverhältnisses G, das als Verhältnis von zerspantem Werkstückvolumen zu verschlissenem Schleifscheibenvolumen definiert ist, qualitativ dargestellt. Ein niedriger Verschleiß führt somit zu einem hohen Schleifverhältnis und umgekehrt. Der Radialverschleiß fällt mit steigendem bezogenem Zeitspanvolumen zunächst auf ein Minimum. Bei einer weiteren Steigerung des bezogenen Zeitspanvolumens nimmt der Verschleiß progressiv zu. Dieser Verschleißverlauf lässt sich anhand der ebenfalls in Bild 3 dargestellten Verschleißmechanismen erläutern. Niedrige bezogene Zeitspanvolumina gehen mit geringen Einzelkornkräften einher. Der Verschleißmechanismus ist durch eine Anflächung der Schleifkörner gekennzeichnet (Bereich I in Bild 3). Steigt das bezogene Zeitspanvolumen bei gleich bleibender Schnittgeschwindigkeit und konstanter Zustellung, so muss die Schleifscheibe das gleiche Werkstoffvolumen in einer kürzeren Zeit abtragen. Dadurch steigen die auf die Schleifscheibe einwirkende Belastung und die Einzelkornkraft.Überschreitet die Einzelkornkraft einen kritischen Wert, so kommt es zum Bruch der Schleifkörner. Aufgrund der bereits beschriebenen mikrokristallinen Struktur des Sinterkorundes entstehen beim Kornbruch viele neue Einzelschneiden, wodurch die Schnittfreudigkeit der Schleifscheibe erheblich ansteigt. Dieser Verschleißmechanismus wird als mikrokristallines Kornsplittern bezeichnet (Bereich II) und geht mit einem minimalen Schleifscheibenverschleiß und somit mit einem maximalen Schleifverhältnis einher. Eine weitere Steigerung des bezogenen Zeitspanvolumens führt in Verbindung mit deutlich über dem kritischen Wert liegenden Einzelkornkräften dazu, dass die Schleifscheibe überlastet ist. Es kommt zunächst zum teilweisen und schließlich zum vollständigen Ausbruch einzelner Körner oder ganzer Kornverbünde (Bereich III in Bild 3). In diesem Fall liegt der höchste Schleifscheibenverschleiß vor.Eine Verringerung der Schnittgeschwindigkeit führt dazu, dass das Maximum des Schleifverhältnisses zu kleineren bezogenen Zeitspanvolumina verschoben wird, da pro Zeiteinheit weniger aktive Schneiden am Zerspanprozess beteiligt sind und der Verschleiß auf ein höheres Niveau ansteigt.Die beim Schleifen des karbidischen Kaltarbeitsstahls X210 Cr 12 gewonnenen Erkenntnisse wurden in einem weiteren Untersuchungsschritt mit dem Warmarbeitsstahl S 6-5-3 sowie dem hochfesten Metall-Matrix-Verbundwerkstoff (MMC) „Ferro-Titanit“ in den Sorten WFN und C-Spezial verglichen. Bild 4 zeigt den ermittelten Radialverschleiß beim Schleifen dieser Werkstoffe im Vergleich zum X210 Cr 12. Die im Schnellarbeitsstahl S 6-5-3 eingebetteten M6C-Karbide weisen eine Härte auf, die der oberen Härtegrenze des Aluminiumoxids entspricht. Damit liegt die Härte dieser Karbide deutlich über der Härte der M7C3-Karbide des Kaltarbeitsstahls X210 Cr 12, wodurch der Verschleiß beim Schleifen des S 6-5-3 auf einem höheren Niveau liegt. Eine weitere Steigerung des Verschleißes rufen die Titankarbide im MMC-Werkstoff Ferro-Titanit hervor, weil deren Härte die des Aluminiumoxids überschreitet.Zur Beurteilung der im Werkstück durch den Schleifprozess hervorgerufenen Belastung wie Temperaturen, Spannungen, Deformationen ist eine Prozesssimulation nützlich. Am ISF kommt zu diesem Zweck FEM zum Einsatz. Zur Simulation des Flach- und des Profilschleifprozesses wurde ein Prozessmodell entwickelt, das auf der Modellvorstellung von Carslaw [4] und Jaeger [5] basiert. Zur vereinfachten Simulation wurde ein autonomes Software-Tool entwickelt, das nach Eingabe der Randbedingungen ein FEM-Modell des Schleifprozesses automatisch generiert. Bild 5 zeigt die mit der FEM für eine exemplarische Prozessführung ermittelte Temperaturverteilung im Werkstück. Zum betrachteten Zeitpunkt hat die Schleifscheibe die Auslaufkante des Werkstücks erreicht. Mit der FEM-Simulation besteht die Möglichkeit, grundlegende Zusammenhänge zwischen den Prozessparametern und dem im Werkstück hervorgerufenen Belastungszustand zu erkennen.