Schleifen Ultraschall steigert Effizienz beim Schleifen sprödharter Werkstoffe

Umfangreiche prozesstechnologische Untersuchungen beim ultraschallunterstützen Schleifen von Werkstücken aus sprödharten Werkstoffen zeigten, dass bei der Kinematik des Seiten-Quer-Drehschleifens durch den axialen Ultraschalleinsatz die Prozesskraft signifikant gesenkt werden kann. Die Verringerung der Prozesskraft kann für eine Erhöhung der Vorschubgeschwindigkeit genutzt werden, wodurch höhere Zeitspanungsvolumina beziehungsweise höhere Produktivität möglich werden.

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Um präzise Bauteile (Bild 1) aus sprödharten Werkstoffen wie Hochleistungskeramik, Glas oder Glaskeramik mit hohen Anforderungen an die Oberflächengüte sowie an Maß- und Formgenauigkeiten herzustellen, sind zumeist Prozessketten aus mehrstufigen spanenden Einzeltechniken mit erheblichem fertigungstechnischen Aufwand notwendig.

Replikative, formgebende Prozesse, die sich zum Teil noch in der Entwicklung befinden, scheiden insbesondere bei Klein- und Mittelserien aus wirtschaftlichen Gründen vielfach aus. Wenn darüber hinaus komplexe Geometrieelemente konventionelle Schleifprozesse an ihre Grenzen führen, stellen Sonderverfahren oft die einzige Fertigungsalternative dar. Eine Lösung bildet das ultraschallunterstützte Schleifen.

Ultraschallenergie reduziert Bearbeitungskräfte

Beim ultraschallunterstützten Schleifen kann durch die Überlagerung der konventionellen Schleifkinematik mit einer zusätzlichen, hochfrequent oszillierenden Wirkbewegung eine Erweiterung der bestehenden technologischen Grenzen bei der Schleifbearbeitung von Hochleistungswerkstoffen erreicht werden.

Beim ultraschallunterstützten Schleifen ist der Zweck der eingebrachten Ultraschallenergie in erster Linie das Reduzieren der mittleren Bearbeitungskräfte. Diese ermöglichen entweder das Realisieren höherer Vorschubgeschwindigkeiten und damit das Erzielen größerer Zeitspanungsvolumina oder erlauben die Erzeugung feinerer Strukturelemente.

Darüber hinaus stellen sich aufgrund der guten Zu- und Abfuhr des Kühlschmierstoffs verbesserte tribologische Bedingungen ein. Schließlich wirkt die Ultraschallschwingung nicht nur auf das Werkstück, sondern führt auch am Schleifwerkzeug zu veränderten Verschleißmechanismen, die bei Auswahl geeigneter Spezifikationen in Kombination mit den Prozessstellgrößen die Schneidfähigkeit optimieren können.

Verschiedene Variationen der Ultraschallschwingungen

Grundsätzlich sind Ultraschallschwingungen in verschiedenen Variationen mit Schleifprozessen kombinierbar. Zum einen lassen sich die Verfahren hinsichtlich der örtlichen Position der Ultraschallerregung unterscheiden. Zahlreiche Entwicklungen wurden in der Vergangenheit mit Prüfständen realisiert, bei denen das Werkstück über eine geeignete Spannvorrichtung mit einer hochfrequenten Schwingung beaufschlagt wurde.

Diese Methodik hat den entscheidenden Nachteil, dass aufgrund der Notwendigkeit des Einsatzes von Ultraschallschwingungen im Resonanzbereich jede neue Werkstückform einer aufwendigen schwingungstechnischen Anpassung der Spannvorrichtung bedarf. Zudem ist die Bearbeitung sehr großvolumiger Bauteile wegen des fehlenden homogenen Resonanzmodus nahezu auszuschließen.

Gelöst wird diese Problematik durch die Einbringung der Ultraschallenergie über ein angeregtes Werkzeug. Diese Form des ultraschallunterstützten Schleifens liefert dem Anwender eine deutlich höhere Flexibilität, wobei auch in diesem Fall die Geometrie der Werkzeuge nicht nur von der Bearbeitungsaufgabe abhängt, sondern zudem gemäß den Regeln der Schwingungstechnik auszulegen ist. Dazu existieren EDV-unterstützte Berechnungsprogramme, mit denen die in aller Regel schlanken rotationssymmetrischen Werkzeuggrundkörper mit relativ geringem Aufwand ausgelegt werden können. Es muss gewährleistet werden, dass eine maximale Amplitude bei Nennfrequenz zwischen 19 und 21 kHz am Werkzeugende vorliegt.

Wirkrichtung des Ultraschalls beeinflusst das Ergebnis

Eine weitere Variationsmöglichkeit des schwingungsunterstützten Schleifens liegt in der Wirkrichtung des Ultraschalls. Die wichtigsten Wirkrichtungen sind Schwingungen parallel und senkrecht zur Hauptvorschubbewegung. Bezüglich der parallelen Anregung ist vor allem das ultraschallunterstützte Umfangs-Längs-Schleifen zu nennen, mit dem Bohrungen oder vergleichbare innenliegende Geometrien bearbeitet werden können (Bild 2a).

Beim konventionellen Umfangs-Längs-Schleifen ohne Ultraschallerregung stehen die wirksamen Diamantkörner der Werkzeugstirnfläche im ständigen Kontakt zum Werkstück. Abrasiver Verschleiß führt zum schnellen Abflachen der Diamanten und damit zu einer reduzierten Schneidfähigkeit. Aufgrund der wachsenden Kontaktflächen steigen bei konstanter Vorschubgeschwindigkeit die Bearbeitungskräfte signifikant an. Durch das hochfrequente axiale Schwingen des Werkzeugs wird dieser Effekt in Verbindung mit einem minimierten Zusetzen des Schleifbelags vermieden.

Ein Beispiel für eine vorschubnormale Wirkrichtung der Schwingung ist das ultraschallunterstützte Seiten-Längs-Schleifen (Bild 2b). Bei dieser Prozessvariante wird ein zylindrischer Schleifkörper axial mit einer Ultraschallschwingung beaufschlagt, jedoch führt er seine Vorschubbewegung in der lateralen Ebene aus. Dies hat zur Folge, dass die an der Mantelfläche des Werkzeugbelags im Eingriff befindlichen Diamantkörner neben der rotatorischen Bewegung eine Ultraschallschwingung erfahren. Diese ruft eine Beschleunigung hervor, verkürzt aber nicht die Kontaktzeit mit dem Werkstück. Die einzelnen Schneiden werden in Form einer Sinusfunktion in Eingriff gebracht, erhalten in den Nulldurchgängen höhere effektive Schnittgeschwindigkeiten und werden von verschiedenen Seiten belastet.

Ultraschall beeinflusst die Verschleißform

Die unterschiedlichen Belastungen aufgrund der Ultraschallwirkung beeinflussen die Verschleißformen am Diamantkorn. Beim konventionellen Schleifen besteht über die Eingriffslänge ein kontinuierlicher Kontakt zwischen Werkzeug und Werkstück. Dieser kontinuierliche Kontakt hat eine einseitige konstante Belastung zur Folge und ist vornehmlich durch abrasiven Verschleiß gekennzeichnet. Diese Verschleißform lässt sich an den parallel gerichteten Riefen auf den Diamantkörnern im Rasterelektronenmikroskop erkennen und bewirkt ein Abflachen der Körner, die dadurch ihre Schneidfähigkeit verringern und die Prozesskraft erhöhen (Bild 3a).

Beim ultraschallunterstützten Schleifen hingegen zeichnen sich die Verschleißstrukturen durch eine Vielzahl von Mikrosplitterungen am Diamantkorn aus. Diese entstehen aufgrund der hochfrequenten impulsartigen Belastungen und möglicherweise durch die hohen Einzelkornkräfte. Der Vorteil dieser Mikrosplitterungen liegt in der Aufrechterhaltung der Schneidfähigkeit, die ein Abrichten erst nach größeren Zeitintervallen erforderlich macht.

Der makroskopische Werkzeugverschleiß, der beispielsweise durch die Verkürzung der Werkzeuglänge gemessen werden kann, wird für das Umfangs-Längs-Schleifen mit dem Einsatz von Ultraschallschwingungen vergrößert. Das führt zu schlechteren G-Verhältnissen gegenüber dem konventionellen Schleifen. Der mögliche Verzicht auf Abrichtvorgänge kann über die Einsatzdauer der Werkzeuge jedoch zu insgesamt längeren Standzeiten führen, wie in Bild 3b dargestellt.

Beim Vorschleifen von sphärischen Glasoptiken kommt typischerweise die Kinematik des Seiten-Quer-Dreh-Schleifens (Topfschleifscheibenkinematik) zum Einsatz. Bei dieser Kinematik wird durch den Schleifwerkzeugdurchmesser und durch den Winkel zwischen der Rotationsachse des Werkzeugs und der des Werkstücks der Linsenradius eingestellt. Dieses Bearbeitungsverfahren hat den Vorteil, dass eine einfache translatorische Werkzeugvorschubbewegung eine sphärische Linse mit guter Formgenauigkeit erzeugen kann.

Verringerte Prozesskraft für höheren Vorschub nutzen

Im Rahmen von umfangreichen prozesstechnologischen Untersuchungen am Fraunhofer IPT konnte gezeigt werden, dass bei der Kinematik des Seiten-Quer-Drehschleifens durch den axialen Ultraschalleinsatz die Prozesskraft signifikant gesenkt werden kann (Bild 4). Die Verringerung der Prozesskraft kann für eine Erhöhung der Vorschubgeschwindigkeit genutzt werden, wodurch höhere Zeitspanungsvolumina beziehungsweise Produktivitäten möglich werden.

Der vermehrte Einsatz von Hochleistungskeramik bei Anwendungen, in denen Geometrieelemente benötigt werden, die nicht über klassische Hartbearbeitungsverfahren wie das Flach- oder das Außen-/Innenrundschleifen erzeugt werden können, erfordert innovative Fertigungstechnologien. Notwendig ist in erster Linie eine hochflexible Kinematik, beispielsweise das Seiten-Längs-Schleifen ähnlich dem mehrachsigen Fräsen, die es ermöglicht, nahezu jedes beliebige Geometrieelement zu erzeugen. Diese Kinematik kann eingesetzt werden, um zum Beispiel nicht rotationssymmetrische Formeinsätze für Umformwerkzeuge (Bild 1) aus der schwer zerspanbaren Hochleistungskeramik Si3N4 endzubearbeiten.

Auch bei der Bearbeitung dieses Werkstoffs konnten die bereits beschriebenen Vorteile der zusätzlichen Ultraschallunterstützung gezeigt werden. Eine Ultraschallamplitude von 15 µm reduzierte im Vergleich zu einem Prozess ohne Ultraschallunterstützung bei sonst gleichen Prozessparametern die Passivkraft um mehr als 70%. Diese Prozesskraftreduktion konnte genutzt werden, um das maximal erreichbare Zeitspanungsvolumen nahezu zu verdoppeln.

Entwicklungspotenzial ist noch nicht ausgeschöpft

Das ultraschallunterstützte Schleifen birgt weitreichendes Potenzial hinsichtlich einer wirtschaftlichen Zerspanung sprödharter Werkstoffe mit geometrisch unbestimmten Schneiden. Auf der einen Seite können die mittleren Prozesskräfte signifikant gesenkt werden, um beispielsweise filigranere Geometrieelemente zu erzeugen. Auf der anderen Seite kann die mittlere Prozesskraftsenkung genutzt werden, um das maximal erreichbare Zeitspanungsvolumen zu erhöhen.

Eine weitere Steigerung der Leistungsfähigkeit des ultraschallunterstützten Schleifens kann außer einem verbesserten Verständnis aller Wirkzusammenhänge durch eine Weiterentwicklung der verfügbaren Anlagentechnik hinsichtlich höherer Spindeldrehzahlen, gegebenenfalls auch höherer Frequenzen und höherer Präzision erreicht werden.

Prof. Dr.-Ing. Dr.-Ing. E. h. Fritz Klocke ist Direktor des Laboratoriums für Werkzeugmaschinen und Betriebslehre (WZL) der RWTH Aachen und Direktor des Fraunhofer-Instituts für Produktionstechnologie (IPT); Dipl.-Ing. Andreas Weber und Dipl.-Ing. Bernd Bresseler sind wissenschaftliche Mitarbeiter am Fraunhofer-Institut für Produktionstechnologie IPT. Weitere Informationen: Dipl.-Ing. Andreas Weber, 52074 Aachen, Tel. (02 41) 8 90 42 48, andreas.weber@ipt.fraunhofer.de

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