Spanende Fertigung Zerspanleistung steigern ohne Qualitätsverlust

Das Innenrund-Schälschleifen ist ein wirtschaftliches und flexibles Schleifverfahren zur Bohrungsendbearbeitung von gehärteten Futterteilen.

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Untersuchungen zeigen, dass der Einsatz des Innenrund-Schälschleifens in Verbindung mit einschichtig belegten, galvanisch gebundenen CBN-Schleifscheiben die Leistung bei der Bohrungsendbearbeitung gehärteter Futterteile ernorm steigert, ohne die Oberflächengüte zu verschlechtern. Dies wird dadurch möglich, dass die Aufgaben der Materialzerspanung und der Oberflächenglättung sich auf die separaten Bereiche der Schleifscheibenschruppzone und -schlichtzone verteilen. Das Schälschleifen ermöglicht die Herstellung der geforderten Funktionsfläche mit einem einzigen Überschliff und zeichnet sich aufgrund der geringen Schleifscheibenbreite durch niedrige Prozesskräfte sowie -temperaturen bei hohen Zeitspanvolumina im Vergleich zu anderen Innenrund-Schleifverfahren aus [1]. Das Ziel weiterer Untersuchungen zum Einsatz galvanisch gebundener CBN-Schleifscheiben beim Innenrund-Schälschleifen war eine Steigerung des erreichbaren Zeitspanvolumens. Als Nachteil einer gesteigerten Zerspanleistung durch Erhöhung des axialen Vorschubes ist im Allgemeinen eine Verschlechterung der erzielten Werkstückrauheit zu nennen. Aufgrund der schnelleren Vorschubbewegung wird die Bauteiloberfläche weniger oft von dem Bereich der Schlichtzone überschliffen, wodurch die Rauheit zunimmt. Durch eine höhere Schnittgeschwindigkeit kann diesem negativen Effekt entgegengewirkt werden. Es konnte gezeigt werden, dass eine Erhöhung der Schleifscheibenumfangsgeschwindigkeit von vs = 60 auf 100 m/s bei einem konstantem Zerspanvolumen von Qw = 37,7 mm³/s eine Verringerung der Rauheit zufolge hat. Eine Vergrößerung des Abrichtüberdeckungsgrades hat keine wesentliche Auswirkung auf die Werkstückrauheit mehr.Im nächsten Untersuchungsschritt ist das Zeitspanvolumen durch Erhöhen der axialen Vorschubgeschwindigkeit maximiert worden. Im Bild 1 ist dargestellt, dass bei einer Steigerung des Zeitspanvolumens von Qw = 37,7 auf 62,83 mm³/s und gleichzeitiger proportionaler Erhöhung der Schleifscheibenumfangsgeschwindigkeit von vs = 60 auf 100 m/s keine nennenswerte Verschlechterung der Rauheit auftritt. Anschließend wurde das Zeitspanvolumen im Prozess schrittweise gesteigert. Im Bild 2 sind die Ergebnisse der durchgeführten Schleifversuche zusammengefasst. Die Schleifscheibe wurde mit einer Gesamtabrichtzustellung von aed, ges = 52 ?m in der Schlicht-zone eingesetzt. Bemerkenswert ist, dass keine wesentliche Verschlechterung der gemessenen Rauheit bei gesteigerter Zerspanleistung festgestellt werden kann. Das deutet darauf hin, dass die Überschliffzahl U der Schlichtzone soweit ausreichend ist, dass die Steigerung der Vorschubgeschwindigkeit die Oberflächenqualität noch nicht negativ beeinflusst (U = Länge der Schlichtzone dividiert durch den axialen Vorschub der Schlichtscheibe). Die Werte für die gemittelte Rautiefe liegen bis zu einem Zeitspanvolumen von Qw = 113 mm³/s (bezogenes Zeitspanvolumen Q’w = 66 mm³/mms) im Bereich von Rz? 2 ?m. Die axiale Vorschubgeschwindigkeit wurde dabei bis auf vfa = 240 mm/min gesteigert.Entscheidend für eine Beurteilung des Prozesses sind die während der Zerspanung auftretenden Kräfte. Dazu wurden die beim Schleifen auftretenden Zerspankraftkomponenten durch eine sich im Kraftfluss zwischen Schleifspindel und Maschinentisch befindende Kraftmessplattform erfasst. Im Bild 3 ist zu erkennen, dass bei der Steigerung des Zeitspanvolumens eine lineare Zunahme der Schleifnormalkraft stattfindet. Die Tangentialkraftkomponente erfährt einen geringen degressiven Anstieg, wobei die Axialkraft auf einem vergleichsweise niedrigen Niveau verbleibt. Insgesamt liegen die Zerspankraftkomponenten beim Einsatz der einschichtig belegten, galvanisch gebundenen CBN-Schleifscheiben auch bei hohen Zeitspanvolumina auf einem niedrigen Niveau. So verbleibt die Normalkraft bis zu einem Zeitspanenvolumen von Qw = 113 mm³/mms bei Fn? 95 N. Ein Vorteil gegenüber keramisch gebundenen CBN-Schleifscheiben liegt im bereits zu anfangs ausreichend vorhandenen Spanraum auf der einschichtig belegten, galvanisch gebunden CBN-Schleifscheibe. Weil die Schleifkörner in der Nickelschicht gehalten werden, befinden sich keine Bindungsbrücken zwischen den einzelnen CBN-Körnern, die aufgrund von Reibvorgänge störend auf den Schleifprozess wirken. Im Vergleich dazu muss der Spanraum beim keramischen Bindungssystem erst durch einen Freischleifvorgang erzeugt werden, bevor die Schleifscheibe bei hoher Schnittleistung eingesetzt werden kann. Erst durch das Freischleifen fallen die Zerspankraftkomponenten an der keramischen Schleifscheibe auf ein geringeres Niveau, liegen aber im Vergleich zu der galvanisch gebundenen Schleifscheibe bei einem Zeitspanenvolumen von Qw = 37,7 mm³/s um den Faktor 2 höher. Somit ergibt sich auch ein günstigeres Schnittkraftverhältnis bei Einsatz des galvanischen Bindungssystems. Weiterhin ist die Schleifleistung bei gleichem Zeitspanvolumen und einer Schleifscheibenumfangsgeschwindigkeit von vS, galvanisch = 100 m/s sowie vS, keramisch = 60 m/s für die galvanisch gebundene Schleifscheibe um etwa 20% geringer.Die Untersuchungen zeigen, dass der Einsatz des Innenrund-Schäl-schleifens in Verbindung mit einschichtig belegten, galvanisch gebundenen CBN-Schleifscheiben eine enorme Leistungssteigerung bei der Bohrungsendbearbeitung gehärteter Futterteile ermöglicht. Durch gezieltes Abrichten wird der Kornüberstand in der Schleifscheibenschlichtzone eingestellt und ermöglicht somit die Erzeugung geringer Werkstückrauheiten. Die Zerspanfähigkeit der Schleifscheibe wird dadurch nicht beeinträchtigt, so dass ein erheblich größeres Zeitspanvolumen im Vergleich zu keramisch gebundenen CBN-Schleifscheiben realisiert werden kann. Durch Überwachung des Abrichtprozesses mit einem AE-Sensor konnte eine Beziehung zwischen dem integrierten AE-Signal beim Abrichten und der nach dem Schleifen erzeugten Rauigkeit am Werkstück festgestellt werden. Die Kenntnis dieses Zusammenhangs kann für eine Regelung zur automatischen Einsatzvorbereitung der Schleifscheibenschlichtzone zur Erzielung gewünschter Bauteilqualitäten gemäß Bild 4 genutzt werden. Es zeigte sich, dass bei Erhöhung des Zeitspanvolumens durch Steigerung der axialen Vorschubgeschwindigkeit bis auf vfa = 240 mm/min keine wesentliche Verschlechterung der Werkstückrauheit auftritt. Des Weiteren ermöglicht die Verwendung der AE-Technologie im Schleifprozess die Zustandsüberwachung der Schleifscheibe, um im Versagensfall des Schleifscheibenbelags eine Prozessunterbrechung herbeizuführen und Schäden an der Werkzeugmaschine zu verhindern. Das Ziel von weitergehenden Untersuchungen ist es jetzt, den Einsatz galvanisch gebundener Schleifscheiben beim Innenrund-Schälschleifen weiter zu qualifizieren, um maximale Zer-spanleistungen bei guter Qualität der Bauteiloberfläche zu realisieren. In einem entsprechenden, von insgesamt sechs Projektpartnern (August Rüggeberg, GMN, Daimler-Chrysler, Walter Dittel, Emag Reinecker, ISF) initiierten und von der Stiftung Industrieforschung geförderten Forschungsprojekt soll das Schleifverfahren bis zur Einsatzreife entwickelt werden. Das Innenrund-Schälschleifen ist ein wirtschaftliches und flexibles Schleifverfahren zur Bohrungsendbearbeitung von gehärteten Futterteilen. Untersuchungen zeigen, dass der Einsatz des Innenrund-Schälschleifens in Verbindung mit einschichtig belegten, galvanisch gebundenen CBN-Schleifscheiben die Leistung bei der Bohrungsendbearbeitung gehärteter Futterteile ernorm steigert, ohne die Oberflächengüte zu verschlechtern. Dies wird dadurch möglich, dass die Aufgaben der Materialzerspanung und der Oberflächenglättung sich auf die separaten Bereiche der Schleifscheibenschruppzone und -schlichtzone verteilen. Das Schälschleifen ermöglicht die Herstellung der geforderten Funktionsfläche mit einem einzigen Überschliff und zeichnet sich aufgrund der geringen Schleifscheibenbreite durch niedrige Prozesskräfte sowie -temperaturen bei hohen Zeitspanvolumina im Vergleich zu anderen Innenrund-Schleifverfahren aus [1]. Das Ziel weiterer Untersuchungen zum Einsatz galvanisch gebundener CBN-Schleifscheiben beim Innenrund-Schälschleifen war eine Steigerung des erreichbaren Zeitspanvolumens. Als Nachteil einer gesteigerten Zerspanleistung durch Erhöhung des axialen Vorschubes ist im Allgemeinen eine Verschlechterung der erzielten Werkstückrauheit zu nennen. Aufgrund der schnelleren Vorschubbewegung wird die Bauteiloberfläche weniger oft von dem Bereich der Schlichtzone überschliffen, wodurch die Rauheit zunimmt. Durch eine höhere Schnittgeschwindigkeit kann diesem negativen Effekt entgegengewirkt werden. Es konnte gezeigt werden, dass eine Erhöhung der Schleifscheibenumfangsgeschwindigkeit von vs = 60 auf 100 m/s bei einem konstantem Zerspanvolumen von Qw = 37,7 mm³/s eine Verringerung der Rauheit zufolge hat. Eine Vergrößerung des Abrichtüberdeckungsgrades hat keine wesentliche Auswirkung auf die Werkstückrauheit mehr.Im nächsten Untersuchungsschritt ist das Zeitspanvolumen durch Erhöhen der axialen Vorschubgeschwindigkeit maximiert worden. Im Bild 1 ist dargestellt, dass bei einer Steigerung des Zeitspanvolumens von Qw = 37,7 auf 62,83 mm³/s und gleichzeitiger proportionaler Erhöhung der Schleifscheibenumfangsgeschwindigkeit von vs = 60 auf 100 m/s keine nennenswerte Verschlechterung der Rauheit auftritt. Anschließend wurde das Zeitspanvolumen im Prozess schrittweise gesteigert. Im Bild 2 sind die Ergebnisse der durchgeführten Schleifversuche zusammengefasst. Die Schleifscheibe wurde mit einer Gesamtabrichtzustellung von aed, ges = 52 ?m in der Schlicht-zone eingesetzt. Bemerkenswert ist, dass keine wesentliche Verschlechterung der gemessenen Rauheit bei gesteigerter Zerspanleistung festgestellt werden kann. Das deutet darauf hin, dass die Überschliffzahl U der Schlichtzone soweit ausreichend ist, dass die Steigerung der Vorschubgeschwindigkeit die Oberflächenqualität noch nicht negativ beeinflusst (U = Länge der Schlichtzone dividiert durch den axialen Vorschub der Schlichtscheibe). Die Werte für die gemittelte Rautiefe liegen bis zu einem Zeitspanvolumen von Qw = 113 mm³/s (bezogenes Zeitspanvolumen Q?w = 66 mm³/mms) im Bereich von Rz? 2 ?m. Die axiale Vorschubgeschwindigkeit wurde dabei bis auf vfa = 240 mm/min gesteigert.Entscheidend für eine Beurteilung des Prozesses sind die während der Zerspanung auftretenden Kräfte. Dazu wurden die beim Schleifen auftretenden Zerspankraftkomponenten durch eine sich im Kraftfluss zwischen Schleifspindel und Maschinentisch befindende Kraftmessplattform erfasst. Im Bild 3 ist zu erkennen, dass bei der Steigerung des Zeitspanvolumens eine lineare Zunahme der Schleifnormalkraft stattfindet. Die Tangentialkraftkomponente erfährt einen geringen degressiven Anstieg, wobei die Axialkraft auf einem vergleichsweise niedrigen Niveau verbleibt. Insgesamt liegen die Zerspankraftkomponenten beim Einsatz der einschichtig belegten, galvanisch gebundenen CBN-Schleifscheiben auch bei hohen Zeitspanvolumina auf einem niedrigen Niveau. So verbleibt die Normalkraft bis zu einem Zeitspanenvolumen von Qw = 113 mm³/mms bei Fn? 95 N. Ein Vorteil gegenüber keramisch gebundenen CBN-Schleifscheiben liegt im bereits zu anfangs ausreichend vorhandenen Spanraum auf der einschichtig belegten, galvanisch gebunden CBN-Schleifscheibe. Weil die Schleifkörner in der Nickelschicht gehalten werden, befinden sich keine Bindungsbrücken zwischen den einzelnen CBN-Körnern, die aufgrund von Reibvorgänge störend auf den Schleifprozess wirken. Im Vergleich dazu muss der Spanraum beim keramischen Bindungssystem erst durch einen Freischleifvorgang erzeugt werden, bevor die Schleifscheibe bei hoher Schnittleistung eingesetzt werden kann. Erst durch das Freischleifen fallen die Zerspankraftkomponenten an der keramischen Schleifscheibe auf ein geringeres Niveau, liegen aber im Vergleich zu der galvanisch gebundenen Schleifscheibe bei einem Zeitspanenvolumen von Qw = 37,7 mm³/s um den Faktor 2 höher. Somit ergibt sich auch ein günstigeres Schnittkraftverhältnis bei Einsatz des galvanischen Bindungssystems. Weiterhin ist die Schleifleistung bei gleichem Zeitspanvolumen und einer Schleifscheibenumfangsgeschwindigkeit von vS, galvanisch = 100 m/s sowie vS, keramisch = 60 m/s für die galvanisch gebundene Schleifscheibe um etwa 20% geringer.Die Untersuchungen zeigen, dass der Einsatz des Innenrund-Schäl-schleifens in Verbindung mit einschichtig belegten, galvanisch gebundenen CBN-Schleifscheiben eine enorme Leistungssteigerung bei der Bohrungsendbearbeitung gehärteter Futterteile ermöglicht. Durch gezieltes Abrichten wird der Kornüberstand in der Schleifscheibenschlichtzone eingestellt und ermöglicht somit die Erzeugung geringer Werkstückrauheiten. Die Zerspanfähigkeit der Schleifscheibe wird dadurch nicht beeinträchtigt, so dass ein erheblich größeres Zeitspanvolumen im Vergleich zu keramisch gebundenen CBN-Schleifscheiben realisiert werden kann. Durch Überwachung des Abrichtprozesses mit einem AE-Sensor konnte eine Beziehung zwischen dem integrierten AE-Signal beim Abrichten und der nach dem Schleifen erzeugten Rauigkeit am Werkstück festgestellt werden. Die Kenntnis dieses Zusammenhangs kann für eine Regelung zur automatischen Einsatzvorbereitung der Schleifscheibenschlichtzone zur Erzielung gewünschter Bauteilqualitäten gemäß Bild 4 genutzt werden. Es zeigte sich, dass bei Erhöhung des Zeitspanvolumens durch Steigerung der axialen Vorschubgeschwindigkeit bis auf vfa = 240 mm/min keine wesentliche Verschlechterung der Werkstückrauheit auftritt. Des Weiteren ermöglicht die Verwendung der AE-Technologie im Schleifprozess die Zustandsüberwachung der Schleifscheibe, um im Versagensfall des Schleifscheibenbelags eine Prozessunterbrechung herbeizuführen und Schäden an der Werkzeugmaschine zu verhindern. Das Ziel von weitergehenden Untersuchungen ist es jetzt, den Einsatz galvanisch gebundener Schleifscheiben beim Innenrund-Schälschleifen weiter zu qualifizieren, um maximale Zer-spanleistungen bei guter Qualität der Bauteiloberfläche zu realisieren. In einem entsprechenden, von insgesamt sechs Projektpartnern (August Rüggeberg, GMN, Daimler-Chrysler, Walter Dittel, Emag Reinecker, ISF) initiierten und von der Stiftung Industrieforschung geförderten Forschungsprojekt soll das Schleifverfahren bis zur Einsatzreife entwickelt werden. Literatur:[1] Weinert, K., K. Marschalkowski und D. Kötter: Leistung steigern beim Innenrund-Schälschleifen mit galvanisch gebundenen CBN-Schleifscheiben. Maschinenmarkt 31/2006.