Einsatzverhalten genuteter
CBN-Schleifscheiben mit keramischer Bindung
beim Außenrund-Einstechschleifen
vorgelegt von
Diplom-Ingenieur
Mathias Kirchgatter
aus Berlin
von der Fakultät V
−Verkehrs- und Maschinensysteme
der Technischen Universität Berlin
zur Erlangung des akademischen Grades
Doktor der Ingenieurwissenschaften
− Dr.-Ing. −
genehmigte Dissertation
Promotionsausschuss:
Vorsitzender:
Prof. Dr.-Ing. G. Seliger
Berichter:
Prof. Dr. h. c. Dr.-Ing. E. Uhlmann
Berichter:
Prof. Dr.-Ing. D. Biermann
Tag der wissenschaftlichen Aussprache: 14. Juni 2010
Berlin 2010
Massenproduktion erfolgt bevorzugt mit keramisch gebundenen CBN-Schleifscheiben. Das Werkzeug wird dabei den Anforderungen des Schleifprozesses gemäß weitestgehend angepasst. Aus dem Spannungsfeld der verschiedenen Einflüsse ergibt sich eine Opti-mierungsaufgabe, die bisher insbesondere durch die Variation der Korn- und Bindungs-spezifikationen gelöst wurde. Gegenstand der vorliegenden Dissertationsschrift ist dagegen eine Weiterentwicklung der Schleifwerkzeuge über die Variation der geometrischen Form des Schleifbelags und hier speziell über die Einbringung geometrisch bestimmter Unter-brechungen des Schleifbelags in Form von Nuten. Das Hauptziel dieser Entwicklung ist die Verringerung der thermischen Belastung des Werkstücks unter Berücksichtigung der schwingungstechnischen Beeinflussung des Prozesses durch die veränderten Eingriffs-bedingungen.
Ausgehend von vergleichenden technologischen Untersuchungen zwischen genuteten und ungenuteten Schleifscheiben wird zunächst das Einsatzverhalten dieser Werkzeuge unter Variation der Prozessbedingungen und Stellparameter analysiert. Im Anschluss erfolgt eine eingehende Betrachtung des Einflusses der Nutgeometrie. Der Schwerpunkt liegt hierbei auf den thermischen und dynamischen Bedingungen in der Kontaktzone zwischen Werkzeug und Werkstück. Anhand der Ergebnisse wird eine Modellvorstellung zu den Zusammenhängen zwischen geometrischer Form des Schleifbelags, Kontaktunterbrechung im Schleifprozess sowie den Prozesskenngrößen und dem Arbeitsergebnis entwickelt.
Ein weiterer Abschnitt der Arbeit befasst sich mit dem Einsatzverhalten genuteter Schleif-scheiben unter den Bedingungen einer Minimalmengenkühlschmierung. Hierbei wird die Möglichkeit einer Verringerung des Kühlschmierstoffeinsatzes durch eine in Bezug auf die Prozesstemperatur optimierte Schleifbelagsgeometrie evaluiert.
Neben den technologischen Untersuchungen anhand von Schleiftests werden zwei Simula-tionsprozessmodelle entwickelt und erweiterte Versuchsprogramme mittels numerischer Simulationsrechnungen durchgeführt. Die Simulationsmodelle bilden gemäß des Schwer-punkts der Untersuchungen das thermische und dynamische Verhalten der genuteten Schleif-werkzeuge nach und erlauben eine Verifizierung und Detaillierung des aufgestellten Prozess-modells. Zusammen mit den Ergebnissen aus den vorherigen Abschnitten wird anhand der Simulationsergebnisse die potenzielle Leistungssteigerung des Schleifprozesses durch den Einsatz genuteter Schleifwerkzeuge bewertet.
Abschließend werden Einsatzempfehlungen und Hinweise zur Prozessgestaltung gegeben, die einen praktischen Einsatz der genuteten Schleifwerkzeuge ermöglichen. Dabei wird unter Berücksichtigung von Prozesssicherheit und -stabilität insbesondere die Leistungssteigerung über die Minimierung der Kontaktzonentemperatur fokussiert und ein Ausblick auf künftige Entwicklungen und Einsatzgebiete gegeben.
am Institut für Werkzeugmaschinen und Fabrikbetrieb (IWF) der Technischen Universität Berlin.
Herrn Prof. Dr. h. c. Dr.-Ing. Eckart Uhlmann, Leiter des Fachgebiets Werkzeugmaschinen und Fertigungstechnik am Institut für Werkzeugmaschinen und Fabrikbetrieb der Technischen Universität Berlin und Leiter des Fraunhofer Instituts für Produktionsanlagen und Konstruk-tionstechnik (IPK), danke ich für die jahrelange wohlwollende Unterstützung und Förderung sowie seinen fachlichen Rat, mit denen er diese Arbeit begleitet und ermöglicht hat. Herrn Prof. Dr.-Ing. Dirk Biermann, Leiter des Instituts für Spanende Fertigung (ISF) der Technischen Universität Dortmund, danke ich für die Übernahme des Korreferats, das entgegengebrachte Interesse bei der Begutachtung der Arbeit und die fachliche Diskussion der Ergebnisse. Herrn Prof. Dr.-Ing. Günther Seliger danke ich für die Übernahme des Vorsitzes im Promotionsausschuss und die freundliche Unterstützung während des Promotions-verfahrens.
Die Forschungsergebnisse der vorliegenden Arbeit sind im Rahmen des Forschungsprojektes „Einfluss der Segmentierung von Schleifscheiben auf das Arbeitsergebnis beim Rundschleifen“ durch die Förderung der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) ermöglicht worden. Darüber hinaus wurde die Arbeit maßgeblich durch die Firmen Saint-Gobain Diamantwerkzeuge GmbH & Co. KG und Schaeffler Technologies GmbH & Co. KG unterstützt. Stellvertretend für die gute Zusammenarbeit mit den genannten Partnern möchte ich mich hier insbesondere bei Herrn Dipl.-Ing. Jörg Rucker bedanken, der stets als freundlicher und kompetenter Ansprechpartner zur Verfügung stand. Außerdem möchte ich mich bei den Mitgliedern des Informativen Arbeitskreises Keramikbearbeitung und des VDI-Fachausschusses Schleiftechnik für das entgegengebrachte Vertrauen und den regen Gedankenaustausch bedanken.
Mein besonderer Dank gilt allen Kollegen und Mitarbeitern des Produktionstechnischen Zentrums, mit denen ich über die Jahre und im Rahmen meiner Tätigkeit am Institut in Kontakt getreten bin. Ich habe das Arbeiten am Institut stets als interessant, kooperativ und angenehm empfunden. Hervorzuheben sind hierbei meine Kollegen in der Abteilung Ferti-gungstechnik und insbesondere die Kollegen aus der Gruppe Feinbearbeitung, die ich als eingeschworene Gemeinschaft erleben durfte. Die freundschaftliche und anregende Zusammenarbeit war eine wichtige Voraussetzung für die Fertigstellung meiner Arbeit. Herrn Dipl.-Ing. Vanja Mihotovic danke ich zudem für die Korrektur des Manuskripts und seine äußerst hilfreichen Hinweisen und Anregungen. Natürlich gebührt meinen wichtigsten Helfern, meinen ehemaligen studentischen Mitarbeitern Herrn Dipl.-Ing. Clemens Bäcker, Herrn cand.-Ing. Philip Gebala, Herrn Dipl.-Ing. Leif Hochschild und Herrn Dipl.-Ing. Jan Mewis eine besondere Hervorhebung, da sie durch ihre Mitarbeit, ihr Fachwissen und ihr Engagement maßgeblich zum gelingen der Arbeit beigetragen haben.
stets in meinem Vorhaben unterstützt und mir den notwendigen Freiraum verschafft, um die Arbeit fertig stellen zu können. Sie hat den ständig arbeitenden Papa gegenüber den Kindern zu kompensieren gewusst und Verständnis und Rückhalt für die stark reduzierten Familien- und Freizeitaktivitäten aufgebracht und erzeugt. Ihr und meinen mich stets inspirierenden Söhnen Luca und Marco sei diese Arbeit gewidmet. Außerdem widme ich diese Arbeit meinen Eltern und speziell meiner vor kurzem verstorbenen Mutter Hannelore Kirchgatter. Sie war seit meinem Eintritt in die Schule eine treibende Kraft und hat trotz ihrer langjährigen Krankheit stets einen positiven Einfluss auf mein Leben gehabt. Ich verdanke ihr viel und weiß, dass sie stolz auf mich wäre.
I
NHALT
Inhalt I
0 Kurzzeichen IV
1 Einleitung 1
2 Stand der Technik 2
2.1 Allgemeines 2
2.2 Keramisch gebundene CBN-Schleifscheiben 2
2.2.1 Eigenschaften und Einsatzgebiete 2
2.2.2 Herstellung und Aufbau 4
2.2.3 Einsatzvorbereitung 5
2.3 Aufbau und geometrische Gestaltung des Schleifbelags 7
2.3.1 Schleifscheiben mit nicht unterbrochenem Belag 7
2.3.2 Schleifscheiben mit unterbrochenem Belag 9
3 Zielsetzung und Vorgehensweise 13
4 Technologische Untersuchungen mit genuteten CBN-Schleifscheiben 17
4.1 Versuchsbedingungen und Messmethoden 17
4.1.1 Allgemeines 17 4.1.2 Versuchsmaschine 17 4.1.3 Versuchsschleifscheiben 19 4.1.4 Abrichtprozess 21 4.1.5 Versuchswerkstücke 23 4.1.6 Werkstückaufnahmen 24 4.1.7 Kraftmessung im Schleifprozess 26 4.1.8 Schwingungsmessung im Schleifprozess 28 4.1.9 Temperaturmessung am Werkstück 30
4.1.10 Messung der thermischen Schädigung am Werkstück 36 4.1.11 Messung der geometrischen Ergebnisgrößen am Werkstück 37
4.1.12 Verschleißmessung an der Schleifscheibe 37
4.2 Einfluss der Stellparameter auf die Prozesskenngrößen und das Arbeitsergebnis 38
4.2.1 Allgemeines 38
4.2.3 Oberflächengüte am Werkstück 40
4.2.4 Werkstückgeometrie 42
4.2.5 Prozessdynamik 48
4.2.6 Prozesstemperaturen 56
4.2.7 Werkzeugverschleiß 60
4.3 Einfluss der Nutgeometrie auf die Prozesskenngrößen und das Arbeitsergebnis 65
4.3.1 Allgemeines 65 4.3.2 Prozesskräfte 65 4.3.3 Oberflächengüte am Werkstück 69 4.3.4 Werkstückgeometrie 74 4.3.5 Prozessdynamik 78 4.3.6 Prozesstemperaturen 81 4.3.7 Werkzeugverschleiß 86
4.4 Einfluss einer Minimalmengenkühlschmierung auf die Prozesskenngrößen
und das Arbeitsergebnis 92
4.4.1 Allgemeines 92
4.4.2 Prozesstemperaturen 93
4.4.3 Oberflächengüte am Werkstück 94
4.4.4 Werkstückgeometrie 95
4.4.5 Prozesskräfte 97
5 Simulation des Schleifprozesses mit genuteten CBN-Schleifscheiben 99
5.1 Zielsetzung der Simulationsrechnungen 99
5.2 Vorgehensweise bei der Modellierung des Prozessverhaltens 99 5.3 Einfluss der Schleifbelagsnutung auf die Prozesstemperatur 101
5.3.1 Allgemeines 101
5.3.2 Modellierung des Temperaturverhaltens 101
5.3.3 Herleitung der Wärmeleitungsgleichung 101
5.3.4 Lösung der Wärmeleitungsgleichung 103
5.3.5 Berechnung der Wärmestromdichte 104
5.3.6 Numerische Umsetzung 105
5.3.7 Prozesskenngrößen, Randbedingungen und Stoffkennwerte 106
5.3.10 Abschätzung des technologischen Nutzens durch die Nutung 112 5.4 Einfluss der Schleifbelagsnutung auf die Prozessdynamik 114
5.4.1 Allgemeines 114
5.4.2 Modellierung des dynamischen Verhaltens 114
5.4.3 Grundlagen zur Beschreibung der Prozessdynamik 114
5.4.4 Wirkungskreis des Prozessmodells 117
5.4.5 Lage-Kopplungs-Modell und Bewegungsgleichungen 118 5.4.6 Dimensionierung des Feder-Dämpfer-Masse-Systems 122 5.4.7 Berechnung von Zerspanungsvolumen, Störgrößen und Anregungen 125
5.4.8 Numerische Umsetzung 127
5.4.9 Versuchsbedingungen 127
5.4.10 Versuchsprogramm 128
5.4.11 Einfluss der Stellparameter auf die Prozessdynamik und -stabilität 129 5.4.12 Einfluss der Nutgeometrie und Nutzahl auf die Prozessstabilität 137
6 Einsatzempfehlungen und Hinweise zur Prozessgestaltung 141
7 Zusammenfassung und Ausblick 144
0
K
URZZEICHEN
Kurzzeichen Einheit Beschreibung Lateinische Buchstaben
A
AE − Acoustic Emission (Körperschall)
AFC − Automatic Frequenzy Control
2 3
Al O − Aluminiumoxid
k
A mm 2 Kontaktfläche
plast
A − Konstante für die Berechnung der statischen Schneiden
raumdichte w A µm Wellenamplitude a mm / s2 Beschleunigung e a µm Zustellung, Arbeitseingriff ed a µm Abrichtzustellung elastisch
a µm elastischer Anteil der Zustellung im Wirkungskreis
eu
a µm Zustellung pro Werkstückumdrehung
f ist
a − µm Ist-Zustellung im Wirkungskreis
f soll
a − µm Soll-Zustellung im Wirkungskreis
gesamt
a µm gesamte Zustellung im Wirkungskreis
B b mm Schleifbreite n b mm Nutbreite s b mm Schleifscheibenbreite w b mm Werkstückbreite C
CD − Continuous Dressing (kontinuierliches Abrichten)
CNC − Computerized Numerical Control
k
C 1/ mm 3 Korndichte
c J / kg K⋅ spezifische Wärmekapazität
1
c , c 2 N / m Federsteifigkeiten des Werkstücks (in 2 Dimensionen)
3
c (Q ' ) w N / m Kontaktsteifigkeit in Abhängigkeit von Q ' w
4
c , c 5 N / m Federsteifigkeiten der Schleifscheibe (in 2 Dimensionen)
s
c J / kg K⋅ spezifische Wärmekapazität der Schleifscheibe
w
c J / kg K⋅ spezifische Wärmekapazität des Werkstücks
D
DAU − Digital-Analog-Umsetzer
3
D − Dämpfungsgrad der Kontaktstelle
dV − Differentielles Volumenelement
1
d , d 2 N s / m⋅ Dämpfungskonstanten des Werkstücks (in 2 Dimensionen)
3
d N s / m⋅ Dämpfungskonstante der Kontaktstelle
4
d , d 5 N s / m⋅ Dämpfungskonstanten der Schleifscheibe (in 2 Dimensionen)
eq d mm äquivalenter Schleifscheibendurchmesser wa d mm Werkstückaußendurchmesser wi d mm Werkstückinnendurchmesser s d mm Schleifscheibendurchmesser x
d − Kantenlänge eines differentiellen Volumens in x-Richtung
y
d − Kantenlänge eines differentiellen Volumens in y-Richtung
z
d − Kantenlänge eines differentiellen Volumens in z-Richtung
E
s
E GPa Elastizitätsmodul der Schleifscheibe
w
E GPa Elastizitätsmodul des Werkstücks
F
FDM − Finite Differenzen Methode
FEPA − Federation of European Producers of Abrasives FFT − Fast-Fourier-Transformation A F N Anregungskraft c F N Schnittkraft dyn F N dynamische Kraft n F N Normalkraft n F ' N / mm bezogenen Normalkraft stat F N statische Kraft t F N Tangentialkraft t F ' N / mm bezogenen Tangentialkraft t,k F N Einzelkorntangentialkraft x F N Kraftkomponente in x-Richtung y F N Kraftkomponente in y-Richtung z F N Kraftkomponente in z-Richtung f Hz Frequenz 1...n
f Hz erste bis n-te Eigenfrequenz
ar f Hz Anregungsfrequenz l f µm Rundlaufabweichung k f µm Kreisformabweichung G
G − Schleifverhältnis (G-Wert, G-Verhältnis)
th
G W / K absolute Wärmeleitfähigkeit, Wärmeleitwert
H HK − Knoop-Härte HRc − Rockwellhärte Hv − Vickershärte HSS − High-Speed-Steel, Schnellarbeitsstahl h J Enthalpie max
J x J − Fluss in Richtung x K KOS − Koordinatensystem 0 KOS − Ursprungskoordinatensystem 1
KOS − lokales Koordinatensystem des Werkstücks
2
KOS − lokales Koordinatensystem der Schleifscheibe
3
KOS − lokales Koordinatensystem des Vorschubs k − Konstante für die Berechnung der Nutlänge
L
LGS − Lineares Gleichungssystem
ws
l mm Werkstücklänge
c
l , lgdyn mm dynamische Kontaktlänge
geom c l mm geometrische Kontaktlänge M z M Nm Antriebsmoment
MP − magnetischer Parameter, Wert des Barkhausenrauschens m − Konstante für die Berechnung der Schleifsegmentlänge
1
m kg Masse des Werkstücks
2
m kg Masse der Schleifscheibe
N NiCr Ni− − Nickel-Chrom-Nickel dyn N 1/ mm 2 dynamische Schneidendichte mom N − momentane Schneidenzahl stat
N 1/ mm 2 statische Schneidenzahl je Oberflächeneinheit
stat
hd
n − Anzahl der Abrichthübe
n
n − Nutzahl am Umfang der Schleifscheibe
w
n − Wellenzahl
Q
k
Q J Vom Kalibrierbauteil abgegebene Wärmemenge
k
Q& W Vom Kalibrierbauteil abgegebene Wärmeleistung
KS Q l / min Kühlschmierstoffvolumenstrom MMKS Q ml / h Minimalmengenkühlschmierstoffvolumenstrom w Q mm / s 3 Zeitspanungsvolumen w Q ' mm / mm s3 ⋅ bezogenes Zeitspanungsvolumen wGrenz Q ' mm / mm s3 ⋅ bezogenes Grenzzeitspanungsvolumen ws
Q J In das Werkstück beim Schleifen eingebrachte mittlere Wärmemenge
ws
Q& W mittlerer Wärmestrom in das Werkstück beim Schleifen
d
q − Geschwindigkeitsverhältnis beim Abrichten
n
q − Drehzahlverhältnis beim Schleifen
* n
q − Nut-Drehzahlverhältnis
w
q W / mm 2 Wärmestromdichte bezogen auf das Werkstück
R
RMS − Root Mean Square, quadratisches Mittel
R(K) − Korrelationswert
Ra µm arithmetischer Mittelwert der Profilordinate Rz µm größte Höhe des Profils
pw
R − Punkt auf der Werkstückoberfläche
ps
R − Punkt auf der Schleifscheibenoberfläche
r
R − Rauheitsbeiwert
s
R (t) mm momentaner Radius der Schleifscheibe
w
R J Wärmeanteil aus der Schnittleistung der in das Werkstück fließt
wa
r mm Radius zur äußeren Wand des Werkstücks
wi
r mm Radius zur inneren Wand des Werkstücks
wm
r mm Radius vom Mittelpunkt des Werkstücks zur Messstelle
S S W / mm 3 innere Wärmequelle SiC − Siliziumkarbid T T ° C Temperatur TE − Thermoelement 50
T s Zeitkonstante (Messwert = 50 % des Absolutwertes)
90
T s Zeitkonstante (Messwert = 90 % des Absolutwertes)
mk
T ° C gemessene Temperatur des Werkstücks beim Kalibrieren
Smax
T ° C quasistationäre maximale Temperatur in der Werkstück- randzone (Simulation)
u
T ° C Umgebungstemperatur
W
T − periodisches Berechnungsglied im Wirkungskreis
wa
T ° C mittlere Oberflächentemperatur des Werkstücks Außenseite
wi
T ° C mittlere Oberflächentemperatur des Werkstücks Innenseite
wm
T ° C Temperatur an der Messstelle
rz
T ° C gemessene Temperatur in der Werkstückrandzone
kk
t s Kalibrier-Kontaktzeit
ks
t s Kontaktzeit des Thermoelements im Schleifspalt
U
d
U − Abrichtüberdeckungsgrad
s
U mm Umfang der Schleifscheibe
u J / mm 3 spezifische Schleifenergie
V s V mm 3 Schleifscheibenverschleißvolumen w V mm 3 Zerspanungsvolumen w V ' mm / mm 3 bezogenes Zerspanungsvolumen c v m / s Schnittgeschwindigkeit fr
v m / min radiale Vorschubgeschwindigkeit
ft
v m / min Tischvorschubgeschwindigkeit
s
v m / s Schleifscheibenumfangsgeschwindigkeit
sd
v m / s Schleifscheibenumfangsgeschwindigkeit beim Abrichten
w v m / min Werkstückgeschwindigkeit X F ist x − µm Ist-Relativverlagerung im Wirkungskreis F soll x − µm Soll-Relativverlagerung im Wirkungskreis F1
x µm Relativverlagerung mit Systemnachgiebigkeit
F2
x µm Relativverlagerung mit Werkstückdurchmesserabnahme
F3
x µm Relativverlagerung mit Störungen und Anregung
n
x µm momentaner Ort der Kontaktfläche in der Nut
rel
x µm Relativverlagerung in der Kontaktstelle
w
x mm Abstand der Thermoelementspitze zur Werkstückoberfläche
100Cr6 Wälzlagerstahl, mit Chrom legierter Kaltarbeitsstahl
Griechische Buchstaben
w
d
∆ µm Abweichung vom Soll-Durchmesser des Werkstücks
wpot
Q '
∆ mm / mm s3 ⋅ potenzielle Steigerung des bezogenen Zeitspanungsvolumens
s
r
∆ µm Radialverschleiß der Schleifscheibe
sb
t
Φ − Transportgröße
1
α Grad Federwinkel am Werkstück
2
α Grad Federwinkel an der Schleifscheibe
n α Grad Nutwinkel Luft α W / mm K2⋅ Wärmeübergangskoeffizient für Luft Wasser α W / mm K2⋅ Wärmeübergangskoeffizient für Wasser 1
β Grad Dämpferwinkel am Werkstück
2
β Grad Dämpferwinkel an der Schleifscheibe
χ Grad Schneidenwinkel eines Korns quer zur Schnittgeschwin- digkeitsrichtung
φ − Kraftwirkungsrichtung
ϕ Grad Winkel zwischen Feder-Dämpfer-System der Kontaktstelle und Koordinatensystem von Werkstück und Schleifscheibe
w
λ W / mm K⋅ Wärmeleitkoeffizient, Wärmeleitfähigkeit des Werkstücks
µ − Reibungskoeffizient
s
ν − Querkontraktionszahl, Poissonzahl der Schleifscheibe
s
ν − Querkontraktionszahl, Poissonzahl des Werkstücks
ρ kg / m 3 Dichte
Mathematische Operatoren
∆ − Laplace Operator
1
E
INLEITUNG
Im aktuellen Kontext von Globalisierung und der Diskussion um Klimawandel und ökologi-schem Verantwortungsbewusstsein findet derzeit eine Neuausrichtung der gesellschaftlichen Werte statt, die auch bis in die produzierende Industrie für Konsum- und Investitionsgüter reicht. Neben den weiterhin aktuellen Fragestellungen hinsichtlich Qualität und Wirtschaft-lichkeit der Produktion sind vermehrt Aspekte hinzugekommen, die aus dem politischen Umfeld und der veränderten Wahrnehmung der Produkte durch den Kunden resultieren. Lösungen für die neuen Anforderungen werden dabei auf allen Ebenen gesucht und erzeugen zusätzlichen Innovationsdruck, der in nicht unerheblichem Maße auch die Fertigungstechnik betrifft. Dies hat im Bereich der spanenden Fertigung die Suche nach neuen Ansätzen bzw. weiteren Rationalisierungspotenzialen zur Folge, die neben den vormals hauptsächlich tech-nologischen und ökonomischen Aspekten nun seit einiger Zeit auch ökologische und soziale Aspekte mit einbezieht. Wobei sich die verschiedenen Zielstellungen keineswegs ausschließen müssen, denkt man nur an die ökologisch sinnvolle Vermeidung von Kühl-schmierstoff, der eine kostenintensive Entsorgung bedingt.
Die Ansatzpunkte in der Fertigung sind vielfältig. Neben innovativer Maschinentechnik und Prozessgestaltung kann auch die geeignete Wahl und Auslegung der eingesetzten Werkzeuge einen entscheidenden Beitrag im Sinne der angeführten Ziele leisten. Dies gilt nicht zuletzt für Schleifprozesse. Deren Hauptanforderungen beschränken sich längst nicht mehr nur auf die Fein- bzw. Finish-Bearbeitung, sondern beinhalten oft hohe Zeitspanungsvolumina bei geringem Werkzeugverschleiß und einer qualitativ hochwertigen Bauteilgüte [Uhl09]. Durch die allgemeine Tendenz zu steigenden Vorschüben, Schnittgeschwindigkeiten und Abtrennraten wird ein Spannungsfeld erzeugt, in dem auch die Kühlschmierung und die temperaturbedingte Bauteilschädigung eine wichtige Rolle spielen. Den hieraus resultierenden Anforderungen kann in Teilen bei der Auslegung der Werkzeuge Rechnung getragen werden. Neben der Variation der Korn- und Bindungsspezifikationen bietet allein schon die geometri-sche Form des Schleifbelags Raum für Verbesserungen bei der effizienteren Gestaltung der Schleifwerkzeuge. Die Nutung von Schleifscheiben, bzw. der Aufbau der Schleifscheiben aus räumlich getrennten Schleifsegmenten, hat bereits bei einigen Anwendungen Potenzial zur Optimierung des Schleifprozesses bewiesen. Eine Reduzierung der entstehenden Wärme-leistung durch den diskontinuierlichen Eingriff bzw. eine verbesserte Zufuhr des Kühl-schmierstoffs zwischen den Segmenten wurden dabei als Ursache angeführt. Grundlegende Untersuchungen zu den Einflüssen der Nutung von Schleifscheiben auf Prozess und Arbeits-ergebnis sind bisher allerdings nicht durchgeführt worden.
Ziel der vorliegenden Arbeit ist es daher, die Einflüsse einer Nutung des Schleifbelags auf den Schleifprozess und das Arbeitsergebnis am Beispiel der Rundschleifbearbeitung metallischer Bauteile mit CBN-Schleifscheiben zu untersuchen und somit die technologischen Grundlagen für eine optimierte Werkzeugauslegung zu erarbeiten. Dabei stehen neben dem generellen Einsatzverhalten der genuteten Schleifwerkzeuge vor allem die Einflüsse auf die Temperatur-entwicklung im Schleifspalt und das dynamische Prozessverhalten im Vordergrund.
2
S
TAND DER
T
ECHNIK
2.1
Allgemeines
Im ersten Abschnitt dieses Kapitels werden die keramisch gebundenen CBN-Schleifscheiben behandelt. Hierbei wird zunächst auf die generellen Eigenschaften und die sich daraus erge-benden Einsatzgebiete sowie auf den Aufbau und die Herstellung dieser Werkzeuggruppe eingegangen. Außerdem werden die allgemeinen und speziellen Aspekte der Einsatzvorbe-reitung von keramisch gebundenen CBN-Schleifscheiben erläutert. Der zweite Abschnitt befasst sich mit dem Aufbau von Schleifscheiben aus einzelnen Segmenten und Schleif-scheiben mit definiert unterbrochenem Schleifbelag sowie den Gründen für diese Werkzeug-formen.
2.2
Keramisch gebundene CBN-Schleifscheiben
2.2.1
Eigenschaften und Einsatzgebiete
Der hochharte Schneidstoff kubisches Bornitrid, der nach der englischsprachigen Bezeich-nung „Cubic Boron Nitride“ auch als CBN bezeichnet wird, wurde bereits 1957 zum ersten Mal synthetisch hergestellt. Seit 1969 steht er dem europäischen Markt zur Verfügung und wurde auch kurz darauf bereits als Schleifstoff in Verbindung mit Kunstharzbindungen für die Bearbeitung von Schnellarbeitsstahl eingesetzt. Ab 1975 kam der Einsatz mit metallischen Bindungen und seit 1982/1983 auch mit keramischen Bindungen hinzu, wobei die kera-mischen Bindungen erstmalig das Abrichten der Schleifwerkzeuge mit vertretbarem Aufwand ermöglichten [Mey05].
CBN eignet sich auf Grund seiner Härte, Wärmeleitfähigkeit und thermischen Stabilität her-vorragend als Schneidstoff. Mit einer Knoop-Härte von 45 GPa bei Raumtemperatur ist CBN nach Diamant (88 GPa) das zweithärteste bekannte Material. CBN besitzt zudem eine sehr hohe Wärmeleitfähigkeit von 200 - 700 W/mK und ordnet sich damit wiederum an zweiter Stelle hinter Diamant ein (500 - 2000 W/mK). Bei einer thermischen Stabilität bis zu 1400 °C erreicht CBN sogar deutlich höhere Werte als Diamant, welches nur bis ca. 900 °C thermisch stabil ist. Oft setzt bei Diamant bereits ab 700 °C verstärkt Graphitisierung ein. Oberhalb von 900 °C ist CBN somit das härteste bekannte Material. Der Grund hierfür liegt in der Eigen-schaft des CBN bei hohen Temperaturen unter Sauerstoffatmosphäre eine schützende Bor-oxidschicht auszubilden. Da CBN zudem keinen Kohlenstoff enthält, eignet es sich im Gegensatz zu Diamant für die Bearbeitung von gehärteten und ungehärteten kohlenstoff-haltigen Stählen. Beim Einsatz von Diamant tritt auf Grund von tribochemischen Reaktionen ein erhöhter Verschleiß bei dieser Werkstoffgruppe auf. Dies gilt auch für die Bearbeitung von Titan und dessen Legierungen. Gründe hierfür sind die erhöhte Reaktivität von Titan mit Sauerstoff und die Neigung zur Bildung von Carbiden. Das generelle Einsatzspektrum von CBN beginnt schon bei relativ weichen, aber zähen Werkstoffen (etwa ab 50 HRc) und reicht bis zu sehr harten, karbidhaltigen Legierungen (Werkzeugstähle, Sonderstähle, HSS, usw.). Für amorphe und keramische Werkstoffe ist CBN allerdings so wenig geeignet, wie für die Bearbeitung von Hartmetallen. Vor allem in Großserienprozessen werden auf Grund der
scheiben ersetzt. Die erreichbaren Abtragsquotienten G = Vw/Vs, die das Zerspanungs-volumen am Werkstück Vw mit dem Schleifscheibenverschleißvolumen Vs in Relation setzen (auch Schleifverhältnis oder G-Wert genannt), betragen mit Werten von 1200 bis 15000 etwa das 500- bis 5000-fache dessen, was mit konventionellen Schleifscheiben erreichbar ist. Insbesondere im Bereich des Präzisionsschleifens geht der Trend dabei eindeutig zu CBN-Schleifscheiben mit keramischer Bindung [Coe71, Gar88, Mei07, Mey05, Vri72, Wen57]. Neben den durch die Werkstoffeigenschaften bedingten, sinnvollen Einsatzgebieten, zu denen auch die Bearbeitung schwer zerspanbarer Werkstoffe wie Nickelbasislegierungen gehört, gibt es noch weitere Anwendungen für die sich CBN-Schleifwerkzeuge aus technologischer oder wirtschaftlicher Sicht anbieten. In Verbindung mit keramischen Bindungen wird CBN überall dort erfolgreich eingesetzt, wo die Porosität und die Abrichtbarkeit des Bindungs-systems zusammen mit den spezifischen Eigenschaften der CBN-Körnung eine Rolle spielen. Dies ist oft bei Schleifbearbeitungen der Fall, bei denen eine große Kontaktfläche zwischen Werkstück und Schleifscheibe entsteht [Juc87, Mer03, Stu96]. Die Innenrundbearbeitung von Lagerringen ist hier eine klassische Anwendung [Alt82]. Aber auch Profilschleifoperationen mit erhöhten Anforderungen, wie sie zum Beispiel an Zahnflanken auftreten, profitieren von dem relativ kühlen Schliff der CBN-Werkzeuge, bei dem ein großer Teil der entstehenden Wärme über die Schleifscheibe abgeleitet werden kann [Bou94]. Dies vermindert zum einen die Gefahr von thermischen Randzonenschädigungen wie Schleifbrand oder das Anlassen von einsatzgehärteten Gefügen durch zu hohe Temperaturen in der Wirkzone. Zum anderen wurden für das Belastungsverhalten der Bauteile meist günstige Druckeigenspannungen bei der Bearbeitung mit keramisch gebundenen CBN-Schleifscheiben festgestellt, die sich auf die geringere Reibungswärme der Bindung zurück führen lassen, gegenüber Schleifscheiben mit konventionellen Schleifmitteln [Bri82, Bri91, Cho86, Row00, Tön87].
Der Großteil der produzierten CBN-Schleifscheiben mit keramischer Bindung wird heute bei der Bearbeitung von Kurbel- und Nockenwellen im Automobilbau eingesetzt.
Saint-Gobain Abrasives, einer der größten Hersteller von Schleifwerkzeugen weltweit, beziffert
seinen Umsatz in diesem Bereich auf ca. 1/3 vom gesamten europäischen Umsatz, der in 2006 ca. 50-60 Mio. € betrug [Sai07]. Insgesamt verzeichnen CBN-Schleifscheiben laut Aussage von Saint-Gobain Abrasives [Sai08] weiterhin steigende Marktanteile. Dies liegt einerseits an den Verbesserungen der Schleifwerkzeuge und hier speziell der keramischen Bindungssysteme durch die Schleifscheibenhersteller. Andererseits sind die für den Einsatz dieser Werkzeuge notwendigen erhöhten Steifigkeiten und Genauigkeiten der Werkzeugmaschinen sowie die entsprechenden Spindelleistungen heutzutage kaum mehr ein Problem. Der Mehraufwand an Investitionsmitteln ist als gering einzustufen. Rechnet man zudem die Werkzeugkosten gegen die Standzeit, so ist der Einsatz von CBN-Schleifscheiben mittlerweile in vielen Bereichen wirtschaftlicher als der von konventionellen Schleifscheiben. Die generellen Einflussfaktoren für einen vermehrten Einsatz von CBN-Schleifscheiben können beispielhaft an der Kurbelwellenfertigung verdeutlicht werden. Grundvoraussetzung für die Verbreitung der CBN-Technologie war die Weiterentwicklung der Schleifwerkzeuge und hier speziell der Bindungssysteme. Erst durch die verbesserten Bindungen wurde es möglich, die Schleifscheiben mit erhöhten Schnittgeschwindigkeiten einzusetzen und somit
die Vorteile der CBN-Körnung adäquat zu nutzen. Daraus resultierte eine erhöhte Leistungs-fähigkeit der Schleifscheiben, im Sinne von höheren erreichbaren Zeitspanungsvolumina bei verbesserter Standzeit der Schleifscheiben und gleichbleibend hohen Werkstückqualitäten hinsichtlich Geometrie und Oberflächengüte. Die CBN-Technologie ist fast untrennbar mit den Begriffen Hochgeschwindigkeits- und Hochleistungsschleifen verbunden. Die verbesserten Werkzeuge alleine rechtfertigen jedoch oft nicht deren Einsatz. Im Falle der CBN-Schleiftechnologie für Kurbelwellen waren die Entwicklung neuer Prozesstechnologien des Ur- und Umformens, neue Schleifstrategien sowie neue Maschinenkonzepte und Maschinenkomponenten mitverantwortlich für die Erhöhung der Marktanteile in diesem Bereich. Erfolgte früher nach dem Ur- bzw. Umformprozess zunächst eine spanende Bearbeitung durch Verfahren mit geometrisch bestimmten Schneiden wie Drehen oder Fräsen, so machte die Weiterentwicklung der Gießtechnologie zu einer sogenannten Near-Net-Shape-Technologie mit geringen geometrischen Toleranzen zur Endform diese Bearbeitungsschritte teilweise überflüssig. Zusammen mit der Weiterentwicklung der Bindungssysteme bei CBN-Schleifscheiben und der Entwicklung der CNC-Abrichttechno-logie erfolgte letztendlich eine Umgestaltung der Prozesskette in der Kurbelwellenfertigung. Das Schleifen ist heute nicht mehr nur für den letzten Prozessschritt der Fein- bzw. Endbear-beitung verantwortlich, sondern hat auch den Schritt der VorbearEndbear-beitung übernommen und somit die Bearbeitungsverfahren mit geometrisch bestimmter Schneide ersetzt. Eine frühere Prozesskette, bestehend aus Drehräumen bzw. Fräsen sowie Vor- und Fertigschleifen mit konventionellen Schleifscheiben, ist heute oft nach dem Gießen auf die zwei Prozessschritte Vorschleifen mit galvanisch gebundenen und Fertigschleifen mit keramisch gebundenen CBN-Scheiben reduziert [Ard05, Bec04, Mer03, Mey05].
2.2.2
Herstellung und Aufbau
Beim Einsatz von CBN als Kornwerkstoff für die Schleifbearbeitung, spielt dessen Kristall-struktur und somit das Splitterverhalten eine entscheidende Rolle. Da während eines Schleif-prozesses die Schneiden abstumpfen, muss ein Splittern des Korns erfolgen damit ein Selbst-schärfeffekt eintritt, bei dem sich neue Schneiden ausbilden. Die gewünschten Eigenschaften des CBN-Korns können mittlerweile bei dessen Hochtemperatursynthese über die entstehende kristalline Struktur weitgehend eingestellt werden [Vri93].
Schleifwerkzeuge mit CBN-Körnung werden mit unterschiedlichen Bindungstypen auf den verschiedensten Grundkörpern hergestellt. Je nach Anwendung wird dabei ein- oder mehr-schichtig belegt. Als Bindungstypen werden Kunstharzbindungen, metallische Bindungen und keramische Bindungen eingesetzt. Bei den metallischen Bindungen ist dabei weiterhin zwischen gesinterter Metallbindung, infiltrierter Metallbindung und galvanischer Bindung zu unterscheiden. Die Bindungssysteme unterscheiden sich in Bezug auf Wärmeleitfähigkeit, Härte, Standzeitverhalten, Formstabilität und Abrichtbarkeit. Der Grundkörper bestimmt in den meisten Fällen die statische und dynamische Festigkeit des Schleifkörpers und sollte eine hohe Wärmeleitfähigkeit und Schwingungsdämpfung besitzen. Er besteht je nach Art des Schleifbelags und nach Art des gewünschten Schleifverhaltens aus Aluminium, Stahl, Bronze, Kunstharz, Kunstharz mit metallischen/nichtmetallischen Füllstoffen, faserverstärktem Kunstharz oder Keramik [Col88, Klo05, Kön96, Pad93, Vie86].
so sind die Unterschiede im Ablauf der Herstellung, außer durch Form und Abmessungen, vor allem durch die Bindungssysteme bedingt, deren Eigenschaften einen hohen Einfluss auf das Einsatzverhalten der CBN-Schleifscheibe haben. Die vorliegende Arbeit fokussiert die keramisch gebundenen CBN-Schleifscheiben mit metallischem Grundkörper. Die Inhalts-stoffe der keramischen Bindung sind Tone, Kaoline, Feldspate, Glasfritten und weitere Zusatzstoffe wie zum Beispiel Porenbildner. Außerdem werden oft sogenannte Stützkörner aus Siliziumkarbid (SiC) oder Korund (Al2O3) beigemischt, die ein Einstellen der Porosität ohne Veränderung der CBN-Kornkonzentration ermöglichen. Die Stützkörner werden somit eher zu den Bindungskomponenten gezählt [Hol88, Lin92, Pad93]. Nach dem Mischen der einzelnen Komponenten Schleifmittelkorn, Bindungsstoffe und Zusatzstoffe, erfolgt die Formgebung des keramisch gebundenen Schleifbelages durch Gieß- oder Pressverfahren. Da das Gießverfahren sehr aufwändig und auch nur für bestimmte Bindungen und Schleifmittel-körnungen anwendbar ist, wird es zunehmend durch das Pressverfahren ersetzt. Das Pressen der gemischten Masse erfolgt in einer Pressform, wobei der gleichmäßigen Verteilung der Masse eine hohe Bedeutung zukommt, um Struktur- und Härteunterschiede sowie Unwuchten zu minimieren. Nach dem Trocknen werden die keramisch gebundenen Schleifkörper bei Temperaturen von 1000 °C bis 1350 °C in Öfen gebrannt. Dabei wird die keramische Bindung gesintert bzw. zu einer glasartigen Masse geschmolzen, die die Schleifkörner um-fließt, benetzt und verbindet. Nach dem gesteuerten Abkühlen auf Raumtemperatur folgen eine Nachbearbeitung und die Verbindung zwischen Grundkörper und Schleifbelag durch Kleben. Der Endbearbeitung auf Fertigmaß schließen sich Qualitätskontrollen sowie Probe-läufe an. Je nach Steuerung und maximaler Temperatur des Brennprozesses entstehen entweder glasartige Bindungen, bei denen die Bindungskomponenten vollständig aufschmelzen, die Körnung umfließen und mit dessen Oberfläche reagieren oder Sinter-bindungen, bei denen die Komponenten lediglich oberflächlich anschmelzen und haften. Neben den Haftungsmechanismen unterscheiden sich diese Bindungstypen durch die Dicke der entstehenden Bindungsstege, die bei den Glasbindungen generell dünner sind [Col88, Klo05, Kön96, Vie86].
2.2.3
Einsatzvorbereitung
Die Einsatzvorbereitung, also das Konditionieren keramisch gebundener CBN-Schleif-scheiben ist von hoher Bedeutung für deren Einsatz. Insbesondere die weitgehend automati-sierten Produktionsabläufe, bei denen CBN-Schleifscheiben auf Grund ihrer Eigenschaften oft eingesetzt werden, sind ohne entsprechend ausgelegte Konditionierprozesse kaum denkbar, zumal sich die Einsatzvorbereitung von Schleifscheiben mit hochharten Schleifmitteln deutlich von der Einsatzvorbereitung konventioneller Schleifscheiben unterscheidet. Die erfolgreiche Verbreitung der CBN-Schleifscheiben mit keramischer Bindung ist somit un-trennbar mit der Güte der eingesetzten Abrichttechnologie verknüpft.
Generell umfasst der Begriff des Konditionierens sämtliche Verfahren zur Einsatz-vorbereitung oder Aufbereitung der Schleifwerkzeuge, wobei grundsätzlich zwischen Abrichten und Reinigen der Schleifscheibe unterschieden wird. Unter das Abrichten fallen die Erzeugung von Form, Maß und Rundlauf, also der Makrostruktur der Schleifscheibe. Diese
werden durch das Profilieren eingestellt. Des Weiteren gehört zum Abrichten die Erzeugung der Schneidenraumbeschaffenheit oder Topographie, also der Mikrostruktur des Schleif-belags, die durch das Schärfen eingestellt wird. Beim Abrichten ist demnach ein Abtrennen von Korn und Bindung bzw. nur ein Zurücksetzen der Bindung das Ziel. Im Gegensatz dazu ist beim Reinigen keine Veränderung an Korn und Bindung erwünscht, sondern das Entfernen von Span-, Korn- und Bindungsresten aus dem Spanraum der Schleifscheibe [Uhl89, Sal91]. Eine Übersicht der Zusammenhänge ist in Bild 2.1 dargestellt.
Bild 2.1: Begriffe des Konditionierens nach Uhlmann [Uhl89]
Die grundlegende Entwicklung der Technologie des Konditionierens für keramisch gebundene CBN-Schleifscheiben begann bereits vor der Einführung von CBN als Schneid-stoff mit der Entwicklung der Diamantabrichtrolle. Bemerkenswert hierbei ist, dass schon 1963 hohe Formgenauigkeiten der Rollen mit Toleranzen im Bereich von +/-1 µm zur Ver-fügung standen. Die Abrichttechnologie mit den entsprechenden Stellparametern für keramisch gebundene CBN-Schleifscheiben wurde um 1980 entwickelt. Allerdings war es erst zehn Jahre später möglich mittels der CNC-Technologie auch komplizierte Kontur-abrichtvorgänge an keramisch gebundenen CBN-Schleifscheiben durchzuführen. Hierzu wurden speziell entwickelte Diamant-Formrollen eingesetzt [Mey05].
Die hohe Verschleißfestigkeit und Profilhaltigkeit von keramisch gebundenen CBN-Schleif-scheiben, die sich beim Schleifen als günstig erweisen, verursachen beim Abrichten technische Probleme und erhöhte Kosten. Gründe hierfür sind, je nach Verfahren, verlängerte Abrichtzeiten und erhöhter Abrichtwerkzeugverschleiß. Es können daher nicht alle Verfahren sinnvoll zum Abrichten von keramisch gebundenen CBN-Schleifscheiben eingesetzt werden. Generell ist anzumerken, dass die Kombination aus Werkstoff, Schleifstoff, Bindungsart und Schleifkörperprofil das einsetzbare Abrichtwerkzeug und Abrichtverfahren bestimmen [Uhl03]. Konditionieren Abrichten Reinigen Profilieren Schärfen Makrostruktur Mikrostruktur Herstellen von - Rundlauf - Scheibenprofil Erzeugen der Topographie Mikrostruktur Beseitigen von Spänen aus dem Spanraum Veränderung von Korn- und Bindung beabsichtigt Zurücksetzten der Bindung beabsichtigt Keine Veränderung der Schleifscheibe beabsichtigt Konditionieren Abrichten Reinigen Profilieren Schärfen Makrostruktur Mikrostruktur Herstellen von - Rundlauf - Scheibenprofil Erzeugen der Topographie Mikrostruktur Beseitigen von Spänen aus dem Spanraum Veränderung von Korn- und Bindung beabsichtigt Zurücksetzten der Bindung beabsichtigt Keine Veränderung der Schleifscheibe beabsichtigt
Diamantabrichtwerkzeuge eingesetzt. Ihr Hauptvorteil liegt in der hohen Schneidenzahl auf der Mantelfläche des Abrichters, die dem hohen abrasiven Verschleiß durch die Schleif-scheibe entgegenwirkt und somit ein Vielfaches der Profilstandzeit von stehenden Abricht-werkzeugen erreicht. Mit rotierenden DiamantabrichtAbricht-werkzeugen können zudem komplexe Profilkonturen mit hohen Genauigkeitsanforderungen realisiert werden, was sie zu den bevor-zugten Abrichtwerkzeugen für das Abrichten hochharter Schleifkörper unter Produktions-bedingungen werden lässt. Hinsichtlich der Geometrie kommen Diamantprofilrollen, Dia-mantformrollen und Diamanttopfscheiben zum Einsatz. Die Wahl der Werkzeuggeometrie und somit auch des Verfahrens ist wiederum prozessabhängig. Während die Profilrollen das Negativprofil der Schleifscheibe tragen und dieses durch radiale Zustellung auf der Schleif-scheibe abbilden, werden mit Formrolle und Topfabrichter die Konturen der SchleifSchleif-scheibe bahngesteuert erzeugt [Uhl94, Uhl03, VDI3392].
War es bis vor kurzem noch wichtig, dem Schritt des Profilierens ein Schärfen anzuschließen, um einen für die Bearbeitung geeigneten Kornüberstand herzustellen, so ist dies bei modernen keramischen Bindungen meist nicht mehr notwendig. Teilweise kann ein definiertes Ein-schleifen vor der eigentlichen Bearbeitung sinnvoll sein, bei dem die Bindung durch die abrasive Wirkung der Späne zurückgesetzt wird. Aktuelle Abrichtprozesse mit Anschnitt-erkennung und mikrometergenauer Zustellung erlauben allerdings auch einen direkten Einsatz der Schleifscheibe. Zu beachten ist, dass bei keramisch gebundenen CBN-Schleifscheiben oft der Kornüberstand mit dem Verschleiß der Schleifscheibe im Prozess wächst und nicht wie bei konventionellen Schleifscheiben kleiner wird. Dies liegt an den veränderten Verschleiß-mechanismen und insbesondere an der Härte des Schleifkorns. Bei konventionellen Schleif-scheiben verschleißen die Schleifkörner auf Grund ihrer geringen Härte oft schneller als die keramische Bindung zurück gesetzt wird und vermindern somit den Kornüberstand. Bei CBN-Schleifscheiben ist dagegen vielfach ein umgekehrtes Verhalten zu beobachten, bei dem die Bindung schneller zurückgesetzt wird als die CBN-Körner verschleißen. Somit vergrößert sich der Kornüberstand bei CBN-Schleifscheiben mit der Schleifdauer. In der Praxis werden daher Abrichtzustellungen empfohlen, die insgesamt nur etwa 10 % des Korndurchmessers ausmachen, um die nur die Schleifkörnung zu erfassen, neue Schneiden zu generieren und den Kornüberstand zu verringern. Somit wären bei einer 126er Körnung 3 Hübe á 4 µm ein praktikabler Wert. Oft werden sogar deutlich geringere Abrichtzustellungen realisiert, um lediglich an den abgeflachten Kornspitzen neue Schneiden zu generieren [Sai08, Stu96, VDI3392].
2.3
Aufbau und geometrische Gestaltung des Schleifbelags
2.3.1
Schleifscheiben mit nicht unterbrochenem Belag
Bei den betrachteten Umfangsschleifscheiben wird der Belag einer Schleifscheibe als nicht unterbrochen oder geschlossen definiert, wenn die Mantelfläche keinerlei Kavitäten aufweist, bzw. wenn der Radius vom Mittelpunkt der Schleifscheibe zu jedem beliebigen Punkt auf der Umfangsfläche konstant ist, wobei die Breite des Schleifbelags vernachlässigt wird. Im Gegensatz zum oben beschriebenen Verfahren der Herstellung von keramisch gebundenen
CBN-Schleifscheiben, bei denen der gesamte Schleifbelag als Ring in einer Form gepresst und dann später gebrannt wird, ist es auch möglich, den Schleifbelag aus einzelnen Segmenten zusammenzusetzen. Diese werden dabei ebenso gepresst, gebrannt und mit dem Grundkörper durch Kleben verbunden. Dabei entsteht bei den Stoß an Stoß gesetzten Segmenten eines später geschlossenen Belages nicht nur eine Klebefuge zwischen Schleifbelag und Grundkörper, sondern auch zwischen den einzelnen Segmenten. Dieser Aufbau ist bei Schleifscheiben mit sehr großem Durchmesser gängige Praxis. Bei einigen Herstellern wird dieser Aufbau sogar über weite Durchmesserbereiche der Schleifscheiben eingesetzt [Sai08]. Ein geschlossener, aus einzelnen Segmenten zusammengesetzter CBN-Schleifbelag in keramischer Bindung ist in Bild 2.2 zu erkennen.
Bild 2.2: Segmentierter CBN-Schleifbelag
Verschiedene Gründe sprechen für den segmentierten Aufbau bei geschlossenem Schleif-belag. Die Schwindung beim Sintern von Keramiken ist vom Volumen des Bauteils abhängig. Schleifsegmente mit geringem Volumen ermöglichen daher eine erhöhte Fertigungsgenauig-keit. Unsegmentierte, ringförmige Schleifbeläge können sich zudem auf Grund von im Herstellungsprozess induzierten Spannungen verwinden. Kurze Segmente erlauben eine gute Anpassung an die Krümmung des Grundkörpers, so dass ein Bereich von verschiedenen Grundkörperradien mit einem Segmenttyp abgedeckt werden kann. Dies hat neben der Flexi-bilität bezüglich der Fertigung auch verringerte Werkzeugkosten bei den Pressformen und geringere Rüstzeiten zur Folge.
Aus geometrischer Sicht sind bei segmentierten Schleifscheiben Hinterschneidungen und somit Belagprofile möglich, die bei einem ringförmigen Belag ausgeschlossen sind. Dies ist
Klebefuge CBN-Belagsegment
können. Erfahrungswerte zeigen außerdem, dass segmentierte Schleifscheiben auch bei großen Durchmessern ein genaueres und schnelleres Auswuchten ermöglichen. Dies ist auf die Tatsache zurückzuführen, dass die Homogenität des Schleifbelags von der Verteilung der Schleifbelagskomponenten in der Form beim Pressen abhängt und deshalb großvolumige Schleifbeläge problematisch sind. Unter sicherheitstechnischen Aspekten liefern die segmen-tierten Schleifscheiben zusätzliche Vorteile. Die Bruchanfälligkeit ist generell geringer, was dazu führt, dass höhere Schleifscheibenumfangsgeschwindigkeiten zulässig sind. Hierbei spielen insbesondere die Klebefugen zwischen den einzelnen Segmenten eine wichtige Rolle, da sie sich positiv auf den Abbau von Spannungen auswirken, die auf Grund der Fliehkräfte entstehen und zudem eine Grenze für das Risswachstum im sprödharten keramischen Schleif-scheibenbelag darstellen. Aus Anwendersicht ist die Reparaturmöglichkeit, d.h. die Möglich-keit einzelne defekte Segmente auszutauschen, interessant [Gaf98, Hau87, Ruc05, Sai08, Xip03]. Der Einfluss des segmentierten Aufbaus der Schleifscheibe mit geschlossenem Belag bzw. der Klebefugen zwischen den Segmenten auf den Bearbeitungsprozess ist bislang nicht untersucht worden. Es können daher keine Aussagen gemacht werden, in welcher Weise sich die Segmentierung der Schleifscheibe auf das Einsatzverhalten der Schleifscheibe auswirkt. Denkbar ist zumindest ein Einfluss auf die Prozessdynamik, da die Klebefugen eine periodisch wiederkehrende Änderung der Kontaktbedingungen darstellen.
2.3.2
Schleifscheiben mit unterbrochenem Belag
Neben der Unterscheidung zwischen segmentierten und nicht segmentierten Schleifbelägen, die sich bei zylindrischen Schleifscheiben nur auf die Herstellung des Schleifbelags aus einzelnen Kreissegmenten oder einem kompletten Ring bezieht, kann weiterhin zwischen geschlossenen und unterbrochenen Schleifbelägen unterschieden werden, wobei es wiederum verschiedene Formen des unterbrochenen Schleifbelags gibt. Als Unterbrechung wird hier eine regelmäßig über die Umfangsfläche der Schleifscheibe verteilte Höhenänderung des Schleifbelags verstanden, die mindestens eine, oft jedoch mehrere Größenordnungen über den Höhendifferenzen der Schleifbelagtopographie liegt. Im Allgemeinen handelt es sich um Kavitäten, die in den Schleifbelag eingebracht sind oder durch die räumlich getrennte Anordnung von Schleifbelagssegmenten entstehen. Die Unterbrechung kann geometrisch bestimmt oder unbestimmt sein. Im Fall von regelmäßig angeordneten Unterbrechungen spricht man auch von strukturierten Schleifbelägen. Ein Spezialfall der Kavitäten stellen Nutungen bzw. Nuten dar. In der vorliegenden Arbeit werden diese als geometrisch bestimmte Unterbrechungen des Schleifbelags verstanden, die unter einem Winkel zur Schleifrichtung eingebracht sind und den Schleifbelag der zylindrischen Schleifscheibe auf der Umfangsfläche in seiner gesamten Breite unterbrechen.
Im Bereich des Trennschleifens sind genutete Schleifscheiben bereits industriell verbreitet, ebenso sind sie bei Topfschleifwerkzeugen für zum Beispiel die Halbleiterindustrie bekannt. In anderen Bereichen der Schleiftechnik werden nur vereinzelt solche Werkzeuge eingesetzt bzw. nur von einigen Herstellern genutete Schleifwerkzeuge angeboten. In Bild 2.3 ist ein solches Werkzeug der Lapport DCS GmbH dargestellt. Die so genannte Lamellenschleif-scheibe wurde zusammen mit der Liebherr Verzahntechnik GmbH entwickelt und zum Patent
angemeldet [Pat05]. Die aus einzeln aufgeklebten, am Umfang verteilten Segmenten hergestellte CBN-Schleifscheibe wird bereits industriell mit Erfolg eingesetzt. Es gibt jedoch bis dato keine Veröffentlichungen bezüglich der Zusammenhänge zwischen Schleifbelagaufbau und Einsatzverhalten dieses Schleifscheibentyps.
Bild 2.3: Lamellenschleifscheibe der Lapport DCS GmbH
Hauptsächliches Entwicklungsziel für diese Art von Schleifscheiben ist es, die thermische Schädigung der Bauteile zu verhindern. Neben dem Einsatz alternativer Kühlschmiersysteme wie der Minimalmengenschmierung oder dem Einsatz von Cryotechnik wird durch die inter-mittierende Zufuhr von konventionellem Kühlschmierstoff in die Wirkzone durch einen unterbrochenen Schleifbelag eine Reduzierung der thermischen Beanspruchung antizipiert [Hof04, Lee00, Taw01]. Andere Systeme nutzen die Nutungen im Schleifbelag, um den Kühlschmierstoff über Kanäle vom Inneren der Schleifscheibe zuzuführen.
Es gibt generell nur wenige wissenschaftliche Veröffentlichungen, die den Einfluss einer Nutung oder Strukturierung des Schleifbelags zum Thema haben. Zheng [Zhe94] hat ein
thermisches Modell aufgestellt, das die Eingriffsverhältnisse einer genuteten Schleifscheibe berücksichtigt und mit dem der Temperaturanstieg in der Wirkzone qualitativ vorhergesagt werden kann. Er schätzt ab, dass durch eine Nutung der Schleifscheibe die maximalen Temperaturen in der Wirkzone signifikant verringert werden können. Lee, Wong und Zhang [Lee00] haben einen Ansatz verfolgt, den unterbrochenen Schnitt mit einer genuteten Diamantschleifscheibe für die Bearbeitung von technischer Keramik zu nutzen. Sie geben an, dass eine 40 bis 80 % geringere Temperatur durch einen genuteten Schleifbelag zu erreichen ist. Ähnliche Ergebnisse präsentierten auch Aurich, Herzenstiel, Sundermann und Magg [Aur08], die eine strukturierte Anordnung der Schleifkörnung untersuchten. Stanislao und
Turkerer [Sta74] haben mit ihrer spiralförmig genuteten Diamantschleifscheibe gezeigt, dass
die Schleifkräfte im Gegensatz zu einem nicht genuteten Belag sinken. Der Zusammenhang ist in Bild 2.4 dargestellt.
des Schleifprozesses durch genutete Schleifscheiben besteht. Ihre Ergebnisse mit einer spiralförmig genuteten Schleifscheibe beim Planschleifen sind Bild 2.5 zu entnehmen. Insbesondere die geringere spezifische Schleifenergie bei der genuteten Schleifscheibe wird hier als Beweis für eine geringere thermische Belastung angeführt. In der Darstellung der Oberflächenrauheit ist jedoch auch zu erkennen, dass der genutete Aufbau eine Verschlech-terung des Arbeitsergebnisses mit sich bringen kann.
Bild 2.4: Normalkraft in Abhängigkeit der Schleifscheibenumfangsgeschwindigkeit für eine normale (Standard) und genutete (Modified) Schleifscheibe bei verschiedenen Zustellungen [Sta74]
Bild 2.5: Der Einfluss spiralförmiger Nuten auf Schleifkräfte, spezifische Energie und Oberflächenrauheit [Nak77] 0 10 20 30 40 1500 2000 2500 3000 3500 Wheel speed (rpm) N o rm a l fo rc e ( lb ) Standard 0,001´´ Modified 0,001´´ Standard 0,003´´ Modified 0,003´´ 0 2 4 6 0 5 10 15
Table speed, v m/min
N o rm a l fo rc e , Fn Regular Grooved kilogram-force 0 2 4 6 0 5 10 15
Table speed, v m/min
T a n g e n ti a l fo rc e , F t Regular Grooved kilogram-force 0 100 200 0 5 10 15
Table speed, v m/min
S p e c if ic e n e rg y , u Regular Grooved J/mm3 0 0,2 0,4 0,6 0 5 10 15
Table speed, v m/min
S u rf a c e R o u g h n e s s , R a Regular Grooved m
Fu, Xu H. und Xu J. [Fu02] kamen bei ihrer mathematisch optimierten Schleifscheibentopo-graphie ebenfalls auf einen genuteten Aufbau. Sie stellen dar, dass sich ein größerer Abstand zwischen den effektiven Schleifkörnern, der durch eine Nutung der Schleifscheibe erreicht wird, positiv auf die Temperaturentwicklung auswirkt.
Tawakoli [Taw01] entwickelte mit dem sogenannten „T-Tool“ ein spezielles segmentiertes
Werkzeug mit unterbrochenem Schleifbelag, das in Bild 2.6 dargestellt ist. Ergebnisse die er mit diesem Werkzeug erzielte sind Bild 2.7 zu entnehmen. Neuere Arbeiten von Tawakoli [Taw09] befassen sich mit der Reduzierung der Kontaktfläche durch Strukturierung der Schleifbelagsoberfläche.
Bild 2.6: Prinzipdarstellung des T-Tools [Taw01]
Bild 2.7: Mittenrauwert Ra in Abhängigkeit der Schleiflänge für das T-Tool [Taw01]
Weitere Entwicklungen beschäftigen sich hauptsächlich mit der gezielten Zuführung des Kühlschmierstoffs durch das Schleifscheibeninnere, mit Austritt zwischen den Schleif-segmenten, um einen besseren Transport zur Wirkstelle zu erreichen und die Kühlschmier-menge verringern zu können [Ngu05, Ngu05a, Ngu09, Taw04].
3
Z
IELSETZUNG UND
V
ORGEHENSWEISE
Keramisch gebundene CBN-Schleifscheiben sind mittlerweile etablierte Werkzeuge der industriellen Fertigungstechnik und stellen auf Grund ihrer positiven Eigenschaften bei vielen anspruchsvollen Anwendungen einen Standard dar. Gerade in Prozessen der Mittel- und Großserienfertigung, wie beispielsweise der Kurbel- und Nockenwellenbearbeitung im Auto-mobilbau, sind ihre positiven Eigenschaften bezüglich der Werkzeugstandzeit, des erreichbaren Zeitspanungsvolumens, der Temperaturentwicklung in der Wirkzone und der Abrichtbarkeit der Bindung mit entscheidend für die Effizienz und Produktivität des Prozess-schritts Schleifbearbeitung. Allerdings erzeugt der durch den Markt bedingte Kosten- und Qualitätsdruck die bekannte und dauerhaft gültige Zielvorgabe, die Effizienz und Produk-tivität der einzelnen Prozessschritte weiter zu steigern und vorhandene Potenziale bis an ihre technologischen und wirtschaftlichen Grenzen auszuschöpfen. Eine weiterführende Opti-mierung der Schleifwerkzeuge bietet solche Potenziale. Neben der Verbesserung der Schleif-scheibenspezifikation im Hinblick auf Korn- und Bindungseigenschaften, die kontinuierlich von den Schleifscheibenherstellern voran getrieben wird, ist aktuell auch eine Verbesserung des Einsatzverhaltens der Schleifwerkzeuge durch innovative geometrische Ausprägungen in den Blickwinkel des Interesses geraten.
Die Fertigung des Schleifbelags keramisch gebundener CBN-Schleifscheiben aus einzelnen Schleifbelagssegmenten kann wirtschaftliche und technologische Vorteile für den Schleif-scheibenhersteller haben und ist daher bereits eine vielfach angewandte Methode. Bisher werden die Segmente fast ausschließlich bündig auf dem Schleifscheibengrundkörper verklebt, so dass ein durchgehender Schleifbelag entsteht. Die in Kapitel 2 angeführten Studien haben allerdings gezeigt, dass ein Schleifscheibenaufbau mit definiert unter-brochenem Schleifbelag, also mit einer geometrisch bestimmten Nutung, die Leistungsfähig-keit des Werkzeugs unter Umständen signifikant steigern kann. Erste Erklärungsmodelle führen diese Tatsache vornehmlich auf einen verbesserten Transport des Kühlschmiermittels in die Kontaktzone zwischen Schleifscheibe und Werkstück zurück. Es gibt allerdings auch weitere mögliche Phänomene und Erklärungen, die für die erhöhte Leistungsfähigkeit dieser Werkzeuge mit verantwortlich sein können wie zum Beispiel die ständig wiederkehrende Unterbrechung des Wärmeeintrags aufgrund der Schleifbelagsnutung. Systematische und umfassende Untersuchungen der Einflüsse auf die entscheidenden Prozesskenngrößen, auf das Arbeitsergebnis oder den Werkzeugverschleiß wurden bisher nicht durchgeführt. Eine genaue Kenntnis der Wirkmechanismen ist jedoch in jedem Fall erforderlich, um die vorhandenen Potenziale für eine wirtschaftliche und prozesssichere Bearbeitungstechnologie nutzbar machen zu können. Das Ziel der genauen Kenntnis der Zusammenhänge und somit der Nutzbarmachung der Potenziale wird zudem als äußerst lohnend erachtet, weil die wichtigsten Voraussetzungen für eine erfolgreiche industrielle Weiterentwicklung und Anwendung dieser Schleifwerkzeuge bereits gegeben sind. Die Herstellung von keramisch gebundenen CBN-Schleifscheiben, bei denen die Segmente nicht bündig, sondern mit Zwischenraum auf dem Grundkörper verklebt werden, oder die nachträgliche Einbringung von geometrisch definierten Nuten in einen geschlossenen Belag durch spanende Verfahren, ist mit einfachen Mitteln für die Schleifscheibenhersteller realisierbar und erzeugt nach
jetzigem Wissensstand keine signifikanten Nachteile bezüglich sicherheitsrelevanter Aspekte. Der Einsatz genuteter Werkzeuge bei industriellen Schleifprozessen und auf Werkzeugmaschinen, die bereits mit CBN-Schleifscheiben arbeiten, wird zudem aller Voraussicht nach kaum Modifikationen erfordern, da die vorhandene Abrichttechnologie weiterhin einsetzbar ist, ähnliche Schleifspindelleistungen und Drehzahlen abgerufen werden und die Schleifwerkzeuge keine steiferen Aufbauten oder schnellere NC-Achsen erforderlich machen. Dies gilt auch für den Fall, dass deutlich höhere Zeitspanungsvolumina realisiert werden können, da die relevanten Vorschubachsen selten im Grenzbereich operieren.
Das Hauptziel der vorliegenden Arbeit ist es, einen Beitrag zur Klärung der Mechanismen beim Einsatz von keramisch gebundenen CBN-Schleifscheiben mit definiert unterbrochenem Schleifbelag zu leisten, um die Grundlagen für den prozesssicheren industriellen Einsatz solcher Werkzeuge zu erarbeiten. Dabei werden neben der Klärung der generellen Einflüsse eines unterbrochenen Schleifbelags auf das Arbeitsergebnis und die Prozesskennwerte des Schleifprozesses, vor allem die Einflüsse der geometrischen Ausformung der Zwischenräume, d. h. der Nutbreite und des Nutwinkels herausgearbeitet. Die Erarbeitung des Wissens um die Zusammenhänge erfolgt anhand technologischer Untersuchungen und Simulationsrechnungen sowie der Analyse und Interpretation der Messwerte und Ergebnisse. Um eine Vergleich-barkeit zu schaffen, werden die Untersuchungen jeweils auch mit Schleifscheiben mit geschlossenem Belag durchgeführt, die als Referenz für den momentanen Stand der Technik im industriellen Einsatz dienen. Im Sinne einer systematischen Vorgehensweise wurde das oben genannte Hauptziel in verschiedene Teilziele unterteilt. Die Teilziele sind in Bild 3.1 am Ende dieses Abschnitts dargestellt.
Allgemeines
Für die Untersuchungen wurde das Verfahren des Quer-Umfangs-Außen-Rundschleifens oder auch Außenrund-Einstechschleifens in einen gehärteten Stahlwerkstoff mit keramisch gebundenen CBN-Schleifscheiben gewählt, das zum Beispiel beim Schleifen von Nockenwellen in der Automobilindustrie, bei der Bearbeitung von Wälzlager- oder Nabenbauteilen sowie in der Fertigung diverser Funktionsflächen an zylindrischen Bauteilen zum Einsatz kommt. Die Wahl ist einerseits durch die Relevanz für den industriellen Einsatz des untersuchten Werkzeugtyps und andererseits durch die für die Untersuchungen günstigen Eingriffsverhältnisse begründet, da die geringe Kontaktfläche zwischen Werkzeug und Werkstück einen signifikanten Einfluss der Nutung des Schleifbelags und somit eindeutige Untersuchungsergebnisse erwarten lässt.
Teilziel 1: Kenntnis des Einsatzverhaltens genuteter CBN-Schleifscheiben
Die Kenntnis über das Einsatzverhalten der genuteten keramisch gebundenen CBN-Schleif-scheiben wird anhand von technologischen Untersuchungen erarbeitet. Dies sind vornehmlich Schleiftests, die auf einem adäquaten Maschinensystem durchgeführt werden und einen hohen Bezug zu Produktions-Schleifprozessen haben, wie sie aktuell in der Industrie zu finden sind. Die Untersuchungen erfolgen zunächst mit einer gerade genuteten Schleifscheibe unter Variation der Stellparameter Schleifscheibengeschwindigkeit, Werkstückgeschwindigkeit und radialer Vorschubgeschwindigkeit bzw. dem daraus resultierenden bezogenen Zeitspanungs-volumen. Bei diesen Schleiftests werden die prozessrelevanten Messwerte, wie Schleifkräfte,
größen, wie Maß- und Formgenauigkeit und Oberflächengüte aufgenommen und für die Beschreibung des Prozessverhaltens genutzt. Das Prozessverhalten eines ungenuteten Schleifwerkzeugs wird als Referenz herangezogen. In einem zweiten Schritt werden verschie-denartig genutete Schleifwerkzeuge gegenübergestellt, um den Einfluss der Nutgeometrie zu erarbeiten. Hierbei werden sowohl die Nutbreite, als auch der Nutwinkel variiert und die Prozessschritte des Schruppens und Schlichtens abgebildet. In einem dritten Schritt wird der Einsatz von genuteten Schleifscheiben bei einer Minimalmengenkühlschmierung geprüft.
Teilziel 2: Abschätzung der möglichen Leistungssteigerung des Schleifprozesses durch den Einsatz genuteter CBN-Schleifscheiben
Um die mögliche Leistungssteigerung durch den Einsatz genuteter Schleifscheiben abschätzen zu können, erfolgt zunächst eine Auswahl signifikanter Messgrößen und Kennwerte, die eine vergleichende Gegenüberstellung der genuteten und ungenuteten Schleifwerkzeuge unter verschiedenen Aspekten erlaubt. Hierbei werden insbesondere die maximalen Prozesstemperaturen, die Schwingungsantwort des Systems, das Arbeitsergebnis sowie der Werkzeugverschleiß in die Betrachtung miteinbezogen. Die Abschätzung der potenziellen Leistungssteigerung erfolgt unter Berücksichtigung von Grenzkriterien wie dem Auftreten von thermischen Schädigungen in der Bauteilrandzone, geometrischen Abweichungen im Arbeitsergebnis oder kritischen Prozesszuständen. Bezogen auf die Untersuchungen bei Einsatz einer Minimalmengenkühlschmierung wird das Potenzial zur Realisierung eines industriell einsetzbaren Schleifprozesses abgeschätzt.
Teilziel 3: Klärung der Ursachen der veränderten Leistungsfähigkeit genuteter CBN-Schleifscheiben
Neben der Erarbeitung von Erkenntnissen aus den schleiftechnologischen Untersuchungen, erfolgt die Klärung der Ursachen der veränderten Leistungsfähigkeit der genuteten CBN-Schleifscheiben anhand von Ergebnissen aus der numerischen Simulation des Prozess-verhaltens dieser Werkzeuge. Das Hauptaugenmerk wird dabei auf die Entwicklung der Temperaturen in der Kontaktzone und auf das dynamische Verhalten der Werkzeuge aufgrund des unterbrochenen Schleifbelags gelegt. Hierzu werden entsprechende Prozessmodelle angelegt, die ein virtuelles Versuchsprogramm erlauben und die schleiftechnologischen Untersuchungen ergänzen. Im Gegensatz zu den technologischen Untersuchungen wird hier neben der Nutgeometrie auch die Anzahl der am Umfang der Schleifscheibe verteilten Nuten variiert. Des Weiteren werden mit Hilfe der numerischen Simulation spezielle Prozess-bedingungen erzeugt, die es erlauben einzelne Phänomene zu isolieren und somit ein erweitertes Verständnis über die Wirkmechanismen zu schaffen. So kann die Erregung des Systems einzig durch die Nutung der Schleifscheibe erfolgen, im Gegensatz zum realen Prozess, wo Unwuchten, nicht ideale Werkstückformen und weitere Effekte die Erregung überlagern. Bei den numerischen Simulationen zur Temperaturentwicklung wird ein eventuell veränderter Mechanismus des Kühlschmiermitteltransportes durch die Nutung unterdrückt, um den Effekt des unterbrochenen Eingriffs isoliert betrachten zu können.
Bild 3.1: Zielsetzung und Vorgehensweise
Hauptziel:Kenntnis der Wirkmechanismen beim Einsatz genuteter keramisch gebundener CBN-Schleifscheiben
Erschließung der Potenziale genuteter keramisch gebundener CBN-Schleifscheiben für eine wirtschaftliche und prozesssichere Bearbeitungstechnologie
Teilziel 1:
Kenntnis über das
Einsatzverhalten genuteter Schleifscheiben und den Einfluss der Nutgeometrie
Technologische Untersuchungen: Schleiftests mit Messung und Auswertung der relevanten Prozessparameter
Variation der Stellparameter und der Nutgeometrien
Modellierung des Prozesses: Simulation der Temperatur-entwicklung im Werkstück und des dynamischen Verhaltens der genuteten Schleifscheiben im Prozess
Vergleichende Betrachtung: Auswertung signifikanter
Messgrößen und Kennwerte unter Berücksichtigung von
schleiftechnologisch wichtigen Aspekten und Grenzkriterien
Teilziel 2:
Abschätzung der möglichen Leistungssteigerung im Prozess durch den Einsatz genuteter Schleifscheiben
Teilziel 3:
Klärung der Ursachen der verbesserten Leistungs-fähigkeit genuteter Schleifscheiben
4
T
ECHNOLOGISCHE
U
NTERSUCHUNGEN MIT
GENUTETEN
CBN-S
CHLEIFSCHEIBEN
4.1
Versuchsbedingungen und Messmethoden
4.1.1
Allgemeines
In diesem Abschnitt werden die Versuchsbedingungen und die Vorgehensweise bei der Durchführung der technologischen Untersuchungen beschrieben. Zunächst werden der Versuchsstand, die eingesetzten Schleifwerkzeuge und deren Nutgeometrien, die Werkstücke und der Werkstückwerkstoff sowie die eingesetzten Vorrichtungen und die Untersuchungs-umstände näher erläutert. Im Anschluss wird auf die verschiedenen Messmittel und Mess-methoden eingegangen, die zur Analyse des Schleifprozesses und des Arbeitsergebnisses eingesetzt werden. Die Messmethoden sind nach Messungen der Prozesskenngrößen, des Verschleißes am Schleifwerkzeug und den am Werkstück gemessenen Ergebnisgrößen geordnet.
4.1.2
Versuchsmaschine
Die Schleifbearbeitungen erfolgen an einer Universal-Rundschleifmaschine vom Typ PF51 der Firma Schaudt Mikrosa BWF GmbH. Die Versuchsmaschine ist für Außenrund-, Innen-rund- und UnInnen-rund-Schleifprozesse ausgerüstet. Die Außenschleifspindel bietet eine Leistung von 25 kW und es können Schleifscheibenumfangsgeschwindigkeiten von bis zu 200 m/s bei einem Schleifscheibendurchmesser von 500 mm realisiert werden. Die Maschine stellt somit eine geeignete Basis dar, um industrielle Hochleistungsprozesse mit CBN-Schleifscheiben abzubilden. Neben den üblichen Tisch-Abrichteinheiten mit stehenden und rotierenden Abrichtwerkzeugen stehen Einheiten zum Continuous Dressing (CD) mit Diamant Abricht-rollen, zum Continuous Sharpening (CS) sowie eine Swing-Step Abrichteinheit zur Ver-fügung. Die Maschine ist zudem für das Schleifen mit Öl ausgelegt. Bild 4.1 zeigt die Versuchsmaschine und in Tabelle 4.1 ist eine Auswahl technischer Daten dargestellt.
Kühlschmierung
Für die Schleifversuche wird eine 5 %ige Emulsion vom Typ Castrol Syntilo XPS der Firma
Deutsche BP AG eingesetzt. Das Kühlschmiermittel wird über eine Freistrahldüse mit
regu-lierbarem Spalt in rechteckiger, scharfkantiger Form zugeführt. Der Volumenstrom wird während der Untersuchungen nicht variiert und beträgt QKS = 8,2 l/min.
Neben den Hauptuntersuchungen mit Überflutungskühlung über die Freistrahldüse werden auch Untersuchungen mit Minimalmengenkühlschmierung durchgeführt. Hierzu wird eine Minimalmengenkühlschmieranlage vom Typ MKS-G 260 der Terstegen chemisch-technische
Produkte GmbH eingesetzt. Als Kühlschmiermittel steht ein Spezialprodukt für
Microjet®-Geräte vom Typ Micro 1100 der Link Dosiergeräte GmbH zur Verfügung. Die Anlage wird mit einem eingestellten Volumenstrom von QMMKS = 80 ml/h betrieben.
