Erweiterte Artikelsuche

  • Land: Deutschland
  • Autor(en): Bahman Azarhoushang, Ali Zahedi
  • Artikel vom: 04 Juli 2016
  • Seitenaufrufe: 634
  • Artikel Nummer: 057-064-de
  • Schlüsselbegriffe: Laserabrichten, Metall- und Kunstharzbindung
  • Laserabrichten von superabrasiven Schleifwerkzeugen

    Das mechanische Abrichten superabrasiver Schleifwerkzeuge mit Diamantabrichtwerkzeugen stellt aufgrund verschiedener Aspekte eine Herausforderung dar. Die Bearbeitung superabrasiver Schleifwerkzeuge (vor allem bei Metall- und Kunstharzbindungen) ist zeitaufwendig und mit hohem Verschleiß der Werkzeuge und somit hohen Kosten verbunden. Weitere Nachteile sind [Azar14a, Mari06]:

    • Verschleiß und dadurch unvorhersehbare Geometrieänderung des Diamantabrichters, die schwierig zu überwachen und zu korrigieren sind. Daraus resultieren nur mäßig konstante Schleifergebnisse
    • Einschränkung in Form und Genauigkeit des Profils
    • Hoher Verbrauch an Kühlschmierstoff während des Abrichtens
    • Hoher Zeitbedarf für das Abrichten, Profilieren und Strukturieren
    • Das Erzeugen von Mikrostrukturen auf Schleifscheiben ist nicht möglich bzw. sehr aufwendig

    Mit nicht-mechanischen Abrichtmethoden (unkonventionellen Abrichtprozessen) wie ELID (elektrolytisches in-Prozess Abrichten), Funkenerodieren und Laserabrichten wird versucht, Teile dieser Beschränkungen zu überwinden, die Prozessgenauigkeit zu erhöhen und die Bearbeitungskosten von superabrasiven Werkzeugen zu senken. Mit der Weiterentwicklung der Lasertechnologie haben sich auch die Anwendungsfelder für die Bearbeitung mit Laserstrahlen in den letzten Jahren ständig erweitert. So hat sich der Laser insbesondere bei der Materialbearbeitung von harten und spröden Werkstoffen (schwer zerspanbare Werkstoffe), wie Hochleistungskeramiken, als schnelles, leistungsfähiges und vielfältiges Werkzeug etabliert. Neben der hohen Flexibilität weist der Laser weitere positive Eigenschaften, wie gezielte Wärmeeinbringung, kleine Wärmeeinflusszone, kraftfreie Bearbeitung und einfache räumliche und zeitliche Steuerbarkeit auf. Durch den Einsatz von Laserstrahlen beim Abrichten von Schleifwerkzeugen lassen sich werkzeug- und verfahrensbedingte Nachteile der mechanischen Abrichtverfahren umgehen. Das Abrichten der superabrasiven Schleifwerkzeuge mittels Laser ist eine vielversprechende unkonventionelle und berührungslose Konditionierungsmethode zur Erhöhung der Genauigkeit, Reduzierung der Bearbeitungszeit und -kosten dieser Werkzeuge. Obwohl diese Methode eine relativ hohe initiale Investition erfordert, weist sie doch einige Vorteile auf, wie z.B. kein Werkzeugverschleiß, gute Wiederholbarkeit und Steuerbarkeit, hohe Präzision und hohe Geschwindigkeit. Wenn man diese Fakten mit dem Konzept der segmentierten und strukturierten Scheiben zusammenbringt, ist das Abrichten von superabrasiven Schleifscheiben per Laser eine logische Folge.
    Die ersten Schritte bei der Erforschung des Effekts von Lasern auf eine Schleifscheibe wurden in den späten 1980ern unternommen, indem konventionelle Aluminiumscheiben mittels Lasers abgerichtet wurden [Rame89a, Rame89b]. So konnten per Laserabrichten geringere Schleifkräfte, weniger Verschleiß und optimierte Oberflächenqualitäten beim Schleifen, im Vergleich zu den Methoden mit mechanischem Kontakt abgerichteter Scheiben, nachgewiesen werden [Rame89a, Rame89b]. Die Vorteile machen sich besonders beim Abrichten von superabrasiven Schleifscheiben bemerkbar, was sonst mit hohen Kosten und weiteren Herausforderungen behaftet ist [Tian07, Zhan02, Hoff00]. Bei gleicher Schleifqualität wie mit mechanischen Methoden (Abrichten mittels Korund-Abrichtscheiben), treten bei metallgebundenen Diamantschleifscheiben, welche mit Laser abgerichtet wurden, weniger Kornschädigungen und Rissbildungen in der Oberfläche der Schleifscheibe auf [Hoso06]. Die Auswahl der Laserparameter erfolgt bei den meisten Abrichtprozessen nach der Methode „trial and error“. In dieser Untersuchung erfolgte die Auswahl der Parameter jedoch über eine von den Autoren durchgeführte thermischen Analyse, über die die Parameter für eine selektive Bearbeitung der verschiedenen Schleifscheibenkomponenten und für die gewünschten Abrichtprozesse ermittelt wurden [Zahe14a]. Das Hauptaugenmerk der vorliegenden Arbeit liegt auf der Integration des Lasers in die Schleiftechnologie. Dies wird herkömmliche Wege des Schleifens erweitern und zu nachhaltiger und kosteneffizienter Fertigung führen. Für die Untersuchungen wurden Ultrakurz- und Kurzpulslasergeräte (im Pikosekunden- und Nanosekunden-Bereich) verwendet.

    Laserkonditionierungsverfahren

    In dieser Forschungsarbeit wurde für das Laserabrichten ein Yb:YAG Pikosekundenlaser (TruMicro 5050) der Firma Trumpf eingesetzt. Die Spezifikationen des Lasers sind in Tabelle 1 zusammengefasst. Der Laserstrahl wird über mehrere optische Komponenten in den Laserscanner geleitet und dort auf die Oberfläche der Schleifscheibe fokussiert.

    Der verwendete Versuchsaufbau der Komponenten ist in Abbildung 1 schematisch dargestellt. Die eingesetzten Abrichtparameter sind in Tabelle 2 zusammengefasst.

    Laserabrichten

    Das Abrichten von kunstharz- und metallgebundenen Schleifwerkzeugen ist kompliziert und zeit- und kostenintensiv. Hierfür werden generell entweder Abrichtwerkzeuge aus Aluminiumoxid und/oder Siliziumkarbid (in Form einer Abrichtscheibe als mechanischer Abrichtprozess) eingesetzt oder unkonventionelle Abrichtprozesse wie das Drahterodieren (bei den metallgebundenen Schleifwerkzeugen) bevorzugt. Hier soll erwähnt werden, dass einige Hybrid- (eine Mischung aus Metall und Kunstharz oder aus Metall und Keramik) und Kunstharzbindungen mit Diamant-Abrichtrollen in der Schleifmaschine abgerichtet werden können. Jedoch sind Abrichtabtrag und Profilgenauigkeit sehr begrenzt. Anhand der entwickelten Laserkonditionierungsanlage wurde versucht, die Nachteile der mechanischen Abrichtverfahren zu umgehen. In dieser Phase der Untersuchung wurden mehrere unterschiedliche Schleifwerkzeuge, d.h. kunstharz- und metallgebundene Diamant- und cBN-Schleifwerkzeuge mit unterschiedlichen Körnungen und Konzentrationen, mittels Lasers abgerichtet. Abbildung 2 und Abbildung 3 zeigen die Konfokalbilder einer konventionell- und einer laserabgerichteten metallgebundenen CBN Schleifscheibe. Aus den Konfokalbildern können die Tiefe und Breite der generierten Nuten sowie die Kornüberstände ermittelt werden. Die durchschnittliche Korngröße der ausgewählten Schleifscheibe (hergestellt von Bärhausen) beträgt 151 µm, die Konzentration liegt bei 75 (B1A1 D:100 T:15 X:5 H:20H7; B151 C75 MB). Unter Berücksichtigung der thermischen Analyse [Zahe14a, Zahe14b] und der mechanischen Eigenschaften von CBN und Metallbindung, beträgt die notwendige Pulsenergie für einen effektiven Abtrag von Korn- bzw. Bindungsmaterial ca. 62 µJ und 12 µJ. Dementsprechend definiert die Differenz der Pulsenergien den Bereich, in dem das Bindungsmaterial abgetragen werden kann, ohne dabei die CBN-Körner zu schädigen. Dafür wird die Pulsenergie auf 50 µJ eingestellt und die Rotationsgeschwindigkeit der Schleifscheibe und der axiale Vorschub des Laserscanners so abgestimmt, dass die relative Scangeschwindigkeit 200 mm/s beträgt, bei einem Abstand der Nuten von 50 µm. Dementsprechend entstehen Nuten mit einer Tiefe von 70 µm wobei die CBN-Körner vollständig erhalten bleiben und genügend Schneidkanten und Spanräume entstehen. Daher wird durch das Laserabrichten ein optimierter Kornüberstand erzeugt und das Schärfen ist für die Schleifscheiben, die mittels Lasers abgerichtet werden, nicht notwendig.
    Zur gleichen Zeit wurde eine entsprechende Schleifscheibe mit einer keramikgebundenen SiC-Abrichtscheibe (Körnung #320) konventionell abgerichtet (Schleifscheibengeschwindigkeit beim Abrichten, vsd =30, 50 m/s, Abrichtscheibendrehzahl, nSiC=100 U/min, Zustellbetrag beim Abrichten, aed=5 µm, Axialvorschub beim Abrichten, vfad=800 mm/min) und danach mit einem Aluminiumoxidstück 20 mal (×20 µm) geschärft. Beide Abrichtprozesse und die generierten Oberflächen sind in den Abbildungen 4 und 5 dargestellt. Die dunklen Bereiche in den Abbildungen stellen die CBN-Körner dar. Auf der Oberfläche der konventionell abgerichteten Scheibe können Kornausbrüche erkannt werden. Durch die kombinierte Bewegung in Umfangs- und Axialrichtung wurden beim Laserabrichten nebeneinanderliegende Nuten auf der Schleifscheibenoberfläche generiert (zu erkennen in Abbildungen 3 und 5). Für eine Beurteilung der Leistungsfähigkeit von laserabgerichteten und konventionell abgerichteten Schleifscheiben (metallgebundenen CBN-Schleifscheiben), wurden in dieser Untersuchung Einstechschleifversuche an metallischen Werkstücken auf einer Rundschleifmaschine durchgeführt. Als Material für die metallischen Werkstücke wurden 100Cr6 (56 HRC) Stäbe mit einem Durchmesser von 30 mm ausgewählt. Die Schleifexperimente wurden unter der Verwendung von Schleiföl durchgeführt. Dabei wurden verschiedene Werte für die Schnittgeschwindigkeit vc (Umfangsgeschwindigkeit der Schleifscheibe), Werkstückgeschwindigkeit vw und die radiale Vorschubgeschwindigkeit vfr verwendet. Der Aufbau der Rundschleifversuche ist in Abbildung 6 gezeigt. Um die Effekte des Lasers im Vergleich zum konventionellen Abrichtprozess zu untersuchen, wurde während der Schleifprozesse die Schleifleistung aufgezeichnet. Bei der Aufzeichnung und Beurteilung der Schleifleistung muss darauf geachtet werden, dass nur die Leistung in Bezug auf den Materialabtrag beachtet wird und nicht die Leistung, die durch die Lagerreibung und Einflüsse von Kühlschmierstoffen verbraucht wird. Bei der Gegenüberstellung der Tangentialkräfte kann ein Einfluss der Schnittgeschwindigkeiten ausgemacht werden, wodurch ein differenzierter Vergleich der beiden Verfahren möglich ist. Die Tangentialkräfte sind ein wesentlicher Faktor für die Beurteilung des Prozesses, da sie bestimmend sind für den Verschleiß der Schleifscheibe und sie einen direkten Bezug zu den Schleifnormalkräften besitzen, welche die Hauptursache für Oberflächenschädigungen und Materialausbrüche ist. Die Tangentialkräfte bezogen auf die Scheibenbreite für konventionelle- und Laserabrichtprozesse sind in Abbildung 7 für Schnittgeschwindigkeiten von 30 m/s und 50 m/s dargestellt. Wie erwartet steigen die bezogenen Schleifkräfte mit einer Erhöhung der Zustellgeschwindigkeit und einem infolgedessen höheren Materialabtrag. Höhere Schnittgeschwindigkeiten begünstigen eine Senkung der Schleifkräfte, was zu einer Erhöhung der Genauigkeit führt, insbesondere beim Rundschleifen bei dem das Werkstück zum Durchbiegen neigt. In allen Fällen war die Schleifleistung der laserabgerichteten Scheibe niedriger als bei der konventionell abgerichteten. Die Tangentialkräfte zeigten dieselbe Tendenz, so dass Reduzierungen von bis zu 35% der Tangentialkräfte gemessen werden konnten. Gründe hierfür können zum einen eine effektivere Ablation des Bindungsmaterials bei gleichzeitiger Erhaltung der Schleifkörner (selektive Bearbeitung der Komponenten) und zum anderen ein effektiverer Kornüberstand bei den laserabgerichteten Schleifscheiben sein. Folglich steigt der prozentuale Anteil an Energie, die für die Zerspanung des Werkstoffs genutzt wird deutlicher als der Energieverlust durch Reibung. Dieses Verhalten kann auch mit der Erhaltung der Kornschärfe durch die Laserbearbeitung in Verbindung gebracht werden, da es bei konventionellen Abrichtverfahren mit SiC-Scheiben zu Abstumpfung der Körner kommt.

    Zusammenfassung

    Ein neues Verfahren für das Abrichten superabrasiver Schleifscheiben wurde angewendet. Die Schleifversuche haben gezeigt, dass die Tangentialkräfte durch den Einsatz von einer laserabgerichteten Schleifscheibe deutlich reduziert sind.

    Danksagung

    Das Projekt wurde teilweise von MWK Baden-Württemberg im Rahmen des Programmes „Innovative Projekte“ gefördert, wofür wir uns herzlich bedanken. Die Autoren möchten auch der Firmen Bärhausen und TRUMPF Laser- und Systemtechnik ihren Dank aussprechen, für die finanzielle und fachliche Unterstützung und die Zusammenarbeit.

    Info

    Prof. Dr.-Ing. Bahman Azarhoushang
    Leiter des Kompetenzzentrums für Spanende Fertigung (KSF)
    Fakultät Mechanical and Medical Engineering Hochschule Furtwangen (MME)

    Jakob-Kienzle-Strasse 17
    78054 Villingen-Schwenningen
    Tel.: +49-7720 307-4215
    www.ksf.hs-furtwangen.de

    Quellen

    [Rame89a]
    N. Ramesh Babu, V. Radhakrishnan, Murti, Y. V. G. S., Investigations on Laser Dressing of Grinding Wheels—Part I: Preliminary Study, J. Eng. for Industry 111 (1989) 244.
    [Rame89b]
    N. Ramesh Babu, V. Radhakrishnan, Investigations on Laser Dressing of Grinding Wheels—Part II: Grinding Performance of a Laser Dressed Aluminum Oxide Wheel, J. Eng. for Industry 111 (1989) 253.
    [Mari06]
    I.D. Marinescu, M.P. Hitchiner, E. Uhlmann, W.B. Rowe, I. Inasaki, Handbook of Machining with Grinding Wheels, Taylor & Francis, 2006.
    [Azar11]
    Azarhoushang, B.: Intermittent Grinding of Ceramic Matrix Composites; Institut für Fertigungstechnologie keramische Bauteile (2011)
    [Azar14a]
    B. Azarhoushang, A. Rasifard, "Das Abrichten als integraler Bestandteil des Schleifprozesses: Mechanische Abrichtprozesse" diamond business, 2/2014, Heft 49, ISSN 1619-5558, pp. 64-71.
    [Azar14b]
    B. Azarhoushang, A. Zahedi, T. Luckstein: „Erzeugung von Mikrostrukturen auf einer CBN-Schleifscheibe mit einem Pikosekundenlaser“,dihw Magazin, 03/2014, ISSN 1868-4459, S.40-45
    [Zhan02]
    C. Zhang, Y. Shin, A novel laser-assisted truing and dressing technique for vitrified CBN wheels, International Journal of Machine Tools and Manufacture 42 (2002) 825–835.
    [Tian07]
    Y. Tian, Y.C. Shin, Thermal modelling and experimental evaluation of laser-assisted dressing of superabrasive grinding wheels, Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part B: Journal of Engineering Manufacture 221 (2007) 605–616.
    [Hoff00]
    H.W. Hoffmeister, J. Timmer, Laser Conditioning of Superabrasive Grinding Wheels, Industrial Diamond Review 60 (2000) 209–218.
    [Hoso06]
    A. Hosokawa, T. Ueda, T. Yunoki, Laser Dressing of Metal Bonded Diamond Wheel, CIRP Annals - Manufacturing Technology 55 (2006) 329–332.
    [Zahe14a]
    A. Zahedi, T. Tawakoli, B. Azarhoushang, J. Akbari, Picosecond laser treatment of metal-abonded CBN and diamond superabrasive surfaces, Int J Adv Manuf Technol (2014) 1-13.
    [Zahe14b]
    A. Zahedi, T. Tawakoli, J. Akbari, B. Azarhoushang, Conditioning of Vitrified Bond CBN Grinding Wheels Using a Picosecond Laser, Advanced Materials Research Advances in Abrasive Technology XVII (2014) 573–578.
    [Köni96]
    König, W.; Klocke, F.: Schleifen, Honen, Läppen, Fertigungsverfahren Band 2, 3. Auflage, VDI Verlag GmbH, Düsseldorf, (1996)