• Uni/Hochschule: Ernst-Abbe-Hochschule Jena Fachbereich SciTec
  • Land: Deutschland
  • Autor(en): Sebastian Henkel, Jens Bliedtner, Matthias Rost, Christian Schulze, Martin Gerhardt, Michael Fuhr
  • Artikel vom: 26 September 2016
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  • Artikel Nummer: 058-054-de
  • Kategorie(n): WERKZEUG ANWENDUNGEN, Schleifen, Schleifwerkzeug mit Kunstharz-Bindung, Polieren-Finishen-Feinstbearbeitung, Feinstschleifen, Glas
  • Untersuchungen zum Feinstschleifen von Quarzglas mittels kunstharz- gebundener Diamantwerkzeuge

    Optische Gläser erlangen, durch die zunehmende Bedeutung der Optik in vielen Branchen, einen immer höheren Stellenwert. Die qualitativ hochwertige Bearbeitung optischer Bauteile ist allerdings mit hohem Aufwand verbunden. Das Polieren stellt meist den finalen Schritt in der Fertigungskette dar. Hierbei wird mittels losem Korn unter diversen Wechselwirkungen, die bis heute nicht vollständig geklärt sind, eine transparente, optisch möglichst fehlerfreie, Oberfläche erzielt.[1][2] Diese Bearbeitung mit ungebundenem Korn stellt jedoch einen meist langwierigen und schwierig kontrollierbaren Prozess dar. Bei den beiden Feinstbearbeitungsverfahren Läppen und Polieren hat die Verwendung des ungebundenen Korns in einer Suspension, zudem einen hohen Reinigungsaufwand zur Folge. Dies begründet das Ziel diese Verfahren mit Schleifprozessen, bei denen gebundenes Korn verwendet wird, soweit möglich zu ersetzen bzw. zu reduzieren. In diesem Zusammenhang stellen spezielle kunstharzgebundene Werkzeuge einen interessanten Ansatz dar. Nachfolgend sind Untersuchungen hinsichtlich der erzielbaren Oberflächengüte, bei Anwendung solcher Werkzeuge beschrieben. Darüber hinaus wird betrachtet, inwieweit die Vorbearbeitung durch die kunstharzgebundenen Werkzeuge die Bearbeitungszeit im finalen Polierprozess beeinflusst.

    Erzeugung polierähnlicher Oberflächen durch Feinstschleifwerkzeuge mit Kunstharzbindung

    Im Rahmen der Versuche wurden neuartige kunstharzgebundene Diamantwerkzeuge vom Werkzeughersteller Günter Effgen GmbH eingesetzt. In Abbildung 2 ist ein solches verwendetes Werkzeug mit 14 mm Durchmesser zu sehen. Der Hersteller bietet 3 unterschiedliche Härtegrade der Bindung an. Bei der verwendeten grünen Kunstharzbindung („EGD1D“) handelt es sich um die härteste Variante, die unter anderem für silikatische Werkstoffe angedacht ist. Im unteren Teil der Abbildung ist die Stirnfläche des Werkzeugs in 700-facher Vergrößerung zu sehen. Sehr gut erkennt man Poren und, hell reflektierend, einige Diamantkörner (Körnung D16). Quarzglas stellt unter den silikatischen Werkstoffen ein Material dar, das sich unter anderem durch hohe chemische Reinheit, geringe Wärmeausdehnung und hohe optische Transmission vom UV-bis in den IR-Bereich auszeichnet.[3] Das macht den Werkstoff für unterschiedlichste Anwendungen besonders interessant, weshalb das Material für die nachfolgenden Untersuchungen ausgewählt wurde. Als Proben wurden Quarzglasronden mit Ø25 mm und einer Höhe von ca. 6 mm verwendet, deren Oberfläche mit der Stirnfläche der Werkzeuge plan bearbeitet wurde. Die Versuche wurden an einer 5-Achs-CNC-Schleifmaschine durchgeführt, welche wesentlich mehr Möglichkeiten hinsichtlich der Erzeugung auch komplexer Bauteilgeometrien bietet, als konventionelle Sphären- oder Asphären-Schleifmaschinen.

    Für die hier vorgestellten grundlegenden Versuche soll sich aber auf eine einfache Planbearbeitung, bei kreis- bzw. spiralförmiger Vorschubbewegung der Werkzeuge über die Probenoberflächen, beschränkt werden. Vor dem eigentlichen Feinstschleifprozess sollten alle Bauteile die gleiche Ausgangssituation aufweisen. Um dies zu gewährleisten erfolgte zunächst ein dreiteiliges Vorschleifregime, in dem schrittweise, durch Verringerung der Schleifkorngröße, die Oberflächenqualität hinsichtlich Rauheit und Ebenheit verbessert wurde. Somit konnte eine, sowohl für Bauteil als auch Werkzeug schonende, Anpassung hin zu einem sinnvollen Startzustand für die Feinstschleifbearbeitung erreicht werden. Im Konkreten wurde die Oberfläche nacheinander mit einem groben D126-Schleifwerkzeug, einem D64-Werkzeug und einem schon verhältnismäßig feinen D35-Werkzeug mit konventioneller Metallbindung abgefahren. Die Werkzeuge weisen einen Durchmesser von 24 mm auf. Als Schleifparameter wurde eine Vorschubgeschwindigkeit von 100 mm/min bei einer Schnittgeschwindigkeit von 15 m/s (Drehzahl ca. 12000 U/min) gewählt. Die abgetragene Oberflächenschicht je Schleifschritt wurde bei Verringerung der Korngrößen von 0,5 bis auf 0,1 mm Zustelltiefe verringert. Vor jeder Bearbeitungsstufe, wurden die jeweiligen Werkzeuge mittels Wuchtgerät gewuchtet. Dies ist notwendig, da in vorangegangenen Versuchen deutlich wurde, dass eine größere Unwucht deutliche Verschlechterungen der Rauheit und eine Erhöhung von Kantenausbrüchen bewirken kann. Im vorhandenen System kann eine Unwucht der Werkzeuge durch die Verwendung von Wuchtringen ausgeglichen werden. Die maximale Unwucht für die Vorschleifwerkzeuge wurde auf 0,8 gmm festgelegt. Im Verlaufe des Vorschleifregimes konnten die Rauheiten Ra der Proben schrittweise von im Mittel 0,91 µm, über 0,51 µm bis auf 0,28 µm verringert werden. Eine ungefähre Halbierung der Korngröße bewirkte also etwa eine Halbierung der Oberflächenrauheit. Auch der Peak-to-Valley-Wert der Welligkeit Wt reduzierte sich von im Mittel 3,2 µm nach dem groben Schleifschritt bis auf 1,8 µm nach dem Feinschleifen mit D35 Körnung. Diese Oberflächen konnten nun mit dem kunstharzgebundenen Werkzeug (Ø 14 mm) mit D16 Körnung feinstgeschliffen werden. Bezüglich der Parameter wurde eine Vorschubgeschwindigkeit von 60 mm/min und eine Schnittgeschwindigkeit von 17 m/s (Drehzahl 23191 U/min) bei einer Zustelltiefe von nur 3 µm ausgewählt. Bei den Feinstschleifwerkzeugen wurde besonders auf niedrige Unwucht geachtet. Bei einer hohen Wuchtgüte von G 2,5 beträgt die zulässige Unwucht, hinsichtlich der Rotormasse und verwendeten hohen Drehzahl nur 0,5 gmm. Bei dieser hohen Genauigkeit stößt die Wuchtmessung bezüglich Wiederholgenauigkeit langsam an ihre Grenzen. Deshalb wurden 10 Messungen hintereinander durchgeführt aus deren Mittelwert die erreichte Unwucht für das verwendete Feinstschleifwerkzeug, zu 0,48 gmm festgehalten werden kann. So vorbereitet wurden mehrere Quarzglasproben bearbeitet und mittels Tastschnittmessungen bezüglich Rauheit und Ebenheit bewertet. Für jede Probe wurden drei bis vier Zustellschritte zu je 3 µm Höhenabtrag durchgeführt. In einem gut erprobten Bearbeitungsprozess in der industriellen Anwendung kann sicher auch ein Zustellschritt ausreichen. Für die Versuche sollen die zusätzlichen Schritte aber gewährleisten, dass möglichst alle noch vorhandenen Oberflächen- bzw. Risstiefenschädigungen von der vorhergehenden Bearbeitung entfernt werden. Es war sehr gut ersichtlich, wie die Proben bei der Bearbeitung mit dem kunstharzgebundenen Werkzeug spiegelnde und größtenteils transparente Oberflächen ausbildeten, die einem polierten Zustand schon recht nahe kommen. In Abbildung 1 sind solche Proben dargestellt die mittels Feinstschleifwerkzeug bearbeitet wurden. Lediglich eine, bei genauerem Hinsehen auf dem Bild erkennbare, „blütenförmige“ Struktur ist noch zu erkennen, welche die Schleifkinematik abbildet. Diese Struktur spiegelt sich auch bei der Messung der Oberflächenwelligkeit wieder, wie das Welligkeitsprofil in Abbildung 3 in Form leichter Stufen zeigt. Bei einer mittleren Wellentiefe von 0,6 µm sind diese Strukturen jedoch nicht sehr tief und können in einem anschließenden Polierprozess schnell entfernt werden, wie im folgenden Abschnitt noch bewiesen wird. Die Rauheit der Oberflächen wiederum ist mit Ra-Werten zwischen 10,3 und 15,5 nm (gemittelt aus je drei Messungen pro Probe) je nach Anforderung schon durchaus mit konventionell polierten Oberflächen vergleichbar. Gegenüber dem mittels D35-Werkzeug in Metallbindung erzielten Zustand, wurde somit durch Verwendung des kunstharzgebundenen D16-Werkzeugs eine Reduzierung der Rauheit um mehr als das 20-fache erreicht. Nach Angaben von STAUDINGER [4] ist der Begriff Feinstschleifen für Oberflächengüten zwischen 0,6 und 0,1 µm Rautiefe Rz definiert. In den Versuchen wurden diese Werte mit Ergebnissen bis 0,08 µm Rz teils unterschritten. Entsprechend kann man bei den erzielten Ergebnissen bereits vom Ultra-Feinstschleifen sprechen.

    Politur feinstgeschliffener Oberflächen im Vergleich zu konventionellen Vorbearbeitungsprozessen

    Als nächstes soll dargestellt werden, wie sich die Vorbearbeitung der Proben durch kunstharzgebundene Werkzeuge, auf das Finishing der Oberflächen mittels konventioneller Politur an einer Hebelmaschine auswirkt. Zielgrößen waren in diesen Versuchen die Bearbeitungsqualität und vor allem die notwendige Bearbeitungszeit der Proben bis zum polierten Zustand. Dabei findet ein Vergleich zwischen unterschiedlichen Bearbeitungsstrategien statt. Zum einen wird als Vorbearbeitungsprozess das Feinschleifen mittels D35-Werkzeug eingesetzt. Als klassischer Ausgangszustand vor der Politur optischer Teile, kommen zum anderen auch feingeläppte Proben zum Einsatz. Bei beiden Vorbearbeitungsprozessen wird jeweils ein Versuchsabschnitt durchgeführt, bei dem die vorbearbeiteten Oberflächen im ersten Fall direkt poliert werden und im zweiten Fall vor der klassischen Politur noch feinstgeschliffen werden. So ergeben sich vier verschiedene Bearbeitungsstrategien. Bei jeder dieser Strategien wurden 3x3 Teile gleichzeitig bearbeitet und untersucht. Sowohl mit dem Feinschleifen als auch dem Läppen wurden nach der Vorbearbeitung vergleichbare arithmetische Mittenrauwerte zwischen ca. 0,14 und 0,2 µm erreicht. Die Ebenheiten sind nach dem Läppen erwartungsgemäß etwas besser (Wt in der Regel kleiner 1µm) als nach dem Schleifen. Im teilweise angewendeten Feinstschleifprozess konnten die Rauheiten wieder auf ca. 10 nm reduziert werden. Bei der Politur wurde die Zielrauheit auf Ra = 5,5 nm ± 10% festgelegt. Abbildung 4 zeigt die Mittelwerte der erreichten Rauheiten in den Versuchen. Es wurde für alle Bearbeitungsstrategien die Polierzeit gestoppt, bis die Zielrauheit erreicht war und die Oberflächen einen nach optischer Beurteilung „durchpolierten“, also möglichst defektfreien Zustand, aufwiesen. Auch die Bearbeitungszeiten für die vorangegangenen Prozesse wurden aufgenommen. Um eine Vergleichbarkeit zwischen den unterschiedlichen Verfahrensabläufen beim Schleifen und Läppen zu gewährleisten, wurde dabei die Zeit aufgenommen bis ein Materialabtrag vorlag, der einer Mittendickenreduzierung der Quarzglasteile um 0,5 mm entsprach. Das Feinstschleifen erfolgte hinsichtlich Schnittgeschwindigkeit, Vorschubgeschwindigkeit und 3 µm Zustelltiefe, mit denselben Parametern wie in den vorhergehend beschriebenen Untersuchungen. Für den Polierprozess an einer Hebelmaschine kam ein Ceroxid-Poliermittel und als Poliermittelträger eine Polyurethanfolie zum Einsatz. Die Drehzahl der Ø250 mm Polierscheibe lag bei 100 U/min, als Polierdruck bzw. Polierkraft wurden 20 N aufgebracht. Im folgenden Säulendiagramm der Abbildung 5 sind alle Zeiten der einzelnen Bearbeitungsschritte und die daraus addierte Gesamtbearbeitungszeit je Bearbeitungsstrategie grafisch dargestellt. Das Diagramm macht mehrere Ergebnisse deutlich. Zunächst ist festzuhalten, dass die Polierzeit (grün dargestellt) nach Anwendung des Feinstschleifens mit kunstharzgebundenen Werkzeugen deutlich geringer ist als bei direkter Politur der feingeschliffenen bzw. feingeläppten Oberflächen. Der Polierprozess der feinstbearbeiteten Teile dauert nur ca. 1-2 min, wohingegen bei gleichen Polierparametern die geläppten Proben 4-5 min und die geschliffenen Proben sogar um 10 min benötigen, bis die Zielqualität erreicht wird. Obwohl das Feinstschleifen einen zusätzlichen Prozessschritt darstellt, sind die Gesamtbearbeitungszeiten zwischen Läppen-Polieren und Läppen-Feinstschleifen-Polieren sehr ähnlich. Noch interessanter ist das Ergebnis bei Vorbearbeitung der Proben mittels Feinschleifen mit D35-Körnung. Die feingeschliffenen Proben können zwar auch ohne Läppschritt direkt auf die Zielrauheit poliert werden. Durch Einfügen eines Feinstschleifschrittes wird die Gesamtbearbeitungsdauer aber deutlich um ca. 60% reduziert, bedingt durch die drastische Verkürzung der Polierdauer. Des Weiteren sind auch die hier nicht aufgeführten Rüstzeiten zu bedenken, sowie die in der Einleitung beschriebene Maßgabe Bearbeitungsverfahren mittels losem Korn zu reduzieren. Beim Verzicht auf einen Läppschritt, kann das Bauteil in einer Aufspannung, in einer Schleifmaschine alle Bearbeitungsschritte vom Vor- bis Feinstschleifen erfahren. Keine aufwendigen Umspann- oder Umkitt-Prozesse sind nötig, die zum einen Zeit kosten und zum anderen auch die Genauigkeit der Bearbeitung negativ beeinflussen können.

    Fazit und Ausblick

    Die Versuche zeigten, dass es durch die Verwendung der kunstharzgebundenen Werkzeuge prinzipiell möglich ist Bearbeitungsprozesse mit losem Korn, wie Läppen und Polieren, zu reduzieren. Es konnten bereits Rauheiten erreicht werden, die mit konventionell polierten Oberflächen vergleichbar sind. Optimierungsmöglichkeiten bestehen insbesondere noch hinsichtlich der Reduzierung von Oberflächenstrukturen und Ebenheitsverbesserungen. Zudem sollen in Zukunft noch unterschiedliche Werkzeugformen, wie geschlitzte Werkzeuge betrachtet werden und weitere anorganisch-nichtmetallische Materialien sind zu untersuchen. Es ist weiterhin zu erwähnen, dass bei den kunstharzgebundenen Werkzeugen nach allen Versuchen eine verschleißbedingte Verkürzung von nur ca. 5-10 µm gemessen wurde. Umfangreichere Verschleißuntersuchungen sind ebenfalls in Planung. Im Allgemeinen sind weitere Forschungstätigkeiten zum Thema angedacht um das Prozessverständnis beim Feinstschleifen mit kunstharzgebundenen Werkzeugen künftig weiter zu erhöhen.

    Danksagung

    Die Autoren bedanken sich beim Werkzeughersteller Günter Effgen GmbH für die Unterstützung der Versuche. Des Weiteren gilt der Dank dem Europäischen Fonds für regionale Entwicklung, der Thüringer Aufbaubank und dem Thüringer Zentrum für Maschinenbau für die Bereitstellung von Fördermitteln, die diese Untersuchungen ermöglicht haben.

    Info

    Prof. Dr.-Ing. Jens Bliedtner
    Ernst-Abbe-Hochschule Jena Fachbereich SciTec AG Fertigungstechnik / Fertigungsautomatisierung Carl-Zeiss-Promenade 2
    D-07745 Jena

    Tel.: +49 (0) 3641 205 444
    Fax: +49 (0) 3641 205 351
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    www.ag-bliedtner.de

    Sebastian Henkel

    Jahrgang 1992, studierte im Bachelor- und Masterstudiengang Laser- und Optotechnologien, mit den Schwerpunkten Optiktechnologie und Optikentwicklung, an der Ernst-Abbe-Hochschule in Jena. Derzeit ist Herr Henkel als wissenschaftlicher Mitarbeiter in der Arbeitsgruppe von Prof. Bliedtner an der EAH Jena angestellt, wo er sich mit Themen der Optiktechnologie beschäftigt.

    Prof. Dr.-Ing. Jens Bliedtner,

    Jahrgang 1962, studierte Feinwerktechnik an der Friedrich-Schiller-Universität Jena und promovierte auf dem Gebiet der Lasermaterialbearbeitung. Im Jahr 2000 folgte er dem Ruf an die heutige Ernst-Abbe-Hochschule Jena und leitet seitdem die Arbeitsgruppe Fertigungstechnik / Fertigungsautomatisierung. Themen der Optiktechnologie und Lasermaterialbearbeitung bilden die Forschungsschwerpunkte.

    Quellen

    [1]
    Gräfe, G.; Kuß, H.; Reichelt, G. (1989): Feinoptiker Teil 3. Technologie. Berlin: VEB Verlag Technik.
    [2]
    Bliedtner, J.; Gräfe, G. (2010): Optiktechnologien. Grundlagen-Verfahren-Anwendungen-Beispiele. Leipzig: Fachbuchverlag im Carl Hanser Verlag, 2. Auflage.
    [3]
    Heraeus Quarzglas GmbH & Co. KG: Properties of fused silica. URL: https://www.heraeus.com/ en/hqs/fused_silica_quartz_knowledge_base/properties/properties.aspx; 10.07.2016.
    [4]
    Staudinger, H. (1955): Das Schleifen und Polieren der Metalle. In: Werkstattbücher. Heft 5. Berlin: Springer Verlag Berlin Heidelberg GmbH, 5. Auflage.