• Uni/Hochschule: Kompetenzzentrum für Schleiftechnologie und Feinstbearbeitung (KSF) Hochschule Furtwangen
  • Land: Deutschland
  • Autor(en): Bahman Azarhoushang, Nima Jandaghi
  • Artikel vom: 16 November 2015
  • Seitenaufrufe: 2415
  • Artikel Nummer: 055-034-de
  • Kategorie(n): WERKZEUG ANWENDUNGEN, Schleifen, Abrichten
  • Schlüsselbegriffe: Außenrundschleifen, Diamant-keramisch gebundene Schleifscheibe, Diamantabrichtformrolle, Keramikbeschichtung, Superfinishen, Walzenschleifen
  • Präzisionsschleifen und Superfinishen von keramikbeschichteten Walzen

    Präzisionsschleifen und Superfinishen von keramikbeschichteten Walzen

    Der Markt des Walzenschleifens umfasst eine breite Palette von Anwendungen, wie z.B. Rollen für kleine Maschinen mit einem Durchmesser von nur 100-200 mm bis zu Walzen für die Metallindustrie, die bis zu 300t wiegen können. Je nach Walzenart und Anwendung werden unterschiedliche Materialien und Abmessungen verwendet. Die Einsatzgebiete setzen hohe Anforderungen an die Walzenqualität bezüglich Rundlauf, Parallelität, Oberflächenbeschaffenheit und Oberflächengüte.

    Die Rasterwalzen aus der Papierindustrie werden hauptsächlich nach der Art der Beschichtung unterschieden. Die Beschichtung kann aus Chrom oder Keramik beschaffen sein. Die Keramikbeschichtung (Chromoxidkeramik: hochkorrosionsbeständige, zähe und verschleißbeständige Funktionsschicht) wird in einem thermischen Beschichtungsverfahren, der Plasmabeschichtung, auf die Walzenoberfläche aufgebracht (Abb. 1). Die Bearbeitung dieser Beschichtung ist jedoch zeit- und kostenintensiv und verlangt spezifisches fertigungstechnisches Know-how. Die Hauptansprüche an die Oberfläche der keramikbeschichteten Walzen sind eine Oberfläche ohne Komma, Vorschub- und Rattermarken. In der Regel sind extrem feine und gleichmäßige Oberflächen mit bestmöglicher Oberflächengüte, z.B. Ra < 0,02 μm und Rz < 0,2 μm, erforderlich. Dort wird die Walzenoberfläche auf Fertigmaß geschliffen und supergefinisht.

    Die chromoxidbeschichteten Walzen werden in der Regel in der Industrie mit kunstharzgebundenen Diamantschleifscheiben und mit Schnittgeschwindigkeiten kleiner 35 m/s geschliffen. Die kunstharzgebunden Diamantschleifscheiben bieten einige Vorteile, wie gute Dämpfung, feingeschliffene Oberfläche, geringe Schleifkräfte, einfache Handhabung und geringe Investitionskosten (kein Bedarf an rotierenden Diamantabrichtwerkzeugen und Abrichtspindeln). Die Hauptnachteile dieser Art von Schleifscheiben ist jedoch die Tatsache, dass die Kunstharzbindung eine begrenzte Profilier- und Abrichtbarkeit aufweist. Daher kann die Mikrotopographie einer kunstharzgebundenen Diamantschleifscheibe kaum durch das Abrichten/Schärfen beeinflusst werden. Deshalb ist die Möglichkeit, eine kunstharzgebundene Diamantschleifscheibe auf einen Schleifprozess anzupassen, relativ gering. Darüber hinaus kann die Oberflächenrauheit der geschliffenen Walze kaum durch die Änderung der Abricht- oder Konditionierungsparameter beeinflusst werden. Eine weitere Schwierigkeit beim Einsatz der kunstharzgebundenen Diamantschleifscheiben bei der Bearbeitung von keramikbeschichteten Walzen sind die, aufgrund der Rundheitsabweichung, relativ kurzen Abrichtintervalle. Diese kurzen Abrichtintervalle verursachen sehr hohen Nebenzeiten. Die kunstharzgebundenen Diamantschleifscheiben werden in der Regel mit SiC-Abrichtscheiben und durch ein bremsgesteuertes Abrichtgerät abgerichtet und mit Schärfblöcken geschärft [Azar14a].

    Um die Walzen mit den geforderten Qualitäten in kurzer Zeit, reproduzierbar und mit modifizierbarer Oberflächengüte bearbeiten zu können, wurde in dieser Untersuchung eine keramikgebundene   Diamantschleifscheibe eingesetzt. Der Einsatz von keramikgebundenen Diamantschleifscheiben wird in der Regel, aufgrund des hohen Verschleißes der Diamantabrichtrollen, kritisch betrachtet. Daher gibt es kaum Veröffentlichungen oder Berichte über den Einsatz von dieser Art der Schleifwerkzeuge. Um den Verschleiß der Abrichtrolle zu minimieren, wurde eine speziell entwickelte Abrichtrolle, belegt mit hochfesten Diamanten und aus Messingkörper, eingesetzt. Zur Ermittlung verschiedener Wirkzusammenhänge beim Außenrundschleifen mit keramikgebundenen Diamantschleifscheiben wurden systematische Untersuchungen durchgeführt, deren Ergebnisse hier präsentiert werden. Nach dem Schleifen wurden die Walzen mit Diamantfolien supergefinisht, um die geforderte Oberflächengüte (Ra < 0,02 µm) zu erreichen.

    Schleiftechnische Untersuchungen

    Die Schleifuntersuchungen wurden auf einer CNC Rundschleifmaschine der Firma EMAG durchgeführt (Abb. 2).
    Die Messung der Spindelleistung erfolgte mit dem integrierten Messsystem der Schleifmaschine. Die Rauheit der Werkstücke wurde mit einem Rauheitsmessgerät vom Typ „Hommel Tester T1000“ der Firma Hommel-Etamic GmbH (Jenoptik) gemessen. Die Durchführung der Schleifuntersuchungen erfolgte an Versuchswalzen (ø150x 300 mm), beschichtet mit Chromoxid-Keramik, Cr2O3. Die Versuchsbedingungen sowie die Schleifscheibenspezifikationen sind in Tab. 1 angegeben. Die Abb. 3 und 4 stellen die Einflüsse der Abrichtparameter Ud und qd (Abrichtüberdeckungsgrad und Abrichtgeschwindigkeitsverhältnis) auf die Schleifleistung (Spindelleistung) und Oberflächenrauheit dar. Hier ist das gleiche Verhalten wie beim Abrichten von keramikgebundenen CBN-Schleifscheiben und keramikgebundenen Korund- und Siliziumkarbidschleifscheiben zu beobachten. Die Erhöhung des Abrichtüberdeckungsgrades, Ud, von 2 auf 6 und die Reduzierung des Abrichtgeschwindigkeitsverhältnisses, qd, von +0,8 (Gleichlaufabrichten) auf -0,4 (Gegenlaufabrichten) verbessert die Oberflächenrauheit aber gleichzeitig erhöhen sich die Schleifleistung und die Schleifkräfte. Die Eingriffsbahnen der Abrichtdiamanten sind im Gleichlauf steiler als im Gegenlauf. Die Durchführung des Abrichtprozesses im Gegenlaufmodus führt daher zu feineren Schleifscheibentopographien und in Folge zu höheren Schleifkräften. Ein höherer Abrichtüberdeckungsgrad ergibt eine glattere Schleifscheibentopographie und damit eine kleinere Werkstückrauheit, aber auch höhere Schleifkräfte [Azar 14a]. Durch die Reduzierung des Abrichtüberdeckungsgrades, Ud, und die Erhöhung des Abrichtgeschwindigkeitsverhältnisses, qd, wird die kinematische Schneidenzahl auf der Oberfläche der Schleifscheibe reduziert; es entstehen große Spanräume und scharfe Schneidkanten. Dadurch werden die Schleifkräfte und Schleifleistung reduziert [Azar14b]. Der Effekt des Geschwindigkeitsverhältnisses auf die tangentiale Schleifkraft und die Oberflächenrauheit ist in Abb. 5 und 6 dargestellt. Aufgrund der abnehmenden Spanungsdicke, die einen geringeren Bindungsabrieb und mechanische Belastung der Kornschneiden und kleinere Zerspankräfte zur Folge hat, wird mit steigender Schnittgeschwindigkeit sowohl der Schleifkraft reduziert, als auch eine Verbesserung der Oberflächengüte erzielt [Kloc05]. Bei den Versuchen zeigt sich, dass das Geschwindigkeitsverhältnis, qs¸ während der Erhöhung der Schnittgeschwindigkeit konstant bleibt. Das Geschwindigkeitsverhältnis qs ist einer der wichtigsten Schleifparameter beim Rundschleifen. Damit wird angegeben, um wie viel die Werkstückgeschwindigkeit vw (m/s) langsamer ist als die Schnittgeschwindigkeit vc (m/s). In Abhängigkeit von qs verändert sich die Kinematik des Schleifprozesses [Grof77].

    Wie oben bereits erwähnt, werden üblicherweise in der Industrie für die Bearbeitung von keramikbeschichteten Walzen Schleifscheiben mit Kunstharzbindung verwendet. Nach Erfahrung der Autoren werden mit der Schleifscheiben mit den Spezifikationen wie z. B. D64 C75 Kunstharzbindung und den meist verwendeten Schnittgeschwindigkeiten von ca. vc=30 m/s nach dem Schruppen und Schlichten und anschließendem Ausfunken (also nach mehreren Hüben) Oberflächenrauheiten von ca. Ra = 0,4 bis 0,5 und Rz= 4 bis 5 µm erreicht. Für die Schleifversuche in Abb. 5 wurden dagegen keramische Schleifscheiben eingesetzt. Das Diagramm zeigt die ermittelten Schleifkräfte und Werkstückrauheiten ohne Ausfunken und ausschließlich nach einem Hub. Mit den keramischen Scheiben lassen sich trotz einem sehr hohen Abtrag (Q’w=16,2 mm³/s) bei geringen Schleifkräften sehr gute Schleifergebnisse erzielen. Insbesondere bei der Schnittgeschwindigkeit vc=60 m/s können deutlich bessere Werte erreicht werden, als mit den üblicherweise eingesetzten Scheiben: signifikant bessere Oberflächengüten Ra = 0,3 und Rz = 3,1 µm bei geringeren Schleifkräften und einer geringen Streuung, aber auch bei vc=30 m/s werden ohne Ausfunken Rauheitswerte Rz = 4 bis 4,5 µm erreicht. Die geringe Streuung der Versuchsergebnisse bei der Schnittgeschwindigkeit vc=60 m/s weist eine guten Prozesswiederholgenauigkeit und -zuverlässigkeit auf.

    Superfinishing

    Der Superfinish-Prozess zählt nach DIN 8589 T.14 zur Familie des Spanens mit geometrisch unbestimmter Schneide, auch Kurzhubhonen genannt [Denn 89]. Als Werkzeug wird heute üblicherweise für rotationssymmetrische bzw. zylindrische Werkstücke ein abrasives Band eingesetzt. Mit dem Band-Superfinishing können fast nur Rauigkeitsspitzen abgetragen werden (begrenzter Materialabtrag); dies bedeutet, dass am Werkstück keine Geometrieveränderungen erfolgen. Das Superfinish-Verfahren kommt als abschließender Prozess in der Oberflächenfeinstbearbeitung bei den keramikbeschichteten Rasterwalzen zum Einsatz. Superfinish wird eingesetzt, um wiederholbare, spezifische und hohe Oberflächenqualitäten zu erreichen. Ziel ist es, die Oberflächenstruktur im Mikrometerbereich zu verbessern. Vorteil dieses Verfahrens ist das gleichmäßige, ansatzfreie Finish über die gesamte Oberfläche. Superfinish erhöht den Materialanteil (Traganteil) und damit die Verschleißfestigkeit [Azar13]. Nach der Kontrolle der erreichten Oberflächengüte nach dem Schleifen wird in der Regel eine Sequenz von Bändern mit unterschiedlichen Korngrößen durchlaufen. Bewährt hat sich z.B. nach dem Schleifen mit D64 Kunstharzscheiben mit einer Konzentration C75 die Folge von D45-, D30-, D15- und D9-Bändern. Hierbei werden sinnvollerweise D45 elektrostatische Diamantfolien eingesetzt, für D30, D15 und D9 geschlämmte Folien. Die elektrostatischen Diamantfolien weisen eine höhere Anzahl Körner auf. Durch den Herstellungsprozess zeigen die Spitzen der Diamanten nach oben, wodurch ein deutlich höherer Abtrag und somit eine reduzierte Prozesszeit gegenüber den geschlämmten Bändern erreicht werden kann. Mit geschlämmten Bändern erhält man dagegen meist bessere Oberflächengüten. Nach den Schleifergebnissen aus Abb. 5 kann aufgrund der guten erzielten Oberflächen mit D30-Bändern begonnen und der Superfinishing-Prozess entsprechend verkürzt werden. Die Superfinishuntersuchungen wurden auf einer Superfinishmaschine der Firma Supfina (LCM 2000) durchgeführt (Abb. 6). Zur Vermessung und Begutachtung der Werkstücke und Werkzeuge wurde ein Rauheits- und Konturmessgerät (Hommel-Werke: T-8000) sowie ein digitales Mikroskop (Keyence VHX) verwendet. Einer der größten Vorteile der Diamantfolien besteht darin, dass die Folie im Verlauf oder nach Abschluss eines Bearbeitungszykluses (kontinuierlicher oder diskontinuierlicher Bandvorschub) weiterbefördert werden kann, um neue Schneiden in Einsatz zu bringen. Infolgedessen sind die Bearbeitungsergebnisse reproduzierbar und für jedes Bauteil werden identische Schneidbedingungen geschaffen. Ein weiterer wichtiger Vorteil der Diamantfolien liegt in der Möglichkeit, alle üblichen Kühlschmierstoffe, z. B. Emulsion oder Öl einzusetzen.

    Beim Superfinishing sind folgende Einstellgrößen und Werkzeugdaten ausschlaggebend: Hub, Oszillation, Anpressdruck, Schnittgeschwindigkeit, Zyklusdauer, Bandvorschub und Bandspezifikationen (Korntyp, Korngröße, Bindung und Unterlage). Zur Ermittlung der Effekte der Einflussparameter auf den Superfinishprozess wurden Versuche mit den in der Tab. 2 dargestellten Bedingungen und Diamantläppfolien durchgeführt. Die Abb. 7 zeigt den Einfluss von Korngrößen der Diamantfolien auf die Oberfläche der Walze. Die Walze wurde vor dem Superfinishen mit folgenden Abricht- und Schleifparametern geschliffen:

    • Abrichtparameter:

      vsd = 60 m/s, aed = 2 x 3 µm, qd = +0,8, Ud = 2
    • Schleifparameter:

      vc = 60m/s , vfa = 600 mm/min, qs = 50, ae = 20 µm

    Mit der Reduzierung der Korngröße kann die Oberflächenrauheit deutlich verbessert werden. Superfinishparameter und Abtrag wurden jeweils auf die eingesetzten Diamantfolien (Diamantkörnung) angepasst. Die besten Werte für die Oberflächenrauheit können aus den Versuchswerten extrahiert werden. Hierbei sei ausdrücklich darauf hingewiesen, dass dies nicht das absolute Optimum dieses Ausgangsparameters für den Prozess darstellt. Es sind lediglich die Bestwerte der durchgeführten Versuche. Es ist gelungen, eine sehr gleichmäßige und gleichzeitig feine Oberfläche nach dem Superfinishen zu erreichen. Die typischen Riefenstrukturen auf der Oberfläche der Walzen, die durch das Schleifen erzeugt wurden, konnten nach dem Superfinish beseitigt werden. Es ist möglich, mit der geeigneten Wahl der Superfinishparameter die Erzeugung eines Kreuzschliffbildes auf der Walzenoberfläche zu vermeiden (was vor allem bei der Folienindustrie gewünscht ist).

    Zusammenfassung

    Zur Ermittlung verschiedener Wirkzusammenhänge beim Außenrundschleifen mit keramisch gebundenen Diamant-Schleifscheiben und Superfinishen mit Diamantfolien auf keramikbeschichteten Walzen wurden systematische Untersuchungen durchgeführt. Die Resultate lassen sich wie folgt zusammenfassen:

    • Die Rauheit und Schleifleistung nehmen mit Erhöhung der Schnittgeschwindigkeit vc ab.
    • Die Prozesswiederholgenauigkeit und -zuverlässigkeit können durch die Erhöhung der Schnittgeschwindigkeit beim Schleifen deutlich verbessert werden.
    • Die Bearbeitungskräfte können durch die Erhöhung des Abrichtgeschwindigkeitsverhältnisses qd und Abrichtüberdeckungsgrades Ud reduziert werden. Gleichzeitig wird aber die Oberflächenrauheit erhöht.
    • Die Superfinishparameter sollen auf die eingesetzten Diamantfolien (Körnung) angepasst werden, um optimale Oberflächenrauheit und Topographie erreichen zu können.

    Danksagung

    Die Autoren bedanken sich herzlich bei der Firma Tyrolit für die Unterstützung bei der Lieferung der Schleifscheibe in diesem Projekt.


    Info

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    Quellen

    [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]
    [Azar14b] B. Azarhoushang "Anwendungsorientierte Prozessauslegung zum Rundschleifen ohne Formfehler und thermische Schädigung" diamond business, 1/2014, Heft 48, ISSN 1619-5558, pp. 58-65.
    [Azar13]
    B. Azarhoushang, T. Tawakoli, N. Jandaghi "Band- und Stein-Superfinishing von zylindrischen Präzisionsbauteilen" diamond business, 4/2012, Heft 43, ISSN 1619-5558, pp. 18-27.
    [Kloc05]
    Klocke, F. und König, W.: Schleifen, Honen, Läppen, Fertigungsverfahren Band. 2, 4. Auflage, Springer Verlag, 2005.
    [Grof77]
    Grof, H. E.: Beitrag zur Klärung des Trennvorganges beim Schleifen von Metallen. Diss. TU München, 1977.

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