• Land: Deutschland
  • Autor(en): Peter Feuchter
  • Artikel vom: 17 März 2011
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  • Kategorie(n): Abrichtwerkzeuge, WERKZEUG ANWENDUNGEN, Abrichten
  • As cold as Ice

    Alles begann Anfang der 90er Jahre, als die Firma Mößner erstmals Mono-Hochdrucksynthese- Diamanten (MKD) als Schneidmaterial bei Fräs- und Drehdiamantwerkzeugen eingesetzt hat. Parallel dazu wurden auch lasergeschnittene Stabformen aus MKD, als Ersatz für die damals noch geschliffenen Naturdiamantstäbe, für Abrichtwerkzeuge erstellt und getestet. Bei diesen Diamantstäben wurde besonders auf die Lage der Kristallachse 111 (abriebfeste Richtung) geachtet. Heute sind diese Abrichtwerkzeuge entweder mit Laser zugeschnittenen CVD-Dickschichtdiamanten oder für den stark abrasiven Einsatz mit achsorientierten Fotos/Grafiken: Mößner Mono-Hochdrucksynthese-Diamanten bestückt (Abb. 1).

    Die wichtigsten Basis-Merkmale sind: Gleichwertige Verschleißmerkmale, Typ bezogene identische Überdeckungsgrade (bd), verbunden mit einer differenzierten Metallmatrix, welche auf die jeweilig abzurichtende konventionelle Schleifscheibe ausgelegt wird. In vielfältiger Form und enger Abstimmung mit dem jeweiligen Kunden wurden seit der Einführung am Markt unzählige Varianten und Sonderversionen konzipiert, welche die technische Grundlage für den Erfolg und die Einsatzbreite der UP-Abrichter darstellt.

    Mittels unserer AWEDatenblätter erarbeiten wir in kürzester Zeit Vorschläge und Konzepte, um die bestehenden Abrichtprozesse zu optimieren oder einen geplanten Neuanlauf von Beginn an mit entsprechenden Abrichtwerkzeugen optimal auszulegen zu können. Auf den heutigen Schleifmaschinen ist es möglich, reproduzierbar Positionen unter 0,5μm anzufahren.

    Damit liegen diese Maschinen innerhalb der vom Markt geforderten Werkstücktoleranzen. Diese Präzision lässt sich jedoch nur auf das Produkt übertragen, wenn ergänzend zum errechneten Abrichter auch die weiteren Einflusskomponenten des Schleifprozesses entsprechend optimal ausgelegt sind (Abb. 2). Stehende Abrichter werden heute zwar zu einem großen Teil durch rotierende Abrichtwerkzeuge ersetzt, aber dennoch sind sie nach wie vor ein am Markt benötigtes und wichtiges Produkt. Die neue UP-TRS-Serie setzt kompatibel auf der von uns am Markt vorhandenen Standard- UP-Serie auf (Abb. 3).

    Metallmatrix und Haltersysteme

    Die MKD oder CVD-Stabelemente werden durch einen Sinterprozess in eine für den Schleifscheibentyp festgelegte Metallmatrix eingebettet. Diese Metallmatrix muss verschiedenste Anforderungen erfüllen:

    • die bruchempfindlichen MKD/CVD-Stäbe stabilisieren
    • bestmögliche Wärmeableitung gewährleisten
    • eine definierte Freistellung der Diamantstäbe einhalten
    • keine Eigenschmiereffekte auf der Scheibe erzeugen

    Anhand der Scheibenmantelfläche, dem zu erwartenden Zerspanvolumen sowie des Scheibentyps wird zunächst die Anzahl und Dimension der Stabelemente pro Abrichtblock festgelegt. Aus dem abzurichtenden Scheibentyp resultiert danach die Auswahl der Sintermatrix. Die durch verschiedene Versuche ermittelten optimalen Abstände der Stabelemente zueinander ermöglichen eine Steigerung der Abrichtvorschubgeschwindigkeit gegenüber konventionellen Plattenabrichtern von bis zu 30%. Damit können die Nebenzeiten, welche durch das Konditionieren der Scheibe entstehen, erheblich gekürzt werden. Ist die Umrüstung von konventionellen Abrichtern auf UP-Abrichter oft mit wenigen Handgriffen realisierbar, stößt man bei einer möglichen Optimierung des Abrichtergrundträgers auf wesentlich größere Probleme. Die am Markt in den Maschinen vorhandenen Abrichteraufnahmen lassen ideale Trägerformen nur bedingt zu. Oftmals wird lediglich mit einer Schraube, oder mittels einer Morsekegelaufnahme die Fixierung der Abrichter in der Abrichteinheit vorgenommen. Dadurch erhöht sich die Gefahr des Eigenschwingverhaltens.

    Dies bedeutet bei den heutigen Werkstücktoleranzen schon von Beginn an ein Abrichten im „Grenztoleranzbereich“. Reproduzierbare Fixierungen von UP-Abrichtern sind Voraussetzung, um nach einem Abrichtwerkzeugwechsel mit gleichen Abrichtparametern wieder das identische Oberflächenbild auf der Schleifscheibe zu erzeugen. Durch die kleineren Wärmeableitflächen der MKD/ CVD-Stabelemente wird eine bessere Temperaturleitfähigkeit in der Sintermetallmatrix benötigt. Naturnadel-Abrichter hatten neben vielen technologischen Nachteilen hier noch einen klaren Vorteil. Da Sie in mehreren Reihen hintereinander positioniert waren (Abb. 4), wirkten die noch nicht im Einsatz befindlichen Diamanten als interne, perfekte Wärmeleiter. Dadurch verbesserte sich die gesamte physikalische Wärmeableitung des Grundkörpers. Mit dem TRS-System versuchen wir einen Teil dieses Effekts wieder zurück zu gewinnen.

    Äussere Abrichteinflüsse

    Durch die neuen hoch abrasiven SIC/SG Schleifscheibengenerationen der vergangenen Jahre, müssen die heutigen stehenden Abrichtwerkzeuge ein Vielfaches der früheren Verschleißstabilität (Abb. 5) realisieren. Ein weiterer negativer Faktor stellt die breitflächige Umstellung der Maschinenkühlung von Emulsion auf Öl dar. Die Nachteile der Ölkühlung beim Abrichten entstehen zum einen durch im Öl enthaltene Additive. Diese wirken als Katalysatoren und setzen die Kohlenstoffatome der Abrichtstäbe schon bei wesentlich niedrigeren Temperaturen frei. Dadurch resultiert ein erheblich schnellerer Verschleiß der Abrichtstäbe. Ein weiterer entscheidender Faktor ist die bis zu 40% geringere Wärmeleitfähigkeit von Öl gegenüber eines Emulsionsgebindes. Naheliegend und empfehlenswert ist es deshalb bei der Umstellung auf Ölkühlung die Durchflussmenge entsprechend zu erhöhen – oder mittels spezieller Düsenkonzepte die Zuleitung für den Abrichtprozess zu optimieren. Jedoch bleibt die effiziente Kühlung der Abrichtpunktberührung über eine Außenkühlung immer sehr problematisch, weshalb das Erhöhen des Volumens allein nur einen begrenzten Erfolg verspricht.

    Kühlkonzepte

    Auf diesen Erkenntnissen beruhend entstanden schon Ende der 90er Jahre bei uns im Hause Konzepte von Integralen-und Bypass-Kühlsystemen für den jeweiligen Abrichtgrundkörper (Abb. 6). Integrale Kühlsysteme weisen in der Regel nur kleine Kühlbohrungen auf, da der mögliche Durchmesser durch die konstruktive Lage zwischen den Diamantstäben von deren jeweiligen Abständen begrenzt wird. So kann das Kühlmedium zwar sehr gezielt, aber nur in minimalen Mengen in den Abrichtprozess geleitet werden. Weitere Probleme entstehen dabei in der Praxis durch den direkten Kontakt der Abrichtplatte mit der Schleifscheibe. So entsteht ein quasi Teilverschluss an den Kühlaustrittsöffnungen, wodurch die so schon geringe Durchflussmenge nochmals vermindert wird. Eine gut platzierte Bypass-Lösung bietet eine ergänzende Möglichkeit zur bestehenden Maschinenkühlung. Dabei können größere Bohrungsdurchmesser für die Kühlflüssigkeit geplant werden. Eine Bypass-Kühlung ist ebenfalls nicht bei jedem Einsatzfall umsetzbar, da notwendige Umbauten, wie zusätzliche Kühlschläuche oder größere Außenabmessungen der Abrichtwerkzeuge, nur bedingt auf allen Maschinentypen realisiert werden können.

    Die dafür notwendigen maschinenspezifischen Umbaukosten und Softwareeingriffe schmälern zusätzlich eine flächendeckende Akzeptanz dieser Konzepte am Markt. Als Konsens aus all den Erfahrungen von unterschiedlichsten Kühlkonzepten der letzten zehn Jahre, präsentierte die Firma Mößner GmbH im Jahr 2010 eine neue und patentierte Kühlmöglichkeit, den UP-TRS-Abrichter (Abb.7). Eine Optimierung der Kühlung ist nun mittels einfachem Tausch des vorhandenen konventionellen Plattenabrichters durch eine baugleiche TRS-Version möglich. Größere Umbauten an der Maschine wie bei den zuvor genannten Kühlsystemen entfallen komplett.

    Gesamtkonzept TRS

    Die Hauptzielsetzung der UPTRS- Systeme war von Beginn an auf die maximale Wärmeableitung über die jeweiligen Plattengrundträger gesetzt. Das Beibehalten von identischen Einbauabmessungen zu den am Markt eingesetzten Platten- Abrichtern sichert die Kompatibilität. In Ableitung aus der Hochleistungselektroindustrie entstand eine in den Träger eingebrachte Kühlrippenstruktur, welche es ermöglicht, den beim Abrichten entstehenden Wärmeeintrag im Abrichtträger zu spreizen und über die Kühlrippenstruktur hocheffizient an die vorbeiströmende Kühlflüssigkeit abzugeben. Mit der nun erhältlichen UP-TRS-Version setzen wir nach jahrelangen unbefriedigenden Kundenversuchen mit verschiedensten Kühlkonzepten auf eine einfache Art des Wärmeabtransports. Mit diesem Prinzip erreicht man schon bei unverändertem Kühlflüssigkeitsvolumen einen besseren Wärmeabtransport, welcher sich direkt in einer höheren Standzeit der Werkzeuge auswirkt. Neben diesem zentralen Schwerpunkt der Wärmeableitung lag ein weiterer Focus auf der Reduzierung des Eigenschwingverhaltens der Abrichtgrundträger. Durch Schwingungen von Grundträgern kam es in der Vergangenheit immer wieder zu Problemen. Ein schwingender oder vibrierender Grundträger verändert die topographische Oberfläche der Schleifscheibe und führt auf dem Werkstück zu sporadischen Oberflächenschattierungen. Durch gezielte Gestaltung und Platzierung der Kühlrippen reduzieren wir gleichzeitig die Gefahr des Eigenschwingverhaltens bei den TRS-Grundträgern extrem. Die entstehenden Schwingungswellen werden durch die Rippenstruktur unterbrochen bzw. nur minimal im Träger weitergeleitet. Die Rippenstruktur bewirkt ebenso eine Optimierung hinsichtlich der Steifigkeit der jeweiligen Plattenträger. Einen weiteren Vorteil zeigen die TRSSysteme auch hinsichtlich der Fokussierung des Kühlmittelstrahls auf. Normalerweise wird dieser mit hohem Druck dem Abrichtzonenbereich zugeführt. Dies ist notwendig, um das die Scheibe umschließende Luftpolster zu unterbrechen, welches sich bei den hohen Drehzahlen bildet. Allerdings wird der Kühlstrahl schon beim Auftreffen auf die Scheibenoberfläche so stark zerstäubt, dass nur noch ein geringer Teil zur Kühlung nutzbar bleibt. Ebenso bewirken schon geringe Winkel- oder Positionsveränderungen der Kühldüsen eine Minderung der Kühlleistung. Gegenüber den konventionellen Plattenabrichtern mit „glatten“ Oberflächen, auf denen sich der Kühlstrahl ebenfalls zerstäubt konzentriert leitet die Rippenstruktur, bei entsprechender Positionierung der Kühldüse, den Kühlstrahl wesentlich besser in den Abrichtbereich.


    Fazit

    Die oben beschriebenen speziellen Eigenschaften der UPTRS- Systeme, verbunden mit der Kompatibilität zu bestehenden Plattenabrichtern ermöglichen in wenigen Minuten eine Umrüstung auf eine höhere Leistung bei stehenden Plattenabrichtern. Beim Einsatz im konventionellen EK-SIC-und SG Schleifscheibenbereich wird eine erneute Optimierung zu unserer schon am Markt erfolgreichen UP-Serie erreicht. Durch die besseren thermischen Leistungsreserven erhält man auch bei höheren Abrichttemperaturen immer die bestmöglichste Kontinuität der geforderten Schleifergebnisse.

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