Effizientes Schleifen mit Laser  strukturierten CBN-Schleifscheiben
  • Uni/Hochschule: Kompetenzzentrum für Schleiftechnologie und Feinstbearbeitung (KSF), Hochschule (HS) Furtwangen/Furtwangen University
  • Land: Deutschland
  • Autor(en): Alireza Vesali und Taghi Tawakoli
  • Artikel vom: 26 Mai 2015
  • Seitenaufrufe: 5698
  • Artikel Nummer: 053-036-d
  • Kategorie(n): WERKZEUG ANWENDUNGEN, Plan-, Flachschleifen, Schleifen, Laserbearbeitung, Schleifwerkzeug mit keramischer Bindung
  • Schlüsselbegriffe: cBN, galvanische Bindung, Laserbearbeitung
  • Effizientes Schleifen mit Laser strukturierten CBN-Schleifscheiben

    Strukturierte Schleifwerkzeuge werden heutzutage als ein herausfordernder Trend der Schleiftechnologie sehr intensiv erforscht. Zu den neuartig strukturierten Schleifwerkzeugen gehören auch die Laser strukturierten CBN-Schleifscheiben, die einen unterbrochenen Schnitt beim diskontinuierlichen Schleifen ermöglichen. Um das Einsatzverhalten solcher Schleifscheiben analysieren zu können, wurden am Kompetenzzentrum für Schleiftechnologie und Feinstbearbeitung (KSF) diverse Vergleichsuntersuchungen zwischen nicht strukturierten und Laser strukturierten CBN-Schleifscheiben hauptsächlich im Bereich des Hochleistungsschleifens durchgeführt. Es konnte durch vorliegende Untersuchungsergebnisse nachgewiesen werden, dass der Einsatz der Laser strukturierten Schleifscheiben den Schleifprozess und dessen Ergebnisse maßgeblich vorteilhaft beeinflusst.

    Schleifen mit strukturierten Schleifscheiben

    Das diskontinuierliche Schleifen wird derzeit weltweit in mehreren Forschungsinstituten untersucht [Azar11, Kirc10, Yama10]. Der unterbrochene Schnitt beim diskontinuierlichen Schleifen kann zu einer Reduzierung der Schleifkräfte und einer daraus resultierenden Wärmeentwicklung in der Schleifkontaktzone führen [Lee12, Rabi10]. 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 Schleifbelags-Topographie liegt [Kirc10].
    Ein spezieller Fall unter den strukturierten Schleifscheiben ist die genutete Schleifscheibe. Der industrielle Einsatz von genuteten und speziell strukturierten Schleifscheiben wie T-Tool [Tawa00, Tawa02] hat sich in den letzten Jahren allmählich verbreitet, sodass diese Schleifscheiben heute zum Lieferprogramm einiger Schleifwerkzeughersteller gehören. Diese Werkzeuge wurden hauptsächlich nach dem Prinzip von T-Tool und T-Tool-Profil entwickelt und hergestellt.

    Erfolg versprechende Vorteile der Strukturierung der Schleifscheiben

    Zur Reduzierung des Reibungsanteils und zur Optimierung des Spanbildungsprozesses beim Schleifen soll die Anzahl der dynamischen Schneidenzahl, also der am Spanbildungsprozess beteiligten Schleifkörner, reduziert werden. Eine Reduzierung der Schleifkörner führt aber dazu, dass während des Schleifens dickere Späne abgetragen werden, welche in Abhängigkeit vom zu bearbeitenden Material sowie der vorgesehenen Rauheit optimiert werden müssen. Die optimale Spanungsdicke ist abhängig von der Korngröße, dem Werkstückstoff und den Schleifparametern. Die Bestimmung der optimalen Spandicke bildet die Lösung der meisten Schleifprobleme und somit den Schlüssel zum Schleifen mit den strukturierten Schleifscheiben. Die Unterbrechung auf der Kontaktfläche der Schleifscheibe ermöglicht einen unterbrochenen kurzen Kontakt zwischen den Schleifkörnern und dem Werkstück. Anhand dieser Bohrungen erfolgt immer nach Kontakt und Materialabtrag eine kurze Unterbrechung. In dieser kontaktlosen Abtragspause hat die erzeugte Wärme Zeit, sich zu verteilen, wodurch die Werkstückoberflächentemperatur reduziert wird.
    Darüber hinaus wird mit Hilfe der erzeugten Struktur auf der Schleifscheibenoberfläche die in die Kontaktzone zugeführte Kühlmittelmenge erhöht, was zu einem kühleren Schleifprozess sowie zu optimiertem Spanbildungsmechanismus beiträgt.

    Außerdem bleiben genügend Räume in den kontaktfreien Flächen, die als zusätzliche Spanräume zum Transport der Späne aus der Kontaktzone in Einsatz kommen. Somit werden die Kontakte zwischen der bearbeiteten Oberfläche und den Spänen, die den größten Teil der Zerspanungswärme von der Schleifzone abführen, verkürzt. Dadurch wird der Anteil der Wärmemenge, die in das Werkstück fließt, reduziert. Bei optimalen Schleifparametern kann durch die relativ großen Freiräume, die zwischen jedem Abschnitt des Kontaktbelages vorhanden sind und die Späne aufnehmen, eine Zusetzung der Schleifscheibe verhindert werden. Dadurch kann sogar die Reinigung der Porenräume entfallen [Tawa06].

    Die o.g. Ziele lassen sich nur durch Prozess geeignete Strukturierung der Schleifscheiben verwirklichen, welche mit Hilfe von Abrichtwerkzeugen und Lasertechnologie aber auch während der Schleifscheibenproduktion erzeugt werden (Abb. 1).
    Diesbezüglich hat Gerlitzky den Markt und dessen Anforderungen erforscht [Gerl08]. Nach Gerlitzky können der Ausgangspunkt für die Entwicklung strukturierter Schleifscheiben und die Forderungen der Industrie wie folgt zu sammengefasst werden:

    • Verminderte Beeinflussung der Werkstückrandzonen (z.B.: Schleifbrand, Zugeigenspannung)
    • Minimierung des Kühlschmierstoffeinsatzes
    • Verkürzung der Taktzeiten bei sehr unterschiedlichen Beanspruchungen des Schleifwerkzeuges innerhalb eines Prozesses (Vor- und Fertigschleifen mit einem Werkzeug)
    • Vermehrte Bearbeitung von schwer zerspanbaren Materialien

    Laserstrukturierung der Schleifscheiben

    Eine neuartige Möglichkeit für die Strukturierung der Schleifwerkzeuge ist der Einsatz von Laserstrahlen für die Erzeugung von Strukturen. Dieser Prozess befindet sich noch in der Forschungsphase und hat nur in speziellen Fällen einen praktischen Einsatz gefunden. Darüber hinaus gibt es generell nur wenige wissenschaftliche Veröffentlichungen, die den Einfluss der Laserstrukturierung, wie die Laserbohrungen, auf den Schleifbelag, wie in diesem Artikel präsentiert wird, zum Thema haben. Tawakoli [Tawa08] führte Untersuchungen an CBN-Schleifscheiben mit keramischer Bindung durch. Hierfür wurde ein Nd:YAG-Lasersystem benutzt, um Bohrungen in die Schleifscheibe einzubringen. Die Ergebnisse haben gezeigt, dass mit den gelaserten Schleifscheiben deutlich geringere Schnittkräfte und reduzierte thermische Schädigungen erzielt werden können.

    Versuchsbedingungen

    Für die Untersuchungen wurden zwei identische, keramisch gebundene CBN-Schleifscheiben der Form 1A1 mit einem Außendurchmesser von d = 450 mm und einer Breite von b = 12 mm der Fa. Diamant-Gesellschaft Tesch GmbH verwendet. Es wurden damit zwei CBN-Schleifscheiben mit identischen Spezifikationen hinsichtlich Trägerkörpermaterial, Durchmesser, Breite, Körnung, Bindung, Konzentration usw. eingesetzt, wobei bei einer der Scheiben der Schleifbelag mit Hilfe der Laserbearbeitung reduziert wurde (Abb. 2).

    Abb. 3 stellt die Struktur der Schleifscheibenoberfläche unter dem Mikroskop bei einer 50fachen Vergrößerung dar. Wie bereits erwähnt, wurden die dargestellten Aussparungen bzw. Bohrungen mit Hilfe der Lasertechnologie angebracht. Die Untersuchung zeigt, dass diese Bohrungen schräg in einer Vierer-Reihe gelasert sind. Distanzmessungen ergeben einen mittleren Durchmesser der Löcher von ca. 0,5 mm und einen mittleren Abstand der Löcher von ca. 2,1 mm. Durch mehrere Messungen an verschiedenen Stellen ergab sich ein Mittelwert von ca. 4%; das entspricht 96% effektiver Kontaktfläche. Durch den Schleifscheibenhersteller (Diamant-Gesellschaft Tesch GmbH) wurde eine Parameterstudie durchgeführt, durch die der unkontrollierte thermische Einfluss solcher Laserstrukturierungen verhindert wurde. Die Untersuchungen wurden auf einer Hochleistungs-/Hochgeschwindigkeitsschleifmaschine der Firma Gühring vom Typ FS126 durchgeführt. Für die Kraftmessung wurde ein Kraftmesssystem der Kistler AG Winterthur eingesetzt.

    Darstellung der Ergebnisse

    – Schleifkräfte bei Variation der Zustellung in Abhängigkeit der Schleifscheibenstrukturierung

    Die Effektivität der Laser strukturierten CBN-Schleifscheiben beim Hochleistungs-/Hochgeschwindigkeitsschleifen wurde zunächst bei der Bearbeitung von Kugellagerstahl 100Cr6 unter einer Vorschubgeschwindigkeit von 2000 mm/min bei den Zustellungen von 0,5, 1, 1,5 und 2 mm untersucht (Abb. 4). An den dargestellten Untersuchungsergebnissen ist erkennbar, dass der Einsatz der Laserstrukturierung auch hier zur Reduzierung der Schnittkräfte beim Schleifprozess führt. Abb. 4 zeigt, dass mit der Erhöhung der Zustellung, bei konstanter Vorschubgeschwindigkeit, die Normal- und Tangentialkräfte steigen, was auf die erhöhte Spandicke zurückgeführt wird. Darüber hinaus ist zu erkennen, dass die Kraftdifferenz zwischen der gelaserten und der nicht gelaserten Schleifscheibe mit der Erhöhung der Zustellung von 0,5 bis 2 mm ansteigt. Die reduzierten Schnittkräfte mit der gelaserten Schleifscheibe lassen sich vor allem über die reduzierte mittlere Anzahl der momentan im Eingriff befindlichen Schneiden Nmom erklären. Aufgrund der reduzierten Nmom lassen sich die spezifische Energie und die Schleifnormal- und -tangentialkräfte deutlich verringern. Darüber hinaus kann die reduzierte Schleifnormalkraft über den reduzierten Hydrodruck in der Kontaktzone begründet werden.

    Einfluss der Laserstrukturierung auf den hydrodynamischen Druck

    Der Einfluss der Laserstrukturierung auf den hydrodynamischen Druck wurde ebenso untersucht. Zur Messung des hydrodynamischen Druckes in der Kontaktzone kam ein Messaufbau zum Einsatz, wobei der Druck mit Hilfe eines Drucktransmitters direkt in der Kontaktzone gemessen werden kann [Vesa14].
    Abb. 5 zeigt ein typisches Drucklängsprofil für die Schleifversuche mit und ohne Laserstrukturierung. Durchgeführt wurden hier Versuche mit beiden Schleifscheiben bei einer Schnittgeschwindigkeit von 140 m/s und einer Vorschubgeschwindigkeit von 500 mm/min. Hier wurden der Druckverlauf bei einer Zustellung von 100 µm mit der Laser strukturierten Schleifscheibe und der entsprechende Druck ohne Strukturierung gegenübergestellt. Es ist zu erkennen, dass der Einsatz der strukturierten Schleifscheibe zur Reduzierung des hydrodynamischen Druckes in der Kontaktzone beiträgt. Dies kann darauf zurückgeführt werden, dass der in die Kontaktzone zugeführte Kühlschmierstoff mehr Platz in den gelaserten Bohrungen (in anderen Worten: in den zusätzlichen Hohlräumen) findet. Bei der gelaserten Schleifscheibe wird der Kühlschmierstoff durch die Bohrungen sowie miteinander verbundenen Poren innerhalb des Schleifbelages hineingedrückt, was die Entweichung des Kühlmittels aus der Kontaktzone und dementsprechend den Abfall des Drucks zur Folge hat. Die Reduzierung des Hydrodrucks in der Kontaktzone deutet ebenfalls darauf hin, dass die gelaserten Bohrungen zum Teil ungefüllt in den Schleifspalt eintreten (Abb. 6).

    Einfluss der Schleifscheibenstrukturierung auf die Schleiftemperatur

    Zur Überprüfung des Einflusses der Strukturierung auf die Schleiftemperatur wurden zunächst die Analogieversuche mit dem Werkstückstoff 100Cr6 durchgeführt. In Abb. 7 sind die Temperaturen für die nicht strukturierte CBN-Schleifscheibe mit keramischer Bindung und die für eine Laser strukturierte Schleifscheibe mit einem Kontaktbelag von ca. 96% dargestellt. Abb. 7 zeigt, dass die Laser bearbeitete Schleifscheibe eine geringere Maximaltemperatur aufweist als die Schleifscheibe mit einem einhundertprozentigen Kontaktbelag. Die Reduzierung der Temperaturen ist mit einem niedrigeren Energieeinsatz zu erklären. Das bedeutet, dass die in der Kontaktzone erzeugte Wärmestromdichte qt durch die Strukturierung der Schleifscheibe und bedingt durch die Reduzierung der spezifischen Schleifenergie ec reduziert wird. Darüber hinaus ist mit der Laser strukturierten Schleifscheibe ein vermehrter Kühlschmierstofftransport in die Kontaktzone verbunden. Dies trägt zu einer erhöhten Wärmeabfuhr aus der Kontaktzone bei, was einen kühleren Schleifprozess ermöglicht. Auffällig ist die Häufigkeit der Blitztemperatur an der Spitze der Temperaturkurve mit der nicht strukturierten Schleifscheibe. Es ist zu erkennen, dass die nicht strukturierte Schleifscheibe über eine höhere Anzahl der Maximaltemperaturspitzen verfügt, im Vergleich zur Laser strukturierten Schleifscheibe. Damit ist der Zusammenhang zwischen einer Verminderung der Anzahl der im Eingriff befindlichen Schleifkörner Nmom und einer damit verbundenen Absenkung der Maximalschleiftemperatur als gesichert anzusehen.

    Thermische Belastung mit Laser strukturierten und nicht strukturierten Schleifscheiben

    Zur Überprüfung, inwieweit sich die Randzone durch die Lasertrukturierung beeinflussen lässt, wurden metallographische Untersuchungen im HEDG-Bereich durchgeführt. Für den Vergleich der Versuchseinstellungen mit und ohne Laserstrukturierung zeigten sich deutliche Unterschiede bezüglich der thermischen Beeinflussung der Werkstückrandzone. Abb. 8 stellt die Randzonengefügeaufnahme der Werkstücke nach dem Schleifprozess bei einem bez. Zeitspanungsvolumen von Q´w = 120 mm3/mm·s dar. Es ist ersichtlich, dass bei dieser Versuchsparameter bei der Prozessdurchführung mit der Laser strukturierten Schleifscheibe eine Schleifbearbeitung ohne eine thermische Schädigung möglich ist, wobei bei der nicht strukturierten CBN-Schleifscheibe eine deutliche Schleifbrandschädigung auftritt. Abb. 8 zeigt ebenfalls, dass die Laser strukturierte CBN-Schleifscheibe eine Schleifbrand freie Bearbeitung bei einer Zustellung von 3,5 mm gewährt, während das Schleifen mit nicht strukturierter Schleifscheibe zur Ausbildung einer ausgeprägten Gefügeänderung der Randzone führt. In Abb. 8 ist darüber hinaus die Ausbildung einer Neuhärtungszone direkt an der geschliffenen Oberfläche in Form einer weißen Schicht zu erkennen, deren Tiefe durch einen definierten Übergang abgegrenzt ist. Zwischen der Neuhärtungszone und dem Grundwerkstoff befindet sich eine Anlasszone, die sich als eine undefinierte Übergangzone ansehen lässt.

    Es wurde bereits gezeigt, dass für die Ausbildung von Härtungszonen sowohl die auftretende Maximaltemperatur als auch der zeitliche Temperaturverlauf verantwortlich sind. Da die Schleifversuche unter identischen Bedingungen durchgeführt wurden, kann in diesem Falle nur die Maximaltemperatur in der Kontaktzone als Ursache für die dargestellte Randschichtbeeinflussung angenommen werden. Dies belegt wiederum die niedrigeren Schleiftemperaturen beim Einsatz der gelaserten Schleifscheibe, die auf die reduzierte Schneidenzahl sowie auf die optimierte Kühlschmierstoffzuführung zurückzuführen sind. Bei der nicht gelaserten Schleifscheibe führte hingegen die hohe Schleiftemperatur zu einer Gefügeveränderung und Ausbildung der Neuhärtungs- und Anlasszone.

    In umfangreichen Untersuchungen ermittelte Maier den Einfluss der unterschiedlichen Schleifparameter auf die Gefügeveränderung bei der Bearbeitung von 100Cr6 [Maie08]. Die Untersuchungen zeigten, dass die Neuhärtungszonen eine höhere und die Anlasszonen eine geringere Härte als der unbeeinflusste Grundwerkstoff aufweisen. In [Toen85] wurde die erhöhte Härte als Resultat der Überschreitung kritischer Bearbeitungsparameter und damit starker plastischer Verformung angesehen. Grinko beobachtete in einigen Fällen mehrere Risse verschiedener Länge in der weißen Schicht [Grin06]. Er begründete diese Risse mit den hohen Zugspannungen.

    Die Ergebnisse der metallographischen Untersuchungen bestätigen damit den Einfluss der Schleifscheibentopographie auf das thermische Prozessverhalten im Bereich des Hochleistungsschleifens. Aus der offenbar reduzierten thermischen Belastung der Werkstücke kann eine eindeutige Wirkung der Laserstrukturierung auf die reduzierte thermische Schädigung abgeleitet werden, die wiederum auf eine verringerte spezifische Schleifenergie rückschließen lässt. Durch die reduzierte thermische Belastung, welche durch die Laserstrukturierung ermöglicht wird, werden demzufolge die thermomechanischen sowie thermoplastischen Verformungen verringert.

    Zusammenfassung

    Strukturierte CBN-Schleifscheiben können vorteilhaft bei der Bearbeitung verschiedener Werkstoffe eingesetzt werden. Ein spezieller Fall unter den strukturierten Schleifscheiben ist die Laser strukturierte Schleifscheibe. Zur Ermittlung des Einsatzverhaltens der Laser strukturierten CBN-Schleifscheiben wurden in Rahmen eines ZIM-Projektes mehrere Untersuchungen im Bereich des Hochleistungsschleifens durchgeführt. Es konnte gezeigt werden, dass durch die Laserstrukturierung der Schleifscheiben die thermische Werkstückschädigung bei der Schleifbearbeitung von 100Cr6 deutlich vermindert wird. Darüber hinaus führte der Einsatz der Laser strukturierten Werkzeuge, wie erwartet, zu einer Reduzierung der Schleifkräfte. Durch die zusätzliche Porosität – infolge der durch das Lasern entstandenen Hohlräume – konnte der hydrodynamische Druck in der Kontaktzone signifikant reduziert werden.

    Danksagung

    Die dargestellten Untersuchungen wurden innerhalb eines geförderten ZIM-Projektes KF2518705LK0 „Entwicklungen zum Hochleistungs-/Hochgeschwindigkeitsschleifen hochwarmfester Werkstoffe“ durchgeführt. Die Autoren bedanken sich auch bei der Firma Diamant-Gesellschaft Tesch GmbH, die diese Arbeit tatkräftig unterstützt hat.

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    Alireza Vesali/co: Maria Kohmann

    Kompetenzzentrum für Schleiftechnologie und Feinstbearbeitung (KSF), Hochschule (HS) Furtwangen/Furtwangen University
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