• Land: Deutschland
  • Autor(en): Barbara Linke
  • Artikel vom: 10 September 2010
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  • Kategorie(n): Abrichtwerkzeuge, WERKZEUG ANWENDUNGEN, Abrichten
  • Funktion des Tribosystems Abrichtprozess: Zusammenführung in ein Gesamtmodell

    Beanspruchungskollektiv –Kinematische Abrichtmodelle

    Das Beanspruchungskollektiv aus Bewegungsart und Bewegungsablauf lässt sich über die Zykloidenbahnen beschreiben, auf denen die Abrichtdiamanten in den Schleifscheibenbelag eingreifen [1]. Die Bahngeschwindigkeit eines Abrichtdiamanten ist die Ableitung der Bahnkurve nach der Zeit. Praktisch relevant sind die Bahngeschwindigkeiten im Durchdringungsbereich zwischen Schleifscheibe und Abrichtwerkzeug. Vereinfachend werden sie als Relativgeschwindigkeit ([1]) durch die vektorielle Subtraktion von Schleifscheiben- und Abrichtrollengeschwindigkeit berechnet. Das analytische Modell der Eingriffskinematik von Abrichtprozessen mit stehenden Abrichtwerkzeugen, Formrollen oder Profilrollen kann über den Kennwert Abrichtkornstoßzahl [2] vorhersagen, wie viele Stoßvorgänge pro Zeiteinheit stattfinden. Für den Parameter Überdeckungsgrad und die Schleifscheibengeschwindigkeit zeigen die Abrichttemperaturen die gleiche tendenzielle Abhängigkeit von den Parametern wie die Abrichtkornstoßzahl.

    Die Abrichtzustellung muss eine Mindestzustellung überschreiten, damit die Stoßenergie zum Anregen von Splitter- und Bruchvorgängen in der Schleifscheibenstruktur ausreicht. Der Kennwert Eingriffszahl, der die Anzahl an Stößen eines Schleifkorns mit den Abrichtdiamanten angibt, ist ein Maß für die Dauer der Belastung eines Schleifkorns [2]. Die Abrichtkräfte korrelieren mit dem analytischen Kennwert Abrichtspanquerschnitt für Formund Profilrollen [2]. Die physikalischen Kennwertmodelle lassen sich wie in [3] gezeigt numerisch-empirisch anpassen. Über zusätzliche Exponenten und Koeffizienten werden die Schleifscheiben- und Abrichtwerkzeugspezifikationen sowie weitere Einflüsse durch Schleifmaschine und Kühlschmierstoff einbezogen und die Modellgüte gesteigert [3]. Der Kehrwert der Eingriffszahl 1/is wurde als Maß für die Schleifscheibenwirkrautiefe festgelegt und in [2] für Abrichtprozesse mit stehenden Abrichtwerkzeugen, Diamantformrollen und Diamantprofilrollen hergeleitet.

    Es ist anzunehmen, dass eine mathematische Anpassung über Exponenten und Konstanten eine ebensolche Verbesserung der Modellgüte erzeugt wie für die Abrichtkornstoßzahl und den Abrichtspanquerschnitt gezeigt. Die Erhöhung des Überdeckungsgrades verringert die Schleifscheibenwirkrautiefe degressiv (Abb. 2). Die Belastung des Abrichtwerkzeugs durch die Abrichtkornstoßzahl und die Abrichtkräfte sinkt ebenfalls. Bei einem hohen Überdeckungsgrad wird die Schleifscheibenstruktur weniger vorgeschädigt, so dass sich der Schleifscheibenverschleißmechanismus Kornausbruch verringert und mehr Kornbruch auftritt. Diesen Vorteilen bei der Steigerung des Abrichtüberdeckungsgrades steht der Nachteil einer stetig steigenden Abrichtdauer entgegen. Es gibt daher einen Überdeckungsgrad, der eine akzeptable Abrichtzeit ermöglicht und oberhalb dessen keine relevanten Verbesserungen von Werkstückrautiefe und Verringerungen des Schleifscheibenverschleißes möglich sind.

    Werden bei einer Steigerung der Schleifscheibenumfangsgeschwindigkeit der Überdeckungsgrad, der Geschwindigkeitsquotient und die Zustellung bzw. der Radialvorschub bei Profilrollen konstant gehalten, ändern sich die Schleifscheibenwirkrautiefe und die Abrichtkräfte theoretisch nicht (Abb. 3). Die Abrichtzeit kann deutlich verringert werden, wohingegen die Abrichtkornstoßzahl und damit die Wahrscheinlichkeit eines thermisch bedingten Abrichtwerkzeugverschleißes zunehmen.

    Trotzdem sollte die Schleifscheibengeschwindigkeit derjenigen im Schleifprozess entsprechen, um Formfehler der Schleifscheibe zu vermeiden. Der Geschwindigkeitsquotient besitzt im industrieüblichen Bereich von qd = - 1 bis +1 einen großen Einfluss auf Schleifscheibenwirkrautiefe, Abrichtkräfte und Abrichtkornstoßzahl (Abb. 4). Nahe einem qd = +1 werden die Abrichtnormalkräfte so hoch, dass der Wirkmechanismus des Abrichtprozesses nur noch in der Zerrüttung des Schleifscheibengefüges liegt. Den Vorteilen einer hohen Schleifscheibenwirkrautiefe und einer geringen thermischen Belastung des Abrichtwerkzeugs steht die mehrere Kornlagen tiefreichende Schädigung des Schleifscheibengefüges gegenüber, die zu einem hohen Scheibenverschleiß durch Kornausbruch führt.

    Bei Formrollen besteht die Möglichkeit durch eine abgestimmte Variation von Überdeckungsgrad und Geschwindigkeitsquotient die Vorteile dieser beiden Einflussgrößen zu nutzen. [2] und Abb. 5 zeigen, dass die Kennwerte Abrichtkornstoßzahl, Kehrwert der Eingriffszahl und Abrichtspanquerschnitt deutlich stärker durch eine Variation des Geschwindigkeitsquotienten als des Abrichtüberdeckungsgrades beeinflusst werden können. Statt zur Erzielung einer kleinen Scheibenwirkrautiefe einen hohen Überdeckungsgrad einzustellen, der gleichbedeutend mit einer langen Abrichtzeit ist, ist eine Änderung des Geschwindigkeitsquotienten effektiver. Die andere Optimierungsrichtung, die Erzeugung einer hohen Scheibenwirkrautiefe, kann über einen Geschwindigkeitsquotienten nahe qd = 1 mit einem niedrigen Überdeckungsgrad erzielt werden. Diese Bedingungen führen zu sehr hohen Tiefenbeeinflussungen des Schleifscheibengefüges, was in einer selbstschärfenden Schleifscheibe mit hohem Verschleißvolumen resultiert und je nach Anwendungsfall gewünscht sein kann. Der Einfluss der Abrichtzustellung auf die Abrichttemperaturen ist derzeit durch die kinematischen Modelle nicht ausreichend beschrieben, da die Stoßenergie bisher unberücksichtigt bleibt. Die Abrichtkräfte und die Scheibenwirkrautiefen steigen durch eine Erhöhung der Zustellung deutlich an. Eine hohe Abrichtzustellung führt zu einem erhöhten Schleifscheibenverschleiß durch Kornausbruch.

    Das derzeitige Abrichtkornstoßmodell berücksichtigt die Schleifkörnung, sollte aber um die Stoßenergie erweitert werden. SEN postuliert, dass große Schleifkörner einen höheren Impuls auf das Abrichtwerkzeug als kleinere erzeugen [4]. HESSEL misst ebenfalls höhere Abrichtkräfte bei größeren Körnungen [5]. Der Einfluss der Korngröße auf die Abrichtkräfte ist im Abrichtspanquerschnittmodell nicht hinreichend beschrieben. Die Kornüberstände der Abrichtdiamanten bestimmen den Abtransport des Schleifscheibenabriebs. Weitere wichtige Einflussgrößen sind die Schleifkornart, die Bindungshärte und die Gefügestruktur der Schleifscheibe.

    Nutzgrössen – Generierung der Schleifscheibentopographie

    Der Schleifscheibenverschleiß nach dem Abrichtprozess ist maßgeblich durch die Schleifscheibenspezifikation, die Abrichtnormalkraft und die Wirkbreite des Abrichtwerkzeugs beeinflusst. Bei einer kleinen Wirkbreite können so hohe Spannungen im Schleifscheibengefüge induziert werden, dass vorhandene Poren vergrößert werden oder sogar die Druckfestigkeit einzelner Schleifkörner überschritten wird. Eine Schädigung des Korn-Bindungsverbandes und das Zerbrechen von Schleifkörnern ist die Folge. Eine hohe Abrichtzustellung und ein niedriger Überdeckungsgrad, also Abrichtbedingungen zur Erzeugung einer hohen Schleifscheibenwirkrautiefe, führen zu einer Zerrüttung des Schleifscheibengefüges [6]. Diese Schädigung durch Spannungen und Risse führt zu einem erhöhten Anteil am Verschleißmechanismus Kornausbruch nach dem Abrichtprozess (Formel (1)). Der Einfluss der weiteren Abrichtparameter muss in Zukunft untersucht und quantitative Modelle entwickelt werden. Schleifscheibenverschleißmechanismen = f(Ud, aed, etc.) Ud Kornausbruch , Kornbruch aed Kornausbruch , Kornbruch Die Schleifscheibenwirkrautiefe selbst wird hauptsächlich durch den letzten Abrichthub festgelegt (Formel (2)). Hiermit wird die industrieübliche Praxis gerechtfertigt, den Schleifscheibenverschleiß in wenigen Abrichthüben mit hohen Zustellungen auszugleichen und den letzten Abrichthub mit einer geringeren Zustellung zur Gewährleistung der prozessangepassten Schleifscheibenmikrotopographie durchzuführen. Die vorhergehenden Abrichthübe können jedoch Überlastungen der Bindungsbrücken verursachen, sodass der Schleifscheibenverschleiß durch Kornausbruch erhöht ist [6]. Die Tiefenschädigung der Schleifscheibenstruktur beeinflusst die instationäre Phase des Schleifprozesses nach dem Abrichten, in welcher sich die Schleifscheibentopographie an die Schleifbedingungen anpasst (Formel (3)). Bei einer hohen Tiefenbeeinflussung ist mit einer kurzen instationären Schleifprozessphase und der damit verbundenen schnellen Änderung der eingestellten Schleifscheibenwirkrautiefe zu rechnen. Ein abschließender Abrichthub ist daher oft nicht ausreichend, um neben der Wirkrautiefe auch das Einsatzverhalten der Schleifscheibe nach dem Abrichtprozess festzulegen.

    Schleifscheibenwirkrautiefe = f(Ud, aed, etc.)Abschlusshub Schleifscheibenverschleißmechanismen = f(Ud, aed, etc.)Hub 1 bis Abschlusshub Für eine Variation der Korngröße ist zu erwarten, dass die Belastung der einzelnen Bindungsbrücken steigt und damit das Schleifscheibengefüge eine größere Tiefenbeeinflussung durch den Abrichtprozess erfährt. Während bei einer grobkörnigeren Schleifscheibenstruktur der Durchmesser der Bindungsbrücken linear steigt, nimmt die Zahl der belasteten Bindungsbrücken überproportional ab [5], so sich im einzelnen Bindungssteg mehr innere Spannungen aufbauen. In feinkörnigeren Schleifscheiben wird jedes Schleifkorn von einem kleineren Bindungsvolumen gehalten, weshalb der Widerstand gegen Kornausbruch gering ist [7]. Es können tendenziell mehr Schleifkörner aus der Bindung ausbrechen. Da kleinere Körner eine höhere Festigkeit als größere aufweisen, sinkt der Einfluss des Verschleißmechanismus Kornbruch gegenüber erhöhtem Bindungsbruch [8]. Wird die Bindungskonzentration bei konstantem Kornanteil gesteigert, erfolgt eine festere Einbindung der Körner durch breitere Bindungsstege. Eine Zunahme der Schleifscheibenfestigkeit, -härte und -dichte und ein Anstieg des E-Moduls der Schleifscheibe sind zu erwarten [9]. Der Abrichtprozess wird weniger Bindungsbrüche und mehr Kornbrüche initiieren.

    Verlustgrösse – Abrichtwerkzeugverschleiss

    Eine Verlustgröße des Tribosystems Abrichtprozess ist der Verschleiß des Abrichtwerkzeugs. Die Veränderung des Wirkprofils geht als Rückkopplung wieder in das Beanspruchungskollektiv als Variation der Bewegungsart und des Bewegungsablaufs ein. Ohne Kompensation des Verschleißes ist die Profilgenauigkeit des Schleifwerkzeugs gefährdet. Außerdem ändern sich Abrichtwirkbreite und die Kornüberstände der Abrichtdiamanten, sodass die Abrichtkornstoßzahl, die Eingriffszahl und die Abrichtnormalkräfte variieren [6]. Der Profilverschleiß des Abrichtwerkzeugs ist beim bahngesteuerten Abrichten von der Bahnkurve, den Abrichttemperaturen und den Abrichtkräften abhängig, d.h. an welchen Bereichen des Abrichtwerkzeugprofils wie lange eine thermische und mechanische Belastung vorliegt (Formel (4)). Dabei beeinflussen die Abrichtparameter die auftretenden Prozesskräfte, Stoß- und Reibvorgänge. Thermisch bedingter Verschleiß am Abrichtwerkzeug tritt erst bei einer Mindestkontaktfläche in Erscheinung. Zukünftige Untersuchungen müssen diesen Zusammenhang gezielt betrachten. Dann wird ein quantitatives Verschleißmodell für die Abrichtwerkzeuge möglich. Abrichtwerkzeugverschleiß mechanismen = f(Fd, Belastungsrichtung, id -1 · Ahd) Der Verschleiß des Abrichtwerkzeugs ist nicht nur durch die kinematischen Abrichtparameter bestimmt, sondern auch durch die Härte, Festigkeit und Korngröße der Schleifscheibe. Die formelmäßige Abhängigkeit des Abrichtwerkzeugverschleißes zur Schleifscheibenspezifikation kann ebenfalls Gegenstand zukünftiger Untersuchungen sein.

    Zusammenfassung und Ausblick

    Die für den Schleifprozess wichtige Eingangsgröße Abrichtprozess wird heutzutage immer noch häufig aufgrund empirischer Erfahrungen ausgelegt, wodurch meist ein hoher Zeitaufwand entsteht oder ineffektive Abricht- und Schleifprozesse beibehalten werden. Die Ziel gerichtete Einstellung von Abrichtprozessen für keramisch gebundene Schleifscheiben wird durch die neu gewonnenen Kenntnisse über die Wirkmechanismen verbessert. Der Abrichtprozess wurde als Tribosystem betrachtet. Sein Beanspruchungskollektiv umfasst insbesondere die Stoßvorgänge zwischen Abrichtdiamanten und Schleifkörnern, die Abrichtkräfte und -temperaturen. Die analytisch hergeleitete Kenngröße Abrichtkornstoßzahl pro Sekunde findet sich im Effektivwert der Messgröße Abrichtkörperschall wieder, welcher aus der Beanspruchung des Schleifscheibengefüges resultiert. Dieser lineare Zusammenhang wurde für die Variation der relevanten kinematischen Abrichtparameter für stehende Abrichtwerkzeuge, Form- und Profilrollen nachgewiesen. Auf dieser Basis sollten zukünftige Abrichtuntersuchungen auf das Frequenzspektrum des AE-Abrichtsignals erweitert werden.

    Die Abrichtnormalkräfte sind proportional zum Abrichtspanquerschnitt, der eine physikalische Größe darstellt. Auch diese Beziehung wurde für verschiedene Abrichtparameter nachgewiesen. Die Kennwerte Abrichtkornstoßzahl und Abrichtspanquerschnitt werden bewiesenermaßen auch durch die Schleifkornspezifikation, die Abrichtrollendiamantierung und die Abrichtkornüberstände beeinflusst. Die Güte der beiden Modelle lässt sich deutlich durch eine numerischempirische Anpassung anhand der durchgeführten Abrichtversuche erhöhen. Hierdurch werden die zunächst unberücksichtigten Schleifscheiben- und Abrichtwerkzeugspezifikationen erfasst. Durch die gute Vergleichbarkeit ist eine Übertragbarkeit der geschaffenen analytischen Modelle für Abrichtprozesse von keramisch gebundenen Schleifscheiben auf die Schleifbearbeitung von Keramiken möglich. Insbesondere für poröse Keramiken können die entwickelten Modelle das Verständnis der Wirkmechanismen im Schleifprozess erhöhen.

    Erstmals konnten Abrichttemperaturen in der Kontaktzone von Schleif- und Abrichtwerkzeug gemessen werden. Ohne Kühlschmierung erreichten die Maximaltemperaturen 800 °C, die mittleren Temperaturen beliefen sich stets auf mindestens 400 °C. Da Diamant in Luftatmosphäre schon ab 700 °C durch Graphitisierung und Oxidation verschleißt, ist die Notwendigkeit einer ausreichenden Kühlung des Abrichtwerkzeugs explizit nachgewiesen. Die gezielte Veränderung der Schleifscheibentopographie stellt eine Nutzgröße des Abrichtprozesses dar. Über den Reziprokwert der Kenngröße Eingriffszahl, die die Anzahl der Stöße eines Schleifkorns mit den Abrichtdiamanten beschreibt, wird eine Vorhersage der Schleifscheibenwirkrautiefe möglich. Der Abgleich dieses Modells mit der Realität erfolgte großteils über bereits bekannte Veröffentlichungen. Eine ausführliche Anpassung des Modells mit verschiedenen Schleifwerkzeugen sollte in Zukunft durchgeführt werden.

    Die Abrichtparameter bestimmen neben der Schleifscheibenwirkrautiefe direkt nach dem Abrichtprozess auch die Verschleißmechanismen am Schleifwerkzeug. So konnte eine stärkere Zerrüttung des Schleifscheibengefüges durch höhere Abrichtzustellungen und niedrigere Überdeckungsgrade anhand von Schleifscheibenritzversuchen nachgewiesen werden. Beim Abrichten mit mehreren Abrichthüben wird die Schleifscheibenwirkrautiefe primär durch den letzten Abrichthub bestimmt. Allerdings ist das Schleifscheibengefüge auch schon durch die vorhergehenden Hübe geschädigt. Dies wird sich durch einen instationären Schleifprozess nach dem Abrichten auswirken, in dem der Schleifscheibenverschleiß anderen Mechanismen unterliegt, wenn Abrichthübe mit unterschiedlichen Parametern durchgeführt wurden als dies der Fall wäre, wenn die Abrichthübe alle die gleichen Parameter besitzen. Die industrieübliche Praxis, Schleifscheibenverschleiß zunächst durch wenige Abrichthübe mit hoher Zustellung zu kompensieren und einen Abschlusshub mit geringeren Zustellungen zur Minimierung der Schleifscheibenwirkrautiefe anzuschließen, muss daher kritisch betrachtet werden. Obwohl die Werkstückrauheit direkt nach dem Abrichtprozess gering ist, wird sich ein hoher Schleifscheibenverschleiß durch vermehrte Kornausbrüche einstellen. Folglich sollten mehrere Abschlusshübe mit geringer Zustellung durchgeführt werden, um neben der Wirkrautiefe auch das Verschleißverhalten der Schleifscheibe zu optimieren.

    Der Profilverschleiß des Abrichtwerkzeugs ist eine Verlustgröße des Tribosystems Abrichtprozess und wird als Veränderung des erzeugten Schleifscheibenprofils zurückgekoppelt. Auf makroskopischer Ebene ist der Verschleiß durch die Abrichtkräfte und die thermische Beeinträchtigung durch Reibkontakte zwischen Schleifkörnern und Abrichtdiamanten erklärbar. Die thermischen Verschleißmechanismen scheinen allerdings eine gewisse minimale Einzelstoßenergie vorauszusetzen, damit sie gegenüber der mechanischen Belastung ins Gewicht fallen. Werden diese Zusammenhänge in zukünftigen Arbeiten ausführlich und systematisch untersucht, lässt sich ein quantitatives Verschleißmodell für Abrichtwerkzeuge erstellen. Die Herleitung der Bedeutung der Einleitungsrichtung des Belastungskollektivs stellt eine weitere Verfeinerung des Verschleißmodells dar. Auf mikroskopischer Ebene konnten die Verschleißmechanismen an einzelnen Formrollendiamanten in bisher nicht eingesetztem Detaillierungsgrad untersucht werden. Für die gegebenen Abrichtaufgaben stellten Bruchund Splittervorgänge an den Abrichtdiamanten keinen dominanten Verschleißmechanismus dar. Vielmehr traten vorwiegend Adhäsionen und Kornanflachungen durch Oxidation oder Graphitisierung auf. Es konnten punktuell so hohe Flächenpressungen und Blitztemperaturen nachgewiesen werden, dass Komponenten der Schleifscheibenbindung und -körner aufgeschmolzen und amorph erstarrt sind. Umfangreiche Untersuchungen an keramisch gebundenen Sinterkorund- und cBN-Schleifscheiben führten zu den gleichen Ergebnissen. In Abrichtversuchen an Abrichtfliesen ohne Kühlschmierstoff wurden Temperaturen über 800 °C gemessen.

    Zukünftige Erweiterungen der Verschleißuntersuchungen sollten im Hinblick auf die Adhäsionsschichten erfolgen. Hierbei ist zu klären, wie schnell sich diese Schichten bilden, wie lange sie halten, inwiefern sie die Reibungsverhältnisse beeinflussen und ob sie eine verschleißmindernde Wirkung auf den Diamanten besitzen. Zudem sind Untersuchungen sinnvoll, in denen der mechanisch induzierte Splitterund Bruchverschleiß der Diamanten über den thermischen Verschleiß überwiegt.

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