Laserkonditionieren von Diamantschleifscheiben und deren Leistungsfähigkeit
  • Uni/Hochschule: Hochschule Furtwangen/University Fakultät Mechanical and Medical Engineering (MME)
  • Land: Deutschland
  • Autor(en): Ali Zahedi, Bahman Azarhoushang
  • Artikel vom: 26 Mai 2015
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  • Artikel Nummer: 053-020-d
  • Kategorie(n): WERKZEUG ANWENDUNGEN, Schleifen
  • Laserkonditionieren von Diamantschleifscheiben und deren Leistungsfähigkeit

    Das konventionelle Abrichten superabrasiver Schleifwerkzeuge stellt aufgrund verschiedener Aspekte eine Herausforderung dar. Die hohe Härte führt zu hohem Verschleiß und damit Ungenauigkeiten und hohen Kosten für die Abrichtwerkzeuge, weitere Nachteile sind lange Prozesszeiten und Verschmutzungen [1,2]. Mit nicht-mechanischen Konditionierungsmethoden für Schleifscheiben wie ELID (elektrolytisches in-Prozess Abrichten), Funkenerodieren und Laserabrichten wird versucht, die Prozessgenauigkeit zu erhöhen und Bearbeitungskosten von superabrasiven Werkzeugen zu senken.
    Die ersten Schritte bei der Erforschung des Effekts von Lasern auf eine Schleifscheibe wurden in den späten 1980ern unternommen, indem konventionelle Aluminiumscheiben untersucht wurden [3,4]. Der Laserstrahl kann auf der Oberfläche der Schleifscheibe ein lokales Schmelzen von Bindungsmaterial und/oder Schleifkörnern bewirken. Der Laserstrahl kann zudem die konventionellen, mechanischen Abrichtmethoden unterstützen, indem er die Scheibenkomponenten, vor dem Eingriff des Abrichtwerkzeugs, erweicht [5].

    Das Laserabrichten bietet geringere Schleifkräfte, weniger Verschleiß und bessere Oberflächenqualitäten beim Schleifen, als die Methoden mit mechanischem Kontakt [3,4]. Die Vorteile machen sich besonders beim Abrichten von superabrasiven Schleifscheiben bemerkbar, was sonst mit hohen Kosten und weiteren Herausforderungen behaftet ist [6-8]. Es wurde außerdem gezeigt, dass aufgrund der höheren Kontrollierbarkeit und der kleineren wärmebeeinflussten Zone, Pulslaser besser geeignet sind als Dauerstrichlaser (cw-Laser) [9]. Bei gleicher Schleifqualität wie mit mechanischen Methoden, treten bei Metall gebundenen Diamantschleifscheiben, welche mit Laser abgerichtet wurden, weniger Kornschädigungen und Rissbildungen in der Oberfläche auf [10].
    Die Auswahl der Laserparameter erfolgt bei den meisten Abrichtprozessen nach der Methode „trial and error“. Aus diesem Grund wurde eine thermische Analyse durchgeführt, bei der die Parameter für eine selektive Bearbeitung der verschiedenen Schleifscheibenkomponenten und für die gewünschten Abrichtprozesse definiert wurden [11]. Folglich ist in dieser Forschungsarbeit eine Kunstharz gebundene Diamantschleifscheibe mittels eines Pikosekundenlasers radial abgerichtet. Rundschleifprozesse von Aluminiumoxid-Zirkoniumoxid-Keramik (AZ90) sind durchgeführt, bei denen konventionell abgerichtete (mittels einer grünen SiC-Abrichtscheibe) und Laser abgerichtete Schleifscheiben zum Einsatz kamen. Der Vergleich der beiden Verfahren basiert auf den Ergebnissen der experimentellen Versuche.

    Tab. 1: Spezifikationen der Pikosekunden-Laseranlage
    Wellenlänge (nm) 1030
    maximale Durchschnittsleistung (W) 50
    Pulslänge (ps) <10
    maximale Pulsenergie (µJ) 125
    Wiederholfrequenz (kHz) 400

    Laserabrichtverfahren

    In dieser Forschungsarbeit wurde für die Abrichtprozesse ein Yb:YAG Pikosekundenlaser (TruMicro 5050) der Firma Trumpf eingesetzt. Die Spezifikationen des Lasers sind in Tab.1 zusammengefasst. Der Laserstrahl wird über mehrere optische Komponenten in den Laserscanner geleitet und dort auf die Oberfläche der Schleifscheibe fokussiert.

    Der verwendete Versuchsaufbau der Komponenten ist in Abb. 1 dargestellt.
    Um eine große Anzahl an Konditionierungsprozessen abzudecken, wurde die Schleifscheibenspindel mit einem genauen Positioniersystem ausgestattet, welches die Winkelposition und -geschwindigkeit der Schleifscheibe regelt.

    Die durchschnittliche Korngröße der ausgewählten Schleifscheibe (hergestellt von Bärhausen) beträgt 76 µm, die Konzentration liegt bei 50. Unter Berücksichtigung der thermischen Analyse [11,12] und der mechanischen Eigenschaften von Diamantkörnern und Kunstharzbindung, beträgt die notwendige Pulsenergie für einen effektiven Abtrag von Korn- bzw. Bindungsmaterial ca. 37 µJ und 5 µJ. Dementsprechend definiert die Differenz der Pulsenergien den Bereich, in dem das Bindungsmaterial abgetragen werden kann, ohne dabei die Diamantkörner zu schädigen.

    Dafür wird die Pulsenergie auf 25 µJ eingestellt und die Rotationsgeschwindigkeit der Schleifscheibe und der axiale Vorschub des Laserscanners so abgestimmt, dass die relative Scangeschwindigkeit 200 mm/s beträgt, bei einem Abstand der Nuten von 50 µm. Dementsprechend entstehen Nuten mit einer Tiefe von 70 µm, wobei die Diamantkörner vollständig erhalten bleiben und genügend Schneidkanten und Spanräume entstehen.

    Zur gleichen Zeit wurde eine entsprechende Schleifscheibe mit einer keramikgebundenen SiC-Abrichtscheibe (Körnung #320) konventionell abgerichtet (Scheibengeschwindigkeit beim Abrichten, vsd =30m/s, Abrichtscheibendrehzahl, nSiC=100U/min, Zustellbetrag beim Abrichten, aed=5µm, Axialvorschub beim Abrichten, vfad=800mm/min) und danach mit einem Aluminiumoxidstück 20 mal (×20µm) geschärft. Beide Abrichtprozesse und die generierten Oberflächen sind in Abb. 2 und Abb. 3 dargestellt. Die dunklen Bereiche in den Abbildungen stellen die Diamantkörner dar. Auf der Oberfläche der konventionell abgerichteten Scheibe können Kornausbrüche erkannt werden.

    Durch die kombinierte Bewegung in Umfangs- und Axialrichtung wurden beim Laserabrichten nebeneinanderliegende Nuten auf der Schleifscheibenoberfläche generiert (zu erkennen in Abb. 3). Die quantitative Untersuchung der Oberflächentopographie erfolgte mit einem Konfokalikroskop. Aus den Konfokalbildern können die Tiefe und Breite der generierten Nuten sowie die Kornüberstände ermittelt werden. Abb. 4 und Abb. 5 zeigen die Konfokalbilder der konventionell- und Laser abgerichteten Schleifscheiben. Das Konfokalbild der Laser abgerichteten Scheibe zeigt die regelmäßigen Nuten, die durch den Laserstrahl generiert sind, ebenso wie die selektive Ablation der Komponenten ohne nennenswerte Schädigung der Körner (die Nuten werden nicht über der Kornoberfläche fortgeführt). Ein weiterer Unterschied der beiden Abrichtverfahren ist, dass das Abrichten mit dem Laser einen effektiveren Kornüberstand aufweist, als das mechanische Verfahren. Ein besserer Kornüberstand hat den Vorteil, dass die Schleifkräfte durch eine Minderung der Reibung zwischen Werkstück und Bindungsmaterial sinken. Zudem entstehen eine größere Anzahl an aktiven Schneidkanten für den Materialabtrag und größere Spanräume. Die Projektion der Nuten auf die Werkstückoberfläche in Kombination mit einer reduzierten Reibung mit dem Bindungsmaterial kann zu einer Erhöhung der Oberflächenrauheit führen. Dieser Effekt wird in den nächsten Abschnitten diskutiert.

    Schleifversuche

    Für eine Beurteilung der Leistungsfähigkeit von Laser abgerichteten und konventionell abgerichteten Schleifscheiben, wurden Einstechschleifversuche an keramischen Werkstücken auf einer Rundschleifmaschine (Firma EMAG) durchgeführt. Als Material für die Werkstücke wurde Aluminiumoxid-Zirkoniumoxid-Keramik (AZ90), mit 90% Aluminium und 10% Zirkonium, ausgewählt. Trotz vergleichbarer Härtewerte besitzt die mit Zirkoniumoxid verstärke Aluminiumoxidkeramik im Vergleich zu monolithischer Aluminiumoxid-Zirkoniumoxid-Keramik eine höhere Belastungsfähigkeit und hydrothermale Stabilität [13]. Die Schleifexperimente wurden unter der Verwendung von Schleiföl durchgeführt (Tab. 2) zeigt die verwendeten Parameter beim Einstechschleifen, dabei wurden verschiedene Werte für die Schnittgeschwindigkeit vc (Umfangsgeschwindigkeit der Schleifscheibe), Werkstückgeschwindigkeit vw und die radiale Vorschubgeschwindigkeit vfr verwendet.

    Der Aufbau der Rundschleifversuche ist in Abb. 6 gezeigt. Um die Effekte des Lasers im Vergleich zum konventionellen Abrichtprozess zu untersuchen, wurden während der Schleifprozesse die Schleifleistung aufgezeichnet und zudem die Oberflächenrauheiten der geschliffenen Werkstücke mit einem Hommel T8000 Messgerät ermittelt. Bei der Aufzeichnung und Beurteilung der Schleifleistung muss darauf geachtet werden, dass nur die Leistung in Bezug auf den Materialabtrag beachtet wird und nicht die Leistung, die durch die Lagerreibung und Einflüsse von Kühlschmierstoffen verbraucht wird.

    Tab. 2: Parameter beim Rundschleifen
    Schnittgeschwindigkeit vc , (m/s) 30, 50
    radiale Zustellgeschwindigkeit vfr , (mm/min) 50
    Geschwindigkeitsverhältnis, qs = vc/vw <10

    Ergebnisse und Diskussion

    Beim zylindrischen Einstechschleifen hängt die spezifische Materialabtragsrate Q´ nur von der radialen Zustellgeschwindigkeit ab und kann wie folgt berechnet werden:

    dw stellt den Durchmesser des Werkstücks dar. Demgemäß wurden die bezogenen Spindelleistungen über den Zustellgeschwindigkeiten aufgetragen. Die Spindelleistungen – bezogen auf die Scheibenbreite für konventionelle- und Laserabrichtprozesse – sind in Abb. 7 für Schnittgeschwindigkeiten von 30 m/s und 50 m/s dargestellt.

    Die konventionell abgerichteten Schleifscheiben führen zu höheren Schleifleistungen, dabei erscheint der Einfluss der Schnittgeschwindigkeit auf die Schleifleistung nicht erwähnenswert. Bei der Gegenüberstellung der Tangentialkräfte kann ein Einfluss der Schnittgeschwindigkeiten ausgemacht werden, wodurch ein differenzierter Vergleich der beiden Verfahren möglich ist. Die Tangentialkräfte sind ein wesentlicher Faktor für die Beurteilung des Prozesses, da sie bestimmend sind für den Verschleiß der Schleifscheibe und einen direkten Bezug zu den Schleifnormalkräften haben, welche die Hauptursache für Oberflächenschädigungen und Materialausbrüche ist. Abb. 8 zeigt die Verläufe der Tangentialkräfte für die konventionell- und Laser abgerichteten Schleifscheiben. Wie erwartet steigen die bezogenen Schleifkräfte mit einer Erhöhung der Zustellgeschwindigkeit und einem infolgedessen höheren Materialabtrag. Höhere Schnittgeschwindigkeiten begünstigen eine Senkung der Schleifkräfte, was zu einer Erhöhung der Genauigkeit führt, insbesondere beim Rundschleifen, bei dem das Werkstück zum Durchbiegen neigt. In allen Fällen war die Schleifleistung der Laser abgerichteten Scheibe niedriger als bei der konventionell abgerichteten. Die Tangentialkräfte zeigten dieselbe Tendenz, sodass Reduzierungen von bis zu 35% der Tangentialkräfte gemessen werden konnten. Gründe hierfür können zum einen eine effektivere Ablation des Bindungsmaterials bei gleichzeitiger Erhaltung der Schleifkörner (selektive Bearbeitung der Komponenten) und zum anderen ein effektiverer Kornüberstand bei den laserabgerichteten Schleifscheiben sein. Folglich steigt der prozentuale Anteil an Energie, die für die Zerspanung des Werkstoffs genutzt wird, deutlicher als der Energieverlust durch Reibung. Dieses Verhalten kann auch mit der Erhaltung der Kornschärfe durch die Laserbearbeitung in Verbindung gebracht werden, da es bei konventionellen Abrichtverfahren mit SiC-Scheiben zu Abstumpfung der Körner kommt.

    Die Analyse der Rauheit eines Werkstücks ist in der Schleiftechnologie deutlich komplizierter als die Untersuchung der Kräfte und Energien. Es wurde gezeigt [14], dass die Spandicke he ein bestimmender Parameter bei der Untersuchung von Oberflächenrauheiten ist. Ein weiterer Parameter, welcher sich mehr auf die einzelnen Körner bezieht, ist die mittlere Kornquerschnittsfläche Ae welche in dieser Arbeit betrachtet wird. Beide Parameter können entsprechend der folgenden Gleichungen ermittelt werden [14]:

    wobei ae = π dw vfr / vw die Zustellung beim Einstech-Schleifen ist. C ist die Konzentration der Körner auf der Oberfläche der Schleifscheibe und lc die Länge der Kontaktzone zwischen Werkstück und Schleifscheibe. Die Kontaktlänge kann bezogen auf die Zustellung, den Werkstückdurchmesser und den Scheibendurchmesser dc wie folgt angenähert werden [14]:

    Als die zwei ausschlaggebenden Rauheitswerte wurden Abweichungen der mittleren Rauheit Ra und der gemittelten Rautiefe Rz des geschliffenen Werkstücks senkrecht zur Schnittrichtung ermittelt und über der mittleren Kornquerschnittsfläche Ae aufgetragen. Die Ergebnisse sind in Abb. 9 und Abb. 10 zu sehen.

    Die Werte von Ae beinhalten indirekt die Schleifparameter. Eine Erhöhung von Ae, welche direkt proportional zur Zustellgeschwindigkeit und umgekehrt proportional zur Schnittgeschwindigkeit ist, führt zu einer Erhöhung der Rauheitswerte. Im Gegensatz zu den Leistungswerten sind die Rauheitswerte mit der Laser abgerichteten Schleifscheibe höher als bei der konventionell abgerichteten Scheibe. Der Grund hierfür könnte in der Generierung der Mikronuten in Schnittrichtung liegen, welche auf die Oberfläche des Werkstücks übertragen werden. Angesichts der Reduktion der Schleifleistung und der Erhöhung der Rauheitswerte bei Laser abgerichteten Schleifscheiben kann gefolgert werden, dass diese Werkzeuge am effizientesten für grobe Schleifprozesse angewendet werden können. Für andere Anwendungen sind feinere Abrichtprozesse mit kleinerem Abstand zwischen den Laserspuren notwendig.

    Fazit

    Ein neues Verfahren für die kontrollierte Bearbeitung von Komponenten einer Kunstharz gebundenen Diamantschleifscheibe wurde angewendet. Die Schleifversuche haben gezeigt, dass die Laser abgerichtete Schleifscheibe zu niedrigeren Schleifleistungen, geringeren Tangentialkräften und durchgehend weniger Verschleiß und Formungenauigkeiten neigt. Auf der anderen Seite sind die Rauheitswerte erhöht, was einen feineren Abrichtprozess oder die Anwendung von Finishing-Prozessen mit Ausfunkzeit erfordert.

    Danksagung

    Das Projekt wurde vom MWK Baden-Württemberg im Rahmen des Programmes „Innovative Projekte“ gefördert, wofür wir uns herzlich bedanken. Die Autoren möchten auch der Firma Trumpf Laser- und Systemtechnik GmbH ihren Dank aussprechen, für die Unterstützung bei der Installation und beim Einsatz der Pikosekunden-Laseranlage.


    Quellen

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    N. Ramesh Babu, V. Radhakrishnan, Investigations on Laser Dressing of Grinding Wheels—Part II: Grinding Performance of a Laser Dressed Aluminum Oxide Wheel, J. Eng. for Industry 111 (1989) 253.
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    [14]
    S. Malkin, C. Guo, Grinding Technology: Theory and Application of Machining with Abrasives, Industrial Press, 2008.

    Prof. Dr.-Ing. Bahman Azarhoushang

    Leiter des KSF-Instituts an der Hochschule Furtwangen/University
    Fakultät Mechanical and Medical Engineering (MME)
    Jakob-Kienzle-Strasse 17
    78054 Villingen-Schwenningen

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