• Uni/Hochschule: Hochschule Furtwangen
  • Land: Deutschland
  • Autor(en): Prof. Dr.-Ing. Bahman Azarhoushang
  • Artikel vom: 16 September 2014
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  • Artikel Nummer: 048-058-d
  • Kategorie(n): WERKZEUG ANWENDUNGEN, Schleifen
  • Anwendungsorientierte Prozessauslegung zum Rundschleifen ohne Formfehler und thermische Schädigung

    Aus wirtschaftlichen Aspekten bieten cBN-keramisch gebundene Schleifscheiben beim Schleifen von gehärteten Stählen eine sehr interessante Alternative zu konventionellen Schleifscheiben aus Korund und/oder Sinterkorund. Vor allem in der Serienfertigung können Produktivität und Wirtschaftlichkeit des Schleifprozesses durch den Einsatz der cBN-keramisch gebundenen Schleifscheiben deutlich erhöht werden. Hohe Abrichtintervalle (bis zu 50-fache Erhöhung gegenüber den Abrichtintervallen bei konventionellen Schleifscheiben), hohe Zerspanungsrate, kurze Schleifzeit (teilweise Reduzierung bis 50%) und in der Regel verbesserte Oberflächenrauheit sind die Hauptvorteile dieser Werkzeugarten. Durch die hohe Standzeit der cBN-keramisch gebundenen Schleifscheiben erhöht sich außerdem auch das Intervall für einen Scheibenwechsel, was wiederum eine Reduzierung der Nebenzeiten zur Folge hat.

    Beim Schleifprozess befinden sich viele aktive Schneiden mit negativem Spanwinkel im Eingriff mit dem Werkstück. Ein großer Teil der zugeführten mechanischen Energie bei einem Korn- eingriff wird deshalb durch die Reibung und plastische Verformung des Werkstückstoffs, sowie während des Abscherens des Spans bei der Spanbildung in Wärme umgewandelt [Brin91, Malk08]. Es entsteht außerdem eine relativ große Schleifkontaktfläche, die einen Wärmestau zur Folge hat. Dies führt zu einer weiteren Erhöhung der Temperatur an der Kontaktstelle. Eine der wichtigsten Voraussetzungen zur Realisierung eines effektiven Materialabtrages mit einer minimierten Bearbeitungstemperatur bei einer Spanbildung besteht daher im Erreichen einer optimalen Spanungsdicke. Dabei spielen die Mikrostruktur der Schleifscheibe und die Schleifparameter eine große Rolle.

    Zur Ermittlung verschiedener Wirkzusammenhänge beim Außenrundschleifen mit cBN-keramisch gebundenen Schleifscheiben wurden systematische Untersuchungen durchgeführt, deren Ergebnisse hier präsentiert werden.

    Schleiftechnische Untersuchungen zum Außenrundschleifen

    Die Untersuchungen wurden auf einer CNC Rundschleifmaschine der Firma Kellenberger durchgeführt. Die Rauheit der Werkstücke wurde mit einem Rauheitsmessgerät vom Typ „Hommel Tester T1000“ der Firma Hommel-Etamic GmbH gemessen. Die Rundheit wurde mit einem Formmessgerät vom Typ „F455“ der Firma Hommel-Etamic GmbH gemessen.

    Die Durchführung der Schleifuntersuchungen erfolgte an Versuchswerkstücken aus einsatzgehärtetem Stahl (Ø 65x 350 mm mit 4 mm Wanddicke) mit einer Härte von 58 ± 2 HRc. Das Ziel des Projekts war die Bearbeitung des Werkstücks mit einem Aufmaß von 0,15 – 0,2 mm in weniger als 6 Minuten mit einer Rauheit Rz < 2 µm und einer Rundheit < 1 µm. Das große Problem lag darin, dass aufgrund der geringen Wanddicke keine großen Schleiftemperaturen und Schleifkräfte im Prozess erzeugt werden durften. Ansonsten hätten thermische Schädigungen bis hin zum Schleifbrand entstehen können. Außerdem bestand die Gefahr, dass aufgrund der hohen Schwingungsempfindlichkeit des Werkstücks Rattermarken und Formfehler auftreten.

    Um das Werkstück mit der geforderten Genauigkeit in kurzer Zeit bearbeiten zu können, sollte eine geeignete Schleifstrategie entwickelt werden. Der Schleifprozess wurde in eine Schrupp- und eine Schlicht-Phase unterteilt (zweistufige Prozessführung). Ziel der Schruppphase war die Erreichung eines hohen Abtrags; in der Schlichtphase sollten Oberflächengüte, Maß- und Formgenauigkeit verbessert werden. Hohe Bearbeitungskräfte und –temperaturen in der Schruppphase (bedingt durch den hohen Abtrag) können unter Anderem thermische Schädigungen, Formfehler und hohen Verschleiß der Scheibe zur Folge haben. Dementsprechend wurden unterschiedliche Bearbeitungsparameter für die jeweiligen Prozessstufen gewählt. Das verwendete Abrichtwerkzeug (rotierende Diamant Formrolle) und die Abrichtstrategie waren auch abhängig vom Schleifkornmaterial, der Konzentration der Scheibe, der Bindungsart und den qualitativen und wirtschaftlichen Anforderungen. Das Abrichten mit negativem Abrichtgeschwindigkeitsverhältnis, kleinen Zustellungen und Vorschüben führte zu einer Verbesserung der Werkstückrauheit. Andererseits waren die Spanräume der hochharten Schleifscheibe relativ klein und die Scheibe war nach dem Abrichten nicht scharf genug, um den geforderten hohen Abtrag in der Schruppphase zu realisieren. Dies hatte thermische Schädigungen auf der Werkstückoberfläche und Maß- und Formfehler zur Folge. Dagegen erzeugte das Abrichten mit positiven Abrichtgeschwindigkeitsverhältnissen (qd > +0,5), großen Zustellungen und Vorschüben eine raue Schleifscheibe, die mit einem erhöhten Verschleiß und einer grob geschliffenen Oberfläche, aber reduzierten Bearbeitungskräften und –temperaturen verbunden war. Deswegen sollten geeignete Abrichtparameter gefunden werden, die einen Kompromiss zwischen einer feinen Scheibe (geringe Oberflächenrauheit) und einer rauen Scheibe realisieren können. Der allgemeine Zusammenhang zwischen Abrichtparametern und Bearbeitungskräften bzw. Rauheit ist in Abb. 2 dargestellt.

    Resultate der Untersuchungen

    Die Versuchsbedingungen sowie die Schleifscheibenspezifikationen sind in Tabelle 1 angegeben. In Abb. 3 ist der Einfluss der Abrichtparameter auf die Werkstückoberfläche und die Rundheit dargestellt. Die Steigerung der Werkstückoberfläche mit Zunahme des Abrichtgeschwindigkeitsverhältnisses und des Abrichtüberdeckungsgrads ist deutlich. Im Gegensatz zu der Werkstückoberfläche zeigt die Rundheit einen proportionalen Zusammenhang mit dem Abrichtgeschwindigkeitsverhältnis. Schleifkräfte und –temperaturen können beim Abrichten erwartungsmäßig durch Abrichtgeschwindigkeitsverhältnis und Abrichtüberdeckungsgrad beeinflusst werden, sodass bei den durchgeführten Untersuchungen eine sichtbare thermische Schädigung (Schleifbrand) mit ausgewählten Schleif-Schruppparametern nach dem Abrichten mit qd = +0,4 und Ud = 7 erzeugt wurde (Feuersymbol in Abb. 3). Das thermisch beschädigte Werkstück wird in Abb. 4 gezeigt. Die geringe Wanddicke (4 mm) verhindert eine optimale Wärmeabfuhr im Werkstück und verursacht einen Wärmestau an dessen Oberfläche. Deswegen treten, im Vergleich zu einem Vollzylinder, bei einem dünnwandigen Werkstück die sichtbaren thermischen Schädigungen schon bei deutlich niedrigeren Bearbeitungstemperaturen auf.

    Der hohe Abtrag mit dem ausgewählten Schruppparameter erzeugt hohe Bearbeitungskräfte und –temperaturen. Um bei einem hohen Zeitspanvolumen eine akzeptable Rundheit zu erreichen und Rattermarken und thermische Schädigungen zu vermeiden, müssen geeignete Abrichtparameter gewählt werden.

    Es gibt einen Zusammenhang zwischen den Bearbeitungskräften und den Schwingungen (Rattermarken) im Schleifprozess. Der Schleifdruck soll während des Prozesses abgebaut werden, um eine hohe Formgenauigkeit (gute Rundheit und Zylindrizität) erreichen zu können. Die Reduzierung der Bearbeitungskräfte und –temperaturen ist durch den Abrichtprozess beeinflussbar. Durch einen relativ geringen Überdeckungsgrad (Ud < 4) und ein hohes Geschwindigkeitsverhältnis (+0,6 ≤ qd ≤ 0,8) wird die kinematische Schneidenzahl auf der Oberfläche der Schleifscheibe reduziert; es entstehen große Spanräume und scharfe Schneidkanten. Dadurch wird der Spanbildungsprozess optimiert.

    Für die Weiterführung der Versuche wurden folgende Abrichtparameter gewählt; Abrichtzustellung, aed = 4 µm, Abrichtüberdeckungsgrad, Ud = 3, Abrichtgeschwindigkeitsverhältnis, qd = + 0,8. Als beste Schruppparameter, die einen hohen Abtrag ohne sichtbare thermische Schädigung und einen akzeptablen Formfehler ermöglichen, haben sich Schnittgeschwindigkeit, vc = 40 m/s, Geschwindigkeitsverhältnis, qs = 60, Zustellung, ae = 30 µm und axialer Vorschub, vfa = 2400 mm/min etabliert.

    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]. Die Kontaktzeit zwischen einem beliebigen Punkt auf der Werkstückoberfläche und der Schleifscheibe reduziert sich mit der Abnahme des Geschwindigkeitsverhältnisses. Daraus resultieren ein schnellerer Schnitt, ein verbesserter Selbstschärfeeffekt der Körnungen sowie eine Verringerung der Bearbeitungstemperatur. Nachteilig ist die Erzeugung der Rattermarken (dies ist vor allem bei einem sehr geringen Geschwindigkeitsverhältnis qs < 30 oder bei schlanken, schweren und langen Teilen die Regel) und die Erhöhung der Oberflächenrauheit. Deswegen ist es empfehlenswert, ein Geschwindigkeitsverhältnis qs < 60-70 für das Schruppen und einen qs > 90-100 für das Schlichten zu wählen. Damit wird es möglich, die erzeugten Bearbeitungskräfte und -temperaturen während des Schruppens und die Oberflächenrauheit und den Formfehler während des Schlichtens zu reduzieren.

    Der Effekt des Geschwindigkeitsverhältnisses auf die Rundheit und die Oberflächenrauheit ist in Abb. 5 dargestellt. Das Werkstück wurde zuerst mit ausgewählten Schruppparametern bis auf ein Schlichtaufmaß von 0,03 mm bearbeitet und danach geschlichtet.

    Aufgrund der Untersuchungsresultate wurden folgende Schlichtparameter ausgewählt: vc = 40 m/s, Geschwindigkeitsverhältnis, qs = 140, Zustellung, ae = 4 µm und axialer Vorschub, vfa = 1000 mm/min. Anschließend wurde ein Teil mit ausgewählten Schrupp- und Schlichtparametern und zwei Ausfunkhüben geschliffen. Die Bearbeitungszeit betrug ca. 4 Minuten und es wurde eine Rundheit von 0,3 µm und eine Rz von 1,3 µm erreicht. Das geschliffene Teil ist in Abb. 6 dargestellt. Anhand der systematischen Untersuchungen und der optimalen Auswahl der Schleif- und Abrichtparameter konnte das Projekt erfolgreich abgeschlossen werden. Die Bearbeitungszeit wurde um ca. 30% reduziert (4 Min statt 6 Min geforderte Zeit). Außerdem lagen die Rundheit und die Rauheit des Werkstücks deutlich unter den geforderten Werten. Die Langzeitversuche zeigten ein Abrichtintervall von 35 Teilen.

    Zusammenfassung

    Zur Realisierung eines effektiven Schleifprozesses sollte mittels einer anwendungsorientierten Prozessauslegung ein effizienter Spanbildungsprozess mit möglichst niedriger Wärmeentwicklung und Krafterzeugung und damit möglichst geringer Randzonenbeeinflussung, Oberflächengüte und Formfehler erzielt werden.

    Zur Ermittlung verschiedener Wirkzusammenhänge beim Außenrundschleifen mit cBN keramisch gebundenen Schleifscheiben wurden systematische Untersuchungen durchgeführt. Die Resultate lassen sich wie folgt zusammenfassen:

    • Die Rundheit und die Rauheit nehmen mit Reduzierung des Schleifgeschwindigkeitsverhältnisses qs ab.
    • Die Bearbeitungskräfte und -temperaturen können durch die Erhöhung des Abrichtgeschwindigkeitsverhältnisses qd und Abrichtüberdeckungsgrades Ud reduziert werden. Dadurch verbessert sich die Rundheit des Werkstücks und thermische Schädigung können vermieden werden.
    • Die Bearbeitungszeit kann durch Auswahl einer geeigneten Schleif-Strategie reduziert werden.

    Danksagung

    Der Autor bedankt sich herzlich bei der Bärhausen GmbH für die Unterstützung bei der Lieferung der Werkzeuge in diesem Projekt.

    Literatur

    [Brin91] Brinksmeier, E.: Prozess- und Werkstückqualität in der Feinbearbeitung, Habilitationsschrift, Universität Hannover, 1991.
    [Grof77] Grof, H. E.: Beitrag zur Klärung des Trennvorganges beim Schleifen von Metallen. Diss. TU München, 1977.
    [Malk08] Makin, S. C. Guo : Grinding technology: Theory and applications of machining with abrasives, second edition, 2008.

    Info

    Prof. Dr.-Ing. Bahman Azarhoushang
    Hochschule Furtwangen University
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    Seit 1. September 2013 ist Prof. Dr.-Ing. Bahman Azarhoushang Nachfolger von Prof. Tawakoli und neuer Leiter des Kompetenzzentrums für Schleiftechnologie und Feinstbearbeitung (KSF) an der Hochschule Furtwangen.

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