Schleifen von Hartmetall und Keramik mit magnetgelagerten Spindeln
  • Uni/Hochschule: KSF-HS Furtwangen
  • Land: Deutschland
  • Autor(en): Taghi Tawakoli, Rolf-Dieter Lohner, Sebastian Grünefeld
  • Artikel vom: 23 Februar 2015
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  • Artikel Nummer: 051-062-d
  • Kategorie(n): Schleifen
  • Schleifen von Hartmetall und Keramik mit magnetgelagerten Spindeln

    Die Idee der magnetischen Lagerung ist für Spindeln, aber auch rotierende Wellen oder translatorisch bewegte Schlitten, nicht neu [Kemp37, Steg97]. Die ersten Ideen sind fast 100 Jahre alt und das erste Patent wurde 1934 von Hermann Kemper angemeldet. Die Firma S2M startete 1976 mit der Produktion der ersten industriellen Spindel und konnte diese auch in einige Werkzeugmaschinen platzieren. Gewicht und Preis dieser Spindeln war allerdings relativ hoch; auch die schnelle Regelung der Magnetlagerung mit damaliger Technik war nicht ganz einfach. Bei der neuen Generation magnetgelagerter Spindeln kann die Spindel mit hoher Präzision und fast reibungsfrei bei höheren Drehzahlen in Rotation, axiale und radiale Oszillation gebracht werden. Diese neue Spindel erlaubt das Ausgleichen von Unwucht und erlaubt die Messung der Zerspankräfte während der Bearbeitung.

    In unserem Labor wurde eine moderne magnetgelagerte Spindel der Fa. Levitec mit einer Leistung bis 15 kW und Drehzahlen bis 42.000 Umdrehungen pro Minute eingesetzt. Mit der neuen Spindel wurden verschiedene Werkstoffe geschliffen. Beim Schleifen von Hartmetallen und Stahl haben wir teilweise 60 bis 80% niedrigere Schleifkräfte bei gleichzeitig feineren Oberflächenrauheitswerten um ca. 50 bis 80% erzielt.

    Aufbau von magnetgelagerten Spindeln und deren Vorteile für den Spanbildungsprozess

    Der Rotor von magnetgelagerten Spindeln schwebt frei im Raum und wird von radialen und axialen magnetischen Lagern gehalten. Durch die Regelung der einzelnen Magnetlager ist die Spindelwelle in fünf Freiheitsgraden gelagert, der sechste wird durch den Motor kontrolliert (Rotation). Abbildung 1 zeigt schematisch die möglichen Freiheitsgrade (Verlagerungen) und Funktionen des Rotors (Spindelachse), die bei konventionell gelagerten Spindeln nicht vorhanden sind. Die speziellen Funktionen für magnetgelagerte Spindeln können wie folgt aufgelistet werden:

    • Axiale Oszillation
    • Radiale Oszillation bzw. Taumeln
    • Kombinierte axiale und radiale Oszillation
    • Ausgleich von Unwucht

    Durch die Kontaktunterbrechungen zwischen Werkstück und Werkzeug wird der zu bearbeitenden Werkstückoberfläche etwas Zeit gewährt, die zur Reduzierung der Kontaktzeit führt. Dies führt auch zu einer ständigen Änderung der Eingriffsrichtung der Schneidkante zum Werkstück. Die Kontaktunterbrechungen begünstigen die Zuführung von Kühlschmierstoff bzw. Luft in die Kontaktzone, was zur Reduzierung der Temperatur führt.

    Die axiale Oszillation bzw. das Taumeln der Spindelwelle bzw. des Werkzeuges führt zu ständiger Richtungsänderung bei der Spanbildung. Beim konventionellen Schleifprozess dringen die Schleifkörner in das Werkstück und versuchen, den Werkstoff vor dem Korn nach vorne zu drängen. Der Widerstand des Werkstoffs ist in diesem Fall erheblich größer als bei einem ständigen Wechsel der Eingriffsrichtung. Diese Richtungsänderungen finden unter höherer Beschleunigung statt und entsprechend wird die Spanbildung bei niedrigeren Schleifkräften begünstigt. Die Unwucht verursacht Rattermarken beim Schleifen, die durch das Schwingen und Verlagern des Werkzeugs zustande kommen. Die Regelung der magnetgelagerten Spindel misst diese Verlagerung und gleicht diese bei jeder Umdrehung aus; die Rattermarken können verschwinden.

    Integration der Magnetlagerspindel in eine Werkzeugmaschine

    Für die Untersuchungen wurde eine CNC-Fräsmaschine der Fa. Müga GmbH, Villingen-Schwenningen ausgewählt. Der Spindelkasten der Fräsmaschine wurde für den Einsatz der magnetgelagerten Spindel neu konstruiert und in die Maschine integriert. Abbildung 2 zeigt die Fräsmaschine und den Maschinenraum mit magnetgelagerter Spindel. Die magnetgelagerte Spindel Typ LeviSpin 700 der Fa. Levitec GmbH hat eine Leistung von 15 kW und eine max. Drehzahl von 42.000 U/min. Die Spindelwelle kann bis zu einer Frequenz von 700 Hz axial oszillieren.

    Als Werkzeug werden übliche Schleifstifte eingesetzt und es können Innenflächen, Bohrungen sowie Außenflächen bzw. Radien bearbeitet werden. Für die höheren Schnittgeschwindigkeiten wurde ein spezielles cBN-Schleifwerkzeug mit CFK-Körper konzipiert. Dieses cBN-Werkzeug wurde von der Fa. Diamant Gesellschaft Tesch hergestellt. Als Werkstoffe wurden in der ersten Phase der Untersuchungen Hartmetall, Keramik und Stahl eingesetzt.

    Spezielle Vorzüge von magnetgelagerten Spindeln

    • Das Monitoring der aufgenommenen Ströme als Maß für Schnittkräfte

    Um die Soll-Position der Spindel zu halten bzw. diese zu dem Soll-Wert zu verschieben, müssen die Magnetfelder permanent je nach Bedarf verändert werden. Diese Regulierung der Magnetfelder ist besonders wichtig, wenn durch den Zerspanungsvorgang Kräfte auf die Spindelachse wirken. Diese Kräfte (z.B. Spankräfte) versuchen, die Spindelachse radial und axial zu verlagern. Durch den Regelkreis der Magnetlagerelektronik wird in den Magnetlagern ein Gegenfeld aufgebaut, um die Position der Spindelwelle zu halten. Abbildung 3 zeigt den Verlauf des Stromes für die radialen Magnetfelder in zwei Richtungen. Die beiden Diagramme in Abbildung 3 wurden während einer Schleifbearbeitung aufgenommen. In der ersten Phase hat das Schleifwerkzeug keinen Kontakt mit dem Werkstück, es wirken keine Spankräfte. Dann kommt das Werkzeug mit dem Werkstück in Kontakt, was den Aufbau einer Gegenkraft in den Magnetfeldern zur Folge hat, um einer Verlagerung der Spindelwelle entgegenzuwirken. Deshalb steigen die Ströme in den Magnetlagern. Nachdem das Werkzeug die Schleifzone verlassen hat, reduzieren sich die Ströme auf das ursprüngliche Niveau. Dieses Phänomen wird vorteilhaft für das Monitoring der Spankräfte genutzt. Die Messungen zeigen eine Korrelation der Schleifkräfte mit den Strömen in den Magnetfeldern. Diese Möglichkeit der Online-Messung der Kräfte ist auch unter Produktionsbedingungen mit geringem Aufwand kostengünstig möglich.

    • Die axiale Oszillationsfrequenz und -amplitude

    Bei der axialen Oszillation der Spindelwelle können Amplitude und Frequenz im physikalisch, technisch möglichen Bereich variiert werden. Die maximale Amplitude ist, wegen der zu bewegenden Masse, abhängig von der Frequenz (Abbildung 4). Danach stellt sich eine maximale ist Amplitude von 120 µm bei 75 Hz ein. Bei 700 Hz wird noch eine Amplitude von 0,9 µm erreicht. In Abbildung 5 sind die Schleifbahnen bei der axialen Oszillation der Spindel dargestellt. Ohne Oszillation verlaufen die Bahnen parallel. Beim Oszillieren ergeben sich sinusförmige Bahnen auf der Werkstückoberfläche. Dabei überschneiden sich die Bahnen, wodurch eine andere Struktur auf der Oberfläche erzeugt wird. Diese Oberflächenstruktur hat in der Regel kleinere Rauheitswerte und ist daher feiner. Ebenfalls ist der Spanbildungsprozess bei einer solchen Struktur mit sich kreuzenden Bahnen einfacher und mit geringeren Schleifkräften, Leistungen und Temperaturen verbunden.

    • Einfache und schnelle Erzeugung von Oberflächenstrukturen

    Der Erzeugung von definierten und funktionalen Oberflächen ist heute aus tribologischer, aber auch aus dekorativer Sicht besonders wichtig. Ihr wird zukünftig hohe Bedeutung beigemessen. Mit einer magnetgelagerten Spindel und üblichen Fräs- oder Schleifwerkzeugen lassen sich relativ schnell und einfach bestimmte Strukturen erzeugen. Die Abbildungen 6 und 7 stellen beispielhaft das Erzeugen von Strukturen dar. Es wurden mit einer Vorschubgeschwindigkeit von 10 m/min bei einer Frequenz von 100 Hz ca. 6000 Vertiefungen (Mikrostrukturen) pro Minute erzeugt. Durch die Variation von Werkzeugform, Werkzeugschneide, Vorschubgeschwindigkeit und Frequenz der Oszillationen können unterschiedliche Oberflächenstrukturen erzeugt werden. Wird die Taumelbewegung der Spindel aktiviert, steigen die Möglichkeiten für Geometrie und Form der Strukturen weiter an.

    Die Resultate der Schleifuntersuchungen

    Für die ersten Untersuchungen wurde hauptsächlich Hartmetall als Werkstoff ausgewählt. Vergleichsuntersuchungen wurden ebenfalls mit Stahl, 42CrMo4 und einer speziellen Keramik durchgeführt. Die Resultate der Untersuchungen sind in den nächsten Diagrammen dargestellt. Der Werkstoff Hartmetall wurde als Block gespannt und mit einem Diamantschleifstift entlang der Werkstückkante mit einer Zustellung von 0,05 mm und einer Vorschubgeschwindigkeit von 52 mm/min geschliffen. In den Abbildungen 8, 9 und 10 sind die prozentualen Anteile der Schleifkräfte in Abhängigkeit der Oszillationsfrequenz der Spindel dargestellt. Die Schleifkräfte fallen bis über 80 % bei der Frequenz von ca. 80 Hz ab. Eine Frequenz von „0“ bedeutet, dass die Spindel wie eine konventionelle (z. B. wälzgelagerte) Spindel funktioniert und keine Oszillation hat. Bei steigender Oszillationsfrequenz sinken zuerst die Schleifkräfte. Diese niedrigen Kräfte sind ein Beleg für einen optimalen Spanbildungsprozess. Für den Verlauf der Schleifkräfte ist die sinusförmige Bewegung (Abb. 5) des Werkzeuges bzw. der einzelnen Schleifkörner verantwortlich. Die sinusförmige Bewegung des Werkzeuges entspricht dem vorteilhaften System der Natur für die Fortbewegung bzw. Strahlung des Lichtes aber auch der elektromagnetischen Strahlungen wie Laser, Radiowellen usw. Mit der Oszillation des Werkzeuges wird die Natur nachgebildet und ihre Vorteile genutzt [Tawa08, Tawa09]. Die niedrigeren Schleifkräfte bedeuten niedrigeren Verschleiß und geringere Oberflächentemperatur sowie einen wirtschaftlicheren Fertigungsprozess. Diese guten Resultate wurden zum ersten Mal erzielt und sollen vertiefend für unterschiedliche Einsatzfälle weiter untersucht werden. Diese Untersuchungen wurden bei variabler Frequenz und Amplitude durchgeführt (Maximalamplitude für jeweilige Frequenz).

    Die magnetgelagerte Spindel in Verbindung mit einer Variation der Oszillationsfrequenz hat auch für die Werkstoffe Stahl und Keramik ähnlich positive Resultate geliefert. Abbildung 9 zeigt ein ähnliches Resultat für den Werkstoff Stahl 42CrMo4. Hier sinken die Schleifkräfte um ca. 80 % bei einer Frequenz von ca. 80 Hz.

    Als keramischer Werkstoff wurde eine hochspröde, schwer zerspanbare Keramik ausgewählt. Bei diesem Werkstoff reduzieren sich die Schleifkräfte um ca. 30 % bei einer ähnlichen Oszillationsfrequenz von ca. 80 Hz (Abbildung 10). Die Reduzierung der Kräfte um 30 % ist im Vergleich zu der 80 %-igen Reduzierung der Kräfte bei Hartmetall und Stahl relativ niedrig. Wenn aber diese Reduzierung der Kräfte um 30 % ebenfalls eine Reduzierung von Verschleiß, Temperatur oder auch Kosten im selben Umfang zur Folge hat, wäre dies ein beträchtlicher Betrag.

    Beim Schleifen hat man in der Regel einen gegenseitigen Verlauf zwischen Kräften und Rauheitswerten. Das heißt, wenn in einem Prozess die Kräfte abfallen, werden die Rauheitswerte steigen und eine gröbere Oberfläche wird erzeugt. Es ist eine logische Folge, wenn z. B. eine Schleifscheibe gröber abgerichtet wird, werden dickere Späne abgetragen, was zu einer gröberen Oberfläche führt.
    Beim Einsatz der magnetgelagerten Spindel wurde ein entgegengesetztes Verhalten im Vergleich zum konventionellen Schleifen bzw. Schleifen mit üblicher Spindel festgestellt. In den Abbildungen 8 bis 10 wurden bei einer Oszillationsfrequenz von ca. 80 Hz für Hartmetall, Stahl und Keramik fallende Kräfte bis teilweise 80 % erzielt. Für die gleichen Werkstoffe wurden genau an der Stelle, wo die Kräfte abfallen, fallende Rauheitswerte um fast die gleichen Beträge, ca. 80 % für Hartmetall und Stahl, festgestellt. Dies ist ein unerwartet positives Resultat, was durch wissenschaftliche Arbeiten und Forschungen bisher nicht belegt wurde.
    Die Abbildung 11 zeigt die Abhängigkeit des Verlaufs der Oberflächenrauheit Rz von der Oszillationsfrequenz. Die Oberflächenrauheit verfeinert sich im Bereich einer Oszillationsfrequenz von 80 Hz um ca. 80%. Der Grund für die Verfeinerung der Rauheitswerte ist auf Oszillation, kürzere Späne sowie geringere Spanungsdicken zurückzuführen. Beim konventionellen Schleifen ohne Oszillation werden parallele Schleifspuren erzeugt. Beim Oszillieren werden die erzeugten geraden Schleifspuren verwischt und die Schleifbahnen bewegen sich nicht nur in Vorschubrichtung, sondern enthalten auch zeitlich variable Bewegungskomponenten senkrecht zum Vorschub, nach oben und unten. Die Bewegung des Werkzeugs bzw. einzelne Schleifkörner haben somit zwei Komponenten, einmal in Vorschubrichtung und einmal in Oszillationsrichtung. Die zwei Komponenten der Bewegung führen zu einem schrägen Verlauf der Spuren. Dieser schräge Verlauf hat eine Länge, die größer ist als die Kontaktbreite des Schleifwerkzeugs ohne Oszillation. Wir gehen davon aus, dass die Schleifkörner beim Oszillieren einen längeren Weg haben als ohne Oszillation. Neben dem längeren Weg der Kornbahnen wirkt die Oszillation wie bei einem Prozess mit unterbrochenem Schnitt. Dieser bewirkt niedrigere Schleifkräfte, niedrigere Schleiftemperaturen und führt zu feineren Oberflächen.

    Zusammenfassung

    Es wurde eine neue Generation einer magnetgelagerten Spindel für das Schleifen von Hartmetall, Stahl und einer Sorte eines keramischen Werkstoffs eingesetzt. Die Spindel wurde in eine Werkzeugmaschine integriert und es wurden damit Schleifuntersuchungen durchgeführt. Bei den Untersuchungen wurde zwischen axialer Oszillation der Spindelachse und Schleifen ohne Oszillation unterschieden. Das Nichtoszillieren entspricht dem Schleifen mit üblichen Schleifmaschinen und üblicher Spindel. Die Untersuchungen haben gezeigt, dass sich die Schleifkräfte in einem Bereich der Oszillationsfrequenz von ca. 80 Hz um einen Wert von ca. 80 % im Vergleich zum Schleifen ohne Oszillation reduzieren. Diese außergewöhnlich hohe Abnahme der Schleifkräfte hatte sich neben der Hartmetall- auch für die Stahlbearbeitung bestätigt. Als weitere Besonderheit zeigte sich die Reduzierung der Oberflächenrauheitswerte des Werkstücks um ca. 80 % bei einer Oszillationsfrequenz von ca. 80 Hz. Diese Untersuchungen zeigen ein hohes Potenzial für magnetgelagerte Spindeln in der Schleiftechnik und sollen vertiefend und systematisch weitergeführt werden, um die Grenzen und Leistungsfähigkeit der neuen Technologie für unterschiedliche Werkstoffe und Parameter herauszustellen. Neben der Reduzierung der Schleifkräfte und Verfeinerung der Oberflächenfeingestalt ermöglichen Magnetlagerspindeln die Überwachung des Prozesses sowie Online-Monitoring der Schleifkräfte und den Ausgleich von Unwucht.

    Danksagung

    Für die Lieferung der magnetgelagerten Spindel und der neusten Software sowie für die sehr gute Unterstützung bei der Inbetriebnahme und den laufenden Betrieb bedanken wir uns bei der Fa. Levitec. Ebenfalls bedanken wir uns bei der Fa. Diamantgesellschaft Tesch, Herr Dr. Magg für die Beratung und Lieferung von Schleifwerkzeugen.

    Quellen

    [Aoya02]
    Aoyama, E.; Hirogaki, T.; Onchi, Y.; Yanagitani, K.; Krawabata, N.: The Research on Abrasive Grain Falling in the Super-finishing Process in the Super-finishing Process by CBN Stone, Transaction of the Japan Society of Mechanical Engineering C, Vol. 68, No. d667, 2002, 980-986
    [Arno00]
    Arnold, J.W.; Bailey, G.W.: Surface finishes on stainless steel reduces bacterial attachment & early biofilm formation, Poultry Science 2000, 1839-2845
    [Kemp37]
    Kemper, H.; Overhead suspension railway with wheelless vehicles employing magnetic suspension from iron rails, Germ. Pat. (1937)
    [Steg97]
    Stegemann, H.; Worlitz, F.; Hampel, R. "Methodische Untersuchungen zur Regelung aktiver Magnetlager"; Vortragsband zum 3. Zittauer Workshop Magnetlagertechnik 1997
    [Tawa08]
    Tawakoli, T., Azarhoushang, B., Rabiey, M.: "Effects of ultrasonic vibration on grinding of 100Cr6", Int. J. Mechatronics and Manufacturing Systems, Vol. 1, No. 4, 2008.
    [Tawa08a]
    Tawakoli, T., Azarhoushang, B.: "Development of a novel method for dry grinding of soft steel", Proceedings of the IMECE’08, IME CE2008-66038, 2008, Boston, Massachusetts USA.

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