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  • Uni/Hochschule: Leibniz Universität Hannover Institut für Fertigungstechnik und Werkzeugmaschinen
  • Land: Deutschland
  • Autor(en): Berend Denkena, Thilo Grove, Leif Behrens
  • Artikel vom: 04 Juli 2016
  • Seitenaufrufe: 4996
  • Artikel Nummer: 057-054-de
  • Kategorie(n): Zerspanen, Schleifwerkzeuge, Drehwerkzeug, Werkzeugschleifen, Werkzeuge nach Schneidstoffen, Schleifen, Schleifwerkzeug nach Bindungsart, CBN bestückte Werkzeuge, Schleifwerkzeug mit keramischer Bindung
  • Produktives Schleifen von PCBN-Wendeschneidplatten

    Zerspanwerkzeuge aus polykristallinem kubischem Bornitrid (PCBN) bieten aufgrund ihrer Härte, Warmfestigkeit und chemischen Beständigkeit eine hohe Produktivität bei der Bearbeitung von gehärteten Stählen [1, 2], Gusseisenwerkstoffen sowie Superlegierungen [3]. Jedoch muss sich der Einsatz von PCBN für den Anwender auch wirtschaftlich lohnen [4, 5]. PCBN weist gegenüber anderen Schneidstoffen wie Hartmetall, Schneidkeramik oder Cermet zwar eine deutlich höhere Standzeit auf, der Schneidstoff ist aber auch wesentlich teurer, sodass der Aufpreis über eine Steigerung der Materialabtragsrate sowie Standzeit gerechtfertigt sein muss. Zur Reduzierung des Anschaffungspreises sind Anstrengungen unterschiedlichster Art unternommen worden, welche den Einsatz von PCBN-Wendeschneidplatten weiter etablieren sollen. Darunter fallen die stetige Weiterentwicklung des kubischen Bornitrits selbst [6] sowie der Zusammensetzung des Binders [7]. Darüber hinaus kann durch die richtige Auswahl der PCBN-Spezifikation die Produktivität bei der Zerspanung deutlich gesteigert werden [3]. Infolge innovativer Schneidkantengeometrien kann das Einsatzverhalten von PCBN positiv beeinflusst werden [8]. Ferner senkt die Verkürzung der Prozesskette die Herstellkosten [9]. Ein weiteres großes Kostensenkungspotenzial liegt beim Schleifen der PCBN-Wendeschneidplatten. Das Schleifen von PCBN ist sehr material- und zeitintensiv und kann bis zu 30 % der finalen Kosten einer Wendeschneidplatte ausmachen [6]. Die wesentliche Herausforderung ist hierbei der hohe Schleifscheibenverschleiß. In vielen Fällen ist das Verschleißvolumen an der Schleifscheibe deutlich höher als das zerspante PCBN-Volumen (G-Verhältnis G < 1) [10, 11]. In der Praxis wird auf diesen Umstand häufig mit der Reduzierung des Zeitspanvolumens über die Verringerung der Vorschubgeschwindigkeit reagiert, um die Prozessbelastung zu senken und den Schleifscheibenverschleiß zu senken [11]. Diese Maßnahme führt jedoch zu einer Erhöhung der Prozesszeit, welche im Durchschnitt vier bis acht Minuten pro Wendeschneidplatte betragen kann [12].
    Ein produktiver Schleifprozess liegt jedoch nur dann vor, wenn das G-Verhältnis maximiert und die Prozesszeiten minimiert werden können. Um diese Vorgabe für das Schleifen von PCBN-Wendeschneidplatten zu erreichen, ist das Wissen der Zusammenhänge zwischen Prozesseingangsgrößen und den wirkenden Verschleißmechanismen notwendig. Darüber hinaus sind geeignete Strategien erforderlich, um dieses Wissen auch in der Praxis umsetzen zu können.

    Zusammenhänge beim Schleifen von PCBN

    Zur Ermittlung von praxisrelevanten Zusammenhängen beim Schleifen von PCBN sind schleiftechnologische Experimente mittels Querseiten-Planschleifen an einer Wendt WAC 715 Centro durchgeführt worden (Abb.1). Im Fokus stand hierbei der Umfangsschleifprozess zur Bearbeitung der Freiflächen der Wendeschneidplatten. Die wesentlichen Prozessparameter sind die Schnittgeschwindigkeit vc, die axiale Vorschubgeschwindigkeit vfa sowie die Radiusgeschwindigkeit vR, die die Bearbeitung aller Seiten der Wendeschneidplatte ermöglicht. Als Schleifwerkzeuge sind keramisch gebundene Diamant-Topfschleifscheiben eingesetzt worden, welche zu Analysezwecken über herausnehmbare Segmente verfügen (Abb. 1). Mit Hilfe dieser Segmente können sowohl mikroskopischer Verschleiß durch Rasterelektronenmikroskopie als auch makroskopischer Verschleiß durch Laserkonfokalmikroskopie ermittelt werden [13]. Bei den untersuchten quadratischen PCBN-Wendeschneidplatten ist die PCBN-Schicht vollflächig auf eine Hartmetallschicht aufgesintert (Abb. 1). Die Schichtdicke beträgt hierbei 0,8 – 1 mm. Der Binder des PCBN ist Titannitrid. Die CBN-Korngröße variiert zwischen 2 – 20 µm und der CBN-Gehalt zwischen 50 – 90 Vol.%. Schleiftechnologische Screening-Untersuchungen weisen eindeutig den hochsignifikanten Einfluss der Prozessparameter Schnittgeschwindigkeit und axiale Vorschubgeschwindigkeit auf das erreichbare G-Verhältnis nach [14]. Die erzielten G-Verhältnisse liegen in diesen Untersuchungen im Mittel bei G = 1,73. In diesen Untersuchungen treten niedrige G-Verhältnisse (G < 0,84) primär bei geringen axialen Vorschubgeschwindigkeiten von vfa = 1 mm/min und hohen Schnittgeschwindigkeiten von vc = 30 m/s auf. Hohe G-Verhältnisse (G > 3,6) werden dagegen vorwiegend mit vfa = 16 mm/min und vc = 10 m/s erreicht. Detaillierte Untersuchungen an den herausnehmbaren Schleifscheibensegmenten zeigen die Ursachen hierfür auf [15]. Zu niedrige Vorschubgeschwindigkeiten gepaart mit hohen Schnittgeschwindigkeiten führen zu Anflachungen und Abstumpfungen am Diamantkorn infolge erhöhter Reibung, da das Korn nur unzureichend in das PCBN eindringen kann. Die mechanische Einzelkornbelastung steigt, bis das Korn herausbricht. In Summe führt dieser Mechanismus zu einem massiven Verlust von Schleifscheibenbelag. Hoher Verschleiß und niedriger Materialabtrag resultieren somit in einem geringen G-Verhältnis. Hohe axiale Vorschübe und niedrige Schnittgeschwindigkeiten führen dagegen zu einem Splittern der Diamantkörner und zur Abbildung neuer scharfer Schneiden. Dieser Mechanismus bewirkt einen geringen Verschleiß des Schleifbelags. Ferner bleibt die Schleifscheibe schnittfähig. Hohe G-Verhältnisse sind somit möglich. Kinematisch können diese Wirkzusammenhänge durch die kontaktlängenbezogene äquivalente Spanungsdicke h‘eq beschrieben werden. Beim Querseiten-Planschleifen ist h‘eq gleich dem Quotient aus vfa und vc und genau wie das G-Verhältnis einheitenlos (Abb.2). Das G-Verhältnis verhält sich beim Schleifen von PCBN direkt proportional zu h‘eq. Darüber hinaus lassen sich größtenteils auch die beobachteten Verschleißmechanismen nach h‘eq ordnen. Ausbrüche als Folge von Kornanflachungen treten primär bei geringen h‘eq auf. Hohe h‘eq erzeugen eher Kornsplitterung und somit wenig Verschleiß. Bei mittleren h‘eq kommt es darüber hinaus bei Schnittgeschwindigkeiten von vc = 20 – 30 m/s auch zu Zusetzungen des Schleifbelags. Die Effizienz beim Schleifen von PCBN-Wendeschneidplatten wird sehr gut durch die spezifische Schleifenergie ec in Abhängigkeit von h‘eq beschrieben. Die spezifische Schleifenergie fällt regressiv mit steigendem h‘eq. Somit ist der Prozess mit stumpfen Diamantkörner logischerweise ineffizienter als mit scharfen Schneiden. Die Schnittfähigkeit der Schleifscheibe hat darüber hinaus Auswirkungen auf die Qualität der erzeugen Schneidkante der PCBN-Wendeschneidplatte (Abb.3). Der produktive Schleifprozess mit hohen G-Verhältnissen erzeugt scharfe Kanten an der geschliffenen PCBN-Wendeschneidplatte (links). Stumpfe Schneiden bei geringen Spanungsdicken erzeugen darüber hinaus polierte Bereiche auf der geschliffenen Freifläche (Mitte). Liegen Zusetzungen in den Poren des Schleifbelags vor, wird die Wendeschneidplatte infolge der steigenden Reibung und fehlenden Kühlschmierstoffversorgung geschädigt (rechts). Dies äußert sich durch feine Risse und thermisch bedingte Änderungen an der Schneidkante. Eine derart geschädigte und geschwächte Wendeschneidplatte kann kein leistungsfähiges Einsatzverhalten mehr aufweisen und ist somit als Ausschuss zu bewerten. Die schleiftechnologischen Untersuchungen zeigen, dass das produktive Schleifen von PCBN durch das Einstellen von hohen kontaktlängenbezogenen äquivalenten Spanungsdicken möglich ist. Produktiv wird der Prozess durch die geringe Prozesszeit infolge der hohen axialen Vorschubgeschwindigkeiten in Verbindung mit dem geringen Schleifscheibenverschleiß. Die konstante Schnittfähigkeit der Schleifscheibe erzeugt darüber hinaus Schneidkanten von hoher Qualität.

    Schleifstrategie zum produktiven Schleifen von leistungsfähigen PCBN-Wendeschneidplatten

    Wie ein produktiver Schleifprozess von PCBN-Wendeschneidplatten eingestellt wird, ist nun bekannt. Jedoch ist dadurch noch lange nicht eindeutig, ob produktiv hergestellte Wendeschneidplatten auch ein leistungsfähiges Einsatzverhalten aufweisen können. Aus diesem Grund wird die Leistungsfähigkeit von produktiv geschliffenen PCBN-Wendeschneidplatten beim Außenlängsdrehen von gehärteten 100Cr6 geprüft. Als Referenz dienen spezifikationsgleiche Wendeschneidplatten, welche mit üblichen Parametern geschliffen wurden [9]. Die relevanten Bereiche einer quadratischen Wendeschneidplatte für das Außenlängsdrehen sind die Schneidkanten an den vier Eckenradien. Um die bisher ermittelten Zusammenhänge auf das Schleifen der Eckenradiengeometrien zu übertragen, muss die Radiusgeschwindigkeit vR geeignet modifiziert werden, um im Bereich der potenziellen Haupt- und Nebenschneide der Wendeschneidplatte (HN bzw. NS) produktive h’eq umzusetzen. In Abb. 4 sind die Radiusgeschwindigkeitsprofile für den Referenzprozess und den produktiven Prozess gegenübergestellt. Die Radiusgeschwindigkeit vR beim Referenzprozess wird über den Drehwinkel θ weitestgehend konstant gehalten (Ausnahmen sind die Beschleunigungs- und Verzögerungsphase). Die kontinuierliche Abnahme des zugeführten PCBN-Materialvolumens über dem steigenden Drehwinkel sorgt für eine sukzessive Verringerung des vorliegenden h’eq. In Abb. 4 ist das abnehmende h’eq im Referenzprozess bei einer Schnittgeschwindigkeit von vc = 20 m/s dargestellt. Auf die Verringerung des PCBN-Materialvolumens über den Drehwinkel wird im produktiven Schleifprozess mit einer Erhöhung der Radiusgeschwindigkeit reagiert, um das h’eq bis zur fertiggeschliffenen Nebenschneide (θ = 52°) konstant zu halten. Ferner beträgt die Schnittgeschwindigkeit vc = 10 m/s um ein h’eq = 1,42*10-5 zu erreichen. Nach der geschliffenen Nebenschneide wird auf eine weitere Erhöhung der Radiusgeschwindigkeit verzichtet, da der folgende Winkelbereich θ > 52° lediglich geringe Auswirkungen auf das G-Verhältnis besitzt. Der direkte Vergleich der erzielbaren G-Verhältnisse und der benötigten Prozesszeiten beim kompletten Umfangsschleifen der PCBN-Wendeschneidplatte ist in Abb. 5 dargestellt. Gegenüber dem Referenzprozess wird das G-Verhältnis beim produktiven Schleifen um 194% auf G = 3,91 gesteigert. Gleichzeitig wird durch die Erhöhung der axialen Vorschubgeschwindigkeit und durch die Modifikation der Radiusgeschwindigkeit eine Senkung der Prozesszeit von tp,Ref = 100,2 s auf tp = 47,4s pro Wendeschneidplatte erreicht. Damit die geschliffenen PCBN-Wendeschneidplatten ihr volles Potenzial entfalten können, ist für die Hartbearbeitung eine Schutzfase mit dem Winkel γs = 14° auf der Schneidkante notwendig. Abb. 6 zeigt die erzielte Qualität der erzeugten Schneidkantenmakrogeometrie. Der Fasenschleifprozess ist bei allen Wendeschneidplatten mit den gleichen Schleifparametern (vc = 20 m/s und vfa = 4 mm/min) durchgeführt worden. Die taktil gemessenen makroskopischen Schneidkantengeometrien zeigen, dass die Abweichungen hinsichtlich Schutzfasenwinkel γs  und Eckenradius rε sehr gering sind. Lediglich die erzeugte Fasenbreite b zeigt eine deutliche Schwankungsbreite. Jedoch stellt dies zerspantechnologisch kein Problem dar, wenn die geringste eingestellte Fasenbreite der Schneidkante größer ist als die Schnitttiefe ap beim späteren Außenlängsdrehprozess.

    Der Vergleich der erreichten Schneidkantenqualität auf mikroskopischer Ebene ist in Abb. 7 dargestellt. Die Beurteilung erfolgt mit Hilfe der gemessenen mittleren Kantenschartigkeit Δrmid, welche die mittlere Differenz zwischen der ideal scharfen und der realen ausbruchsbehafteten Schneide über die Schneidkantenlänge darstellt. Die erreichte mikroskopische Schneidenqualität liegt sowohl beim Referenzprozess als auch beim produktiven Schleifprozess sehr nah beieinander. Die Messungen der mikro- und makroskopischen Schneidkantengestalt beweisen, dass durch den produktiven Schleifprozess keine schleifprozessbedingten Veränderungen der Wendeschneidplattengeomtrie vorliegen, von denen eine Verminderung der Leistungsfähigkeit beim Außenlängsdrehen von gehärteten 100Cr6 zu erwarten ist.

    Einsatz von produktiv geschliffenen PCBN-Wendeschneidplatten beim Hartdrehen

    Der Einsatz der Referenzwerkzeuge und der produktiv geschliffenen PCBN-Wendeschneidplatten beim Außenlängsdrehen erfolgen an einer Hartdrehmaschine Mikroturn der Hembrug Machine Tools. Der Werkstoff ist ein auf 62-64 HRC gehärter Wälzlagerstahl. Das Außenlängsdrehen wird mit einer Schnittgeschwindigkeit von vc = 150 m/min, einem Vorschub f = 0,1 mm sowie einer Schnitttiefe von ap = 0,1 mm durchgeführt. In Abb. 8 ist das Einsatzverhalten der Referenzwerkzeuge (rot) und der produktiv geschliffenen Werkzeuge (grün) hinsichtlich der erzeugten gemittelten Rauheit Rz und der sich einstellenden Verschleißmarkenbreite VBC an der Freifläche im Eckenradiusbereich dargestellt. Die zugrundeliegende Standzeitkriterien sind zum einen die theoretische gemittelte Bauteilrauheit bei Rz,theo = 3,1 µm und die kritische Verschleißmarkenbreite von VBC,krit = 150 µm. Hinsichtlich der Verschleißmarkenbreite gibt das Referenzwerkzeug eine kritische Schnittzeit von tc,VBc,krit = 6,9 min vor. Das produktiv geschliffene Werkzeug kann diese Vorgabe um 32 % übertreffen. Bei beiden Werkzeugkategorien ist der Verlauf der Verschleißmarkenbreite über die Schnittzeit bis zum Erreichen von VBc,krit nahezu linear. Die Einsatzdauer der Wiederholversuche richtet sich nach dem Rauheitskriterium. Durch den fortschreitenden Verschleiß an der Freifläche verändert sich auch fortwährend die gemittelte Rauheit Rz. Zunächst liegen alle Oberflächenwerte unter der theoretischen gemittelten Rauheit, welche geometrisch und kinematisch durch den Eckenradius re, die Schnitttiefe ap und den Vorschub f vorgegeben ist. Dieser Effekt wird durch elastische Verformung infolge hoher Passivkräfte hervorgerufen. Mit fortlaufender Schnittzeit setzt sich der steigende Freiflächenverschleiß als dominanter Effekt durch, so dass die Rauheitswerte ansteigen. Das Referenzwerkzeug löst bei einer Schnittzeit von tc,Rz,krit = 13,74 min das Standzeitkriterium aus. Die produktiv geschliffenen Wendeschneidplatten bleiben bei allen Experimenten unterhalb des Rauheitskriteriums.
    REM-Analysen zeigen die vorliegenden Verschleißformen an der Schneidkante nach dem Einsatz der Wendeschneidplatten. Als primäre Verschleißformen sind Freiflächenverschleiß und Kolkverschleiß an den Schneiden nach Standzeitende zu erkennen. Der Freiflächenverschleiß wird durch Abrasionsmechanismen zwischen dem Werkstück und der Wendeschneidplatte verursacht. Bei dieser Verschleißursache werden die harten CBN-Körner aus dem PCBN-Verbund herausgelöst [16]. Die Prozesskräfte zeigen bei beiden Werkzeugvarianten ein ähnliches Verhalten während der Zerspanung auf und sind durch einen sehr kontinuierlichen Anstieg gekennzeichnet (Abb. 9). Die Passivkraft stellt beim Hartdrehen aufgrund der verwendeten negativen Spanwinkel und der Eingriffsbedingungen die dominante Kraftkomponente dar. Sie steigt bei allen Werkzeugen von Fp = 64 – 74 N bei tc = 1,5 min auf über 195 N ab tc = 14,4 min linear an. Die Schnittkraft Fc und die Vorschubkraft Ff steigen dem gegenüber mit geringerer Steigung linear an. Der Grund für den Ansteige ist der steigende Freiflächenverschleiß bei der Hartbearbeitung [17].

    Zusammenfassung

    Das produktive Schleifen von PCBN-Wendeschneidplatten ist möglich. Der Schlüssel zum Erfolgt liegt darin, dass die verwendete Schleifscheibe und das darin eingebundene Diamantkorn nicht unterfordert werden dürfen. Die weit verbreitete schonende Behandlung des Schleifwerkzeugs ist demnach keine zielführende Maßnahme. Die Schleifscheibe und das Diamantkorn müssen maximal beansprucht werden, damit ein effizienter Materialabtrag von PCBN möglich wird. Durch das gezielte Einstellen über die kontaktlängenbezogene äquivalente Spanungsdicke kann ein optimaler Betriebspunkt gefunden werden. Darüber hinaus ist die spezifische Schleifenergie ein hervorragender Indikator für einen effizienten Prozess mit einer schnittfähigen Schleifscheibe. So kann das Querseiten-Planschleifen von PCBN mit einer spezifischen Schleifenergie ec < 85 J/mm³ als effizient bezeichnet werden. Der produktive PCBN-Schleifprozess liefert darüber hinaus Wendeschneidplatten mit hohen Schneidkantengüten, die eine hohe Leistungsfähigkeit beim Einsatz bereitstellen können.

    Danksagung

    Das Forschungsvorhaben DE 447/98-1 „Verschleißmechanismen beim Querseiten-Planschleifen von PCBN-Wendeschneidplatten“ wurde unterstützt und finanziert durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG).

    Info

    Leif Behrens
    Leibniz Universität Hannover Institut für Fertigungstechnik und Werkzeugmaschinen
    An der Universität 2
    30823 Garbsen

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