Grinding of Carbide and Ceramics with Magnetic Bearing Spindles

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1 Prof. Dr.-Ing. Taghi Tawakoli 1 Rolf- Dieter Lohner 2 Sebastian Grünefeld 3 1 Gründer und Berater des Kompetenzzentrums für Schleiftechnologie und Feinstbearbeitung, KSF, Hochschule Furtwangen 2, 3 KSF, Hochschule Furtwangen Schleifen von Hartmetall und Keramik mit magnetgelagerten Spindeln Grinding of Carbide and Ceramics with Magnetic Bearing Spindles Abstract:: The idea of magnetic bearing spindles or of translationally moving carriage is not new [Kemp37, Steg97]. The first ideas have been known for almost 100 years and the first patent was filed by Hermann Kemper in The company S2M started with the industrial production of the first spindles for machine tools in These spindles had a relatively high weight and were very expensive. Quick control of the magnets with former processors was not possible. In today s magnetic bearing spindles, the control can offset the rotor with high precision at high speed in axial and radial oscillation. With these spindles that run virtually friction-free, imbalance can be compensated and it is possible to measure cutting forces during machining. In the laboratory of the Centre for Grinding Technology and Ultra-Precision Engineering (KSF) a modern magnetic bearing spindle manufactured by Levitec is used with a capacity of up to 15 kw and speeds up to 42,000 rotations per minute. Various materials were ground with this spindle. When grinding hard metals and steel partially 60 to 80% lower grinding forces were achieved while at the same time finer surface roughness values of about % were reached. 4a-1

2 1. Einleitung 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 Magnete mit damaligen Prozessoren 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 15kW und Drehzahlen bis 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 % erzielt. 2. 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 Steuerung der einzelnen Magnetlager lässt sich der Rotor innerhalb der mechanischen Fanglager in jeweils 3 Raumrichtungen bewegen. Bild 1 zeigt schematisch die möglichen Freiheitsgrade (Verlagerungen) und Funktionen des Rotors (Spindelachse), die bei konventionell gelagerten Spindeln nicht vorhanden sind. Bild 1: Mögliche Verlagerungen der Spindelachse bei magnetgelagerten Spindeln 4a-2

3 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 Spindelachse 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 Steuerung der magnetgelagerten Spindel misst diese Verlagerung und gleicht diese bei jeder Umdrehung aus; die Rattermarken können verschwinden. 3. 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. Das Bild 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 U/min. Die relativ große und schwere Spindel kann bis zu einer Frequenz von 700 Hz 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. 4a-3

4 Bild 2: Werkzeugmaschine mit Maschinenraum und integrierter magnetgelagerter Spindel Als Werkstoffe wurden in der ersten Phase der Untersuchungen Hartmetall, Keramik und Stahl eingesetzt. 4. Die speziellen Vorzüge von magnetgelagerten Spindeln 4.1 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 ein Gegenfeld aufgebaut, um die Position der Achse zu halten. Das Bild 3 zeigt den Verlauf des Stromes für die radialen Magnetfelder in zwei Richtungen. Die beiden Diagramme in Bild 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 Spindel entgegenzuwirken. Deshalb steigen die Ströme in den Magnetfeldern. 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 einen übereinstimmenden Verlauf der Schleifkräfte mit den Strömen in den Magnetfeldern. Diese Möglichkeit der Online-Messung der Kräfte ist auch unter Produktionsbedingungen mit geringem Aufwand kostengünstig möglich. 4a-4

5 Bild 3: Die Verläufe der Magnetlagerströme zeigen den Anstieg und Abfall der Ströme zu Beginn und Ende des Spanabtrags 4.2 Die axiale Oszillationsfrequenz und -amplitude Bei der axialen Oszillation der Spindelachse können Amplitude und Frequenz im physikalisch, technisch möglichen Bereich variiert werden. Die maximale Amplitude ist, wegen der zu bewegenden Masse, abhängig von der Frequenz (Bild 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. Im Bild 5 sind die Schleifbahnen bei der axialen Oszillation der Spindel dargestellt. Ohne Oszillation verlaufen die Bahnen parallel. Bild 4: Zusammenhang von Amplitude und Frequenz für Magnetlagerspindel LeviSpin 700 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 4a-5

6 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. Spindelachse vertikal, keine Oszillation Werkstück Kornbahn auf Werkstück (id li i ) Kornbahn parallel zu Vorschub Spindelachse oszilliert Kornbahn sinusförmig Werkstück Bild 5: Darstellung der Bahnen für Schleifkörner mit und ohne Oszillation 4.3 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. Bild 6: Einfache und schnelle Erzeugung von Oberflächenstrukturen durch Oszillation der Spindel 4a-6 Parameter Spindel: LeviSpin 700 Verfahren: Stirnfräsen n = /min a e = 0,05 mm v f = 10 m/min f ax = 100 Hz, A ax = 50 µm Werkzeug: Kugelfräser Ø 6 mm Werkstück: Al Kühlschmierstoff: Emulsion 5%ig

7 Die Bilder 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 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. Bild 7: Die Oberflächenstrukturen bei der Oszillation der Spindel 5. 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. Werkstoff Hartmetall Parameter Spindel: LeviSpin 700 Verfahren: Umfangsschl. (Gegenlauf) n = /min v c = 5,2 m/s a e = 0,05 mm = 52 mm/min Schleifstift: D91, Ø 10 galv. gebunden, Werkstück: HM P25 Kühlschmierstoff: Emulsion 5%ig Ohne Oszillation Bild 8: Prozentuale Reduzierung der Schleifkräfte in Abhängigkeit von der Frequenz der axialen Oszillation für Hartmetall 4a-7

8 Werkstoff Stahl 42CrMo4, 59HRC Parameter Spindel: LeviSpin 700 Verfahren: Umfangsschl. (Gegenlauf) n = /min v c = 5,2 m/s a e = 0,05 mm = 52 mm/min Schleifstift: B91, Ø 10 galv. gebunden, Werkstück: 42CrMo4, 59 HRC Kühlschmierstoff: Emulsion 5%ig Ohne Oszillation Bild 9: Prozentuale Reduzierung der Schleifkräfte in Abhängigkeit von der Frequenz der axialen Oszillation für Stahl In den Bildern 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 (Bild 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. Das Bild 9 zeigt ein ähnliches Resultat für den Werkstoff Stahl 42CrMo4. Hier sinken die Schleifkräfte um ca. 80 % bei einer Frequenz von ca. 80 Hz. 4a-8

9 Ohne Oszillation Werkstoff Keramik Parameter Spindel: LeviSpin 700 Verfahren: Umfangsschl. (Gegenlauf) n = /min v c = 5,2 m/s a e = 0,05 mm = 52 mm/min Schleifstift: D91, Ø 10 galv. gebunden, Werkstück: Keramik Kühlschmierstoff: Emulsion 5%ig Bild 10: Prozentuale Reduzierung der Schleifkräfte in Abhängigkeit von der Frequenz der axialen Oszillation für Keramik 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 (Bild 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 Bildern 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. 4a-9

10 Parameter Spindel: LeviSpin 700 Verfahren: Umfangsschl. (Gegenlauf) n = , , /min v c = 5,2; 10,4; 15,7 m/s a e = 0,05 mm = 52 mm/min Schleifstift: D91, Ø 10 galv. gebunden Werkstück: HM (P25) Kühlschmierstoff: Emulsion 5%ig Bild 11: Fallende gemittelte Oberflächenrauheit R z in Abhängigkeit von der Oszillationsfrequenz Das Bild 11 zeigt die Abhängigkeit des Verlaufs der Oberflächenrauheit R z 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. 6. 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. 4a-10

11 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 Potential 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. 7. Literatur [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, [Arno00] Arnold, J.W.; Bailey, G.W.: Surface finishes on stainless steel reduces bacterial attachment & early biofilm formation, Poultry Science 2000, [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, [Tawa08a] Tawakoli, T., Azarhoushang, B.: "Development of a novel method for dry grinding of soft steel", Proceedings of the IMECE 08, IMECE , 2008, Boston, Massachusetts USA. 8. Danksagung Für die Lieferung der magnetgelagerten Spindel und die Lieferung der neusten Software sowie für die sehr gute Unterstützung bei der Inbetriebnahme und den laufenden Betrieb bedanken wir uns bei Herrn Matthias Kroll, Fa. Levitec. Ebenfalls bedanken wir uns bei der Fa. Diamantgesellschaft Tesch, Herr Dr. Magg für die Beratung und Lieferung von Schleifwerkzeugen. 4a-11