Mikrostrukturierte CBN-Schleifscheiben für das Produktionsschleifen

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1 Mikrostrukturierte CBN-Schleifscheiben für das Produktionsschleifen 1. Einführung Die Schleiftechnologie befindet sich seit Jahren in einem immer härter auf immer höherem Technologieniveau ausgetragenen Wettbewerb mit konkurrierenden spanenden Fertigungsverfahren. Trotz der teilweisen Substitution des Schleifens durch andere Verfahren (z.b. Hartdrehen) konnten Schleifprozesse mit Superhartstoffen (Diamant und Kubischem Bornitrid CBN) ihre Einsatzgebiete teilweise erheblich ausweiten. Ursachen hierfür waren und sind: Trend zu höheren Genauigkeiten Verstärkter Einsatz schwer zerspanbarer Materialien Integration von Hochleistungsschleifprozessen in vorhandene Prozessketten (z.b. Schruppschleifen) Zusammenfassung von Vor- und Fertigbearbeitung zu einem Schleifprozess Dabei hat der Schleifprozess mit Superhartstoffen trotz dieser Erfolge mit spezifischen Problemen bei der Ausweitung seiner Marktfelder zu kämpfen. Schon die Einteilung der spanenden Fertigungsverfahren nach DIN 8580 gibt hierzu den entscheidenden Hinweis. Das Schleifen gehört zu den Verfahren mit geometrisch undefinierter Schneide. Bild 1: Einteilung der Fertigungsverfahren nach DIN 8580 und Zuordnung spanender Verfahren Seite 1/14

2 Das heißt, wesentliche die Zerspanung bestimmende Parameter folgen meist komplexen Verteilungsfunktionen. Beispiele solcher Verteilungsfunktionen sind: Korngrößenverteilung Kornelongation, d.h. das Verhältnis der längsten zur kürzesten Kornachse Schneidenabstand Schneidraumtiefe 25 Histogrammanalyse für die Länge der kurzen Kornachse (B126 gemessen) 20 Relative Häufigkeit % Länge der kurzen Kornachse Bild 2: Gemessene Länge der kurzen Kornachse (B126 gemessen) [1] Bild 3: Häufigkeitsverteilung der Längsstreckungskoeffizienten, gemessen für die Korngrößen B91, B126, B151 und B181 [1] Seite 2/14

3 Bild 4: Analyse der Kornverteilung in radialer Richtung (Scheibenspezifikation B151 C75) [ 1 ] Diese stochastischen Eigenschaften, die sich in der Schleifscheiben-Mikrotopographie wiederfinden, führen dazu, dass insbesondere der Hochleistungsschleifprozess, bedingt durch die komplizierten kinematischen Eingriffsverhältnisse und die Vielfalt der externen Einflussgrößen (z.b. Kühlschmierstoffzubringung, Werkstückschwingungen, etc.), oft ein sehr komplexes und einer deterministischen Beschreibung manchmal nur schwer zugängliches Verfahren ist. Bild 5: Mikrotopographie einer keramisch gebundenen CBN-Schleifscheibe (links) und einer galvanisch gebundenen CBN-Schleifscheibe (rechts) Seite 3/14

4 Um diesen speziellen Schwierigkeiten des Hochleistungsschleifens Rechnung zu tragen und somit dem Schleifen weitere Anwendungsgebiete zu erschließen, wurden von den Maschinenherstellern und Schleifwerkzeugproduzenten zahlreiche Maßnahmen und Lösungsansätze erarbeitet. Im Wesentlichen sind dabei zu nennen: Verbesserte Abrichttechnologien zur Herstellung reproduzierbarer Mikrotopographien auf den Schleifscheibenkörnungen. Entwicklung von fortgeschrittener Sensorik und darauf aufbauender Regelungskonzepte mittels Körperschall-, Schwingungs-, Kraft- und Temperaturmessung. Verbesserungen bzw. Weiterentwicklung des Schleifwerkzeugs durch Einsatz neuer Bindungen und Schleifmittelkörnungen mit dem Ziel nahezu konstanter Mikrotopographien zwischen möglichst langen Abrichtzyklen. Zum letzten Punkt wurden bei der Diamant-Gesellschaft Tesch GmbH im Rahmen mehrerer Forschungs- und Entwicklungsvorhaben Schleifwerkzeuge entwickelt, bei denen die gewöhnliche stochastische Körnungsbindungsstruktur mit einer geordneten Mikrostruktur verbunden wurde. Seite 4/14

5 2. Beweggründe und Ziele der Entwicklung von strukturierten CBN-Schleifscheiben Ausgangspunkt für die Entwicklung strukturierter CBN-Schleifscheiben waren die folgenden Forderungen des Marktes: Verminderte Beeinflussung von Werkstückrandzonen (Schleifbrand, mikromagnetische Randzonenanalyse). Minimierung des Kühlschmierstoffeinsatzes. Verkürzung der Taktzeiten bei sehr unterschiedlichen Beanspruchungen des Schleifwerkzeuges innerhalb eines Prozesses (Vor- und Fertigschleifen mit einem Werkzeug). Vermehrte Bearbeitung von schwer zerspanbaren Materialien. In einer Grundsatzuntersuchung wurden dann drei Technologien genau betrachtet: A. Galvanisch gebundene CBN-Schleifscheiben mit geometrisch definierten Kornanordnungen B. Galvanisch gebundene CBN-Schleifscheiben mit strukturierten Grundkörpern Seite 5/14

6 C. Mehrschichtige CBN-Beläge mit eingebrachter Mikrostruktur All diesen Technologien gemeinsam ist die Verminderung negativer Spanwinkel auf der Schleifscheibenoberfläche (d.h. reibender Kristalle) sowie die Schaffung zusätzlichen Spanraums. Dies führt sowohl zu einer Reduzierung der Schleifkräfte sowie einer Reduzierung des Wärmeeintrags. In der industriellen Praxis haben dabei insbesondere die unter C aufgeführten mehrschichtigen CBN-Beläge mit Mikrostruktur bereits interessante Erfolge verbuchen können. Seite 6/14

7 3. Mikrostrukturierte Beläge keramisch gebundener CBN-Schleifscheiben Bei der Optimierung keramisch gebundener CBN-Beläge stehen die Entwickler vor der widersprüchlichen Anforderung, möglichst offene Strukturen, d.h. hohe Porositäten, und möglichst hohe Kornhaltekräfte realisieren zu müssen. Dies wird in der Regel durch den Einsatz von Bindungssystemen versucht, die hohen spezifischen Spannungen widerstehen und nicht zu hohe Brenntemperaturen benötigen. Allerdings sind diesen Entwicklungen physikalische Grenzen gesetzt, und hohe Kornhaltekräfte erfordern nach wie vor tendenziell dichtere Strukturen mit den bekannten Nachteilen wie hohen Schleifnormalkräften und hoher Wärmeeinbringung. Bild 6: Schleifbelagtopographien keramischer Bindungskonzepte Das Einbringen zusätzlicher Porosität mit einer scharfen oberen Porengröße in einer geometrisch definierten Anordnung kann das beschriebene Dilemma zwischen hoher Kornhaltekraft und geringer Wärmeeinbringung teilweise auflösen. Gründe hierfür sind im Wesentlichen der bessere Kühlschmiermitteltransport in die Bearbeitungszone sowie die unterschiedliche Porengrößenverteilung bei natürlicher Porosität und künstlicher Mikrostrukturierung. Im Rahmen der hier vorgestellten Untersuchung wurden Mikrostrukturierungen mit Porendurchmessern von 0,2 mm 0,5 mm und Abständen zwischen 1 mm und 2 mm untersucht. Seite 7/14

8 Bild 7: CBN-Schleifscheibe mit geometrisch definierter Anordnung von Mesoporen Seite 8/14

9 3.1 Laserstrukturierung von keramisch gebundenen CBN-Belägen Da der erhebliche Anteil von Superhartstoff in keramischen CBN-Belägen (bis zu 48 Vol.%) eine wirtschaftliche mechanische Bearbeitung ausschließt und mittels Wasserstrahltechnologie nicht hinreichend feine Strukturen erzeugt werden können, erweist sich die Laserbearbeitung als geeignete Technologie. Dabei sind jedoch als wesentliche technologische Nebenbedingungen zu beachten: Geringe Wärmeeinbringung in die Bindung zur Vermeidung von Rissen in der glaskeramischen Struktur. Keine Zerstörung von CBN-Kristallen. Möglichst gleichbleibende Querschnitte der Mikrostrukturen auch in der Tiefe (bis zu 10 mm). Kurze,Bohrungszeiten. Bild 8: Querschnitt durch einen lasergebohrten keramischen CBN-Belag (Abstand der Bohrungen 1 mm) Seite 9/14

10 Bild 9: Rasterelektronenmikroskopische Aufnahmen (links) durch einen mikrostrukturierten CBN-Belag mit BSE Materialkontrast (rechts) Um auch der Forderung nach Wirtschaftlichkeit genüge zu tun, wurden die Bearbeitungszeiten pro,bohrung von anfänglich ca. 2 3 s auf ca. 0,15 0,3 s gesenkt für eine Bohrung mit 0,3 mm Durchmesser und 6 mm Tiefe. Seite 10/14

11 4. Schleiftechnologische Ergebnisse von laserstrukturierten CBN-Schleifscheiben Im Rahmen einer an der Hochschule Furtwangen durchgeführten Diplomarbeit [2] wurden zwei CBN-Schleifscheiben gleicher Spezifikation mit und ohne Mikrostrukturierung beim Flachschleifen bezüglich der bezogenen Schleifkräfte verglichen. Die hierbei verwendete Mikrostrukturierung war sehr dicht und reduzierte die aktive Scheibenoberfläche um 18 20%. Bild 10: Bezogene Schleifkräfte in Abhängigkeit vom bezogenen Zeitspanvolumen [2] Diese Ergebnisse bestätigen im Wesentlichen die im industriellen Umfeld gefundenen Werte: Reduktion der Schleifnormalkräfte um ca. 25% bei 8 10% Flächenreduktion und bis zu 50% bei 20% Flächenreduktion. Keine oder vernachlässigbar geringe Erhöhung des R z -Wertes (< 0,2) beim Außenrundschleifen. Beim Flachschleifen auch Verminderung. Keine Erhöhung des Scheibenverschleißes (bei Flächenreduktion < 12%). Deutliche Reduktion der Wärmebeeinflussung am Werkstück (Nachweis durch Stresstech Messungen). Standzeitverlängerung (bis zu 200%) bei konkaven Nockenwellen, sofern die Wärmebeeinflussung wesentliches Abrichtkriterium ist. Schleifzeitverkürzung um bis zu 25% bei labilen Teilen. Seite 11/14

12 4.1 Zusätzliche Optimierungsmöglichkeiten für Schleifprozesse mit laserstrukturierten Belägen Da die Laserstruktur erst nach dem eigentlichen Belagherstellungsprozess in den Belag eingebracht wird, besteht die Möglichkeit der zonenweisen Anpassung der Belageigenschaften an die Aufmaßsituation des Werkstückes sowie an andere Prozesserfordernisse. Bild 11: Zonenweise Anpassung an den Schleifprozess oder das Werkstück Seite 12/14

13 5. Zusammenfassung und Ausblick Die Mikrostrukturierung von Schleifbelägen eröffnet eine interessante zusätzliche Parameterschau zur Optimierung von Schleifprozessen. Insbesondere laserstrukturierte, keramisch gebundene CBN-Schleifscheiben haben bereits eine erhebliche Bedeutung in der Bearbeitung von einfallenden Nockenwellen erreicht. Die Anpassung von Schleifbelägen an unterschiedliche Aufmaßsituationen wird zurzeit bei mehreren Herstellern für LKW-Kurbelwellen mit tangierenden Radien erprobt. Weitere Vorteile der Laserstrukturierung werden mit Hilfe angepasster Kühldüsen (Schuhdüsen oder Freistrahldüsen) mit angepasster Winkelstellung oder Mikrobohrungen erschlossen. Erste Ergebnisse zeigen hierbei ein Potenzial von bis zu 80% Verminderung des Kühlschmierstoffdurchflusses. Bild 12: Verbesserte Kühlschmierstoffbeladung durch Winkelstellung der Mikrobohrungen In einem weiteren Punkt soll die Eignung von mit Festschmierstoff (MoS 2 ) gefüllten Mikrostrukturen in Trockenschleifprozessen untersucht werden. Wie bei der Komplexität von Schleifprozessen nicht anders zu erwarten, gibt es einige Schleifprozesse, die zurzeit noch keine Verbesserung durch den Einsatz von mikrostrukturierten Scheiben zulassen. Dies ist insbesondere der Fall bei sehr steifen, wärmeunempfindlichen Werkstücken. Die Untersuchung der optimalen Zuführungsgeometrie des Kühlschmierstoffes in die Bearbeitungszone wird hoffentlich auch für diese Prozesse ein Optimierungspotenzial ausweisen. Seite 13/14

14 6. Literatur [ 1 ] Zitt, U. Modellierung und Simulation von Hochleistungsschleifprozessen FBK-Produktionstechnische Berichte, Band 34, Herausgeber Prof. Dr. Ing. G. Warnecke, [ 2 ] Jandaghi, N. Trockenschleifen mit einer laserbearbeiteten Schleifscheibe, Diplomarbeit Hochschule Furtwangen. [ 3 ] Magg, T. Möglichkeiten zur verbesserten Nocken- und Kurbelwellenbearbeitung durch neue CBN-Schleifscheibenkonzepte, Interne Notiz Diamant-Gesellschaft Tesch GmbH. Seite 14/14