SPANEN mit geometrisch unbestimmten Schneiden (DIN 8580) Spanen mit gebundenem Korn (Schleifen mit Schleifkörpern und Schleifbändern und Honen)

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1 SPANEN mit geometrisch unbestimmten Schneiden (DIN 8580) Spanen mit gebundenem Korn (Schleifen mit Schleifkörpern und Schleifbändern und Honen) Spanen mit ungebundenem Korn (Läppen, Gleitschleifen und Strahlspanen) SCHLEIFEN (DIN 8589) Def.: ~ ist Trennen mit vielschneidigem WZ, wobei sich die Anzahl, Lage und Form der Schneiden ständig ändert; - die Spanwinkel sind meistens negativ (bis zu 90 ) - Haupt- und Nebenschneide sind nicht zu unterscheiden - das WZ besitzt eine Vielzahl gebundener Schneidkörner - hohe Trenn-Geschwindigkeiten bis 200 m/s - Schneiden nicht ständig im Eingriff und dringen nur geringfügig in den Werkstückstoff ein - Energiebedarf zur Zerspanung einer Werkstoff-Volumeneinheit ist groß im Vergleich zu Zerspanungsverfahren mit geometrisch bestimmten Schneiden Wichtigstes Schleifergebnis: Werkstückqualität - Rauhheit der Oberfläche, Maßhaltigkeit, Formgenauigkeit und Beschaffenheit der Oberflächen-Randzone

2 Schleifverfahren: (Einteilung nach der zu erzeugenden Form der Werkstückfläche) weitere Einteilung: Außen- und Innenbearbeitung Art des verwendeten Schleif-WZ (Umfangs- oder Seitenschl.-WZ) Art der Vorschubbewegung (Längs- oder Einstechbewegung) Planschleifen: - Plan- Umfangsschleifen: einfaches Spannen, große Formgenauigkeit - Plan-Seitenschleifen: Topfschleifscheibe; Bearbeitung von Werkstücken mit planparallelen Seiten z.b. Uhrenteile, Wendeplatten, Kugellager Rundschleifen: - Außen-Rundschleifen: zwischen Spitzen oder spitzenlos - Innen-Rundschleifen: zwischen Spitzen oder spitzenlos Schraubschleifen: Wälzschleifen: Gewinde- oder Schneckenschleifen Schleifen gehärteter Zahnräder Profilschleifen: Schleifen von Profilen an Plan- und Rundflächen mittels einer Schleifscheibe, die über eine werkstückgebundene Form verfügt Formschleifen: Herstellen von Freiformflächen durch gesteuerte Schleifscheibenbewegungen (i.r.cnc)

3 Schleif-WZ: bestehen aus Schleif- und Bindemittel Schleifmittel: natürliche Kornwerkstoffe (Natur-Diamant, Quarz, Granat, Natur- Korund) künstliche Kornwerkstoffe (Elektrokorund, SiC, synthetischer Diamant, CBN, Borcarbid-BC) Elektrokorund: geglühter Bauxit mit etwa 80 % Al 2 O 3, 8% Fe 2 o 3, 8% SiO 2, 3,5 % TiO 2 und Verunreinigungen Nach zunehmender Reinheit unterscheidet man: Normalkorund (braun) - Schruppschleifen Habedelkorund (rotbraun) - Schruppschleifen Edelkorund (weiß oder rosa) - Feinschleifen Siliciumcarbid SiC: aus Kohle und Quarz erschmolzen; ist härter und splitterfreudiger als Korund und hat höhere Schneidfähigkeit Bearbeitung von spröden, kurzspanenden Werkstoffen (GGL, HM, Glas, Gestein, Porzellan) synthetischer Diamant: nicht für Eisenwerkstoffe (bei Temperaturen über 900 C)!! Schleifen und Trennen von Gesteinen, Keramikwerkstoffen, Glas und Kunststoffen) CBN: härtestes Schleifmittel nach Diamant; zunehmende wirtschaftliche Bedeutung! Borcarbid BC: hauptsächlich in loser Form als Läppmittel Anforderungen an Kornwerkstoffe: ausreichende Härte und Schneidfähigkeit Zähigkeit, um schlagartige Belastung zu ertragen Sprödigkeit, damit das Korn nach dem Abstumpfen splittert und neue scharfe Schneidkanten frei werden thermische und chemische Widerstandsfähigkeit

4 Bindemittel: anorganische Bindemittel: organische Bindemittel: keramische, mineralische (Magnesit und Silikat-B.) oder metallische harzartige (kunst- oder naturh.) oder kautschukartige Keramische Bindungen (V): ~ bestehen aus Ton, Kaolin, Quarz und Feldspat ~ mehr als 50 % der Schleifscheiben sind keramisch gebunden ~ keramische Schleifscheiben sind sehr spröde und stoßempfindlich, sie sind temperaturbeständig und chemisch beständig gegenüber Wasser und Öl (Naß-und Trockenschliff möglich) Mineralische Bindungen (Magnesit- und Silikatbindungen): Magnesitbindungen (Mg): nur geringe Bedeutung Trockenschliff Silikatbindungen (S): Planschleifen mit großen Kontaktflächen Metallische Bindungen: Sintern von Bronze, Stahl oder HM-Pulver auf einen mit Diamant oder CBN besetzten Grundkörper Organische Bindungen: Harzartige Bindungen (B): naturharzhaltige Bindungen aus Schellack und Gummi wurden durch Kunstharzbindungen aus Polyester und Phenoplasten, bzw. Epoxidharzen verdrängt. Anwendung: Schleifscheiben mit großer Zähigkeit und Zugfestigkeit für Schrupp- und Trennschleifarbeiten (v u bis etwa 120 m/s) Kautschukartige Bindungen (R): Gummibindungen aus Naturkautschuk oder synthetischem Kautschuk sind elastischer als Kunstharzbindungen, aber weniger temperaturbeständig. Anwendung: dünne Schleifscheiben zum Gewinde-, Nuten- und Schlichtschleifen

5 Schleifscheibenaufspannung: Das Einspannen der bruchempfindlichen Schleifscheiben hat entsprechend den Richtlinien der Unfallverhütungsvorschrift (UVV) zu erfolgen. Bei Verhältnis von Bohrungs- zu Außendurchmesser d2 / d1 > 0,2 Schleifscheibenspannvorrichtung Bei Verhältnis von Bohrungs- zu Außendurchmesser d2 / d1 < 0,2 Spannflansche Schleifscheiben sind auszuwuchten, bei hohen Anforderungen an Genauigkeit und Oberflächengüte!!! Abrichten der Schleif-WZ: Vor dem Schleifprozeß muß das Schleif-WZ abgerichtet werden, d.h. die im Schleifprozeß verlorengegangene Maß- und Formgenauigkeit sowie die Schärfe muß wieder hergestellt werden. Abricht-WZ: hauptsächlich Diamant-WZ, die als Einkorn-, Rollen-, Kegel-, Rädchen- oder Scheiben-WZ ausgebildet sind. In Massenfertigung kommen auch form- bzw. werkstückgebundene Diamantabrichtrollen zum Einsatz. Für Diamant- und CBN-Schleif-WZ sind Abricht-WZ aus SiC. Schleifkraft und leistung: Komponenten der Schleifkraft sind die Normal-, die Tangential- und die Vorschubkraft. Die Tangentialkraft F t = F c wirkt tangential zur Scheibenoberfläche in Richtung der Schnittbewegung und bestimmt die Schleifleistung. -> F t ~ k c grind A kt A kt - Eingriffsquerschnitt in mm 2 ; k c grind - spezifische Schleifkraft in N / mm 2

6 Kraftverhältnis µ zwischen Normal- und Tangentialkraft : -> µ = F n / F t µ -> ist abhängig von der Schleifscheiben- Werkstückstoff-Paarung und den Kühlschmierbedingungen; µ -> i. R. µ = 2 bis µ = 3 Schnittleistung: -> P c = F t v c Schleiftemperatur und Kühlung: Schleifleistung P c wird bis zu 80 % in Wärme umgewandelt!!! Auswirkungen auf Werkstück: Fehler in der Oberflächenrandzone wie: Brandflecke Risse Gefügeumwandlungen Aufgaben der Kühlschmiermittel (Öl oder Öl-Wasser-Emulsionen): Verkleinerung der Reibung zwischen Schleifkorn und Werkstück Kühlung der Werkstückoberfläche Reinigung und Benetzung der Schleifscheibe Korrosionsschutz für Maschine und Werkstück Schleifscheibenverschleiß: Zwei Verschleißarten: * Radialverschleiß r s * Kantenverschleiß r sk Verschleißquotient G: G = V w (t) / V s (t) V w = abgetragenes Werkstückvolumen V s = Scheibenverschleißvolumen 20 < G < 60 (Edelkorund- oder SiC-WZ) G > 500 (Diamant- oder CBN-WZ)

7 Schleifkosten: K e = K c + K w K e = Kosten für die Bearbeitung eines Werkstückes K c = schleifzeitabhängige Kosten K w = werkzeugabhängige Kosten K c = k pl t e = k pl (t c + t n ) t c = Schnittzeit in s t e = Fertigungszeit für jedes Werkstück in s t n = Nebennutzungszeit in s k pl = Platzkostensatz in DM / s K w = K d + (V s k w ) / m T K d = Abrichtkosten je Werkstück V s = Schleifscheibenverlustvolumen beim Schleifen in mm 3 k w = Kosten je Schleifscheibenvolumeneinheit DM / mm 3 m T = Standzahl der gefertigten Werkstücke zwischen zwei Abrichtungen der Schleifscheibe Ausbringung M = 1 / effektive Stückzeit = 1 / t eff

8 HONEN (Ziehschleifen) ~ ist ein Feinstschleifverfahren mit gebundenem Schleifkorn und längs orientierten Schleifkörpersegmenten (Honsteinen). Die Werkstückoberfläche wird unter ständiger Flächberührung spanend bearbeitet. Anwendung: Verbesserung der Maß- und Formgenauigkeit an den Oberflächen von Bohrungen, Zylinderlaufbuchsen und Lagerstellen an Zapfen Verarbeitet werden weicher und gehärteter Stahl, Gußeisen, Sintermetalle, Bronze, Messing, Kunststoffe, Glas und Graphit Häufigste Anwendung für Bohrungen mit 2 mm bis 12 m Werkstücke dürfen nur geringen Formfehler haben, da durch Honen nur geringer Werkstoffabtrag erfolgt (Honzugabe: 0,05 bis 0,1 mm) Honverfahren Langhubhonen: Schnittbewegung am Werkstück entsteht durch die Hub- und Drehbewegung des Werkzeuges Kurzhubhonen (auch als Feinhonen, Superfinish, Feinziehschleifen oder Schwingschleifen bezeichnet): Schnittbewegung ergibt sich aus der Drehbewegung des Werkstücks und einer senkrecht zu dieser wirkenden kurzhubigen Schwingbewegung des WZ (Hublänge h = 1 bis 6 mm; Hubfrequenz f= 10 Hz bis 50 Hz) Rauheit: Rz = 0,1 bis 0,2 µm möglich, bei Traganteil bis zu 98% Rundheitsverbesserung bis zu 75% Anwendung für Lauf- und Gleitflächen, Gleitlagerzapfen an Kurbelwellen, Dichtflächen und Wälzlagerteile Plateauhonen: auf Kolbenlaufbahn wird Oberflächenstruktur erzeugt, die aus periodisch auftretenden tiefen Honspuren mit dazwischenliegenden Tragflächen, den sog. Plateaus besteht.

9 LÄPPEN ~ ist ein Feinbearbeitungsvefahren, bei dem Werkstücke mit großer Form- und Maßgenauigkeit sowie hoher Oberflächengüte hergestellt werden. Die Schneiden beim Läppen werden von losen Körnern gebildet. Anwendung: fast alle Werkstoffe können geläppt werden, z.b. Metalle, Oxidkeramiken, Rohgläser, Naturstoffe, Hartstoffe, verzugsempfindliche und unmagnetische Teile, sowie Materialien der Kunststoff- und Halbleitertechnik Vorteile: Die meisten Werkstücke können ohne Einspannung bearbeitet werden; Grob- und Feinstbearbeitung in einem Arbeitszyklus; Kleine zerbrechliche Teile mit einer Dicke kleiner als 0,1 mm (Halbleitermaterial) und Dichtflächen von großen Maschinenteilen (z.b. Motorenblöcke) können feinstbearbeitet werden; Geläppte Oberflächen zeigen keinen Wärme- oder Spannungsverzug Läppverfahren: Plan-, Rund- und Profilläppen sowie Sonderverfahren Erreichbare Genauigkeit beim Läppen: Formgenauigkeit Ebenheit: Maschinenbau Feinmechanik, Optik Planparallelität Maßgenauigkeit Oberflächengüte: Maschinenbau Öl- und dampfdichte Flächen Endmaßqualität Rauhtiefe 1 µm/m bis 3 µm/m 1 µm/m 0,3 µm/m 1 µm/m 2 µm < R < 0,5 µm 0,2 µm < R < 0,5 µm R = 0,03 µm

10 GESTALTUNG spanend herzustellender Werkstücke Grundsätze zum fertigungsgerechten Gestalten: geometrisch einfache Grundkörper wählen; Zerspanvolumen so gering wie möglich halten; Spannmöglichkeiten für die Bearbeitung vorsehen; ebene Bearbeitungsflächen möglichst parallel oder senkrecht zur Aufspannfläche legen; die zu bearbeitenden Flächen müssen für das WZ gut zugänglich sein; WZ-Auslauf (Freistich nach DIN 509) vorsehen; möglichst den Einsatz genormter WZ ermöglichen; Drehen und Bohren bevorzugen gegenüber dem Fräsen und Hobeln; Oberflächengüten und Toleranzen auf das unbedingt Nötige beschränken; Allgemeintoleranzen (DIN 7168) beachten Ursachen für Form- und Lageabweichungen: Eigenspannungen, Einspannung, WZ-Halterung, Zerspankraft, Schnittgeschwindigkeit, Maschinenschwingungen

11 INNENLOCHTRENNEN ~ ist ein hochpräzises Feinbearbeitungsverfahren für sprödharte Werkstoffe. Auch als Innenlochsägen oder Innendurchmesser (ID)-Trennschleifen bekannt. Anwendung: Besonders für teure (Materialpreis je nach Werkstoff 1000 bis 1500 DM / kg) und hochwertige Werkstoffe (optische Gläser, Keramiken, Kristalle für Festkörperlaser und speziell Halbleitermaterialien > besonders für einkristalline Si - Wafer), da Materialverlust durch geringe Schnittbreite von nur 0,3 mm realtiv gering ist. (Materialverlust um ca. 80% reduziert im Vergleich zum herkömmlichen Trennschleifen!!). Derzeitige Wafer : zukünftige Wafer : * 100 bis 150 mm -> 27 - Trennblätter (Außen- 690 mm, Innen- 235 mm) * 200 mm -> 34 - Trennblätter * 300 mm -> Trennblätter noch nicht entwickelt Besonderheiten bei der Bearbeitung von Si-Wafer: hohe Werkstoffhärte (Mohs-Härte 7), extreme Sprödbruchempfindlichkeit, hohe Anforderungen an die Maß- und Formgenauigkeit sowie Oberflächengüte, unvermeidbare mechanische Schädigung der oberflächennahen Kristallschichten.

12 Technologie des ID-Trennschleifens: Unkonventionelles WZ bestehend aus WZ-Kern, der durch eine hochfeste kaltgewalzte Edelstahlronde mit Dicke zwischen 100 µm und 170 µm gebildet wird. Am Innenrand wird galvanisch ein mehrschichtiger Naturdiamantbelag in Nickelbindung aufgebracht, der die etwa 0,3 mm breite Schneidkante bildet. Trennblatt wird einem Trommelfell vergleichbar mit spezieller Spannvorrichtung am Außenrand gespannt, dabei wird das WZ radial aufgeweitet und erhält seine notwendige Steifigkeit. (Rundlaufgenauigkeit am Innendurchmesser ca. 10 bis 20 µm) Werkstück führt radiale Vorschubbewegung (v f = 10 m/s bis 26m/s) relativ zum rotierenden WZ aus. Wasser wird als Kühlmittel direkt an der Schneidkante mittels Düse eingebracht. Si-Späne werden unter Einwirkung der Fliehkraft aus dem Spalt abtransportiert. Entnahmevorrichtung saugt Wafer mit Unterdruck an. Probleme: Ebenheitsfehler des Wafers nach dem Trennschleifen, Bow (Wafer hat Form eines Bogens) verursacht durch Prozeßkräfte (axiale Auslenkung des Trennblattes und Eigenspannungen durch plastische Deformationen - Versetzungskonzentration). Werkstückschädigung des einkristallinen Werkstoffes (Damagetiefe). Weitere Arbeitsschritte: Planparallelläppen Einseitiges mechanisch-chemisches Polieren Neu: Einsatz des Seiten-Planschleifens mit Diamant- Topfschleifscheiben (Rückseitenschleifen) Vorteile: hohe Zerspanleistungen gute Automatisierbarkeit hohe erzielbare Waferqualität (Ablösung des Läppens möglich)