Innovatives Flachhonen mit keramisch gebundenen Schleifund Konditionierwerkzeugen - eine neue Systemlösung P. Beyer, M. v.

Transkript

1 Innovatives Flachhonen mit keramisch gebundenen Schleifund Konditionierwerkzeugen - eine neue Systemlösung P. Beyer, M. v. Ravenzwaaij Der Prozess des Flachhonens ist seit langem zur hochpräzisen Bearbeitung keramischer, metallischer und polymerer Bauteile etabliert, sobald es um die Anforderung höchster Planparallelitäten geht [1]. Im Gegensatz zu bekannten Schleifverfahren mit steigender Tendenz zu Hochgeschwindigkeitsprozessen [2], wie z.b. Außenrund-, Schälschleifund Tiefschliffprozesse mit primär linienförmiger Kontaktzone zwischen Werkzeug und Schleifkörper, können beim Flachhonen die zu bearbeitenden Flächen bis nahezu 100 % im Kontakt mit dem Bearbeitungswerkzeug stehen. Daraus ergeben sich trotz niedriger Schnittgeschwindigkeiten hohe Abtragsvolumina, gekennzeichnet durch geringe thermische Belastung und Verzug der Bauteile. Durch die charakteristische Planetenkinematik herrschen unterschiedliche Belastungen der einzelnen Schleifkörner, mit einem daraus resultierenden Verschleißbild als Funktion des Scheibenteilkreises. Dem ist bei der Auslegung des Werkzeuges, der Maschine, bei der Anwendung sowie beim Konditionieren stets Rechnung zu tragen. Die immer höheren Anforderungen der Werkstücke bezüglich der Maß-, Form- und Lage-Toleranzen, sowie die Zielsetzung der immer währenden Kostensenkung durch kontinuierliche Prozessverbesserung sind nur durch eine enge Zusammenarbeit zwischen Werkzeug- und Maschinenhersteller realisierbar. Auch beim Flachhonen ermöglichen neue Systeme zunehmend die nochmalige Steigerung des Zeitspanvolumens durch erhöhte Schnittgeschwindigkeiten. Der vorliegende Beitrag zeigt die Optimierung eines Systems im Bereich des Flachhonens, auch "Sauberes Läppen mit Planetenkinematik" genannt [1], mit welchem heute praktisch jeder Werkstoff, vom weichen Kunststoff, über (Sin- ter-) Metalle und Keramiken bis zu hochfesten PKD-Verbindungen, mit geeigneten Schleif- und Konditionierwerkzeugen prozesssicher bearbeitet werden kann. Stand der Technik Das Zweischeiben-Prinzip des Läppverfahrens mit Planetenkinematik (rollendes Korn) ist seit langem etabliert. Klassische Maschinenkonstruktionen weisen in diesem Bereich eine sogenannte C- Gestellbauweise auf. Der Prozess ist durch den Einsatz von Ölen und ungebundenen Läpppasten vergleichsweise reinigungsintensiv, welches sowohl bezüglich der Teilestückkosten als auch in Hinblick auf mögliche Entsorgungsprobleme als kritisch zu bewerten ist. Die Einführung von Bearbeitungswerkzeugen mit gebundenem Korn, z.b. Diamant oder kubischem Bornitrid (CBN), ist damit für die Prozessentwicklung generell als deutliche Innovation zu werten. Erste Anwendungen konnten mit kunstharz- und metallgebundenen Schleifwerkzeugen realisiert werden. Die aus den großen Kontaktflächen der Bauteile resultierenden Prozesskräfte führten jedoch zunächst zu zahlreichen maschinen- und prozesstechnischen Schwierigkeiten. Fehlende, auf den Prozess des Flachhonens ausgelegte, konstruktive Anpassungen der Maschine im Bereich der Drehzahlregelung sowie zeitgemäße Steuerungen ermöglichten daher lange Zeit nur begrenzte Produktivitätssteigerungen. Erst der Einsatz keramisch gebundener Werkzeuge erbrachte entscheidende Fortschritte im Vergleich zu klassischen Läppverfahren [3]. Als weiterer Schritt ist die technische Auslegung in Form einzelner Pellets zu werten, welche die Zahl der bei der Bearbeitung eingreifenden Schneiden neben der Konzentration durch das Belegungsmuster einer Scheibe kalibriert. Im Bereich der keramischen Bindung von CBN und Diamant selbst ist jedoch lange Zeit vergleichsweise wenig Entwicklungsarbeit geleistet worden. In der Regel wurden vorhandene Systeme anderer Prozesse nur geringfügig modifiziert und adaptiert. Des Weiteren ist die Konditionierung der Schleifwerkzeuge bisher 202

2 Verfahren 1a Prinzipielle Anordnung der Bearbeitungszone einer Flachhonmaschine wenig prozesssicher. Üblich ist z.b. zur Schärfung von Diamantscheiben der Einsatz von weichen Korundsteinen [4], auf den Läuferscheiben montierter SiC-Ringe oder ungebundener Schleifmittel. Alle Verfahren erfordern eine große Erfahrung, sind zeitaufwändig und aufgrund der Personenabhängigkeit nur bedingt prozesssicher. Die prinzipielle Werkstück/Werkzeuganordnung sowie die Relativbewegung aufgrund der Planetenkinematik zeigen die Bilder 1a und 1b. Die sich daraus ableitenden Verschleißbilder am Werkzeug werden in Bild 2 schematisch dargestellt. Die Grenze eines jeden Prozesses bildet jeweils das schwächste Glied in der Kette. Eine innovative Prozessverbesserung ist damit nur durch eine konzeptionelle Neuauslegung des Gesamtsystems möglich, welches nur durch koordinierte Maschinen- und Werkzeugentwicklung erfolgreich sein kann. Maschinenentwicklung 1b Planetenkinematik beim Flachhonen men ist die als ideal anzusehende Portalbauweise, realisiert in der neuen DLM 05-Baureihe (DLM 705, DLM 1005, DLM 1505). Bei den bisherigen Waagebalken-Systemen (mit oder ohne schwenkbarem Kopf) war jeweils die Lagerung ein Punkt, welcher die dort gewählte CGestell-Bauweise schwächte. Dieser Nachteil entfällt bei der Portalbauweise. Die so optimierte Konstruktion ermöglicht damit Bearbeitungskräfte von bis zu vier Tonnen. Zu weiteren konstruktiven Verbesserungen zählt die Entkoppelung sämtlicher Motoren von den Antriebswellen, d.h. eine mögliche Verformung ist nicht mehr leistungsabhängig, eine auf 400 U/min gesteigerte Drehzahl (aktuelle Versuche sogar bis 2000 U/min), sowie eine deutlich verbesserte Zugänglichkeit für den Bediener. Somit lassen sich die Schlüsselbearbeitungsparameter Anpresskraft und Schnittgeschwindigkeit, bezogen auf die Abtragsleistung, werkstoffund werkstückspezifisch optimal auswählen. Einen Überblick der zur Verfügung stehenden technischen Parameter gibt Tabelle 1. Damit sind die entscheidenden Voraussetzungen zur Entwicklung des Flachhonens zum Flachschleifen mit Planetenkinematik gegeben. In Kombination mit jüngsten Werkzeugentwicklungen, wie z.b. 2 Mögliches Verschleißbild an Werkzeugen zum Flachhonen 3 Stähli DLM 705 Ein entsprechendes Maschinenkonzept muss folgende grundsätzliche Faktoren bei einer Neukonstruktion berücksichtigen: stabiles verwindungssteifes Maschinenkonzept weiter Bereich der Scheibendrehzahlvariation auf die zu bearbeitenden Werkstoffe adaptierbare (ggf. höhere) Kraftaufbringung Der signifikanteste konstruktive Unterschied zu vorhandenen Syste- 203

3 DLM 705 DLM 1005 DLM 1505 Außen-Ø der Arbeitsscheiben mm mm mm Anzahl Läuferscheiben 4-7 Distanz zwischen den Arbeitsscheiben < 390 mm Werkstückbelastung stufenlos (4000) dan (6000) dan (8000) dan PC-Bediensteuerung Frei programmierbar Abschaltgenauigkeit 0,1 µm Kühlung der Arbeitsscheiben Ja Drehzahlen obere und untere Arbeitsscheibe, stufenlos Flachhonen und Feinschleifen (400) min (15-350) min (10-200) min -1 Mittenantrieb (200) min (7-180) min (5-100) min -1 Drehrichtung der Antriebe Frei programmierbar Arbeitsleistung Gesamte Arbeitsleistung 22 (39) KW 40 (61) KW 61 (97) KW Abmessungen inkl. Schutzhaube B x T x H ca x 1700 x 2600 mm ca x 2100 x 2620 mm ca x 2800 x 2720 mm Gewicht Ca kg Ca kg Ca kg Optionen Halb- und Vollautomation, Roboterbeladung, Verkettung Anbindung an Präzisions-Bürstanlagen Ja Ja Tabelle 1: Technische Daten der 05-Reihe der HPB-Technologie [5], ist das schwächste Glied in der Kette fortan das Werkstück selber, bzw. ggf. die Läuferscheibe (Schablone), in welcher das Werkstück geführt wird. Werkzeugentwicklung Neben der grundlegenden Auslegung der Maschinenkonstruktion wird der Prozess zu einem wesentlichen Teil durch die Auswahl geeigneter Schleif-/Hon- und Konditionierwerkzeuge bestimmt. Zur Aus- legung von Hochleistungsschleifoder Honprozessen kommt hierbei aufgrund ihrer systemspezifischen Vorteile bevorzugt die keramische Bindung von CBN- und Diamantkörnungen zum Einsatz. Wesentliche Vorteile sind dabei die sehr schneidfreudige Schleifkörpertopografie, daraus resultierender geringer Arbeitsdruck und mögliche sehr kurze Bearbeitungszeiten bei gleichzeitig exzellenter Werkstückgeometrie. Eine Übersicht über die technologischen Grundlagen keramisch gebundener Schleifwerkzeuge ist [5] zu entnehmen. Im Folgenden soll 4 Links: Standardstruktur, Korngröße 230 mesh Rechts: Hochporöse Struktur mit definierter Porenradienverteilung, Korngröße 230 mesh nur auf die spezifischen Anpassungen zum Flachhonen eingegangen werden. Spezifikationsauslegung der Schleifwerkzeuge Aufgrund der großen Kontaktflächen ist zur Erzielung einer hohen Abtragsleistung in der Regel eine vergleichsweise niedrige CBN/DIA-Konzentration im Bereich von C50-C75 mit einer möglichst porösen Struktur zu wählen. Die breite Möglichkeit zur Einstellung der Parameter Schleifkornkonzentration, Porenvolumen und Porenradienverteilung ist in dieser Variabilität nur mit Hilfe der keramischen Bindungstechnologie möglich. Die Porenstruktur garantiert hierbei die Kühlschmiermittelzufuhr und den Spanabtransport und ist bezüglich der Parameter Porenvolumen und Porenradienverteilung einstellbar (Bild 4). Aufgrund der großen Kontaktflächen und hohen anfallenden Spanmengen beim Flachhonen wird diese Funktion außerdem durch das 204

4 Verfahren 5 Keramisch gebundene CBN-Schleifscheibe in Verbundtechnologie Spaltvolumen zwischen den in der Regel hexagonalen Pellets unterstützt bzw. bestimmt. Mit zunehmender Abnutzung des Schleifbelages reduziert sich durch eine sinkende Spalttiefe dieses bis nahezu auf null. Um diesen negativen Effekt zu vermeiden, besteht die Möglichkeit die Pellets mit einem keramischen Träger (Blindbelag) zu versehen (Bild 5). Verbundwerkzeugtechnologie Die wirtschaftliche Herstellung dieser als Verbundwerkzeuge oder pellets bezeichneten Strukturen erfolgt durch ein kombiniertes Pressen von Schleif- und Blindbelag. Verfahrensbedingt muss der Blindbelag aufgrund des keramischen Herstellungsprozesses den thermischen und physikalischen Eigenschaften des Schleifbelages angepasst werden, um beim konsolidierenden Brennprozess spannungsfrei zu versintern. Hierbei sind für den Entwickler beim Schleifwerkzeughersteller die Faktoren Korngröße und Konzentration, thermischer Ausdehnungskoeffizient sowie Sinterschwindung entsprechend einzustellen. 6 Technische Auslegung zur Stabilisierung der Randzone einer CBN/DIA-Scheibe zum Flachhonen (schematisch) - GoldfischliPellets tigt. Zur Vermeidung zu großer Spaltmasse im Randbereich wird der Außen- und Innendurchmesser mit Doppelpellets, sogenannten "Goldfischli-Pellets", belegt (Bild 6). Abricht-/Konditionierwerkzeuge Um den gesamten Schleifprozess werkzeugseitig zu optimieren ist zu diskutieren, ob bei der Wahl des Konditionierwerkzeuges neue Ansätze möglich sind, welche in Qualität und Zeitaufwand den langwierigen Einrichtprozess verkürzen können. Dabei ist neben der Egalisierung von CBN-Schleifbelägen vor allem die Problematik der Rekonditionierung von Diamantwerkzeugen ein bisher nur wenig zufriedenstellend gelöster Prozess. Der grundlegende bindungstechnologische Ansatz zur Auslegung neuer Abrichtwerkzeuge ist mit keramisch gebundenen DiamantWerkzeugen der vdd-technologie (vitrified Diamond Dresser) gegeben [6]. Die bekannten Vorteile bezüglich geringerer Abrichtkräfte, einer "freischneidenden" hohen Konditionierleistung und einer exzellenten Schleifscheibenegalisierung lassen die Bearbeitung von großflächigen Schleifscheiben zum Flachhonen als geradezu prädestiniert erscheinen. Eine entsprechende konstruktive Auslegung zeigt Bild 7, bzw. im Einsatz Bild 8. Die Konditionierwerkzeuge werden dabei, montiert auf Läuferscheiben, rotierend über die Schleifwerkzeugfläche analog zum Teilefluss bewegt. Anwendungsbeispiele Jüngste technische Entwicklungen beim Anwender führen verstärkt zum Einsatz neuer und in der Regel schwer zerspanbarer Materialien. 7 vdd-abrichtwerkzeuge der Spezifikation D P X150-V Konstruktive Details Zur konstruktiven Optimierung des Schleifwerkzeuges wird des Weiteren die in der Anwendung stets wiederkehrende Problematik der Scheifbelagsschädigung beim Einlauf der Werkstücke berücksich- 205

5 8 Abricht- und Schärfring im Einsatz Anwendungsbeispiel 1: Kombination Stähli DLM 705, Meister HPB Vit-CBN und vdd Technologie Anwendung: Flachhonen auf Stähli DLM 705 unter Öl Material: Sinterstahl D Aufmaß: 0,3 mm oder 300 µm Anz. Teile / Ladung: 6 Läuferscheiben zu 10 Teilen = 60 Teile Belegung: 19 % Honwerkzeug: Swiss Master HPB Vit-CBN CB P X75-V51-31 Abrichtwerkzeug und Swiss Master vdd Schärfwerkzeug: D P X150-V Resultate Swiss Master HPB Vit-CBN Standard - Bearb.-Zeit / Ladung 2 min 3-7 min - Bearb.-Zeit / Wkst 2 s 3-7 s - Maßhaltigkeit ± 1 µm ± 2 µm - R z 2-3 µm 2-3 µm - Ebenheit 0,5 µm 1-1,5 µm Abrichtintervall nach Montage 30 s 1 Mal pro Tag 60 s Schärfintervall 1 Mal pro Tag 20 s 2-3 Mal pro Schicht 60 s (bei > 7 min Bearb.-Zeit) Anwendungsbeispiel 2: Kombination Stähli DLM 705, Meister Vit-CBN und vdd Technologie Anwendung: Flachhonen auf Stähli DLM 705 unter Öl Material: 100 Cr 6 Aufmaß: 0,2 mm oder 200 µm Anz. Teile / Ladung: 6 Läuferscheiben zu 390 Teilen = 2340 Teile Honwerkzeug: Swiss Master Vit-CBN CB P V51-32 Abrichtwerkzeug und Swiss Master vdd Schärfwerkzeug: D P X150-V Resultate Swiss Master Vit CBN Standard - Bearb.-Zeit / Ladung 2,5 min 2,5-7 min - Bearb.-Zeit / Wkst 0,065 s 0, s - Maßhaltigkeit ± 1.5 µm ± 3 µm - R z 0,6-0,8 µm 0,8-2,5 µm Abrichtintervall nach Montage 30 s nach Montage 60 s Schärfintervall nach ca Teilen nach ca Teilen Dabei haben werkstoff- und fertigungstechnisch die Sintermetalle aufgrund ihrer von metallurgischen Prozessen weitestgehend unabhängigen Zusammensetzungen stark an Bedeutung gewonnen. Verfahrensbedingt resultieren jedoch in Bezug auf die Zerspanbarkeit Gradienten in der Werkstoffhärte. Die bisherigen Bearbeitungsstrategien erforderten daher einen zweistufigen Prozess mittels einer vorgeschalteten Drehoperation. Einer reinen Schleifbearbeitung stand bisher der schnelle Verlust der freischneidenden Eigenschaften eines Werkzeugs und damit häufiger Nachschärfintervalle, oder der Verschleiß des Werkzeuges mit einem Geometrieverlust der Schleifscheibe entgegen. Infolgedessen wurde zusätzlich das Schwingungsverhalten der Maschine ungünstig beeinflusst, so dass enge Toleranzen bezüglich der Maßhaltigkeit der Werkstücke nicht realisierbar waren. Im vorgestellten Anwendungsbeispiel (1) lässt sich mit Hilfe moderner Flachhontechnologie diese Bearbeitung prozesssicher auf einen einstufigen Prozess reduzieren. Mit Einsatz der HPB-Schleifwerkzeugtechnologie auf der neukonstruierten DLM 705 kann dieses signifikant verbessert werden. Kürzere und konstantere Laufzeiten bei besserer Qualität, deutlich längere Konditionierintervalle sowie eine verminderte Gratbildung garantieren eine produktive und prozesssichere Fertigung. Ein weiteres Anwendungsbeispiel (2) zur Bearbeitung von 100 Cr 6- Bauteilen für einen optimierten Prozess von Maschine, Bearbeitungswerkzeug sowie Konditionierscheibe bestätigt die optimale Auslegung des Gesamtkonzeptes von Maschinenhersteller und Werkzeuglieferant. Ausblick Auch im Bereich des Flachhonens dürfte sich der allgemeine Trend zugunsten keramisch gebundener Hochleistungswerkzeuge, nicht zuletzt durch die inzwischen deutlich geeigneteren Maschinenkonzepte, 206

6 weiter fortsetzen. Dabei wird zukünftig auch die Kombination der vdd-technologie mit der Konditionierung keramisch gebundener Diamantwerkzeuge zum Flachhonen von z.b. technischer Keramik Gegenstand detaillierter Versuche sein. Die vorgestellten Anwendungsbeispiele zeigen dabei deutlich, dass nur durch eine enge Kooperation des Maschinenherstellers mit dem Werkzeuglieferanten das Gesamtsystem zur Bearbeitung gezielt optimiert werden kann. Sowohl innovative Maschinenkonzepte, als auch neue Ansätze im Bereich der Werkzeugentwicklung ermöglichen dabei in enger Abstimmung einen signifikanten Produktivitätszuwachs für den Anwender. Literatur [1] Stähli, A.W. "Läppen und Flachhonen mit Zweischeiben-Maschinen", Firmenschrift A.W. Stähli AG (1998) [2] Yegenoglu, K. "Maschinentechnische Voraussetzungen zum Hochleistungsschleifen", 7. Int. Braunschwg. FBK, Schriftenreihe des IWF, Vulkan-Verlag Essen (1993) [3] Dennis, P., Preising, D., v. Mackensen, V., Longerich, W. "Feinschleifen Substitution des Läppens", Schleiftechnisches Kolloqium Aachen 1997, VDI Verlag 1997, 16-1 [4] Benguerel, R. "Feinschleifen technischer Keramik mit Diamant-Cluster-Scheiben", IWF Kolloqium 2000 [5] Beyer, P. "Die HPB-Technologie für Vit-CBN- Schleifwerkzeuge", IDR 4 (2004) 344 Bildnachweis: Bilder 1 bis 3 und 8 A.W. Stähli AG, Pieterlen, Schweiz; Bilder 4 bis 7 Meister Abrasives AG, Andelfingen, Schweiz. Dr.-Ing. Peter Beyer ist Leiter Technik, F+E, Produktion und in dieser Funktion Mitglied der Geschäftsleitung bei der Meister Abrasives AG in Andelfingen, Schweiz. Marc van Ravenzwaaij ist Anwendungstechniker TS bei der Fa. A.W. Stähli AG in Pieterlen, Schweiz. 207