K. Wegener, S. Buhl, N. Jochum, R. Transchel Zerspanungsanalyse von ZrO 2 -Strukturkeramik mit gelöteten Diamantkörnern In den letzten Jahren ist ein rasch zunehmender Einsatz von präzisen technischen Komponenten und Produkten aus keramischen Werkstoffen in der Automobil- und Medizinaltechnik zu verzeichnen. Unter anderem trägt dazu die Entwicklung leistungsfähigerer Keramiken sowie die damit einhergehende Weiterentwicklung dazugehöriger Prozesse und Werkzeuge bei. Insbesondere die Forderung nach schnellen und kosteneffizienten Prozessen zeigt, dass weitreichende Kenntnisse über die effiziente und wirtschaftliche Zerspanung sowie über die Abtragsmechanismen in Keramiken im gesinterten und nachverdichteten (gehipten) Zustand erforderlich sind. In vorangegangenen Zerspanungsanalysen konnte die wirtschaftliche Fertigung von dreigliedrigen Zahnbrücken nachgewiesen werden. Für eine grundlegende Untersuchung der Abtragsmechanismen insbesondere der Interaktion zwischen Abrasivpartikel und Werkstück bietet sich der Einzelkornritzversuch an, um Basisinformationen zu gewinnen, aus denen dann das Verhalten der Schleifscheibe synthetisiert werden kann. Prof. Dr. Konrad Wegener Institutsleiter des IWF und Leitprofessor bei der inspire AG Dr. sc. ETH Sebastian Buhl Wissenschaftlicher Mitarbeiter beim Institut für Werkzeugmaschinen und Fertigung der ETH Zürich Dipl.-Ing. Nicolas Jochum Wissenschaftlicher Mitarbeiter bei der inspire AG Dipl.-Ing. Robert Transchel Wissenschaftlicher Mitarbeiter beim Institut für Werkzeugmaschinen und Fertigung der ETH Zürich Für die Zerspanung hochfester und sprödharter Materialien wie z. B. Dentalkeramiken werden in den meisten Fällen Diamantwerkzeuge eingesetzt, da diese sich durch ihre hohe Zerspanungsleistung und Verschleissfestigkeit auszeichnen. Die zunehmende Anforderung der Industrie nach effizienteren Prozessen und wirtschaftlicheren Standzeiten angewandter Werkzeuge resultiert in einem gleichermassen ansteigenden Interesse der Wissenschaft die Zerspanungsoperationen bei solchen Materialien zu untersuchen. Durch zunehmende Druckspannungen lassen sich auch spröde Materialien verformen und somit duktil schneiden, wenn die Zerspanungsbedingungen geeignet gewählt werden. Dies erfolgt bei genügend kleinen Spanungsdicken und großen Schneidkantenradien an einzelnen Abrasivkörnern. Prinzipiell ist der Schleifspalt messtechnisch kaum zugänglich wie z. B. in [2,3] festgestellt wurde. Einzelkornritzversuche bieten daher eine vielversprechende Methode die Abtragsmechanismen (z. B.: Prozesskraft, Ritztopographie, etc.) einzelner Körner während der Materialinteraktion zu untersuchen, wenn auch eine gegenseitige Beeinflussung der einzelnen Körner im realen Schleifprozess nicht vollständig ausgeschlossen werden kann. Versuchsaufbau Eine Vielzahl von Schleifprozessen basiert auf einer Prozesskinematik mit rotierendem Werkzeug, infolgedessen aktive Schleifkörner einen sichelförmigen Pfad durch das Material durchlaufen. Zur Nachbildung dieser Kinematik werden die Einzelkornritzversuche mit rotierendem Werkzeug durchgeführt. Dabei wird entsprechend Bild 1 in eine Metallscheibe ein austauschbarer Stift mit einem auf der Stirnfläche aufgelöteten Diamanten eingesetzt. Dieser ermöglicht eine Nachbildung prozessnaher Kontaktbedingungen zwischen dem Korn und dem Material. Die Prozesskraftmessung erfolgt einem speziell entwickelten Dynamometer, MicroDyn genannt, welches in [5] beschrieben ist. Es zeichnet sich dadurch aus, dass seine niedrigste Eigenfrequenz bei ca. 15 khz liegt, was Anregungsfrequenzen bis zu 5 khz zuverlässig messbar macht. Das MicroDyn wurde speziell für die Durchführung von Einzelkornritzversuchen entwickelt und beinhaltet 42 dihw 4 4 2012
eine Werkstückaufnahme, die hinsichtlich der Werkstückgeometrie modifiziert wurde. Die Empfindlichkeiten des Dynamometers liegen bei ca. 13 pc/n in X-Richtung und ca. 26 pc/n in Y- und Z-Richtung weshalb auch sehr geringe Prozesskräfte auswertbar sind. Aufgrund der relativ kurzen Kontaktzeiten zwischen dem Korn und dem Material wurde eine Abtastrate von rund 150 khz gewählt, um hinreichend genügend Messpunkte während des Korndurchgangs zu erhalten. Infolge der Rotation und einer überlagerten axialen Vorschubbewegung mit Vorschubgeschwindigkeit v f des zylindrischen Grundkörpers können mehrere parallel zueinander positionierte Ritze in die Materialprobe eingebracht werden. Unter Zuhilfenahme einer Hochgeschwindigkeitskamera des Typs Vision Research Phantom V12.1 wurde der Materialabtrag beobachtet und nachträglich ausgewertet und analysiert. Aufgrund der Tatsache, dass die Schnittgeschwindigkeit v c viel größer als die Vorschubgeschwindigkeit v f ist, wird nur die Schnittgeschwindigkeit v c für die sich ergebende Schleifgeschwindigkeit berücksichtigt. Die Werkstücke sind aus einer gesinterten und nachverdichteten Zirkonoxid-Strukturkeramik der Firma Metoxit AG, welche unter der Bezeichnung TZP-A BIO- HIP geführt wird. Die Zusammensetzung beträgt 95 % ZrO 2, 5 % Y 2 O 3 und 0,25 % Al 2 O 3. Diese Strukturkeramik wird durch die Zugabe von Y 2 O 3 stabilisiert, so dass das Zirkonoxid bei Raumtemperatur in der metastabilen Phase also in der tetragonalen Form vorliegt. Des Weiteren wird diese Keramik durch die Zugabe von 0,25 % Al 2 O 3 verstärkt, welches die hydrothermale Beständigkeit (Alterung) und die Biegefestigkeit von 1.100 auf 1.200 MPa erhöht sowie die Phasentransfomationsrate der tetragonalen in die monokline Phase des ZrO 2 um ca. 10 % senkt. Durch die Reduktion der Phasentransformation von der tetragonalen in die monokline Phase wird das Potenzial zur Bildung von sehr kleinen Mikrorissen, welche durch die Volumenzunahme des ZrO 2 bei der Phasentransformation entstehen, direkt verringert. Da diese Volumenzunahme mit der Indizierung von Druckspannung einhergeht, können bis zu einem gewissen Grad die vorhandenen und entstehenden Risse an einem Risswachstum gehindert werden. In der Literatur wird dieser Sachverhalt auch als Selbstheileffekt der ZrO 2 -Keramik bezeichnet. Kinematik und Versuchsdurchführung Die Kontaktverhältnisse für die Einzelkornritzversuche während des Materialkontaktes sind in Bild 2 dargestellt. Der Werkzeugradius r WZ EK wird durch den Abstand der Schneidkante des Kornes zur Rotationsachse bestimmt. Die Segmentlänge s EK des Kreissegments wird direkt durch die Kornzustellung a g festgelegt. Für die Versuchsreihe kamen Industriediamanten der Körnung D356 zum Einsatz welche jeweils mit Schnittgeschwindigkeiten von 5 m/s und 30 m/s durch das Material bewegt wurden. Die Diamantmorphologie korreliert mit der eines abgestumpften Oktaeders, welcher vor dem Lötprozess auf einer der vorhandenen Viereckflächen auf dem Grundkörper aufgesetzt wurde (Bild 3). Infolge einer während des Versuchs konstant zunehmenden Zustellung wird sowohl die Phase des duktilen als auch des spröden Abtragsmechanismus durchlaufen. Bild 1 Versuchsstand der Einzelkornritzversuche (groß), Detailaufnahme des Eingriffs. Bild 2 Geometrisch-kinematische Verhältnisse während des Materialkontaktes. dihw 4 4 2012 43
Bild 9) vor. Des Weiteren kommt es zu plastischen Verformungen wie z. B. Materialaufwurf an den Ritzspurrändern. Insbesondere die hohe Wärmezufuhr, welche in den Zerspanungs- sowie in den Einzelkornritzversuchen (vgl. Bild 8) beobachtet wurde, spielt eine grosse Rolle für das duktile Verhalten dieser Werkstoffe. Auf der Basis eines Vergleichs der im Prozess umgesetzten Spanungsdicken mit der kritischen Spanungsdicke des verwendeten sprödharten Materials kann eine Unterteilung des Abtragsmechanismus erfolgen. Bild 3 Morphologie des Diamantkorns nach [6]. Bild 4 Spröde Abplatzung auf Werkstückseite. Die Kornzustellungen variierten in allen Versuchen zwischen 0.1 µm bis 15 µm. Vorschubgeschwindigkeiten wurden zur Gewährleistung mehrerer Furchen auf der Probe angepasst. Abtragsmechanismen Das klassische Abtragsmodell spröder Materialien nach Saljé [6] berücksichtigt einen Werkstoffabtrag in Form von spröd-gebrochenen Partikeln sowie die Ausbildung eines Risssystems (vgl. Bild 7). Die Partikel setzen sich in dieser Modelvorstellung ausschliesslich aus Spänen und Abplatzungen zusammen (Bild 4). Je nach erreichten Spanungsdicken im Prozess können jedoch die verschiedenen Abtragsmechanismen spröde oder duktil vorkommen. Duktile Zerspanungsprozesse unterscheiden sich in erster Linie durch das Fehlen von Abplatzungen und Rissen. Der eigentliche Materialabtrag weist Analogien zu dem spröden Abtragsmechanismus auf, da in den meisten Fällen ebenfalls viele kleine Partikel vorliegen und nicht ein einzelner Span wie im Zerspanungsprozess rein duktiler Materialien. Allerdings liegen diese Partikel sowohl als spröde Bruchstücke wie auch in duktilen und teilweise in sehr großen duktilen Spanformen mit Schwerspanelementen (vgl. Bild 5 und Die Bestimmung der Spanungsdicke kann sowohl über die äquivalente Spanungsdicke h eq oder über die mittlere Spanungsdicke nach Denkena/Tönshoff [3] erfolgen, wie in folgender Gleichung dargestellt. Diese liefert eine sehr gute Näherung der Spanungsdicken zu den Werten der durchgeführten Untersuchungen. Die kritische Spanungsdicke berechnet sich nach Bifano [1] anhand der nachfolgenden Formel. Bild 5 Ritzende mit duktilen Spänen. 44 dihw 4 4 2012
Bild 6 Fortschreitende Ausbreitung der Schicht auf der Diamantfreifläche. Mit dem Oberflächenschädigungsfaktor ψ für spröde Materialien, welchen Bifano allgemein mit ψ = 0.15 angibt und den Materialkenngrössen E-Modul E in [N/mm 2 ], Vickershärte H in [N/mm 2 ] sowie der Risszähigkeit K c in [MN/m 3/2 ] lässt sich die kritische Spanungsdicke, oberhalb der ein spröder Materialabtrag stattfindet, ermitteln. Die Einzelkornuntersuchungen zeigen, bei welchen Prozessgrößen die jeweilige Abtragsart für die untersuchte ZrO 2 -Strukturkeramik vorliegt. Anhand dieser Ergebnisse kann die Berechnung der kritischen Spanungsdicke nach Bifano [1] für die hier zerspante Strukturkeramik angepasst werden. Die Anpassung des Oberflächenschädigungsfaktors ψ für die Untersuchte ZrO 2 - Strukturkeramik in Abhängigkeit der untersuchten Schnittgeschwindigkeiten erfolgt aus Einzelkornritzversuchen und führt für eine Schnittgeschwindigkeit von v c = 5 m/s zu einem Oberflächenschädigungsfaktor von ψ = 0.06 bzw. für eine Schnittgeschwindigkeit von v c = 30 m/s zu ψ = 0.12. Dabei wurde als Kriterium für den Übergang der duktilen in die spröde Zerspanung die Werkstückschädigung, also die Rissbildung am Ritzgrund als ausschlaggebend angenommen. Dazu wurden mehrere ZrO 2 -Proben mit zwei verschiedenen Diamantgrößen bearbeitet und jeweils 30 Ritze bezüglich ihrer Schnitttiefe ausgewertet. Als kritische Spanungsdicke hat sich so für eine Schnittgeschwindigkeit von v c = 5 m/s eine h cu crit von 0.2 bis 0.4 µm und für eine Schnittgeschwindigkeit von v c = 30 m/ s eine h cu crit von 0.5 bis 0.7 µm ergeben. Verschleißanalyse Während der Versuche konnte trotz der vergleichsweise hohen Zustellungswerte kein Bruch oder Ausbruchverhalten der Diamanten aus der Lotbindung beobachtet werden. Jedoch ist nach wiederholt durchgeführten Zerspanungsversuchen mit identischen Diamantkörnern in einem Fall eine sich sukzessiv fortschreitende Schicht auf der Diamantfreifläche beobachtet worden. Diese Schicht bildet sich, beginnend von der Hauptschneide, mit zunehmendem Zerspanungsvolumen immer weiter über die Freifläche aus, wie es in der Bildfolge in Bild 6 dargestellt ist. Eine Zunahme der Schichtdicke konnte dabei nicht festgestellt werden. Mittels energiedispersiver Röntgenspektroskopie (EDX) konnte an vier unterschiedlichen Messpunkten der Schicht festgestellt werden, dass sie ausschliesslich Zirkon und Sauerstoff enthält. Aufgrund der prozentualen Aufteilung von Zirkonium und Sauerstoff kann auf die Existenz von Zirkonoxid (ZrO 2 ) geschlossen werden. Vergleichsmessung auf der angrenzenden Fläche zeigen einen Kohlenstoffgehalt von 100 % an. (Bild 7) Eine genauere Betrachtung mittels Rasterelektronen-Mikroskop (REM) zeigt ein Anschmiegen der entstandenen Schicht über die Schneidkante hinweg an die Span- und Freifläche, welches auf ein Aufschmelzen oder durch Desublimation des Keramikmaterials hindeutet. Diese breitet sich mit fortschreitendem Einsatz des Diamantkornes aus (Bild 6). Ein solches Aufschmelzen wurde schon von Roth [5] angedeutet, der ein werkstückseitiges Aufschmelzen im Ritz nachweisen konnte. Ein Aufschmelzen setzt ein lokales Überschrei- Bild 7 EDX Analyse der abgelagerten Schicht. dihw 4 4 2012 45
Bild 8 Lichterscheinung während der Korn- Material Interaktion. während des Materialkontaktes und wird durch Schleifversuche bei denen es zu einem starken Aufleuchten der Keramikproben während der Schruppzyklen kam, bestätigt. Die hohen Prozesstemperaturen (zwischen 800 1.200 C) sorgen dafür, dass das abzutragende Material bereits soweit erwärmt wird, dass es sich duktil im Schnitt verhält und die Oberfläche durch das Schleifkorn duktil geglättet wird. Bild 9 Ritzspur links im Übergang zum spröden, rechts mit duktilen Spänen. ten der Schmelztemperatur voraus, welche bei reinem Zirkonoxid (ZrO 2 ) bei ca. 2.680 C liegt. Hochgeschwindigkeitsaufnahmen zeigen Leuchterscheinungen in der Kontaktzone sowohl bei einer Schnittgeschwindigkeit von 5 m/s als auch 30 m/s. Die Ausprägung des Leuchtens nimmt mit steigender Schnittgeschwindigkeit zu und beginnt augenscheinlich an den Ränder des Ritzes (vgl. Bild 8) an denen die Aufwürfe und das seitlich verdrängte Material zu erwarten ist (vgl. Bild 9). Diese Tatsache untermauert die Hypothese einer intensiven Wärmeentwicklung Zusammenfassung und Ausblick Die mit der Schnittgeschwindigkeit variierenden Oberflächenschädigungsfaktoren ψ zeigen eine Abhängigkeit der kritischen Spanungsdicke von der Schnittgeschwindigkeit auf. Demzufolge können Schleifprozesse von gesinterten und nachverdichteten Oxidkeramiken so ausgelegt werden, dass trotz höherer Vorschubraten vorrangig im duktilen Bereich Material abgetragen wird, welches weitaus weniger Radial- und Lateralrisse verursacht. Der Einfluss der entstandenen ZrO 2 -Ablagerungen auf der Freifläche des Abrasivkorns auf dessen Schnittfähigkeit und Verschleißbeständigkeit ist derzeit noch unbekannt. weitere Infos www.iwf.mavt.ethz.ch; www.inspire.ethz.ch Bildnachweis IWF und inspire AG Danksagung: Die Autoren möchten sich für die finanzielle Unterstützung seitens der Kommission für Technologie und Innovation (KTI) als auch für den technischen Support der Firma Metoxit AG bedanken. Literaturnachweis: [1] Bifano, T. G.; Dow, T. A.; Scattergood, R. O.: Ductile-Regime Grinding: A New Technology for Machining Brittle Materials, Journal of Engineering for Industry, S. 184 189, 05/1991 [2] Brinksmeier, E. J.; Autrich, C.; Govekar, E.; Heinzel, C.; Hoffmeister, H.-W.; Klocke, F.; Peters, J.; Rentsch, R.; Stephenson, D. J.; Uhlmann, E.; Weinert, K.; Wittmann, M.: Advances in Modeling and Simulation of Grinding Processes, CIRP Band 55.2, S. 667 696, 02/2006 [3] Brinksmeier, E.; Mutlugünes, Y.; Klocke, F.; Autrich, J. C.; Shore, P.; Ohmori, H.: Ultra-precision grinding, CIRP Manufacturing Technology 59, S. 652 671, 2010 [4] Denkena, B.; Tönshoff, H.: Spanen, 3. erweiterte bearbeitete Auflage, Springer Berlin Heidelberg New York/VDI, Universität Hannover, 2011 [5] Roth, P.: Abtrennmechanismen beim Schleifen von Aluminiumoxidkeramik, Dissertation, IFW, Universität Hannover, 1995 [6] Saljé, E.; Möhlen, H.: Prozessoptimierung beim Schleifen keramischer Werkstoffe, Industrie Diamanten Rundschau, IDR 21, Heft 4, 1987 [7] Transchel, R.; Stirnimann, J.; Blattner, M.; Bill, B.; Thiel, R.; Kuster, F.; Wegener, K.: Effective Dynamometer for Measuring High Dynamic Process Force in Micro Machining Operations, CIRP Conference on High Performance Cutting, Zurich, S. 575 579, 2012 [8] Pinto, F. W.: An experimental and numerical approach to investigate the machining performance of Engineered Grinding Tools, Dissertation ETH Zurich, 2008 46 dihw 4 4 2012