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5.4 Hartbearbeitung – Toleranzen und Oberflächen

• Carsten RußnerCeramTec AGLauf a.d. PegnitzT. Ardelt u.a.

Die Folien finden Sie ab Seite 446.

Charakterisierung keramischer Oberflächen

Im vorliegenden Teil einer mehrteiligen Ausarbeitung werden dieEinflüsse einzelner Fertigungstechnologien erläutert

5.4.1 Einleitung

Die Oberflächentopographie einer keramischen Oberfläche ist nebendem Werkstoff entscheidend von den angewandten Fertigungstechno-logien und deren spezifischen Werkstofftrennmechanismen abhängig.Die Oberflächenentstehung wird von einer Vielzahl von Größen beein-flusst, die durch Werkzeug, Werkstück, Werkzeugmaschine und Pro-zess bestimmt werden. Im Folgenden werden verfahrensabhängigeOberflächencharakteristika für Bauteile aus technischer Keramik dar-gestellt, ohne detailliert auf einzelne dieser Einflussgrößen einzugehen.Als wichtigste Hartbearbeitungsverfahren werden zunächst die Techno-logien Schleifen, Honen, Läppen und Polieren behandelt und danachausgewählte Sonderverfahren diskutiert.

5.4.2 Geschliffene keramische Oberflächen

Charakteristisch für das Schleifen ist die Überlagerung einer Vielzahlbahngebundener Ritzbewegungen von Schleifkörnern durch den Werk-stoff sowie eine Hauptwirkrichtung parallel zur Werkstückoberfläche.

Mechanik und Elektrotechnik

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Ausgehend von den Prinzipien der Rissbildung lassen sich ver-schiedene Mechanismen der Oberflächenentstehung beim Schleifenvon Keramik ableiten: Die Ritzbewegung des Schneidkorns induziertdirekt Risse und spröde Ausbrüche und/oder Plastifizierungen sowieduktiles Abtrennen von Keramikpartikeln. Indirekt kommt es einerseitszur Ausbreitung und Fortpflanzung tieferliegender Risse zu Risssyste-men und dadurch zum Ausbrechen weiterer Partikel, deren Volumengrößer sein kann als das vom Schneidkorn verdrängte Volumen.Andererseits kann die thermische Einwirkung beim Schleifen zu Riss-stoppeffekten an plastifizierten Korngrenzen führen [UHL93, WEI97].

Anhand von Bearbeitungsspuren aus Modellversuchen lassen sich die-se Werkstofftrennmechanismen zeigen. In Bild 1 ist ein Bereich mitvorwiegend plastischen Verformungen an der Oberfläche, ein Bereichmit vorwiegend Sprödbruch sowie ein Rissbereich deutlich zu unter-scheiden. Dieser ist durch mikroskopische Axial-, Radial- und Lateral-risse gekennzeichnet.

plastische Verformung Sprödbruch Rissbereich

Schleif-richtung

Schleif-richtung

10 µm

Reliefschnitt

Quelle: [WIM95]

Bild 1: Unterschiedliche Werkstofftrennmechanismen beigeschliffenem Siliciumnitrid [WIM95]

Oberflächen, deren Entstehung wesentlich von plastischen Ver-formungsvorgängen bestimmt wird, weisen gemäß der im ersten Teilvorgestellten Einteilung der Oberflächencharakteristika Riefen, Ver-

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rundungen, Schichtungen, Schuppen und eine verhältnismäßig geringeZahl von Ausbrüchen auf. Diese Charakteristika sind kennzeichnend fürdas „duktile Zerspanen“ (Bild 2). Im Gegensatz dazu ist für das „sprödeZerspanen” eine Vielzahl von Ausbrüchen, Aufwerfungen, Schollen undAbplatzungen typisch. In der Regel kommt es beim Schleifen einerOberfläche sowohl zu duktiler als auch zu spröder Zerspanung. Wel-cher dieser Werkstofftrennmechanismen vorherrscht, wird von denlokalen Spanungsbedingungen an den Einzelkörnern während desRitzvorgangs bestimmt. Der Übergang von spröder zu duktiler Zer-spanung hängt insbesondere vom Überschreiten einer werkstoffab-hängigen, kritischen Spanungsdicke am Einzelkorn, aber auch von derMikrogeometrie der Schneidkörner ab.

gemischt duktil

20 µm 20 µm 20 µm

spröde

Bild 2: Oberflächen spröde, gemischt undduktil geschliffener Keramiken

5.4.3 Gehonte keramische Oberflächen

Charakteristisch für das Honen ist die Überlagerung einer Vielzahlkraftgebundener Ritzbewegungen von Schneidkörnern durch denWerkstoff und ein flächenhafter Werkzeugeingriff mit einer Hauptwirk-richtung parallel zur Werkstückoberfläche. Aufgrund der um etwa eineGrößenordnung geringeren Schnittgeschwindigkeiten ist der thermischeEinfluss beim Honen gegenüber dem Schleifen vergleichsweise gering.Infolgedessen zeigen gehonte keramische Oberflächen in der Regelkeine Aufschmelzungen oder thermisch bedingten Risse. Es treten wiebeim Schleifen duktile und spröde Werkstofftrennmechanismen neben-einander auf. Welcher Mechanismus überwiegt, wird wesentlich von derKorneindringtiefe und der Schnittgeschwindigkeit bestimmt.

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Bei der Bearbeitung von Siliciumcarbid- und Siliciumnitridwerkstoffenwurde durch HÖHNE [HÖH99] nachgewiesen, dass Oberflächengütenwie beim Schleifen durch Honen mit niedrigen Anpressdrückenrealisierbar sind. Kleine Anpressdrücke bewirken kleinere Korneindring-tiefen und führen damit zu geringerer Mikrorissbildung und Zerspanung.Weitere Untersuchungen bestätigten, dass beim Honen von Alu-miniumoxid und Siliciumnitrid die Rauheit und Abtrennrate mit derSchneidkorngröße und dem Leistenanpressdruck zunehmen. SPUR[SPU89], WEIGMANN [WEI97] sowie WESTKÄMPER und HÖHNE[WES92] ermittelten an Aluminiumoxidkeramiken, dass es infolgeüberwiegend duktiler Zerspanung bei kleinen Diamantkorngrößen (D7,D10) zu weitgehend glatten Oberflächen kommt, die von einer Vielzahlvon Mulden und Riefen sowie Bereichen mit mikroplastischen Defor-mationen wie Schichtungen oder Verrundungen unterbrochen sind. Beigroßen Korngrößen verlagern sich die Werkstofftrennmechanismen inRichtung spröder Zerspanung, so dass Oberflächen mit vielen inter-kristallinen Ausbrüchen entstehen (Bild 3).

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Bild 3: Oberflächenausbildung in Abhängigkeit von Korngröße undAnpressdruck beim Honen von Aluminiumoxid [WEI97

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Beim Honen wirken sich bei spröder Zerspanung höhere Schnitt-geschwindigkeiten positiv auf das Zeitspanungsvolumen aus. Für dieOberflächengüte sind höhere Schnittgeschwindigkeiten jedoch aufgrundder stärkeren Rissinduzierung, die zu Ausbrüchen und Abplatzungenführen kann, von Nachteil [HÖH99].

5.4.4 Geläppte keramische Oberflächen

Läppen wird nach DIN 8589 definiert als Spanen mit losem, in einerPaste oder Flüssigkeit verteiltem Korn, dem Läppgemisch, das aufeinem meist formübertragenden Gegenstück (Läppwerkzeug) beimöglichst ungeordneten Schneidbahnen der einzelnen Körner geführtwird.

Aufgrund der niedrigen Zeitspanungsvolumina werden Läpp-Prozessemeist für Bearbeitungsaufgaben mit geringen Aufmaßen zur Ver-besserung von Formgenauigkeiten und Oberflächengüten eingesetzt.Charakteristisch sind die mikrogeometrisch nahezu isotropen Ober-flächentopographien mit regellos angeordneten Riefen, einer Vielzahlsehr homogen verteilter Mulden sowie vereinzelten interkristallinenOberflächenausbrüchen (Bild 4). Diese Strukturen erweisen sich viel-fach bei hohen tribologischen oder optischen Funktionsanforderungenals vorteilhaft [KÖN96].

Bild 4: Geläppte Siliciumcarbid-Oberflächen

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Die Werkstofftrennmechanismen spröder Zerspanung wirken sich beimLäppen keramischer Werkstoffe günstig auf das Zeitspanungsvolumenaus, da das Volumen des abgetrennten Werkstoffs größer sein kannals das durch das Schneidkorn verdrängte Volumen [SAB91]. DieWerkstofftrennung beim Läppen ist einerseits durch Eingriff derSchneidkörner infolge ihrer Abrollbewegung und andererseits durchRitzen aufgrund temporärer Verankerung der Schneidkörner in derLäppscheibe gekennzeichnet (Bild 5).

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Bild 5: Modelle der Werkstofftrennung beim Läppen

Die beim Läppen erreichbaren Oberflächengüten sind vom Gefüge desbearbeiteten keramischen Werkstoffes abhängig. Je feinkörniger und

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dichter der Werkstoff ist, um so höher ist die erreichbare Oberflächen-güte. Je nach Korngröße, Einstellbedingungen und Gefügeaufbau derzu läppenden Keramik sind Formgenauigkeiten von 1 µm/m, Plan-parallelitäten bis zu 0,2 µm und Mittenrauwerte Ra < 0,3 µm erreichbar[SPU88, BEI90].

5.4.5 Polierte keramische Oberflächen

Polieren ist nach DIN 8589 kein eigenständiges Fertigungsverfahrenund wird nur in Verbindung mit anderen Fertigungsverfahren eingesetzt.Man unterscheidet Verfahren, wie z. B. Polierschleifen, Polierhonen,Polierläppen und elektrolytisches Polieren sowie Polieren durchBeschichten (Auftragen von Politur mit mechanischer Bearbeitung).Durch Polieren sollen vorrangig hohe Oberflächengüten erzeugtwerden. Im Gegensatz zum Läppen ist das Polierkorn in einem Tuchoder einer Polierscheibe eingebettet, so dass eine gerichtete Werk-zeugbewegung realisiert wird, welche für die Erzeugung optischspiegelnder Oberflächen notwendig ist. Polieren ist wegen der geringenZeitspanungsvolumina zeit- und kostenaufwendig.

Die beim Polieren wirkenden Mechanismen konnten noch nicht ein-deutig geklärt werden. Insbesondere bei der Bearbeitung duktiler Werk-stoffe existieren widersprüchliche Theorien. Einerseits wird von einemUmformen der Oberflächenprofilspitzen ausgegangen, wobei der Werk-stoff in die vorhandenen Profiltäler gequetscht wird. Andererseits istaufgrund der zu verzeichnenden Materialabnahme ein spanabhebenderProzess anzunehmen [SAM72].

Bei der Keramikbearbeitung wird in der Regel nur bei äußerst hoherpunktueller Druckbelastung eine geringfügige plastische Deformationerreicht. Daher ist die Materialabnahme beim Polieren von Keramiklediglich durch ein Ritzen mit Spanungsdicken im Nanometerbereicherklärbar. Verschiedene Untersuchungen deuten auf eine zu vernach-lässigende Schädigung der Oberflächenrandzone beim Polieren hin[SPU92]. Polierte Oberflächen sind in Abhängigkeit von der Polierzeitund dem eingesetzten Polierkorn durch glatte Bereiche und Muldencharakterisiert. Andere Oberflächencharakteristika sind nur vereinzeltanzutreffen und nicht typisch (Bild 6).

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Bild 6: Polierte Siliciumcarbid-Oberflächen

5.4.6 Sonderverfahren

Neben den beschriebenen Fertigungsverfahren, deren Einsatz bei derHartbearbeitung keramischer Werkstoffe weit verbreitet ist, existierenSonderverfahren. Hierzu gehören einerseits Fertigungsverfahren, dieindustriell eingesetzt werden, aber aufgrund verfahrensimmanenterEigenschaften keine weite Verbreitung gefunden haben. Zu nennensind hier das Schwingläppen oder die funkenerosive Bearbeitung.

Andererseits sind in den letzten Jahren einige neue Fertigungsver-fahren bekannt geworden, die zukünftig eine wichtige Rolle bei derkeramikgerechten Bearbeitung spielen können. Das Planschleifen mitLäppkinematik stellt eine innovative Weiterentwicklung des Planparallel-läppens dar [UHL99]. Durch den Einsatz von gebundenem Abrasivkornkönnen die Zeitspanungsvolumina signifikant erhöht werden. Die Über-lagerung der Kinematik verschiedenster Schleifprozesse mit Ultra-schallschwingungen führt zu günstigen Werkstofftrenn- und Ver-schleißmechanismen [UHL00]. So können z. B. beim ultraschallunter-stützten Schleifen mit Anregung in axialer Richtung Oberflächen-topographien geschaffen werden, deren tribologisches Einsatzverhaltensich als positiv erwiesen hat [ZAP98].

Weitere kombinierte Verfahren sind das laserunterstützte Drehen undFräsen. Diese sind jedoch bislang nur für die Zerspanung von Silicium-nitrid einsetzbar. Bei der laserunterstützten Bearbeitung wird der Um-stand ausgenutzt, dass durch Erwärmung der Glasphase mittels eines

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Laserstrahls ein verbessertes Zerspanverhalten erreicht wird. Dieerzeugten Oberflächen sind geschliffenen Oberflächen sehr ähnlich.

5.4.7 Zusammenfassung

Maßgeblich für die Charakteristika keramischer Oberflächen beispanender Bearbeitung sind die vorherrschenden Werkstofftrenn-mechanismen, der verwendete Werkstoff sowie die eingesetzteFertigungstechnologie. Im ersten Teil dieser Veröffentlichung wurden inErgänzung zur DIN die keramikspezifischen Oberflächencharakteristikaabgebildet und benannt. Dies ermöglicht eine einheitliche und voll-ständige Beschreibung einer Oberflächentopographie. Als Grundlagewurden keramikspezifische Werkstofftrennmechanismen sowie der Ein-fluss des Werkstoffs auf die Ausbildung der Oberflächentopographiedargestellt. Der vorliegende Teil des Beitrages befasst sich mit demEinfluss der wichtigsten spanenden Bearbeitungsverfahren Schleifen,Honen, Läppen und Polieren auf die Oberflächenentstehung bei derHartbearbeitung keramischer Bauteile und geht abschließend auf aus-gewählte Sonderverfahren.

Literatur[BEI90] Beitz, W., Küttner, K.-H.: Dubbel-Taschenbuch für den Maschinen-

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[HÖH99] Höhne, L.: Honen technischer Keramik. Essen,Vulkan-Verlag, 1999. - Braunschweig,Techn. Universität, Fachbereich 7, Diss., 1998

[KÖN96] König, W., Klocke, F.: Fertigungsverfahren.Bd. 2: Schleifen, Honen, Läppen.3. Auflage. Düsseldorf: VDI-Verlag 1996

[SAB91] Sabotka, I.: Planläppen technischer Keramiken.Dissertation, TU Berlin, 1991

[SAM72] Samuels, L.E.: Mechanism of Abrasive Polishing. Anals of theCIRP Vol. 21/1/1972, S. 87-88

[SPU88] Spur, G., Sabotka, I., Tio, T., Wunsch, U.: Überblick über trennendeFertigungsverfahren zur Hartbearbeitung von Keramik.In. Technische Keramik. Ausgabe 1, Vulkan Verlag, Essen, 1988

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[SPU89] Spur, G., Linke, K., Sabotka, I., Tio, T.H., Uhlmann, E.: Keramik-bearbeitung. München, Carl Hanser Verlag, 1989

[SPU92] Spur, G., Holz, B., Sabotka, I., Uhlmann, E.: Oberflächenent-stehung bei der Bearbeitung sprödharter Werkstoffe.Tagungsband zum VIII Internationalen Oberflächenkolloquium,Chemnitz, 03.-05.02.1992

[UHL93] Uhlmann, E.: Tiefschleifen hochfester keramischer Werkstoffe,Dissertation, TU Berlin 1993

[UHL99] Uhlmann, E.; Ardelt, T.: Influence of Kinematics on the Face Grind-ing Process of Lapping Machines.Annals of the CIRP Vol. 48/1/1999, S. 281-284

[UHL00] Uhlmann, E.; Holl, S.-E.; Daus, N.-A.: Bearbeitungsbedingte Rand-zonenbeeinflussung von keramischen Werkstoffen durch ultra-schallunterstütztes Schleifen.Jahrbuch Schleifen, Honen, Läppen und Polieren, 59. Ausgabe,2000, Vulkan-Verlag GmbH, S. 45-57

[WEI97] Weigmann, U.-P.: Honen keramischer Werkstoffe.Berichte aus dem Produktionstechnischen Zentrum Berlin, Berlin,Techn. Universität, Diss., 1997

[WES92] Westkämper, E. ; Höhne, L.: Honing of Advanced Ceramics.International Honing Clinic, April 7-9, 1992, Dearborn, Michigan

[WIM95] Wimmer, J.: Konditionieren hochharter Schleifscheiben zum Schlei-fen von Hochleistungskeramik.Dissertation, Universität Kaiserslautern, 1995

[ZAP98] Zapp, M.: Ultraschallunterstütztes Schleifen von Hochleistungske-ramik – Ein Beitrag zur gezielten Beeinflussung der Eigenschaftenvon Bauteilen durch eine ganzheitliche Prozeßkettenbetrachtung.Dissertation, Universität Kaiserslautern, 1998

Die verwendeten Vortragsfolien (Nr. 1 bis 9) finden sich auf denfolgenden Seiten.

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