Dr.-Ing. Peter Beyer

Die Vorteile verbinden

Werkstatt + Betrieb

Zeitschrift für spanende Fertigung

SPECIAL S. 33: Schleifen

April 2007 / 140. Jahrgang www.metall-infocenter.de

4/07

>

> DREISCHICHT-BETRIEBWenn technologisch möglichund wirtschaftlich sinnvoll:stets automatisieren! // Seite 16

> ZERSPANEN AM LIMITDie ›Formel 1‹ des Fräsensbedarf eines durchdachtenGesamtkonzeptes // Seite 24

> ALLTAG AN DER CNCWer häufig programmiert,sollte sich von der Steuerungverwöhnen lassen // Seite 70

© Carl Hanser Verlag, München. 2007. Alle Rechte, auch die des Nachdrucks, der photomechanischen

Wiedergabe dieses Sonderdrucks und der Übersetzung behält sich der Verlag vor.

Sonderdruck aus der Fachzeitschrift Werkstatt+Betrieb 4/07 www.metall-infocenter.de

Meister Abrasives AGIndustriestrasse 10CH-8450 Andelfingen0041 52 304 22 22sales@meister-abrasives.ch www.meister-abrasives.ch

2 > SchleifenS P E C I A L

Der Begriff ›Innovation‹ wird heutegern zu Marketingzwecken strapaziert,ohne dass wirklich neue Ansätze in derProdukt- und Prozessentwicklung vorlie-gen. In der Diamantwerkzeugbranche mitihren eher konservativen technischen Lö-sungen ist das nicht viel anders. Doch mitumfassender Prozessanalyse und Produkt-und Verfahrensentwicklung sind Innova-tionen tatsächlich möglich. Ein ›ideales‹Abrichtwerkzeug – als Ziel solcher Innova-tion – definiert sich über die Merkmale:■ freischneidendes System, idealerweise

im Selbstschärfmodus analog zu kera-mischen hochporösen Bindungen;

■ Optimierung der Kornhaltekräfte;■ hohe Verschleißbeständigkeit analog zu

metallgebundenen Abrichtwerkzeugen;■ mehrlagiges System, vermeidet die ge-

ringe Standzeit galvanischer Werkzeuge.Ein deutlich optimiertes Leistungsspek-trum bietet ein Lösungsansatz,der die Vor-teile zweier Diamantwerkzeugbindungs-systeme kombiniert. Die Technologie derHybridbindung – nachfolgend als hDDbezeichnet (hybrid-Diamond-Dresser) –wird zunächst für Abrichtwerkzeuge eta-

bliert [1]. Doch auch für die Auslegungvon Schleifwerkzeugen bestehen Potenzi-ale der Optimierung.

Stand der Technik bei den

Diamantwerkzeugen

Die heute üblichen Bindungssysteme zurHerstellung von Diamantwerkzeugen sindseit Jahren etabliert. Zu ihnen gehören dieKunstharzbindung, die metallische, diegalvanische und die keramische Bindung.

Über die Jahre wurden alle Bindungssys-teme in der Rohstoffauswahl,den Füllstoff-systemen oder den Fertigungsparameternschrittweise optimiert.Wirklich innovativeAnsätze ließen sich jedoch kaum realisie-ren. Nur bei der keramischen Bindung gabes deutliche Fortschritte [2]. Dabei bietetdie rasante Entwicklung der Werkstoffsyn-these durchaus Transfermöglichkeiten. Soergeben zum Beispiel die Fortschritte beiComposites auf Kunstharzbasis oder beiMetall-Keramik-Verbundwerkstoffen eindeutliches Innovationspotenzial [3].

Bis vor Kurzem noch war die Konditio-nierung hochfester CBN- und Diamant-scheiben die Domäne metallgebundeneroder galvanisch belegter Abrichtwerkzeuge.

Metallisch gebundene Werkzeuge zeichnensich aus durch hohe Verschleißfestigkeit derBindung und hohe Lebensdauer aufgrundder mehrschichtigen Belegung. Nachteiligist jedoch der geringe Kornüberstand, derdie freischneidenden Eigenschaften einesabgerichteten Schleifwerkzeugs beeinträch-tigen kann. Diese Eigenschaften erfordernvor allem regelmäßiges Nachschärfen desAbrichtwerkzeugs,das heißt ein Zurückset-zen der metallischen Matrix. In der Praxismüssen die Werkzeuge daher im Einzelfallan den Hersteller zurückgesendet werden.In jedem Fall aber sind damit eine Prozess-unterbrechung und eine Konditionierungdes Werkzeugs außerhalb der Produktions-maschine verbunden.Beide Varianten sindkosten- und/oder zeitintensiv.

Die galvanische Belegung verhindertdiesen negativen Effekt durch einen gro-

Entwicklung von Schleif- und Abrichtwerkzeugen in hDD-Technologie

Die Vorteile verbindenEtablierte Bindungssysteme für Diamantwerkzeuge haben ihre Innovationskraftweitestgehend ausgeschöpft. Die Vorzüge metallisch und keramisch gebundenerSysteme kombiniert Meister Abrasives daher in der Hybridbindung.

HERSTELLERiMeister Abrasives AGCH-8450 AndelfingenTel. +41/52/3042222Fax +41/52/3042212> www.meister-abrasives.ch

VON PETER BEYER

© Carl Hanser Verlag, München WB 4/2007

Die Eigenschaften von Abrichtwerkzeugen werden wesentlich von ihrer Strukturbestimmt: metallgebunden, galvanisch belegt, keramisch vDD-gebunden (von links)1

>

Bild

er: M

eist

er A

bras

ives

ßen Kornüberstand, hat aber aufgrund dereinschichtigen Belegung nur eine begrenz-te Lebensdauer. Ein Nachteil ist außerdemdie mit fortschreitender Abnutzung desBelags zunehmende Kontaktfläche zwi-schen Abrichtwerkzeug und Schleifschei-be.Als Folge sind die Abrichtbedingungennicht konstant.

vDD-Abrichtwerkzeuge in

keramischer Bindung

Als mögliche Alternative zur galvanischenBelegung wurde die keramische Bindungschon früher vereinzelt erprobt. Die bis-her verfügbaren Abrichtwerkzeuge wiesenaber in der Regel eine zu geringe Standzeitauf, um wirtschaftlich einsetzbar zu sein.Diese Lücke hat Meister Abrasives, Andel-fingen/Schweiz, mit einer gezielten Opti-mierung keramischer Bindungen durchEinführung der vDD-Werkzeuge (vitrifiedDiamond Dresser) geschlossen (Bild 1).

Die offene keramische Struktur der vDD-Werkzeuge verleiht ihnen freischneidendeEigenschaften.Zunächst hat sie aber Nach-

teile in der Verschleißfestigkeit, es sei denn,es gelingt, einen Selbstschärfeffekt einzu-stellen, der Verschleiß und Abrichteigen-schaften konstant hält. Zu den etabliertenvDD-Anwendungen gehören inzwischendas Abrichten kleinster Innenschleifkörperin keramischer Bindung [2] und das Kondi-tionieren großflächiger Pellet-Planschleif-scheiben [4] (Bild 2). Ihre Grenzen habenvDD-Abrichtwerkzeuge jedoch beim Pro-filieren von Schleifkörpern mit größerenDurchmessern, insbesondere in Kombina-tion mit einem hochgenauen, CNC-ge-steuerten Abrichten bei Punktberührungdes Abricht- und Schleifwerkzeugs.

Die Hybridbindung vereint

die Vorteile zweier Systeme

Freischneidende Strukturen lassen sichgrundsätzlich nur durch einen porösenAufbau realisieren, wie er bei vDD-Werk-zeugen umgesetzt wurde.Um eine entspre-chende Verschleißbeständigkeit in Kom-bination mit hohen Kornhaltekräften zuerzielen, bieten sich metallische oder

metall-keramische Systeme an. Die Fakto-ren zur Optimierung stellt Bild 3 auf sche-matische Weise dar. Dabei ist die Wahl des Diamanttyps und der -größe für die Kon-ditioniereigenschaften von entscheiden-der Bedeutung. Darüber hinaus müssenauch die folgenden Parameter berücksich-tigt werden:■ Schneid- und Verschleißverhalten ge-

genüber dem zu konditionierendenWerkzeug;

■ Kristalltopologie und Wechselwirkungmit der Hybridbindung;

■ thermische Beständigkeit aufgrund desHerstellungsprozesses.

Alternativ zu Diamantkörnungen lassensich auch MKD-, CVD- oder PKD-Stäb-chen einsetzen, die bei einer porösen Ma-trix ebenfalls besser freischneiden.

Um die Verschleißfestigkeit deutlich zuerhöhen, sind sowohl die intrinsischen Ei-genschaften der Bindematrix zu optimie-ren als auch die Haftung zwischen Matrixund Diamantkorn an den kompatiblenGrenzflächen. Prinzipiell sind folgendeFaktoren zu beachten:■ Benetzungsverhalten der Hybridbin-

dung auf dem Diamantkorn als Basis fürdie Ausbildung einer Bindungsbrücke;

■ chemische Reaktivität von Diamant undBindungsmatrix;

■ Vermeidung der Oxidation und Regra-fitisierung des Diamantkorns;

■ Vermeidung der Bildung spröder Kar-bidphasen;

■ Realisierung einer porösen Struktur.Diamanten reagieren bekanntlich schnellmit Karbidbildnern wie Fe, Co, Ni, Al, Sioder B [5], [6]. Das bietet Potenzial zurchemischen Bindung, erhöht aber auchdas Risiko der Bildung spröder Alumini-umkarbide oder Silizide [3]. Andererseits

Die Faktorenzur Optimierungdes porösen hDD-Systems sind vielfältigund wirken komplex

3

vDD-Werkzeuge sind beim Abrichten von Innenrundschleifkörpern (links) ebensoetabliert wie beim Konditionieren großflächiger Pellet-Planschleifscheiben2

WB 4/2007

3

4

WB 4/2007

sind Verfahren zur Erzeugung poröserStrukturen, wie sie für keramische Bin-dung bekannt sind, nicht auf Systeme mitmetallischen Anteilen übertragbar.

Eine verfahrenstechnische Innovationvon Meister Abrasives ermöglicht nun je-doch die Kombination der positiven Ei-genschaften zweier Bindungssysteme. Dieresultierende poröse Struktur zeigt exem-plarisch Bild 4. Dabei sind der Grad derPorosität, die ›Härte‹ des Abrichtwerk-zeugs sowie die Korngröße und -konzen-tration frei einstellbar. Die erreichbarenKornhaltekräfte veranschaulicht Bild 5eindrücklich: Die Bruchfläche weist keineDelaminationen an der Grenzfläche vonDiamantkorn und Hybrid-Matrix auf,vielmehr kam es zu einem Splittern desDiamantkorns selbst. Diese Ergebnisseprädestinieren die Hybridbindung als ide-ale Matrix für die neue Generation derhDD-Abrichtwerkzeuge.

hDD-Werkzeuge weisen

große Einsatzbreite auf

Heute werden hDD-Werkzeuge als Ab-richttöpfe auf kleinen Turbinen und alsAbrichtscheiben mit innen- oder außen-liegendem Diamantbelag in Serienpro-zessen eingesetzt. Die Anwendungen zur

Konditionierung reichen vom Bohrungs-über das Außenrundprofilschleifen bis hinzu Bearbeitungslösungen der Halbleiter-industrie. In den Tabellen 1 bis 4 sollen dreihDD-Anwendungen kurz umrissen wer-den.Die Beispiele machen deutlich: Nebeneiner Verbesserung der Geometrie konn-ten trotz der erhöhten Schnittleistung desSchleifkörpers feinere Oberflächengütenerzeugt werden.

Zahlreiche Anwendungen von

hDD-Werkzeugen getestet

Der Einsatz der ersten Generation vonhDD-Abrichtwerkzeugen bestätigt: Eineporöse Struktur wurde erfolgreich mit ei-

ner hohen Verschleißbeständigkeit ausge-stattet. Des Weiteren ließ sich nachweisen,dass ein Konditionieren beziehungsweiseein Nachschärfen der Abrichter entfallenkann, das bei metallgebundenen Abricht-werkzeugen oftmals zwingend erforder-lich ist. Gleichzeitig lässt sich eine Profil-treue des Abrichters sicherstellen, die daskostenintensive Unterbrechen des Bear-beitungsprozesses infolge Wechsel/Bear-beitung der Abrichtwerkzeuge deutlichreduziert. Schließlich ist es möglich, mithDD-Werkzeugen die Prozesskette bis hinzum Werkstück zu optimieren. So könnengeometrische wie auch Oberflächeneigen-schaften in wesentlich engeren Toleranzen

Tabelle 1>

Anwendung 1: Abrichten von Innenrundschleifkörpern mittelsAbrichttopf

Anwendung Mini Lash Adjuster

Schleifwerkzeug Swiss Master HPB CBNIG CB21-230-R-9-185-175-V55-P7I-31

Abrichtwerkzeug Swiss Master hybrid Diamond DresserDC D1-170-T-0-1150-H40-80

Maschine Voumard

Tabelle 3>

Anwendung 2: Abrichten des Radius von Außenrund-schleifscheiben

Anwendung Schälschleifen, Abrichten des Radius

Schleifwerkzeug 3A1 400x25.4x127 X=5 W=8CB41-170-R-7-275-150-V51-41-3

Abrichtwerkzeug Swiss Master hybrid DIA DresserD1-170-R-0-1150-150-H40-80 (Bild 6)

Maschine Junker Quickpoint

Tabelle 4>

Anwendung 3: Abrichten des Durchmessers und der Flanke vonAußenrundschleifscheiben. Neben einer erhöhten Oberflächen-güte konnte gleichzeitig die Zerspanungsleistung der hDD-kondi-tionierten Werkzeuge erhöht werden

Anwendung Schälschleifen, Abrichten Durchmesser undFlanke

Schleifwerkzeug 3A1 400x25.4x127 X=5 W=8CB41-120-Q-9-255-150-V55-31

Abrichtwerkzeug Swiss Master hybrid DIA DresserD1-60-R-0-1150-150-H40-80

Maschine Junker Quickpoint

Tabelle 2>

Ergebnisse bei Verwendung eines hDD- und eines metallgebun-denen Abrichters

Meister hDD metallgebundener Abrichter

Abrichtintervall 160 120

Schärfintervall des Abrichtwerkzeugs

selbstschär-fend

wöchentlich (bei 3-Schicht-Betrieb)

Standzeit circa 60000 Zyklen

9000 Zyklen (nicht pro-zesssicher, Glättung derCBN-Scheibe)

Konizität am Werkstück <1 µm bis 5 µm

Querschnitt durch eine hDD-Struktur:Der Grad der Porosität ist frei einstellbar(REM-Aufnahme)

4 Die Kornhaltekräfte in der hDD-Bindungsind so groß, dass im Fall des Struktur-bruchs das Diamantkorn zerstört wird

5

realisiert und die Zerspanungsleistung inder Regel verbessert werden.

Zahlreiche Abrichtanwendungen befin-den sich zurzeit im Feldtest.Erste Tests zumEinsatz der neuen Bindung als Schleifwerk-zeug (›Ceramet‹) bei der Bearbeitung vonHartmetall und Keramik sind sehr überzeu-gend. Bild 7 zeigt solche Schleifwerkzeugefür die Bearbeitung keramischer Kalottenaus Al2O3, weitere Anwendungen wurden

in der Hartmetallbearbeitung erfolgreichumgesetzt. Die gesamte Hartstoffbearbei-tung von Saphir, SiC, über die traditionel-len Ingenieurkeramiken bis hin zu Hart-metallanwendungen im Werkzeugbereichbietet sich für künftige Anwendungen derHybridtechnologie an.Die Technologie be-findet sich in der Phase der Markteinfüh-rung, das Potenzial erscheint vielverspre-chend. ❚

LITERATUR1 Meister, T. A.: Hochproduktive Schleifprozesse

durch innovative Werkzeugtechnologie, IDR 41

(2006) 4; S. 66-67

2 Beyer, P.: Hochproduktives Schleifen mit kera-

misch gebundenen Superabrasives, Teil 2: Die

vDD-Technologie für Diamant-Abrichtwerkzeuge

in keramischer Bindung, IDR 39 (2005) 1; S. 38-42

3 Beyer, P.: Verstärkung von Al-Bauteilen durch

lokale In-Situ Synthese von Al2O3/TixAly-Verbun-

den im Squeeze Casting, VDI-Verlag, Nr. 643 (2002)

4 Beyer, P.; Ravenzwaaij, M. v.: Innovatives Flach-

honen mit keramisch gebundenen Schleif- und

Konditionierwerkzeugen – eine neue System-

lösung, IDR 39 (2006) 3; S. 204-210

5 Gardinier, C. F.: Physical Properties of Superab-

rasives, Ceramic Bulletin 67 (1988) 6; S. 1006-1009

6 Wedlake, R.L.: Diamond Synthesis, IDR (1977) 6

© Carl Hanser Verlag, München WB 4/2007

Das hDD-gebundene Schleifwerkzeug›Ceramet‹ wurde für die Bearbeitung kera-mischer Kalotten entwickelt

7Beim Abrichten von Außenrundschleif-scheiben erfolgreich eingesetzt: hDD-Werk-zeug ›D1-60-R-0-1150-150-H40-80‹

6

Dr.-Ing. Peter Beyer ist Leiter Technik,Forschung/Entwicklung und Produktion beiMeister Abrasives AG in Andelfingen/Schweiz> peter.beyer@meister-abrasives.ch

5 > SchleifenS P E C I A L

Industriestrasse 10CH-8450 Andelfingen · SwitzerlandTelefon +41 52 304 22 22 · Fax +41 52 304 22 12www.meister-abrasives.com · sales@meister-abrasives.ch

Meister Abrasives AG

Meister AbrasivesMake A Quality Decision International