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Effizientes Schleifen mit Laser strukturierten CbN-Schleifscheiben

Strukturierte Schleifwerkzeuge werden heutzutage als ein herausfordernder Trend der Schleiftech-nologie sehr intensiv erforscht. Zu den neuartig strukturierten Schleifwerkzeugen gehören auch die Laser strukturierten CBN-Schleifscheiben, die einen unterbrochenen Schnitt beim diskontinu-ierlichen Schleifen ermöglichen. um das einsatzverhalten solcher Schleifscheiben analysieren zu können, wurden am Kompetenzzentrum für Schleiftechnologie und Feinstbearbeitung (KSF) diver-se Vergleichsuntersuchungen zwischen nicht strukturierten und Laser strukturierten CBN-Schleif-scheiben hauptsächlich im Bereich des Hochleistungsschleifens durchgeführt. es konnte durch vorliegende untersuchungsergebnisse nachgewiesen werden, dass der einsatz der Laser strukturier-ten Schleifscheiben den Schleifprozess und dessen ergebnisse maßgeblich vorteilhaft beeinflusst.

__________von alireza Vesali und Taghi Tawakoli

abb. 1: Prinzip-skizze der strukturierungsgeometrien: a) durch das abrichten strukturierte schleifscheibe, b) genutete schleifscheibe, c) laser gebohrte schleifscheibe

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SCHLEIFEN MIT STRUKTURIER-TEN SCHLEIFSCHEIbEN

Das diskontinuierliche Schleifen wird derzeit weltweit in mehreren For-schungsinstituten untersucht [azar11, Kirc10, Yama10]. Der unterbroche-ne Schnitt beim diskontinuierlichen Schleifen kann zu einer Reduzierung der Schleifkräfte und einer daraus re-sultierenden Wärmeentwicklung in der Schleifkontaktzone führen [Lee12, Rabi10]. als unterbrechung wird hier eine regelmäßig über die umfangs-fläche der Schleifscheibe verteilte Höhenänderung des Schleifbelags verstanden, die mindestens eine, oft je-doch mehrere Größenordnungen über den Höhendifferenzen der Schleifbe-lags-Topographie liegt [Kirc10].

ein spezieller Fall unter den struktu-rierten Schleifscheiben ist die genu-tete Schleifscheibe. Der industrielle einsatz von genuteten und speziell strukturierten Schleifscheiben wie T-Tool [Tawa00, Tawa02] hat sich in den letzten Jahren allmählich verbreitet, sodass diese Schleifscheiben heute zum Lieferprogramm einiger Schleif-werkzeughersteller gehören. Diese Werkzeuge wurden hauptsächlich nach dem Prinzip von T-Tool und T-Tool-Profil entwickelt und hergestellt.

– erfolg versprechende Vorteile der Strukturierung der Schleifscheiben

Zur Reduzierung des Reibungsanteils und zur optimierung des Spanbil-dungsprozesses beim Schleifen soll die anzahl der dynamischen Schnei-denzahl, also der am Spanbildungs-prozess beteiligten Schleifkörner, reduziert werden. eine Reduzierung der Schleifkörner führt aber dazu, dass während des Schleifens dickere Späne abgetragen werden, welche in abhängigkeit vom zu bearbeitenden material sowie der vorgesehenen Rau-heit optimiert werden müssen. Die optimale Spanungsdicke ist abhängig von der Korngröße, dem Werkstück-stoff und den Schleifparametern. Die

Bestimmung der optimalen Spandicke bildet die Lösung der meisten Schleif-probleme und somit den Schlüssel zum Schleifen mit den strukturierten Schleifscheiben. Die unterbrechung auf der Kontaktfläche der Schleifschei-be ermöglicht einen unterbrochenen kurzen Kontakt zwischen den Schleif-körnern und dem Werkstück. anhand dieser Bohrungen erfolgt immer nach Kontakt und materialabtrag eine kurze

unterbrechung. In dieser kontaktlosen abtragspause hat die erzeugte Wärme Zeit, sich zu verteilen, wodurch die Werkstückoberflächentemperatur re-duziert wird.

Darüber hinaus wird mit Hilfe der er-zeugten Struktur auf der Schleifschei-benoberfläche die in die Kontaktzone zugeführte Kühlmittelmenge erhöht, was zu einem kühleren Schleifprozess

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sowie zu optimiertem Spanbildungs-mechanismus beiträgt.

außerdem bleiben genügend Räume in den kontaktfreien Flächen, die als zusätzliche Spanräume zum Trans-port der Späne aus der Kontaktzone in einsatz kommen. Somit werden die Kontakte zwischen der bearbeiteten oberfläche und den Spänen, die den größten Teil der Zerspanungswärme von der Schleifzone abführen, ver-kürzt. Dadurch wird der anteil der Wärmemenge, die in das Werkstück fließt, reduziert.

Bei optimalen Schleifparametern kann durch die relativ großen Freiräume, die zwischen jedem abschnitt des Kontaktbelages vorhanden sind und die Späne aufnehmen, eine Zusetzung der Schleifscheibe verhindert werden. Dadurch kann sogar die Reinigung der Porenräume entfallen [Tawa06].

Die o.g. Ziele lassen sich nur durch Prozess geeignete Strukturierung der Schleifscheiben verwirklichen, wel-che mit Hilfe von abrichtwerkzeugen und Lasertechnologie aber auch wäh-rend der Schleifscheibenproduktion erzeugt werden (abb. 1).

Diesbezüglich hat Gerlitzky den markt und dessen anforderungen erforscht [Gerl08]. Nach Gerlitzky können der ausgangspunkt für die entwicklung strukturierter Schleifscheiben und die Forderungen der Industrie wie folgt zusammengefasst werden:

•VerminderteBeeinflussungder Werkstückrandzonen (z.B.: Schleif- brand, Zugeigenspannung)

• MinimierungdesKühl- schmierstoffeinsatzes

• VerkürzungderTaktzeitenbeisehr unterschiedlichen Beanspruch- ungen des Schleifwerkzeuges innerhalb eines Prozesses (Vor- und Fertigschleifen mit einem Werkzeug)

• VermehrteBearbeitungvonschwer zerspanbaren materialien

– Laserstrukturierung der Schleif- scheiben

eine neuartige möglichkeit für die Strukturierung der Schleifwerkzeuge ist der einsatz von Laserstrahlen für die erzeugung von Strukturen. Dieser Prozess befindet sich noch in der For-schungsphase und hat nur in speziel-len Fällen einen praktischen einsatz gefunden. Darüber hinaus gibt es gene-rell nur wenige wissenschaftliche Ver-öffentlichungen, die den einfluss der Laserstrukturierung, wie die Laserboh-rungen, auf den Schleifbelag, wie in diesem artikel präsentiert wird, zum Thema haben. Tawakoli [Tawa08] führ-te untersuchungen an CBN-Schleif-scheiben mit keramischer Bindung durch. Hierfür wurde ein Nd:YaG-La-

sersystem benutzt, um Bohrungen in die Schleifscheibe einzubringen. Die ergebnisse haben gezeigt, dass mit den gelaserten Schleifscheiben deutlich geringere Schnittkräfte und reduzierte thermische Schädigungen erzielt wer-den können.

vERSUCHSbEDINGUNGEN

Für die untersuchungen wurden zwei identische, keramisch gebundene CBN-Schleifscheiben der Form 1a1 mit einem außendurchmesser von d = 450 mm und einer Breite von b = 12 mm der Fa. Diamant-Gesellschaft Tesch GmbH verwendet. es wurden damit zwei CBN-Schleifscheiben mit identischen Spezifikationen hinsicht-

abb. 2: Eingesetzte CBn-schleifscheiben: oben nicht strukturierte schleifscheibe und unten laser struktu-rierte schleifscheibe

abb. 3: laser strukturierte CBn-schleifscheibe (B181, C200) für das hochleistungsschleifen

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lich Trägerkörpermaterial, Durchmes-ser, Breite, Körnung, Bindung, Kon-zentration usw. eingesetzt, wobei bei einer der Scheiben der Schleifbelag mit Hilfe der Laserbearbeitung redu-ziert wurde (abb. 2).

abb. 3 stellt die Struktur der Schleif-scheibenoberfläche unter dem mikro-skop bei einer 50fachen Vergrößerung dar. Wie bereits erwähnt, wurden die dargestellten aussparungen bzw. Boh-rungen mit Hilfe der Lasertechnologie angebracht. Die untersuchung zeigt, dass diese Bohrungen schräg in einer Vierer-Reihe gelasert sind. Distanz-messungen ergeben einen mittleren Durchmesser der Löcher von ca. 0,5

mm und einen mittleren abstand der Löcher von ca. 2,1 mm. Durch mehrere messungen an verschiedenen Stellen ergab sich ein mittelwert von ca. 4%; das entspricht 96% effektiver Kontakt-fläche. Durch den Schleifscheibenher-steller (Diamant-Gesellschaft Tesch GmbH) wurde eine Parameterstudie durchgeführt, durch die der unkont-rollierte thermische einfluss solcher Laserstrukturierungen verhindert wur-de. Die untersuchungen wurden auf einer Hochleistungs-/Hochgeschwin-digkeitsschleifmaschine der Firma Gühring vom Typ FS126 durchgeführt. Für die Kraftmessung wurde ein Kraft-messsystem der Kistler aG Winterthur eingesetzt.

DARSTELLUNG DER ERGEbNISSE

– Schleifkräfte bei Variation der Zustellung in abhängigkeit der Schleifscheibenstrukturierung

Die effektivität der Laser struktu-rierten CBN-Schleifscheiben beim Hochleistungs-/Hochgeschwindig-keitsschleifen wurde zunächst bei der Bearbeitung von Kugellagerstahl 100Cr6 unter einer Vorschubge-schwindigkeit von 2000 mm/min bei den Zustellungen von 0,5, 1, 1,5 und 2 mm untersucht (abb. 4). an den dargestellten untersuchungsergeb-nissen ist erkennbar, dass der einsatz

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der Laserstrukturierung auch hier zur Reduzierung der Schnittkräfte beim Schleifprozess führt. abb. 4 zeigt, dass mit der erhöhung der Zustellung, bei konstanter Vorschubgeschwindigkeit, die Normal- und Tangentialkräfte stei-gen, was auf die erhöhte Spandicke zurückgeführt wird. Darüber hinaus ist zu erkennen, dass die Kraftdifferenz zwischen der gelaserten und der nicht gelaserten Schleifscheibe mit der erhö-hung der Zustellung von 0,5 bis 2 mm ansteigt. Die reduzierten Schnittkräfte mit der gelaserten Schleifscheibe las-sen sich vor allem über die reduzierte mittlere anzahl der momentan im ein-griff befindlichen Schneiden Nmom er-klären. aufgrund der reduzierten Nmom lassen sich die spezifische energie und die Schleifnormal- und -tangentialkräf-te deutlich verringern. Darüber hinaus kann die reduzierte Schleifnormalkraft über den reduzierten Hydrodruck in der Kontaktzone begründet werden.

EINFLUSS DER LASER-STRUKTURIERUNG AUF DENHyDRODyNAMISCHEN DRUCK

Der einfluss der Laserstrukturierung auf den hydrodynamischen Druck wurde ebenso untersucht. Zur mes-sung des hydrodynamischen Druckes in der Kontaktzone kam ein messauf-bau zum einsatz, wobei der Druck mit Hilfe eines Drucktransmitters direkt in der Kontaktzone gemessen werden kann [Vesa14].

abb. 5 zeigt ein typisches Druck-längsprofil für die Schleifversuche mit und ohne Laserstrukturierung. Durchgeführt wurden hier Versuche mit beiden Schleifscheiben bei einer Schnittgeschwindigkeit von 140 m/s und einer Vorschubgeschwindigkeit von 500 mm/min. Hier wurden der Druckverlauf bei einer Zustellung von 100 µm mit der Laser strukturierten Schleifscheibe und der entsprechende Druck ohne Strukturierung gegenüber-gestellt. es ist zu erkennen, dass der einsatz der strukturierten Schleifschei-be zur Reduzierung des hydrodynami-schen Druckes in der Kontaktzone bei-

trägt. Dies kann darauf zurückgeführt werden, dass der in die Kontaktzone zugeführte Kühlschmierstoff mehr Platz in den gelaserten Bohrungen (in anderen Worten: in den zusätzlichen Hohlräumen) findet. Bei der gelaserten Schleifscheibe wird der Kühlschmier-stoff durch die Bohrungen sowie mitei-

nander verbundenen Poren innerhalb des Schleifbelages hineingedrückt, was die entweichung des Kühlmittels aus der Kontaktzone und dementspre-chend den abfall des Drucks zur Folge hat. Die Reduzierung des Hydrodrucks in der Kontaktzone deutet ebenfalls darauf hin, dass die gelaserten Boh-

abb. 4: geringere schleifkräfte beim Einsatz der gelaserten schleifscheiben beim hochleistungs-/hoch-geschwindigkeitsschleifen von 100Cr6

abb. 5: reduzierung des hydrodynamischen druckes im schleifspalt mit der laser strukturierten schleif-scheibe

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rungen zum Teil ungefüllt in den Schleifspalt eintreten (abb. 6).

EINFLUSS DER SCHLEIF-SCHEIbENSTRUKTURIERUNG AUF DIE SCHLEIFTEMpERATUR

Zur Überprüfung des einflusses der Strukturierung auf die Schleiftempera-tur wurden zunächst die analogiever-suche mit dem Werkstückstoff 100Cr6 durchgeführt. In abb. 7 sind die Tem-peraturen für die nicht strukturierte CBN-Schleifscheibe mit keramischer Bindung und die für eine Laser struk-turierte Schleifscheibe mit einem Kon-taktbelag von ca. 96% dargestellt.

abb. 7 zeigt, dass die Laser bearbeitete Schleifscheibe eine geringere maxi-maltemperatur aufweist als die Schleif-scheibe mit einem einhundertprozen-tigen Kontaktbelag. Die Reduzierung der Temperaturen ist mit einem nied-rigeren energieeinsatz zu erklären. Das bedeutet, dass die in der Kontaktzone erzeugte Wärmestromdichte qt durch die Strukturierung der Schleifscheibe und bedingt durch die Reduzierung der spezifischen Schleifenergie ec re-duziert wird. Darüber hinaus ist mit der Laser strukturierten Schleifscheibe ein vermehrter Kühlschmierstofftrans-port in die Kontaktzone verbunden. Dies trägt zu einer erhöhten Wärme-abfuhr aus der Kontaktzone bei, was einen kühleren Schleifprozess ermög-licht.

auffällig ist die Häufigkeit der Blitz-temperatur an der Spitze der Tempe-raturkurve mit der nicht strukturierten Schleifscheibe. es ist zu erkennen, dass die nicht strukturierte Schleif-scheibe über eine höhere anzahl der maximaltemperaturspitzen verfügt, im Vergleich zur Laser strukturierten Schleifscheibe. Damit ist der Zusam-menhang zwischen einer Verminde-rung der anzahl der im eingriff be-findlichen Schleifkörner Nmom und einer damit verbundenen absenkung der maximalschleiftemperatur als ge-sichert anzusehen.

abb. 6: schematische darstellung der Kühlschmierung mit und ohne laserstrukturierung

abb. 7: reduzierung der temperatur bei 96%igem Kontaktbelag im Vergleich zu einem vollen Kontaktbelag

abb. 8: Ermittlung der thermischen gefügebeeinflussung in der Werkstückrandzone mit den laser struk-turierten und nicht strukturierten schleifscheiben

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THERMISCHE bELASTUNG MIT LASER STRUKTURIERTEN UND NICHT STRUKTURIERTEN SCHLEIFSCHEIbEN

Zur Überprüfung, inwieweit sich die Randzone durch die Lasertrukturie-rung beeinflussen lässt, wurden me-tallographische untersuchungen im HeDG-Bereich durchgeführt. Für den Vergleich der Versuchseinstellungen mit und ohne Laserstrukturierung zeig-ten sich deutliche unterschiede bezüg-lich der thermischen Beeinflussung der Werkstückrandzone. abb. 8 stellt die Randzonengefügeaufnahme der

Werkstücke nach dem Schleifprozess bei einem bez. Zeitspanungsvolumen von Q´w = 120 mm3/mm·s dar. es ist er-sichtlich, dass bei dieser Versuchspa-rameter bei der Prozessdurchführung mit der Laser strukturierten Schleif-scheibe eine Schleifbearbeitung ohne eine thermische Schädigung möglich ist, wobei bei der nicht strukturier-ten CBN-Schleifscheibe eine deutli-che Schleifbrandschädigung auftritt. abb. 8 zeigt ebenfalls, dass die Laser strukturierte CBN-Schleifscheibe eine Schleifbrand freie Bearbeitung bei ei-ner Zustellung von 3,5 mm gewährt, während das Schleifen mit nicht

strukturierter Schleifscheibe zur aus-bildung einer ausgeprägten Gefügeän-derung der Randzone führt. In abb. 8 ist darüber hinaus die ausbildung ei-ner Neuhärtungszone direkt an der ge-schliffenen oberfläche in Form einer weißen Schicht zu erkennen, deren Tiefe durch einen definierten Über-gang abgegrenzt ist. Zwischen der Neuhärtungszone und dem Grund-werkstoff befindet sich eine anlasszo-ne, die sich als eine undefinierte Über-gangzone ansehen lässt.

es wurde bereits gezeigt, dass für die ausbildung von Härtungszonen so-

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wohl die auftretende maximaltem-peratur als auch der zeitliche Tempe-raturverlauf verantwortlich sind. Da die Schleifversuche unter identischen Bedingungen durchgeführt wurden, kann in diesem Falle nur die maximal-temperatur in der Kontaktzone als ur-sache für die dargestellte Randschicht-beeinflussung angenommen werden. Dies belegt wiederum die niedrigeren Schleiftemperaturen beim einsatz der gelaserten Schleifscheibe, die auf die reduzierte Schneidenzahl sowie auf die optimierte Kühlschmierstoffzu-führung zurückzuführen sind. Bei der nicht gelaserten Schleifscheibe führte hingegen die hohe Schleiftemperatur zu einer Gefügeveränderung und aus-bildung der Neuhärtungs- und anlass-zone.

In umfangreichen untersuchungen ermittelte maier den einfluss der un-terschiedlichen Schleifparameter auf die Gefügeveränderung bei der Be-arbeitung von 100Cr6 [maie08]. Die untersuchungen zeigten, dass die Neuhärtungszonen eine höhere und die anlasszonen eine geringere Härte als der unbeeinflusste Grundwerkstoff aufweisen. In [Toen85] wurde die er-höhte Härte als Resultat der Über-schreitung kritischer Bearbeitungspa-rameter und damit starker plastischer Verformung angesehen. Grinko beob-

achtete in einigen Fällen mehrere Ris-se verschiedener Länge in der weißen Schicht [Grin06]. er begründete diese Risse mit den hohen Zugspannungen.

Die ergebnisse der metallographischen untersuchungen bestätigen damit den einfluss der Schleifscheibentopo-graphie auf das thermische Prozess-verhalten im Bereich des Hochleis-tungsschleifens. aus der offenbar reduzierten thermischen Belastung der Werkstücke kann eine eindeutige Wirkung der Laserstrukturierung auf die reduzierte thermische Schädigung abgeleitet werden, die wiederum auf eine verringerte spezifische Schleif-energie rückschließen lässt. Durch die reduzierte thermische Belastung, wel-che durch die Laserstrukturierung er-möglicht wird, werden demzufolge die thermomechanischen sowie thermo-plastischen Verformungen verringert.

ZUSAMMENFASSUNG

Strukturierte CBN-Schleifscheiben können vorteilhaft bei der Bearbeitung verschiedener Werkstoffe eingesetzt werden. ein spezieller Fall unter den strukturierten Schleifscheiben ist die Laser strukturierte Schleifscheibe. Zur ermittlung des einsatzverhaltens der Laser strukturierten CBN-Schleifschei-

ben wurden in Rahmen eines ZIm-Projektes mehrere untersuchungen im Bereich des Hochleistungsschlei-fens durchgeführt. es konnte gezeigt werden, dass durch die Laserstruktu-rierung der Schleifscheiben die ther-mische Werkstückschädigung bei der Schleifbearbeitung von 100Cr6 deut-lich vermindert wird. Darüber hinaus führte der einsatz der Laser struktu-rierten Werkzeuge, wie erwartet, zu einer Reduzierung der Schleifkräfte. Durch die zusätzliche Porosität – in-folge der durch das Lasern entstande-nen Hohlräume – konnte der hydrody-namische Druck in der Kontaktzone signifikant reduziert werden.

DANKSAGUNG

Die dargestellten untersuchungen wurden innerhalb eines geförderten ZIm-Projektes KF2518705LK0 „ent-wicklungen zum Hochleistungs-/Hochgeschwindigkeitsschleifen hoch-warmfester Werkstoffe“ durchgeführt. Die autoren bedanken sich auch bei der Firma Diamant-Gesellschaft Tesch GmbH, die diese arbeit tatkräftig un-terstützt hat.

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[azar11] azarhoushang, B.: intermittent grinding of ceramic matrix composites, dissertation, Universität stuttgart, 2011

[gerl08] gerlitzky, M.: Mikrostrukturierte CBn-schleifscheiben für das Produktionsschleifen, 7. seminar „Moderne schleiftechnologie und Feinstbearbeitung“, herg. tawakoli, 2008

[grin06] grinko, s.: thermo-mechanisches schädigungsmodell für das (Zahnflanken-) Profilschleifen, dissertation, otto-von-guericke-Universität, 2006

[Kirc10] Kirchgatter, M.: Einsatzverhalten genuteter CBn-schleifscheiben mit keramischer Bindung beim außenrund-Einstechschleifen, dissertation, technische Universität Berlin, 2010

[lee12] lee, d.h.: external cylindrical plunge dry grinding with CBn wheels, dissertation, Universität stuttgart, shaker Verlag, 2012

[rabi10] rabiey, M.: dry grinding with CBn Wheels, the Effect of structuring, dissertation, Universität stuttgart, 2010

[tawa00] tawakoli, t.: innovative Werkzeugsysteme zum schleifen, abrichten und Fräsen (t- tool-Profil, und t-tool), 3.seminar „Moderne schleiftechnologie“, neue tonhalle Villingen, hrsg. t. tawakoli , 2000

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[tawa06] tawakoli, t.; rabiey, M.: trockenschleifen: Möglichkeiten und grenzen, 6. seminar Moderne schleiftechnologie und Feinstbearbeitung, haus der Wirtschaft, stuttgart, 17.06.2006

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alireza Vesali/co: Maria KohmannKompetenzzentrum für schleiftechnologie und Feinstbearbeitung (KsF), hochschule (hs) Furtwangen/Furtwangen University78054 Villingen-schwenningen telefon: +49 7720 307-4328 ksfinfo@hs-furtwangen.dewww.hs-furtwangen.de