Einsatzverhalten genuteter CBN- Schleifscheiben mit ......5.4.12 Einfluss der Nutgeometrie und...

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Einsatzverhalten genuteter CBN- Schleifscheiben mit keramischer Bindung beim Außenrund-Einstechschleifen vorgelegt von Diplom-Ingenieur Mathias Kirchgatter aus Berlin von der Fakultät V - Verkehrs- und Maschinensysteme der Technischen Universität Berlin zur Erlangung des akademischen Grades Doktor der Ingenieurwissenschaften - Dr.-Ing. - genehmigte Dissertation Promotionsausschuss: Vorsitzender: Prof. Dr.-Ing. G. Seliger Berichter: Prof. Dr. h. c. Dr.-Ing. E. Uhlmann Berichter: Prof. Dr.-Ing. D. Biermann Tag der wissenschaftlichen Aussprache: 14. Juni 2010 Berlin 2010 D83

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  • Einsatzverhalten genuteter CBN-

    Schleifscheiben mit keramischer Bindung

    beim Außenrund-Einstechschleifen

    vorgelegt von

    Diplom-Ingenieur

    Mathias Kirchgatter

    aus Berlin

    von der Fakultät V − Verkehrs- und Maschinensysteme

    der Technischen Universität Berlin

    zur Erlangung des akademischen Grades

    Doktor der Ingenieurwissenschaften

    − Dr.-Ing. −

    genehmigte Dissertation

    Promotionsausschuss:

    Vorsitzender: Prof. Dr.-Ing. G. Seliger Berichter: Prof. Dr. h. c. Dr.-Ing. E. Uhlmann Berichter: Prof. Dr.-Ing. D. Biermann Tag der wissenschaftlichen Aussprache: 14. Juni 2010

    Berlin 2010

    D83

  • VORWORT DES HERAUSGEBERS

    Die Hochleistungsschleifbearbeitung gehärteter Stahlwerkstoffe in der Großserien und

    Massenproduktion erfolgt bevorzugt mit keramisch gebundenen CBN-Schleifscheiben. Das

    Werkzeug wird dabei den Anforderungen des Schleifprozesses gemäß weitestgehend

    angepasst. Aus dem Spannungsfeld der verschiedenen Einflüsse ergibt sich eine Opti-

    mierungsaufgabe, die bisher insbesondere durch die Variation der Korn- und Bindungs-

    spezifikationen gelöst wurde. Gegenstand der vorliegenden Dissertationsschrift ist dagegen

    eine Weiterentwicklung der Schleifwerkzeuge über die Variation der geometrischen Form des

    Schleifbelags und hier speziell über die Einbringung geometrisch bestimmter Unter-

    brechungen des Schleifbelags in Form von Nuten. Das Hauptziel dieser Entwicklung ist die

    Verringerung der thermischen Belastung des Werkstücks unter Berücksichtigung der

    schwingungstechnischen Beeinflussung des Prozesses durch die veränderten Eingriffs-

    bedingungen.

    Ausgehend von vergleichenden technologischen Untersuchungen zwischen genuteten und

    ungenuteten Schleifscheiben wird zunächst das Einsatzverhalten dieser Werkzeuge unter

    Variation der Prozessbedingungen und Stellparameter analysiert. Im Anschluss erfolgt eine

    eingehende Betrachtung des Einflusses der Nutgeometrie. Der Schwerpunkt liegt hierbei auf

    den thermischen und dynamischen Bedingungen in der Kontaktzone zwischen Werkzeug und

    Werkstück. Anhand der Ergebnisse wird eine Modellvorstellung zu den Zusammenhängen

    zwischen geometrischer Form des Schleifbelags, Kontaktunterbrechung im Schleifprozess

    sowie den Prozesskenngrößen und dem Arbeitsergebnis entwickelt.

    Ein weiterer Abschnitt der Arbeit befasst sich mit dem Einsatzverhalten genuteter Schleif-

    scheiben unter den Bedingungen einer Minimalmengenkühlschmierung. Hierbei wird die

    Möglichkeit einer Verringerung des Kühlschmierstoffeinsatzes durch eine in Bezug auf die

    Prozesstemperatur optimierte Schleifbelagsgeometrie evaluiert.

    Neben den technologischen Untersuchungen anhand von Schleiftests werden zwei Simula-

    tionsprozessmodelle entwickelt und erweiterte Versuchsprogramme mittels numerischer

    Simulationsrechnungen durchgeführt. Die Simulationsmodelle bilden gemäß des Schwer-

    punkts der Untersuchungen das thermische und dynamische Verhalten der genuteten Schleif-

    werkzeuge nach und erlauben eine Verifizierung und Detaillierung des aufgestellten Prozess-

    modells. Zusammen mit den Ergebnissen aus den vorherigen Abschnitten wird anhand der

    Simulationsergebnisse die potenzielle Leistungssteigerung des Schleifprozesses durch den

    Einsatz genuteter Schleifwerkzeuge bewertet.

    Abschließend werden Einsatzempfehlungen und Hinweise zur Prozessgestaltung gegeben, die

    einen praktischen Einsatz der genuteten Schleifwerkzeuge ermöglichen. Dabei wird unter

    Berücksichtigung von Prozesssicherheit und -stabilität insbesondere die Leistungssteigerung

    über die Minimierung der Kontaktzonentemperatur fokussiert und ein Ausblick auf künftige

    Entwicklungen und Einsatzgebiete gegeben.

    Berlin im Juni 2010 Eckart Uhlmann

  • VORWORT DES VERFASSERS

    Die vorliegende Arbeit entstand während meiner Tätigkeit als Wissenschaftlicher Mitarbeiter

    am Institut für Werkzeugmaschinen und Fabrikbetrieb (IWF) der Technischen Universität

    Berlin.

    Herrn Prof. Dr. h. c. Dr.-Ing. Eckart Uhlmann, Leiter des Fachgebiets Werkzeugmaschinen

    und Fertigungstechnik am Institut für Werkzeugmaschinen und Fabrikbetrieb der Technischen

    Universität Berlin und Leiter des Fraunhofer Instituts für Produktionsanlagen und Konstruk-

    tionstechnik (IPK), danke ich für die jahrelange wohlwollende Unterstützung und Förderung

    sowie seinen fachlichen Rat, mit denen er diese Arbeit begleitet und ermöglicht hat. Herrn

    Prof. Dr.-Ing. Dirk Biermann, Leiter des Instituts für Spanende Fertigung (ISF) der

    Technischen Universität Dortmund, danke ich für die Übernahme des Korreferats, das

    entgegengebrachte Interesse bei der Begutachtung der Arbeit und die fachliche Diskussion der

    Ergebnisse. Herrn Prof. Dr.-Ing. Günther Seliger danke ich für die Übernahme des Vorsitzes

    im Promotionsausschuss und die freundliche Unterstützung während des Promotions-

    verfahrens.

    Die Forschungsergebnisse der vorliegenden Arbeit sind im Rahmen des Forschungsprojektes

    „Einfluss der Segmentierung von Schleifscheiben auf das Arbeitsergebnis beim

    Rundschleifen“ durch die Förderung der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG)

    ermöglicht worden. Darüber hinaus wurde die Arbeit maßgeblich durch die Firmen Saint-

    Gobain Diamantwerkzeuge GmbH & Co. KG und Schaeffler Technologies GmbH & Co. KG

    unterstützt. Stellvertretend für die gute Zusammenarbeit mit den genannten Partnern möchte

    ich mich hier insbesondere bei Herrn Dipl.-Ing. Jörg Rucker bedanken, der stets als

    freundlicher und kompetenter Ansprechpartner zur Verfügung stand. Außerdem möchte ich

    mich bei den Mitgliedern des Informativen Arbeitskreises Keramikbearbeitung und des VDI-

    Fachausschusses Schleiftechnik für das entgegengebrachte Vertrauen und den regen

    Gedankenaustausch bedanken.

    Mein besonderer Dank gilt allen Kollegen und Mitarbeitern des Produktionstechnischen

    Zentrums, mit denen ich über die Jahre und im Rahmen meiner Tätigkeit am Institut in

    Kontakt getreten bin. Ich habe das Arbeiten am Institut stets als interessant, kooperativ und

    angenehm empfunden. Hervorzuheben sind hierbei meine Kollegen in der Abteilung Ferti-

    gungstechnik und insbesondere die Kollegen aus der Gruppe Feinbearbeitung, die ich als

    eingeschworene Gemeinschaft erleben durfte. Die freundschaftliche und anregende

    Zusammenarbeit war eine wichtige Voraussetzung für die Fertigstellung meiner Arbeit. Herrn

    Dipl.-Ing. Vanja Mihotovic danke ich zudem für die Korrektur des Manuskripts und seine

    äußerst hilfreichen Hinweisen und Anregungen. Natürlich gebührt meinen wichtigsten

    Helfern, meinen ehemaligen studentischen Mitarbeitern Herrn Dipl.-Ing. Clemens Bäcker,

    Herrn cand.-Ing. Philip Gebala, Herrn Dipl.-Ing. Leif Hochschild und Herrn Dipl.-Ing. Jan

    Mewis eine besondere Hervorhebung, da sie durch ihre Mitarbeit, ihr Fachwissen und ihr

    Engagement maßgeblich zum gelingen der Arbeit beigetragen haben.

  • Den größten Dank möchte ich meiner Familie aussprechen. Meine Frau Barbara hat mich

    stets in meinem Vorhaben unterstützt und mir den notwendigen Freiraum verschafft, um die

    Arbeit fertig stellen zu können. Sie hat den ständig arbeitenden Papa gegenüber den Kindern

    zu kompensieren gewusst und Verständnis und Rückhalt für die stark reduzierten Familien-

    und Freizeitaktivitäten aufgebracht und erzeugt. Ihr und meinen mich stets inspirierenden

    Söhnen Luca und Marco sei diese Arbeit gewidmet. Außerdem widme ich diese Arbeit

    meinen Eltern und speziell meiner vor kurzem verstorbenen Mutter Hannelore Kirchgatter.

    Sie war seit meinem Eintritt in die Schule eine treibende Kraft und hat trotz ihrer langjährigen

    Krankheit stets einen positiven Einfluss auf mein Leben gehabt. Ich verdanke ihr viel und

    weiß, dass sie stolz auf mich wäre.

    Berlin im Juni 2010 Mathias Kirchgatter

  • INHALT I

    INHALT

    Inhalt I

    0 Kurzzeichen IV

    1 Einleitung 1

    2 Stand der Technik 2

    2.1 Allgemeines 2

    2.2 Keramisch gebundene CBN-Schleifscheiben 2

    2.2.1 Eigenschaften und Einsatzgebiete 2

    2.2.2 Herstellung und Aufbau 4

    2.2.3 Einsatzvorbereitung 5

    2.3 Aufbau und geometrische Gestaltung des Schleifbelags 7

    2.3.1 Schleifscheiben mit nicht unterbrochenem Belag 7

    2.3.2 Schleifscheiben mit unterbrochenem Belag 9

    3 Zielsetzung und Vorgehensweise 13

    4 Technologische Untersuchungen mit genuteten CBN-Schleifscheiben 17

    4.1 Versuchsbedingungen und Messmethoden 17

    4.1.1 Allgemeines 17

    4.1.2 Versuchsmaschine 17

    4.1.3 Versuchsschleifscheiben 19

    4.1.4 Abrichtprozess 21

    4.1.5 Versuchswerkstücke 23

    4.1.6 Werkstückaufnahmen 24

    4.1.7 Kraftmessung im Schleifprozess 26

    4.1.8 Schwingungsmessung im Schleifprozess 28

    4.1.9 Temperaturmessung am Werkstück 30

    4.1.10 Messung der thermischen Schädigung am Werkstück 36

    4.1.11 Messung der geometrischen Ergebnisgrößen am Werkstück 37

    4.1.12 Verschleißmessung an der Schleifscheibe 37

    4.2 Einfluss der Stellparameter auf die Prozesskenngrößen und das Arbeitsergebnis 38

    4.2.1 Allgemeines 38

    4.2.2 Prozesskräfte 38

  • II INHALT

    4.2.3 Oberflächengüte am Werkstück 40

    4.2.4 Werkstückgeometrie 42

    4.2.5 Prozessdynamik 48

    4.2.6 Prozesstemperaturen 56

    4.2.7 Werkzeugverschleiß 60

    4.3 Einfluss der Nutgeometrie auf die Prozesskenngrößen und das Arbeitsergebnis 65

    4.3.1 Allgemeines 65

    4.3.2 Prozesskräfte 65

    4.3.3 Oberflächengüte am Werkstück 69

    4.3.4 Werkstückgeometrie 74

    4.3.5 Prozessdynamik 78

    4.3.6 Prozesstemperaturen 81

    4.3.7 Werkzeugverschleiß 86

    4.4 Einfluss einer Minimalmengenkühlschmierung auf die Prozesskenngrößen

    und das Arbeitsergebnis 92

    4.4.1 Allgemeines 92

    4.4.2 Prozesstemperaturen 93

    4.4.3 Oberflächengüte am Werkstück 94

    4.4.4 Werkstückgeometrie 95

    4.4.5 Prozesskräfte 97

    5 Simulation des Schleifprozesses mit genuteten CBN-Schleifscheiben 99

    5.1 Zielsetzung der Simulationsrechnungen 99

    5.2 Vorgehensweise bei der Modellierung des Prozessverhaltens 99

    5.3 Einfluss der Schleifbelagsnutung auf die Prozesstemperatur 101

    5.3.1 Allgemeines 101

    5.3.2 Modellierung des Temperaturverhaltens 101

    5.3.3 Herleitung der Wärmeleitungsgleichung 101

    5.3.4 Lösung der Wärmeleitungsgleichung 103

    5.3.5 Berechnung der Wärmestromdichte 104

    5.3.6 Numerische Umsetzung 105

    5.3.7 Prozesskenngrößen, Randbedingungen und Stoffkennwerte 106

    5.3.8 Versuchsprogramm 109

  • INHALT III

    5.3.9 Quasistationäre maximale Temperatur in der Werkstückrandzone 109

    5.3.10 Abschätzung des technologischen Nutzens durch die Nutung 112

    5.4 Einfluss der Schleifbelagsnutung auf die Prozessdynamik 114

    5.4.1 Allgemeines 114

    5.4.2 Modellierung des dynamischen Verhaltens 114

    5.4.3 Grundlagen zur Beschreibung der Prozessdynamik 114

    5.4.4 Wirkungskreis des Prozessmodells 117

    5.4.5 Lage-Kopplungs-Modell und Bewegungsgleichungen 118

    5.4.6 Dimensionierung des Feder-Dämpfer-Masse-Systems 122

    5.4.7 Berechnung von Zerspanungsvolumen, Störgrößen und Anregungen 125

    5.4.8 Numerische Umsetzung 127

    5.4.9 Versuchsbedingungen 127

    5.4.10 Versuchsprogramm 128

    5.4.11 Einfluss der Stellparameter auf die Prozessdynamik und -stabilität 129

    5.4.12 Einfluss der Nutgeometrie und Nutzahl auf die Prozessstabilität 137

    6 Einsatzempfehlungen und Hinweise zur Prozessgestaltung 141

    7 Zusammenfassung und Ausblick 144

    8 Literatur 147

  • IV KURZZEICHEN

    0 KURZZEICHEN

    Kurzzeichen Einheit Beschreibung

    Lateinische Buchstaben

    A

    AE − Acoustic Emission (Körperschall)

    AFC − Automatic Frequenzy Control

    2 3Al O − Aluminiumoxid

    kA 2mm Kontaktfläche

    plastA − Konstante für die Berechnung der statischen Schneiden

    raumdichte

    wA µm Wellenamplitude

    a 2mm / s Beschleunigung

    ea µm Zustellung, Arbeitseingriff

    eda µm Abrichtzustellung

    elastischa µm elastischer Anteil der Zustellung im Wirkungskreis

    eua µm Zustellung pro Werkstückumdrehung

    f ista − µm Ist-Zustellung im Wirkungskreis

    f solla − µm Soll-Zustellung im Wirkungskreis

    gesamta µm gesamte Zustellung im Wirkungskreis

    B

    b mm Schleifbreite

    nb mm Nutbreite

    sb mm Schleifscheibenbreite

    wb mm Werkstückbreite

    C

    CD − Continuous Dressing (kontinuierliches Abrichten)

    CNC − Computerized Numerical Control

    CS − Continuous Sharpening (kontinuierliches Schärfen)

  • KURZZEICHEN V

    statC 31/ mm statische Schneidendichte

    kC 31/ mm Korndichte

    c J / kg K⋅ spezifische Wärmekapazität

    1c , 2c N / m Federsteifigkeiten des Werkstücks (in 2 Dimensionen)

    3c w(Q ' ) N / m Kontaktsteifigkeit in Abhängigkeit von wQ'

    4c , 5c N / m Federsteifigkeiten der Schleifscheibe (in 2 Dimensionen)

    sc J / kg K⋅ spezifische Wärmekapazität der Schleifscheibe

    wc J / kg K⋅ spezifische Wärmekapazität des Werkstücks

    D

    DAU − Digital-Analog-Umsetzer

    3D − Dämpfungsgrad der Kontaktstelle

    dV − Differentielles Volumenelement

    1d , 2d N s / m⋅ Dämpfungskonstanten des Werkstücks (in 2 Dimensionen)

    3d N s / m⋅ Dämpfungskonstante der Kontaktstelle

    4d , 5d N s / m⋅ Dämpfungskonstanten der Schleifscheibe (in 2 Dimensionen)

    eqd mm äquivalenter Schleifscheibendurchmesser

    wad mm Werkstückaußendurchmesser

    wid mm Werkstückinnendurchmesser

    sd mm Schleifscheibendurchmesser

    xd − Kantenlänge eines differentiellen Volumens in x-Richtung

    yd − Kantenlänge eines differentiellen Volumens in y-Richtung

    zd − Kantenlänge eines differentiellen Volumens in z-Richtung

    E

    sE GPa Elastizitätsmodul der Schleifscheibe

    wE GPa Elastizitätsmodul des Werkstücks

    F

    FDM − Finite Differenzen Methode

    FEM − Finite Elemente Methode

  • VI KURZZEICHEN

    FEPA − Federation of European Producers of Abrasives

    FFT − Fast-Fourier-Transformation

    AF N Anregungskraft

    cF N Schnittkraft

    dynF N dynamische Kraft

    nF N Normalkraft

    nF' N / mm bezogenen Normalkraft

    statF N statische Kraft

    tF N Tangentialkraft

    tF' N / mm bezogenen Tangentialkraft

    t ,kF N Einzelkorntangentialkraft

    xF N Kraftkomponente in x-Richtung

    yF N Kraftkomponente in y-Richtung

    zF N Kraftkomponente in z-Richtung

    f Hz Frequenz

    1...nf Hz erste bis n-te Eigenfrequenz

    arf Hz Anregungsfrequenz

    lf µm Rundlaufabweichung

    kf µm Kreisformabweichung

    G

    G − Schleifverhältnis (G-Wert, G-Verhältnis)

    thG W / K absolute Wärmeleitfähigkeit, Wärmeleitwert

    H

    HK − Knoop-Härte

    HRc − Rockwellhärte

    Hv − Vickershärte

    HSS − High-Speed-Steel, Schnellarbeitsstahl

    h J Enthalpie

    maxh µm mittlere maximale Spanungsdicke

  • KURZZEICHEN VII

    sbh mm Schleifbelagshöhe

    J

    xJ − Fluss in Richtung x

    K

    KOS − Koordinatensystem

    0KOS − Ursprungskoordinatensystem

    1KOS − lokales Koordinatensystem des Werkstücks

    2KOS − lokales Koordinatensystem der Schleifscheibe

    3KOS − lokales Koordinatensystem des Vorschubs

    k − Konstante für die Berechnung der Nutlänge

    L

    LGS − Lineares Gleichungssystem

    wsl mm Werkstücklänge

    cl , gdynl mm dynamische Kontaktlänge

    geomcl mm geometrische Kontaktlänge

    M

    zM Nm Antriebsmoment

    MP − magnetischer Parameter, Wert des Barkhausenrauschens

    m − Konstante für die Berechnung der Schleifsegmentlänge

    1m kg Masse des Werkstücks

    2m kg Masse der Schleifscheibe

    N

    NiCr Ni− − Nickel-Chrom-Nickel

    dynN 21/ mm dynamische Schneidendichte

    momN − momentane Schneidenzahl

    statN 21/ mm statische Schneidenzahl je Oberflächeneinheit

    statN ' 21/ mm mm⋅ auf den Umfang bezogene statische Schneidenzahl

  • VIII KURZZEICHEN

    hdn − Anzahl der Abrichthübe

    nn − Nutzahl am Umfang der Schleifscheibe

    wn − Wellenzahl

    Q

    kQ J Vom Kalibrierbauteil abgegebene Wärmemenge

    kQ& W Vom Kalibrierbauteil abgegebene Wärmeleistung

    KSQ l / min Kühlschmierstoffvolumenstrom

    MMKSQ ml / h Minimalmengenkühlschmierstoffvolumenstrom

    wQ 3mm / s Zeitspanungsvolumen

    wQ' 3mm / mm s⋅ bezogenes Zeitspanungsvolumen

    wGrenzQ' 3mm / mm s⋅ bezogenes Grenzzeitspanungsvolumen

    wsQ J In das Werkstück beim Schleifen eingebrachte mittlere

    Wärmemenge

    wsQ& W mittlerer Wärmestrom in das Werkstück beim Schleifen

    dq − Geschwindigkeitsverhältnis beim Abrichten

    nq − Drehzahlverhältnis beim Schleifen

    *nq − Nut-Drehzahlverhältnis

    wq 2W / mm Wärmestromdichte bezogen auf das Werkstück

    R

    RMS − Root Mean Square, quadratisches Mittel

    R(K) − Korrelationswert

    Ra µm arithmetischer Mittelwert der Profilordinate

    Rz µm größte Höhe des Profils

    pwR − Punkt auf der Werkstückoberfläche

    psR − Punkt auf der Schleifscheibenoberfläche

    rR − Rauheitsbeiwert

    sR (t) mm momentaner Radius der Schleifscheibe

    wR J Wärmeanteil aus der Schnittleistung der in das Werkstück

    fließt

  • KURZZEICHEN IX

    wR (t) mm momentaner Radius des Werkstücks

    war mm Radius zur äußeren Wand des Werkstücks

    wir mm Radius zur inneren Wand des Werkstücks

    wmr mm Radius vom Mittelpunkt des Werkstücks zur Messstelle

    S

    S 3W / mm innere Wärmequelle

    SiC − Siliziumkarbid

    T

    T C° Temperatur

    TE − Thermoelement

    50T s Zeitkonstante (Messwert = 50 % des Absolutwertes)

    90T s Zeitkonstante (Messwert = 90 % des Absolutwertes)

    mkT C° gemessene Temperatur des Werkstücks beim Kalibrieren

    SmaxT C° quasistationäre maximale Temperatur in der Werkstück-

    randzone (Simulation)

    uT C° Umgebungstemperatur

    WT − periodisches Berechnungsglied im Wirkungskreis

    waT C° mittlere Oberflächentemperatur des Werkstücks Außenseite

    wiT C° mittlere Oberflächentemperatur des Werkstücks Innenseite

    wmT C° Temperatur an der Messstelle

    rzT C° gemessene Temperatur in der Werkstückrandzone

    kkt s Kalibrier-Kontaktzeit

    kst s Kontaktzeit des Thermoelements im Schleifspalt

    U

    dU − Abrichtüberdeckungsgrad

    sU mm Umfang der Schleifscheibe

    u 3J / mm spezifische Schleifenergie

    u − Geschwindigkeit des Koordinatensystems

  • X KURZZEICHEN

    V

    sV 3mm Schleifscheibenverschleißvolumen

    wV 3mm Zerspanungsvolumen

    wV ' 3mm / mm bezogenes Zerspanungsvolumen

    cv m / s Schnittgeschwindigkeit

    frv m / min radiale Vorschubgeschwindigkeit

    ftv m / min Tischvorschubgeschwindigkeit

    sv m / s Schleifscheibenumfangsgeschwindigkeit

    sdv m / s Schleifscheibenumfangsgeschwindigkeit beim Abrichten

    wv m / min Werkstückgeschwindigkeit

    X

    F istx − µm Ist-Relativverlagerung im Wirkungskreis

    F sollx − µm Soll-Relativverlagerung im Wirkungskreis

    F1x µm Relativverlagerung mit Systemnachgiebigkeit

    F2x µm Relativverlagerung mit Werkstückdurchmesserabnahme

    F3x µm Relativverlagerung mit Störungen und Anregung

    nx µm momentaner Ort der Kontaktfläche in der Nut

    relx µm Relativverlagerung in der Kontaktstelle

    wx mm Abstand der Thermoelementspitze zur Werkstückoberfläche

    100Cr6 Wälzlagerstahl, mit Chrom legierter Kaltarbeitsstahl

    Griechische Buchstaben

    wd∆ µm Abweichung vom Soll-Durchmesser des Werkstücks

    wpotQ '∆ 3mm / mm s⋅ potenzielle Steigerung des bezogenen Zeitspanungsvolumens

    sr∆ µm Radialverschleiß der Schleifscheibe

    sbt∆ s Kontaktzeit im Schleifprozess bei der Wärme erzeugt wird

  • KURZZEICHEN XI

    rzT∆ C° Temperaturerhöhung in der Werkstückrandzone

    Φ − Transportgröße

    1α Grad Federwinkel am Werkstück

    2α Grad Federwinkel an der Schleifscheibe

    nα Grad Nutwinkel

    Luftα 2W / mm K⋅ Wärmeübergangskoeffizient für Luft

    Wasserα 2W / mm K⋅ Wärmeübergangskoeffizient für Wasser

    1β Grad Dämpferwinkel am Werkstück

    2β Grad Dämpferwinkel an der Schleifscheibe

    χ Grad Schneidenwinkel eines Korns quer zur Schnittgeschwin-

    digkeitsrichtung

    φ − Kraftwirkungsrichtung

    ϕ Grad Winkel zwischen Feder-Dämpfer-System der Kontaktstelle

    und Koordinatensystem von Werkstück und Schleifscheibe

    wλ W / mm K⋅ Wärmeleitkoeffizient, Wärmeleitfähigkeit des Werkstücks

    µ − Reibungskoeffizient

    sν − Querkontraktionszahl, Poissonzahl der Schleifscheibe

    sν − Querkontraktionszahl, Poissonzahl des Werkstücks

    ρ 3kg / m Dichte

    Mathematische Operatoren

    ∆ − Laplace Operator

    ∇ − Nabla Operator

  • 1 EINLEITUNG 1

    1 EINLEITUNG

    Im aktuellen Kontext von Globalisierung und der Diskussion um Klimawandel und ökologi-

    schem Verantwortungsbewusstsein findet derzeit eine Neuausrichtung der gesellschaftlichen

    Werte statt, die auch bis in die produzierende Industrie für Konsum- und Investitionsgüter

    reicht. Neben den weiterhin aktuellen Fragestellungen hinsichtlich Qualität und Wirtschaft-

    lichkeit der Produktion sind vermehrt Aspekte hinzugekommen, die aus dem politischen

    Umfeld und der veränderten Wahrnehmung der Produkte durch den Kunden resultieren.

    Lösungen für die neuen Anforderungen werden dabei auf allen Ebenen gesucht und erzeugen

    zusätzlichen Innovationsdruck, der in nicht unerheblichem Maße auch die Fertigungstechnik

    betrifft. Dies hat im Bereich der spanenden Fertigung die Suche nach neuen Ansätzen bzw.

    weiteren Rationalisierungspotenzialen zur Folge, die neben den vormals hauptsächlich tech-

    nologischen und ökonomischen Aspekten nun seit einiger Zeit auch ökologische und soziale

    Aspekte mit einbezieht. Wobei sich die verschiedenen Zielstellungen keineswegs

    ausschließen müssen, denkt man nur an die ökologisch sinnvolle Vermeidung von Kühl-

    schmierstoff, der eine kostenintensive Entsorgung bedingt.

    Die Ansatzpunkte in der Fertigung sind vielfältig. Neben innovativer Maschinentechnik und

    Prozessgestaltung kann auch die geeignete Wahl und Auslegung der eingesetzten Werkzeuge

    einen entscheidenden Beitrag im Sinne der angeführten Ziele leisten. Dies gilt nicht zuletzt

    für Schleifprozesse. Deren Hauptanforderungen beschränken sich längst nicht mehr nur auf

    die Fein- bzw. Finish-Bearbeitung, sondern beinhalten oft hohe Zeitspanungsvolumina bei

    geringem Werkzeugverschleiß und einer qualitativ hochwertigen Bauteilgüte [Uhl09]. Durch

    die allgemeine Tendenz zu steigenden Vorschüben, Schnittgeschwindigkeiten und

    Abtrennraten wird ein Spannungsfeld erzeugt, in dem auch die Kühlschmierung und die

    temperaturbedingte Bauteilschädigung eine wichtige Rolle spielen. Den hieraus resultierenden

    Anforderungen kann in Teilen bei der Auslegung der Werkzeuge Rechnung getragen werden.

    Neben der Variation der Korn- und Bindungsspezifikationen bietet allein schon die geometri-

    sche Form des Schleifbelags Raum für Verbesserungen bei der effizienteren Gestaltung der

    Schleifwerkzeuge. Die Nutung von Schleifscheiben, bzw. der Aufbau der Schleifscheiben aus

    räumlich getrennten Schleifsegmenten, hat bereits bei einigen Anwendungen Potenzial zur

    Optimierung des Schleifprozesses bewiesen. Eine Reduzierung der entstehenden Wärme-

    leistung durch den diskontinuierlichen Eingriff bzw. eine verbesserte Zufuhr des Kühl-

    schmierstoffs zwischen den Segmenten wurden dabei als Ursache angeführt. Grundlegende

    Untersuchungen zu den Einflüssen der Nutung von Schleifscheiben auf Prozess und Arbeits-

    ergebnis sind bisher allerdings nicht durchgeführt worden.

    Ziel der vorliegenden Arbeit ist es daher, die Einflüsse einer Nutung des Schleifbelags auf den

    Schleifprozess und das Arbeitsergebnis am Beispiel der Rundschleifbearbeitung metallischer

    Bauteile mit CBN-Schleifscheiben zu untersuchen und somit die technologischen Grundlagen

    für eine optimierte Werkzeugauslegung zu erarbeiten. Dabei stehen neben dem generellen

    Einsatzverhalten der genuteten Schleifwerkzeuge vor allem die Einflüsse auf die Temperatur-

    entwicklung im Schleifspalt und das dynamische Prozessverhalten im Vordergrund.

  • 2 2 STAND DER TECHNIK

    2 STAND DER TECHNIK

    2.1 Allgemeines

    Im ersten Abschnitt dieses Kapitels werden die keramisch gebundenen CBN-Schleifscheiben

    behandelt. Hierbei wird zunächst auf die generellen Eigenschaften und die sich daraus erge-

    benden Einsatzgebiete sowie auf den Aufbau und die Herstellung dieser Werkzeuggruppe

    eingegangen. Außerdem werden die allgemeinen und speziellen Aspekte der Einsatzvorbe-

    reitung von keramisch gebundenen CBN-Schleifscheiben erläutert. Der zweite Abschnitt

    befasst sich mit dem Aufbau von Schleifscheiben aus einzelnen Segmenten und Schleif-

    scheiben mit definiert unterbrochenem Schleifbelag sowie den Gründen für diese Werkzeug-

    formen.

    2.2 Keramisch gebundene CBN-Schleifscheiben

    2.2.1 Eigenschaften und Einsatzgebiete

    Der hochharte Schneidstoff kubisches Bornitrid, der nach der englischsprachigen Bezeich-

    nung „Cubic Boron Nitride“ auch als CBN bezeichnet wird, wurde bereits 1957 zum ersten

    Mal synthetisch hergestellt. Seit 1969 steht er dem europäischen Markt zur Verfügung und

    wurde auch kurz darauf bereits als Schleifstoff in Verbindung mit Kunstharzbindungen für die

    Bearbeitung von Schnellarbeitsstahl eingesetzt. Ab 1975 kam der Einsatz mit metallischen

    Bindungen und seit 1982/1983 auch mit keramischen Bindungen hinzu, wobei die kera-

    mischen Bindungen erstmalig das Abrichten der Schleifwerkzeuge mit vertretbarem Aufwand

    ermöglichten [Mey05].

    CBN eignet sich auf Grund seiner Härte, Wärmeleitfähigkeit und thermischen Stabilität her-

    vorragend als Schneidstoff. Mit einer Knoop-Härte von 45 GPa bei Raumtemperatur ist CBN

    nach Diamant (88 GPa) das zweithärteste bekannte Material. CBN besitzt zudem eine sehr

    hohe Wärmeleitfähigkeit von 200 - 700 W/mK und ordnet sich damit wiederum an zweiter

    Stelle hinter Diamant ein (500 - 2000 W/mK). Bei einer thermischen Stabilität bis zu 1400 °C

    erreicht CBN sogar deutlich höhere Werte als Diamant, welches nur bis ca. 900 °C thermisch

    stabil ist. Oft setzt bei Diamant bereits ab 700 °C verstärkt Graphitisierung ein. Oberhalb von

    900 °C ist CBN somit das härteste bekannte Material. Der Grund hierfür liegt in der Eigen-

    schaft des CBN bei hohen Temperaturen unter Sauerstoffatmosphäre eine schützende Bor-

    oxidschicht auszubilden. Da CBN zudem keinen Kohlenstoff enthält, eignet es sich im

    Gegensatz zu Diamant für die Bearbeitung von gehärteten und ungehärteten kohlenstoff-

    haltigen Stählen. Beim Einsatz von Diamant tritt auf Grund von tribochemischen Reaktionen

    ein erhöhter Verschleiß bei dieser Werkstoffgruppe auf. Dies gilt auch für die Bearbeitung

    von Titan und dessen Legierungen. Gründe hierfür sind die erhöhte Reaktivität von Titan mit

    Sauerstoff und die Neigung zur Bildung von Carbiden. Das generelle Einsatzspektrum von

    CBN beginnt schon bei relativ weichen, aber zähen Werkstoffen (etwa ab 50 HRc) und reicht

    bis zu sehr harten, karbidhaltigen Legierungen (Werkzeugstähle, Sonderstähle, HSS, usw.).

    Für amorphe und keramische Werkstoffe ist CBN allerdings so wenig geeignet, wie für die

    Bearbeitung von Hartmetallen. Vor allem in Großserienprozessen werden auf Grund der

  • 2 STAND DER TECHNIK 3

    höheren Standzeit heute immer mehr konventionelle Schleifscheiben durch CBN-Schleif-

    scheiben ersetzt. Die erreichbaren Abtragsquotienten G = Vw/Vs, die das Zerspanungs-

    volumen am Werkstück Vw mit dem Schleifscheibenverschleißvolumen Vs in Relation setzen

    (auch Schleifverhältnis oder G-Wert genannt), betragen mit Werten von 1200 bis 15000 etwa

    das 500- bis 5000-fache dessen, was mit konventionellen Schleifscheiben erreichbar ist.

    Insbesondere im Bereich des Präzisionsschleifens geht der Trend dabei eindeutig zu CBN-

    Schleifscheiben mit keramischer Bindung [Coe71, Gar88, Mei07, Mey05, Vri72, Wen57].

    Neben den durch die Werkstoffeigenschaften bedingten, sinnvollen Einsatzgebieten, zu denen

    auch die Bearbeitung schwer zerspanbarer Werkstoffe wie Nickelbasislegierungen gehört,

    gibt es noch weitere Anwendungen für die sich CBN-Schleifwerkzeuge aus technologischer

    oder wirtschaftlicher Sicht anbieten. In Verbindung mit keramischen Bindungen wird CBN

    überall dort erfolgreich eingesetzt, wo die Porosität und die Abrichtbarkeit des Bindungs-

    systems zusammen mit den spezifischen Eigenschaften der CBN-Körnung eine Rolle spielen.

    Dies ist oft bei Schleifbearbeitungen der Fall, bei denen eine große Kontaktfläche zwischen

    Werkstück und Schleifscheibe entsteht [Juc87, Mer03, Stu96]. Die Innenrundbearbeitung von

    Lagerringen ist hier eine klassische Anwendung [Alt82]. Aber auch Profilschleifoperationen

    mit erhöhten Anforderungen, wie sie zum Beispiel an Zahnflanken auftreten, profitieren von

    dem relativ kühlen Schliff der CBN-Werkzeuge, bei dem ein großer Teil der entstehenden

    Wärme über die Schleifscheibe abgeleitet werden kann [Bou94]. Dies vermindert zum einen

    die Gefahr von thermischen Randzonenschädigungen wie Schleifbrand oder das Anlassen von

    einsatzgehärteten Gefügen durch zu hohe Temperaturen in der Wirkzone. Zum anderen

    wurden für das Belastungsverhalten der Bauteile meist günstige Druckeigenspannungen bei

    der Bearbeitung mit keramisch gebundenen CBN-Schleifscheiben festgestellt, die sich auf die

    geringere Reibungswärme der Bindung zurück führen lassen, gegenüber Schleifscheiben mit

    konventionellen Schleifmitteln [Bri82, Bri91, Cho86, Row00, Tön87].

    Der Großteil der produzierten CBN-Schleifscheiben mit keramischer Bindung wird heute bei

    der Bearbeitung von Kurbel- und Nockenwellen im Automobilbau eingesetzt. Saint-

    Gobain Abrasives, einer der größten Hersteller von Schleifwerkzeugen weltweit, beziffert

    seinen Umsatz in diesem Bereich auf ca. 1/3 vom gesamten europäischen Umsatz, der in 2006

    ca. 50-60 Mio. € betrug [Sai07]. Insgesamt verzeichnen CBN-Schleifscheiben laut Aussage

    von Saint-Gobain Abrasives [Sai08] weiterhin steigende Marktanteile. Dies liegt einerseits an

    den Verbesserungen der Schleifwerkzeuge und hier speziell der keramischen

    Bindungssysteme durch die Schleifscheibenhersteller. Andererseits sind die für den Einsatz

    dieser Werkzeuge notwendigen erhöhten Steifigkeiten und Genauigkeiten der

    Werkzeugmaschinen sowie die entsprechenden Spindelleistungen heutzutage kaum mehr ein

    Problem. Der Mehraufwand an Investitionsmitteln ist als gering einzustufen. Rechnet man

    zudem die Werkzeugkosten gegen die Standzeit, so ist der Einsatz von CBN-Schleifscheiben

    mittlerweile in vielen Bereichen wirtschaftlicher als der von konventionellen Schleifscheiben.

    Die generellen Einflussfaktoren für einen vermehrten Einsatz von CBN-Schleifscheiben

    können beispielhaft an der Kurbelwellenfertigung verdeutlicht werden. Grundvoraussetzung

    für die Verbreitung der CBN-Technologie war die Weiterentwicklung der Schleifwerkzeuge

    und hier speziell der Bindungssysteme. Erst durch die verbesserten Bindungen wurde es

    möglich, die Schleifscheiben mit erhöhten Schnittgeschwindigkeiten einzusetzen und somit

  • 4 2 STAND DER TECHNIK

    die Vorteile der CBN-Körnung adäquat zu nutzen. Daraus resultierte eine erhöhte Leistungs-

    fähigkeit der Schleifscheiben, im Sinne von höheren erreichbaren Zeitspanungsvolumina bei

    verbesserter Standzeit der Schleifscheiben und gleichbleibend hohen Werkstückqualitäten

    hinsichtlich Geometrie und Oberflächengüte. Die CBN-Technologie ist fast untrennbar mit

    den Begriffen Hochgeschwindigkeits- und Hochleistungsschleifen verbunden. Die

    verbesserten Werkzeuge alleine rechtfertigen jedoch oft nicht deren Einsatz. Im Falle der

    CBN-Schleiftechnologie für Kurbelwellen waren die Entwicklung neuer Prozesstechnologien

    des Ur- und Umformens, neue Schleifstrategien sowie neue Maschinenkonzepte und

    Maschinenkomponenten mitverantwortlich für die Erhöhung der Marktanteile in diesem

    Bereich. Erfolgte früher nach dem Ur- bzw. Umformprozess zunächst eine spanende

    Bearbeitung durch Verfahren mit geometrisch bestimmten Schneiden wie Drehen oder

    Fräsen, so machte die Weiterentwicklung der Gießtechnologie zu einer sogenannten Near-

    Net-Shape-Technologie mit geringen geometrischen Toleranzen zur Endform diese

    Bearbeitungsschritte teilweise überflüssig. Zusammen mit der Weiterentwicklung der

    Bindungssysteme bei CBN-Schleifscheiben und der Entwicklung der CNC-Abrichttechno-

    logie erfolgte letztendlich eine Umgestaltung der Prozesskette in der Kurbelwellenfertigung.

    Das Schleifen ist heute nicht mehr nur für den letzten Prozessschritt der Fein- bzw. Endbear-

    beitung verantwortlich, sondern hat auch den Schritt der Vorbearbeitung übernommen und

    somit die Bearbeitungsverfahren mit geometrisch bestimmter Schneide ersetzt. Eine frühere

    Prozesskette, bestehend aus Drehräumen bzw. Fräsen sowie Vor- und Fertigschleifen mit

    konventionellen Schleifscheiben, ist heute oft nach dem Gießen auf die zwei Prozessschritte

    Vorschleifen mit galvanisch gebundenen und Fertigschleifen mit keramisch gebundenen

    CBN-Scheiben reduziert [Ard05, Bec04, Mer03, Mey05].

    2.2.2 Herstellung und Aufbau

    Beim Einsatz von CBN als Kornwerkstoff für die Schleifbearbeitung, spielt dessen Kristall-

    struktur und somit das Splitterverhalten eine entscheidende Rolle. Da während eines Schleif-

    prozesses die Schneiden abstumpfen, muss ein Splittern des Korns erfolgen damit ein Selbst-

    schärfeffekt eintritt, bei dem sich neue Schneiden ausbilden. Die gewünschten Eigenschaften

    des CBN-Korns können mittlerweile bei dessen Hochtemperatursynthese über die entstehende

    kristalline Struktur weitgehend eingestellt werden [Vri93].

    Schleifwerkzeuge mit CBN-Körnung werden mit unterschiedlichen Bindungstypen auf den

    verschiedensten Grundkörpern hergestellt. Je nach Anwendung wird dabei ein- oder mehr-

    schichtig belegt. Als Bindungstypen werden Kunstharzbindungen, metallische Bindungen und

    keramische Bindungen eingesetzt. Bei den metallischen Bindungen ist dabei weiterhin

    zwischen gesinterter Metallbindung, infiltrierter Metallbindung und galvanischer Bindung zu

    unterscheiden. Die Bindungssysteme unterscheiden sich in Bezug auf Wärmeleitfähigkeit,

    Härte, Standzeitverhalten, Formstabilität und Abrichtbarkeit. Der Grundkörper bestimmt in

    den meisten Fällen die statische und dynamische Festigkeit des Schleifkörpers und sollte eine

    hohe Wärmeleitfähigkeit und Schwingungsdämpfung besitzen. Er besteht je nach Art des

    Schleifbelags und nach Art des gewünschten Schleifverhaltens aus Aluminium, Stahl, Bronze,

    Kunstharz, Kunstharz mit metallischen/nichtmetallischen Füllstoffen, faserverstärktem

    Kunstharz oder Keramik [Col88, Klo05, Kön96, Pad93, Vie86].

  • 2 STAND DER TECHNIK 5

    Betrachtet man die Werkzeuggruppe der geraden, zylindrischen, hochharten Schleifscheiben,

    so sind die Unterschiede im Ablauf der Herstellung, außer durch Form und Abmessungen, vor

    allem durch die Bindungssysteme bedingt, deren Eigenschaften einen hohen Einfluss auf das

    Einsatzverhalten der CBN-Schleifscheibe haben. Die vorliegende Arbeit fokussiert die

    keramisch gebundenen CBN-Schleifscheiben mit metallischem Grundkörper. Die Inhalts-

    stoffe der keramischen Bindung sind Tone, Kaoline, Feldspate, Glasfritten und weitere

    Zusatzstoffe wie zum Beispiel Porenbildner. Außerdem werden oft sogenannte Stützkörner

    aus Siliziumkarbid (SiC) oder Korund (Al2O3) beigemischt, die ein Einstellen der Porosität

    ohne Veränderung der CBN-Kornkonzentration ermöglichen. Die Stützkörner werden somit

    eher zu den Bindungskomponenten gezählt [Hol88, Lin92, Pad93]. Nach dem Mischen der

    einzelnen Komponenten Schleifmittelkorn, Bindungsstoffe und Zusatzstoffe, erfolgt die

    Formgebung des keramisch gebundenen Schleifbelages durch Gieß- oder Pressverfahren. Da

    das Gießverfahren sehr aufwändig und auch nur für bestimmte Bindungen und Schleifmittel-

    körnungen anwendbar ist, wird es zunehmend durch das Pressverfahren ersetzt. Das Pressen

    der gemischten Masse erfolgt in einer Pressform, wobei der gleichmäßigen Verteilung der

    Masse eine hohe Bedeutung zukommt, um Struktur- und Härteunterschiede sowie Unwuchten

    zu minimieren. Nach dem Trocknen werden die keramisch gebundenen Schleifkörper bei

    Temperaturen von 1000 °C bis 1350 °C in Öfen gebrannt. Dabei wird die keramische

    Bindung gesintert bzw. zu einer glasartigen Masse geschmolzen, die die Schleifkörner um-

    fließt, benetzt und verbindet. Nach dem gesteuerten Abkühlen auf Raumtemperatur folgen

    eine Nachbearbeitung und die Verbindung zwischen Grundkörper und Schleifbelag durch

    Kleben. Der Endbearbeitung auf Fertigmaß schließen sich Qualitätskontrollen sowie Probe-

    läufe an. Je nach Steuerung und maximaler Temperatur des Brennprozesses entstehen

    entweder glasartige Bindungen, bei denen die Bindungskomponenten vollständig

    aufschmelzen, die Körnung umfließen und mit dessen Oberfläche reagieren oder Sinter-

    bindungen, bei denen die Komponenten lediglich oberflächlich anschmelzen und haften.

    Neben den Haftungsmechanismen unterscheiden sich diese Bindungstypen durch die Dicke

    der entstehenden Bindungsstege, die bei den Glasbindungen generell dünner sind [Col88,

    Klo05, Kön96, Vie86].

    2.2.3 Einsatzvorbereitung

    Die Einsatzvorbereitung, also das Konditionieren keramisch gebundener CBN-Schleif-

    scheiben ist von hoher Bedeutung für deren Einsatz. Insbesondere die weitgehend automati-

    sierten Produktionsabläufe, bei denen CBN-Schleifscheiben auf Grund ihrer Eigenschaften oft

    eingesetzt werden, sind ohne entsprechend ausgelegte Konditionierprozesse kaum denkbar,

    zumal sich die Einsatzvorbereitung von Schleifscheiben mit hochharten Schleifmitteln

    deutlich von der Einsatzvorbereitung konventioneller Schleifscheiben unterscheidet. Die

    erfolgreiche Verbreitung der CBN-Schleifscheiben mit keramischer Bindung ist somit un-

    trennbar mit der Güte der eingesetzten Abrichttechnologie verknüpft.

    Generell umfasst der Begriff des Konditionierens sämtliche Verfahren zur Einsatz-

    vorbereitung oder Aufbereitung der Schleifwerkzeuge, wobei grundsätzlich zwischen

    Abrichten und Reinigen der Schleifscheibe unterschieden wird. Unter das Abrichten fallen die

    Erzeugung von Form, Maß und Rundlauf, also der Makrostruktur der Schleifscheibe. Diese

  • 6 2 STAND DER TECHNIK

    werden durch das Profilieren eingestellt. Des Weiteren gehört zum Abrichten die Erzeugung

    der Schneidenraumbeschaffenheit oder Topographie, also der Mikrostruktur des Schleif-

    belags, die durch das Schärfen eingestellt wird. Beim Abrichten ist demnach ein Abtrennen

    von Korn und Bindung bzw. nur ein Zurücksetzen der Bindung das Ziel. Im Gegensatz dazu

    ist beim Reinigen keine Veränderung an Korn und Bindung erwünscht, sondern das Entfernen

    von Span-, Korn- und Bindungsresten aus dem Spanraum der Schleifscheibe [Uhl89, Sal91].

    Eine Übersicht der Zusammenhänge ist in Bild 2.1 dargestellt.

    Bild 2.1: Begriffe des Konditionierens nach Uhlmann [Uhl89]

    Die grundlegende Entwicklung der Technologie des Konditionierens für keramisch

    gebundene CBN-Schleifscheiben begann bereits vor der Einführung von CBN als Schneid-

    stoff mit der Entwicklung der Diamantabrichtrolle. Bemerkenswert hierbei ist, dass schon

    1963 hohe Formgenauigkeiten der Rollen mit Toleranzen im Bereich von +/-1 µm zur Ver-

    fügung standen. Die Abrichttechnologie mit den entsprechenden Stellparametern für

    keramisch gebundene CBN-Schleifscheiben wurde um 1980 entwickelt. Allerdings war es

    erst zehn Jahre später möglich mittels der CNC-Technologie auch komplizierte Kontur-

    abrichtvorgänge an keramisch gebundenen CBN-Schleifscheiben durchzuführen. Hierzu

    wurden speziell entwickelte Diamant-Formrollen eingesetzt [Mey05].

    Die hohe Verschleißfestigkeit und Profilhaltigkeit von keramisch gebundenen CBN-Schleif-

    scheiben, die sich beim Schleifen als günstig erweisen, verursachen beim Abrichten

    technische Probleme und erhöhte Kosten. Gründe hierfür sind, je nach Verfahren, verlängerte

    Abrichtzeiten und erhöhter Abrichtwerkzeugverschleiß. Es können daher nicht alle Verfahren

    sinnvoll zum Abrichten von keramisch gebundenen CBN-Schleifscheiben eingesetzt werden.

    Generell ist anzumerken, dass die Kombination aus Werkstoff, Schleifstoff, Bindungsart und

    Schleifkörperprofil das einsetzbare Abrichtwerkzeug und Abrichtverfahren bestimmen

    [Uhl03].

    Konditionieren

    Abrichten Reinigen

    Profilieren Schärfen

    Makrostruktur Mikrostruktur

    Herstellen von- Rundlauf- Scheibenprofil

    Erzeugen derTopographie

    Mikrostruktur

    Beseitigen vonSpänen aus dem Spanraum

    Veränderung vonKorn- und Bindungbeabsichtigt

    Zurücksetzten der Bindungbeabsichtigt

    Keine Veränderungder Schleifscheibebeabsichtigt

    Konditionieren

    Abrichten Reinigen

    Profilieren Schärfen

    Makrostruktur Mikrostruktur

    Herstellen von- Rundlauf- Scheibenprofil

    Erzeugen derTopographie

    Mikrostruktur

    Beseitigen vonSpänen aus dem Spanraum

    Veränderung vonKorn- und Bindungbeabsichtigt

    Zurücksetzten der Bindungbeabsichtigt

    Keine Veränderungder Schleifscheibebeabsichtigt

  • 2 STAND DER TECHNIK 7

    Für keramisch gebundene CBN-Schleifscheiben werden heutzutage hauptsächlich rotierende

    Diamantabrichtwerkzeuge eingesetzt. Ihr Hauptvorteil liegt in der hohen Schneidenzahl auf

    der Mantelfläche des Abrichters, die dem hohen abrasiven Verschleiß durch die Schleif-

    scheibe entgegenwirkt und somit ein Vielfaches der Profilstandzeit von stehenden Abricht-

    werkzeugen erreicht. Mit rotierenden Diamantabrichtwerkzeugen können zudem komplexe

    Profilkonturen mit hohen Genauigkeitsanforderungen realisiert werden, was sie zu den bevor-

    zugten Abrichtwerkzeugen für das Abrichten hochharter Schleifkörper unter Produktions-

    bedingungen werden lässt. Hinsichtlich der Geometrie kommen Diamantprofilrollen, Dia-

    mantformrollen und Diamanttopfscheiben zum Einsatz. Die Wahl der Werkzeuggeometrie

    und somit auch des Verfahrens ist wiederum prozessabhängig. Während die Profilrollen das

    Negativprofil der Schleifscheibe tragen und dieses durch radiale Zustellung auf der Schleif-

    scheibe abbilden, werden mit Formrolle und Topfabrichter die Konturen der Schleifscheibe

    bahngesteuert erzeugt [Uhl94, Uhl03, VDI3392].

    War es bis vor kurzem noch wichtig, dem Schritt des Profilierens ein Schärfen anzuschließen,

    um einen für die Bearbeitung geeigneten Kornüberstand herzustellen, so ist dies bei modernen

    keramischen Bindungen meist nicht mehr notwendig. Teilweise kann ein definiertes Ein-

    schleifen vor der eigentlichen Bearbeitung sinnvoll sein, bei dem die Bindung durch die

    abrasive Wirkung der Späne zurückgesetzt wird. Aktuelle Abrichtprozesse mit Anschnitt-

    erkennung und mikrometergenauer Zustellung erlauben allerdings auch einen direkten Einsatz

    der Schleifscheibe. Zu beachten ist, dass bei keramisch gebundenen CBN-Schleifscheiben oft

    der Kornüberstand mit dem Verschleiß der Schleifscheibe im Prozess wächst und nicht wie

    bei konventionellen Schleifscheiben kleiner wird. Dies liegt an den veränderten Verschleiß-

    mechanismen und insbesondere an der Härte des Schleifkorns. Bei konventionellen Schleif-

    scheiben verschleißen die Schleifkörner auf Grund ihrer geringen Härte oft schneller als die

    keramische Bindung zurück gesetzt wird und vermindern somit den Kornüberstand. Bei

    CBN-Schleifscheiben ist dagegen vielfach ein umgekehrtes Verhalten zu beobachten, bei dem

    die Bindung schneller zurückgesetzt wird als die CBN-Körner verschleißen. Somit vergrößert

    sich der Kornüberstand bei CBN-Schleifscheiben mit der Schleifdauer. In der Praxis werden

    daher Abrichtzustellungen empfohlen, die insgesamt nur etwa 10 % des Korndurchmessers

    ausmachen, um die nur die Schleifkörnung zu erfassen, neue Schneiden zu generieren und den

    Kornüberstand zu verringern. Somit wären bei einer 126er Körnung 3 Hübe á 4 µm ein

    praktikabler Wert. Oft werden sogar deutlich geringere Abrichtzustellungen realisiert, um

    lediglich an den abgeflachten Kornspitzen neue Schneiden zu generieren [Sai08, Stu96,

    VDI3392].

    2.3 Aufbau und geometrische Gestaltung des Schleifbelags

    2.3.1 Schleifscheiben mit nicht unterbrochenem Belag

    Bei den betrachteten Umfangsschleifscheiben wird der Belag einer Schleifscheibe als nicht

    unterbrochen oder geschlossen definiert, wenn die Mantelfläche keinerlei Kavitäten aufweist,

    bzw. wenn der Radius vom Mittelpunkt der Schleifscheibe zu jedem beliebigen Punkt auf der

    Umfangsfläche konstant ist, wobei die Breite des Schleifbelags vernachlässigt wird. Im

    Gegensatz zum oben beschriebenen Verfahren der Herstellung von keramisch gebundenen

  • 8 2 STAND DER TECHNIK

    CBN-Schleifscheiben, bei denen der gesamte Schleifbelag als Ring in einer Form gepresst

    und dann später gebrannt wird, ist es auch möglich, den Schleifbelag aus einzelnen

    Segmenten zusammenzusetzen. Diese werden dabei ebenso gepresst, gebrannt und mit dem

    Grundkörper durch Kleben verbunden. Dabei entsteht bei den Stoß an Stoß gesetzten

    Segmenten eines später geschlossenen Belages nicht nur eine Klebefuge zwischen

    Schleifbelag und Grundkörper, sondern auch zwischen den einzelnen Segmenten. Dieser

    Aufbau ist bei Schleifscheiben mit sehr großem Durchmesser gängige Praxis. Bei einigen

    Herstellern wird dieser Aufbau sogar über weite Durchmesserbereiche der Schleifscheiben

    eingesetzt [Sai08]. Ein geschlossener, aus einzelnen Segmenten zusammengesetzter CBN-

    Schleifbelag in keramischer Bindung ist in Bild 2.2 zu erkennen.

    Bild 2.2: Segmentierter CBN-Schleifbelag

    Verschiedene Gründe sprechen für den segmentierten Aufbau bei geschlossenem Schleif-

    belag. Die Schwindung beim Sintern von Keramiken ist vom Volumen des Bauteils abhängig.

    Schleifsegmente mit geringem Volumen ermöglichen daher eine erhöhte Fertigungsgenauig-

    keit. Unsegmentierte, ringförmige Schleifbeläge können sich zudem auf Grund von im

    Herstellungsprozess induzierten Spannungen verwinden. Kurze Segmente erlauben eine gute

    Anpassung an die Krümmung des Grundkörpers, so dass ein Bereich von verschiedenen

    Grundkörperradien mit einem Segmenttyp abgedeckt werden kann. Dies hat neben der Flexi-

    bilität bezüglich der Fertigung auch verringerte Werkzeugkosten bei den Pressformen und

    geringere Rüstzeiten zur Folge.

    Aus geometrischer Sicht sind bei segmentierten Schleifscheiben Hinterschneidungen und

    somit Belagprofile möglich, die bei einem ringförmigen Belag ausgeschlossen sind. Dies ist

    Klebefuge

    CBN-Belagsegment

    Schleifscheibengrundkörper

  • 2 STAND DER TECHNIK 9

    auf die Möglichkeit zurückzuführen, die Segmente axial, radial oder tangential Pressen zu

    können. Erfahrungswerte zeigen außerdem, dass segmentierte Schleifscheiben auch bei

    großen Durchmessern ein genaueres und schnelleres Auswuchten ermöglichen. Dies ist auf

    die Tatsache zurückzuführen, dass die Homogenität des Schleifbelags von der Verteilung der

    Schleifbelagskomponenten in der Form beim Pressen abhängt und deshalb großvolumige

    Schleifbeläge problematisch sind. Unter sicherheitstechnischen Aspekten liefern die segmen-

    tierten Schleifscheiben zusätzliche Vorteile. Die Bruchanfälligkeit ist generell geringer, was

    dazu führt, dass höhere Schleifscheibenumfangsgeschwindigkeiten zulässig sind. Hierbei

    spielen insbesondere die Klebefugen zwischen den einzelnen Segmenten eine wichtige Rolle,

    da sie sich positiv auf den Abbau von Spannungen auswirken, die auf Grund der Fliehkräfte

    entstehen und zudem eine Grenze für das Risswachstum im sprödharten keramischen Schleif-

    scheibenbelag darstellen. Aus Anwendersicht ist die Reparaturmöglichkeit, d.h. die Möglich-

    keit einzelne defekte Segmente auszutauschen, interessant [Gaf98, Hau87, Ruc05, Sai08,

    Xip03]. Der Einfluss des segmentierten Aufbaus der Schleifscheibe mit geschlossenem Belag

    bzw. der Klebefugen zwischen den Segmenten auf den Bearbeitungsprozess ist bislang nicht

    untersucht worden. Es können daher keine Aussagen gemacht werden, in welcher Weise sich

    die Segmentierung der Schleifscheibe auf das Einsatzverhalten der Schleifscheibe auswirkt.

    Denkbar ist zumindest ein Einfluss auf die Prozessdynamik, da die Klebefugen eine

    periodisch wiederkehrende Änderung der Kontaktbedingungen darstellen.

    2.3.2 Schleifscheiben mit unterbrochenem Belag

    Neben der Unterscheidung zwischen segmentierten und nicht segmentierten Schleifbelägen,

    die sich bei zylindrischen Schleifscheiben nur auf die Herstellung des Schleifbelags aus

    einzelnen Kreissegmenten oder einem kompletten Ring bezieht, kann weiterhin zwischen

    geschlossenen und unterbrochenen Schleifbelägen unterschieden werden, wobei es wiederum

    verschiedene Formen des unterbrochenen Schleifbelags gibt. Als Unterbrechung wird hier

    eine regelmäßig über die Umfangsfläche der Schleifscheibe verteilte Höhenänderung des

    Schleifbelags verstanden, die mindestens eine, oft jedoch mehrere Größenordnungen über den

    Höhendifferenzen der Schleifbelagtopographie liegt. Im Allgemeinen handelt es sich um

    Kavitäten, die in den Schleifbelag eingebracht sind oder durch die räumlich getrennte

    Anordnung von Schleifbelagssegmenten entstehen. Die Unterbrechung kann geometrisch

    bestimmt oder unbestimmt sein. Im Fall von regelmäßig angeordneten Unterbrechungen

    spricht man auch von strukturierten Schleifbelägen. Ein Spezialfall der Kavitäten stellen

    Nutungen bzw. Nuten dar. In der vorliegenden Arbeit werden diese als geometrisch

    bestimmte Unterbrechungen des Schleifbelags verstanden, die unter einem Winkel zur

    Schleifrichtung eingebracht sind und den Schleifbelag der zylindrischen Schleifscheibe auf

    der Umfangsfläche in seiner gesamten Breite unterbrechen.

    Im Bereich des Trennschleifens sind genutete Schleifscheiben bereits industriell verbreitet,

    ebenso sind sie bei Topfschleifwerkzeugen für zum Beispiel die Halbleiterindustrie bekannt.

    In anderen Bereichen der Schleiftechnik werden nur vereinzelt solche Werkzeuge eingesetzt

    bzw. nur von einigen Herstellern genutete Schleifwerkzeuge angeboten. In Bild 2.3 ist ein

    solches Werkzeug der Lapport DCS GmbH dargestellt. Die so genannte Lamellenschleif-

    scheibe wurde zusammen mit der Liebherr Verzahntechnik GmbH entwickelt und zum Patent

  • 10 2 STAND DER TECHNIK

    angemeldet [Pat05]. Die aus einzeln aufgeklebten, am Umfang verteilten Segmenten

    hergestellte CBN-Schleifscheibe wird bereits industriell mit Erfolg eingesetzt. Es gibt jedoch

    bis dato keine Veröffentlichungen bezüglich der Zusammenhänge zwischen

    Schleifbelagaufbau und Einsatzverhalten dieses Schleifscheibentyps.

    Bild 2.3: Lamellenschleifscheibe der Lapport DCS GmbH

    Hauptsächliches Entwicklungsziel für diese Art von Schleifscheiben ist es, die thermische

    Schädigung der Bauteile zu verhindern. Neben dem Einsatz alternativer Kühlschmiersysteme

    wie der Minimalmengenschmierung oder dem Einsatz von Cryotechnik wird durch die inter-

    mittierende Zufuhr von konventionellem Kühlschmierstoff in die Wirkzone durch einen

    unterbrochenen Schleifbelag eine Reduzierung der thermischen Beanspruchung antizipiert

    [Hof04, Lee00, Taw01]. Andere Systeme nutzen die Nutungen im Schleifbelag, um den

    Kühlschmierstoff über Kanäle vom Inneren der Schleifscheibe zuzuführen.

    Es gibt generell nur wenige wissenschaftliche Veröffentlichungen, die den Einfluss einer

    Nutung oder Strukturierung des Schleifbelags zum Thema haben. Zheng [Zhe94] hat ein

    thermisches Modell aufgestellt, das die Eingriffsverhältnisse einer genuteten Schleifscheibe

    berücksichtigt und mit dem der Temperaturanstieg in der Wirkzone qualitativ vorhergesagt

    werden kann. Er schätzt ab, dass durch eine Nutung der Schleifscheibe die maximalen

    Temperaturen in der Wirkzone signifikant verringert werden können. Lee, Wong und Zhang

    [Lee00] haben einen Ansatz verfolgt, den unterbrochenen Schnitt mit einer genuteten

    Diamantschleifscheibe für die Bearbeitung von technischer Keramik zu nutzen. Sie geben an,

    dass eine 40 bis 80 % geringere Temperatur durch einen genuteten Schleifbelag zu erreichen

    ist. Ähnliche Ergebnisse präsentierten auch Aurich, Herzenstiel, Sundermann und Magg

    [Aur08], die eine strukturierte Anordnung der Schleifkörnung untersuchten. Stanislao und

    Turkerer [Sta74] haben mit ihrer spiralförmig genuteten Diamantschleifscheibe gezeigt, dass

    die Schleifkräfte im Gegensatz zu einem nicht genuteten Belag sinken. Der Zusammenhang

    ist in Bild 2.4 dargestellt.

  • 2 STAND DER TECHNIK 11

    Auch Nakayama, Takagi und Abe [Nak77] haben erkannt, dass Potenzial zur Verbesserung

    des Schleifprozesses durch genutete Schleifscheiben besteht. Ihre Ergebnisse mit einer

    spiralförmig genuteten Schleifscheibe beim Planschleifen sind Bild 2.5 zu entnehmen.

    Insbesondere die geringere spezifische Schleifenergie bei der genuteten Schleifscheibe wird

    hier als Beweis für eine geringere thermische Belastung angeführt. In der Darstellung der

    Oberflächenrauheit ist jedoch auch zu erkennen, dass der genutete Aufbau eine Verschlech-

    terung des Arbeitsergebnisses mit sich bringen kann.

    Bild 2.4: Normalkraft in Abhängigkeit der Schleifscheibenumfangsgeschwindigkeit für eine normale

    (Standard) und genutete (Modified) Schleifscheibe bei verschiedenen Zustellungen [Sta74]

    Bild 2.5: Der Einfluss spiralförmiger Nuten auf Schleifkräfte, spezifische Energie und

    Oberflächenrauheit [Nak77]

    0

    10

    20

    30

    40

    1500 2000 2500 3000 3500

    Wheel speed (rpm)

    No

    rmal

    forc

    e (

    lb)

    Standard 0,001´´ Modified 0,001´´

    Standard 0,003´´ Modified 0,003´´

    0

    2

    4

    6

    0 5 10 15

    Table speed, v m/min

    No

    rma

    l fo

    rce

    , F

    n

    Regular Grooved

    kilogram-force

    0

    2

    4

    6

    0 5 10 15

    Table speed, v m/min

    Ta

    ng

    en

    tia

    l fo

    rce

    , F

    t

    Regular Grooved

    kilogram-force

    0

    100

    200

    0 5 10 15

    Table speed, v m/min

    Sp

    ec

    ific

    en

    erg

    y, u

    Regular Grooved

    J/mm3

    0

    0,2

    0,4

    0,6

    0 5 10 15

    Table speed, v m/min

    Su

    rfa

    ce

    Ro

    ug

    hn

    es

    s, R

    a

    Regular Grooved

    m

  • 12 2 STAND DER TECHNIK

    Fu, Xu H. und Xu J. [Fu02] kamen bei ihrer mathematisch optimierten Schleifscheibentopo-

    graphie ebenfalls auf einen genuteten Aufbau. Sie stellen dar, dass sich ein größerer Abstand

    zwischen den effektiven Schleifkörnern, der durch eine Nutung der Schleifscheibe erreicht

    wird, positiv auf die Temperaturentwicklung auswirkt.

    Tawakoli [Taw01] entwickelte mit dem sogenannten „T-Tool“ ein spezielles segmentiertes

    Werkzeug mit unterbrochenem Schleifbelag, das in Bild 2.6 dargestellt ist. Ergebnisse die er

    mit diesem Werkzeug erzielte sind Bild 2.7 zu entnehmen. Neuere Arbeiten von Tawakoli

    [Taw09] befassen sich mit der Reduzierung der Kontaktfläche durch Strukturierung der

    Schleifbelagsoberfläche.

    Bild 2.6: Prinzipdarstellung des T-Tools [Taw01]

    Bild 2.7: Mittenrauwert Ra in Abhängigkeit der Schleiflänge für das T-Tool [Taw01]

    Weitere Entwicklungen beschäftigen sich hauptsächlich mit der gezielten Zuführung des

    Kühlschmierstoffs durch das Schleifscheibeninnere, mit Austritt zwischen den Schleif-

    segmenten, um einen besseren Transport zur Wirkstelle zu erreichen und die Kühlschmier-

    menge verringern zu können [Ngu05, Ngu05a, Ngu09, Taw04].

  • 3 ZIELSETZUNG UND VORGEHENSWEISE 13

    3 ZIELSETZUNG UND VORGEHENSWEISE

    Keramisch gebundene CBN-Schleifscheiben sind mittlerweile etablierte Werkzeuge der

    industriellen Fertigungstechnik und stellen auf Grund ihrer positiven Eigenschaften bei vielen

    anspruchsvollen Anwendungen einen Standard dar. Gerade in Prozessen der Mittel- und

    Großserienfertigung, wie beispielsweise der Kurbel- und Nockenwellenbearbeitung im Auto-

    mobilbau, sind ihre positiven Eigenschaften bezüglich der Werkzeugstandzeit, des

    erreichbaren Zeitspanungsvolumens, der Temperaturentwicklung in der Wirkzone und der

    Abrichtbarkeit der Bindung mit entscheidend für die Effizienz und Produktivität des Prozess-

    schritts Schleifbearbeitung. Allerdings erzeugt der durch den Markt bedingte Kosten- und

    Qualitätsdruck die bekannte und dauerhaft gültige Zielvorgabe, die Effizienz und Produk-

    tivität der einzelnen Prozessschritte weiter zu steigern und vorhandene Potenziale bis an ihre

    technologischen und wirtschaftlichen Grenzen auszuschöpfen. Eine weiterführende Opti-

    mierung der Schleifwerkzeuge bietet solche Potenziale. Neben der Verbesserung der Schleif-

    scheibenspezifikation im Hinblick auf Korn- und Bindungseigenschaften, die kontinuierlich

    von den Schleifscheibenherstellern voran getrieben wird, ist aktuell auch eine Verbesserung

    des Einsatzverhaltens der Schleifwerkzeuge durch innovative geometrische Ausprägungen in

    den Blickwinkel des Interesses geraten.

    Die Fertigung des Schleifbelags keramisch gebundener CBN-Schleifscheiben aus einzelnen

    Schleifbelagssegmenten kann wirtschaftliche und technologische Vorteile für den Schleif-

    scheibenhersteller haben und ist daher bereits eine vielfach angewandte Methode. Bisher

    werden die Segmente fast ausschließlich bündig auf dem Schleifscheibengrundkörper

    verklebt, so dass ein durchgehender Schleifbelag entsteht. Die in Kapitel 2 angeführten

    Studien haben allerdings gezeigt, dass ein Schleifscheibenaufbau mit definiert unter-

    brochenem Schleifbelag, also mit einer geometrisch bestimmten Nutung, die Leistungsfähig-

    keit des Werkzeugs unter Umständen signifikant steigern kann. Erste Erklärungsmodelle

    führen diese Tatsache vornehmlich auf einen verbesserten Transport des Kühlschmiermittels

    in die Kontaktzone zwischen Schleifscheibe und Werkstück zurück. Es gibt allerdings auch

    weitere mögliche Phänomene und Erklärungen, die für die erhöhte Leistungsfähigkeit dieser

    Werkzeuge mit verantwortlich sein können wie zum Beispiel die ständig wiederkehrende

    Unterbrechung des Wärmeeintrags aufgrund der Schleifbelagsnutung. Systematische und

    umfassende Untersuchungen der Einflüsse auf die entscheidenden Prozesskenngrößen, auf

    das Arbeitsergebnis oder den Werkzeugverschleiß wurden bisher nicht durchgeführt. Eine

    genaue Kenntnis der Wirkmechanismen ist jedoch in jedem Fall erforderlich, um die

    vorhandenen Potenziale für eine wirtschaftliche und prozesssichere Bearbeitungstechnologie

    nutzbar machen zu können. Das Ziel der genauen Kenntnis der Zusammenhänge und somit

    der Nutzbarmachung der Potenziale wird zudem als äußerst lohnend erachtet, weil die

    wichtigsten Voraussetzungen für eine erfolgreiche industrielle Weiterentwicklung und

    Anwendung dieser Schleifwerkzeuge bereits gegeben sind. Die Herstellung von keramisch

    gebundenen CBN-Schleifscheiben, bei denen die Segmente nicht bündig, sondern mit

    Zwischenraum auf dem Grundkörper verklebt werden, oder die nachträgliche Einbringung

    von geometrisch definierten Nuten in einen geschlossenen Belag durch spanende Verfahren,

    ist mit einfachen Mitteln für die Schleifscheibenhersteller realisierbar und erzeugt nach

  • 14 3 ZIELSETZUNG UND VORGEHENSWEISE

    jetzigem Wissensstand keine signifikanten Nachteile bezüglich sicherheitsrelevanter Aspekte.

    Der Einsatz genuteter Werkzeuge bei industriellen Schleifprozessen und auf

    Werkzeugmaschinen, die bereits mit CBN-Schleifscheiben arbeiten, wird zudem aller

    Voraussicht nach kaum Modifikationen erfordern, da die vorhandene Abrichttechnologie

    weiterhin einsetzbar ist, ähnliche Schleifspindelleistungen und Drehzahlen abgerufen werden

    und die Schleifwerkzeuge keine steiferen Aufbauten oder schnellere NC-Achsen erforderlich

    machen. Dies gilt auch für den Fall, dass deutlich höhere Zeitspanungsvolumina realisiert

    werden können, da die relevanten Vorschubachsen selten im Grenzbereich operieren.

    Das Hauptziel der vorliegenden Arbeit ist es, einen Beitrag zur Klärung der Mechanismen

    beim Einsatz von keramisch gebundenen CBN-Schleifscheiben mit definiert unterbrochenem

    Schleifbelag zu leisten, um die Grundlagen für den prozesssicheren industriellen Einsatz

    solcher Werkzeuge zu erarbeiten. Dabei werden neben der Klärung der generellen Einflüsse

    eines unterbrochenen Schleifbelags auf das Arbeitsergebnis und die Prozesskennwerte des

    Schleifprozesses, vor allem die Einflüsse der geometrischen Ausformung der Zwischenräume,

    d. h. der Nutbreite und des Nutwinkels herausgearbeitet. Die Erarbeitung des Wissens um die

    Zusammenhänge erfolgt anhand technologischer Untersuchungen und Simulationsrechnungen

    sowie der Analyse und Interpretation der Messwerte und Ergebnisse. Um eine Vergleich-

    barkeit zu schaffen, werden die Untersuchungen jeweils auch mit Schleifscheiben mit

    geschlossenem Belag durchgeführt, die als Referenz für den momentanen Stand der Technik

    im industriellen Einsatz dienen. Im Sinne einer systematischen Vorgehensweise wurde das

    oben genannte Hauptziel in verschiedene Teilziele unterteilt. Die Teilziele sind in Bild 3.1 am

    Ende dieses Abschnitts dargestellt.

    Allgemeines

    Für die Untersuchungen wurde das Verfahren des Quer-Umfangs-Außen-Rundschleifens oder

    auch Außenrund-Einstechschleifens in einen gehärteten Stahlwerkstoff mit keramisch

    gebundenen CBN-Schleifscheiben gewählt, das zum Beispiel beim Schleifen von

    Nockenwellen in der Automobilindustrie, bei der Bearbeitung von Wälzlager- oder

    Nabenbauteilen sowie in der Fertigung diverser Funktionsflächen an zylindrischen Bauteilen

    zum Einsatz kommt. Die Wahl ist einerseits durch die Relevanz für den industriellen Einsatz

    des untersuchten Werkzeugtyps und andererseits durch die für die Untersuchungen günstigen

    Eingriffsverhältnisse begründet, da die geringe Kontaktfläche zwischen Werkzeug und

    Werkstück einen signifikanten Einfluss der Nutung des Schleifbelags und somit eindeutige

    Untersuchungsergebnisse erwarten lässt.

    Teilziel 1: Kenntnis des Einsatzverhaltens genuteter CBN-Schleifscheiben

    Die Kenntnis über das Einsatzverhalten der genuteten keramisch gebundenen CBN-Schleif-

    scheiben wird anhand von technologischen Untersuchungen erarbeitet. Dies sind vornehmlich

    Schleiftests, die auf einem adäquaten Maschinensystem durchgeführt werden und einen hohen

    Bezug zu Produktions-Schleifprozessen haben, wie sie aktuell in der Industrie zu finden sind.

    Die Untersuchungen erfolgen zunächst mit einer gerade genuteten Schleifscheibe unter

    Variation der Stellparameter Schleifscheibengeschwindigkeit, Werkstückgeschwindigkeit und

    radialer Vorschubgeschwindigkeit bzw. dem daraus resultierenden bezogenen Zeitspanungs-

    volumen. Bei diesen Schleiftests werden die prozessrelevanten Messwerte, wie Schleifkräfte,

  • 3 ZIELSETZUNG UND VORGEHENSWEISE 15

    Schwingungen und Kontaktzonentemperaturen sowie die bauteilbezogenen relevanten Mess-

    größen, wie Maß- und Formgenauigkeit und Oberflächengüte aufgenommen und für die

    Beschreibung des Prozessverhaltens genutzt. Das Prozessverhalten eines ungenuteten

    Schleifwerkzeugs wird als Referenz herangezogen. In einem zweiten Schritt werden verschie-

    denartig genutete Schleifwerkzeuge gegenübergestellt, um den Einfluss der Nutgeometrie zu

    erarbeiten. Hierbei werden sowohl die Nutbreite, als auch der Nutwinkel variiert und die

    Prozessschritte des Schruppens und Schlichtens abgebildet. In einem dritten Schritt wird der

    Einsatz von genuteten Schleifscheiben bei einer Minimalmengenkühlschmierung geprüft.

    Teilziel 2: Abschätzung der möglichen Leistungssteigerung des Schleifprozesses durch den

    Einsatz genuteter CBN-Schleifscheiben

    Um die mögliche Leistungssteigerung durch den Einsatz genuteter Schleifscheiben

    abschätzen zu können, erfolgt zunächst eine Auswahl signifikanter Messgrößen und

    Kennwerte, die eine vergleichende Gegenüberstellung der genuteten und ungenuteten

    Schleifwerkzeuge unter verschiedenen Aspekten erlaubt. Hierbei werden insbesondere die

    maximalen Prozesstemperaturen, die Schwingungsantwort des Systems, das Arbeitsergebnis

    sowie der Werkzeugverschleiß in die Betrachtung miteinbezogen. Die Abschätzung der

    potenziellen Leistungssteigerung erfolgt unter Berücksichtigung von Grenzkriterien wie dem

    Auftreten von thermischen Schädigungen in der Bauteilrandzone, geometrischen

    Abweichungen im Arbeitsergebnis oder kritischen Prozesszuständen. Bezogen auf die

    Untersuchungen bei Einsatz einer Minimalmengenkühlschmierung wird das Potenzial zur

    Realisierung eines industriell einsetzbaren Schleifprozesses abgeschätzt.

    Teilziel 3: Klärung der Ursachen der veränderten Leistungsfähigkeit genuteter CBN-

    Schleifscheiben

    Neben der Erarbeitung von Erkenntnissen aus den schleiftechnologischen Untersuchungen,

    erfolgt die Klärung der Ursachen der veränderten Leistungsfähigkeit der genuteten CBN-

    Schleifscheiben anhand von Ergebnissen aus der numerischen Simulation des Prozess-

    verhaltens dieser Werkzeuge. Das Hauptaugenmerk wird dabei auf die Entwicklung der

    Temperaturen in der Kontaktzone und auf das dynamische Verhalten der Werkzeuge aufgrund

    des unterbrochenen Schleifbelags gelegt. Hierzu werden entsprechende Prozessmodelle

    angelegt, die ein virtuelles Versuchsprogramm erlauben und die schleiftechnologischen

    Untersuchungen ergänzen. Im Gegensatz zu den technologischen Untersuchungen wird hier

    neben der Nutgeometrie auch die Anzahl der am Umfang der Schleifscheibe verteilten Nuten

    variiert. Des Weiteren werden mit Hilfe der numerischen Simulation spezielle Prozess-

    bedingungen erzeugt, die es erlauben einzelne Phänomene zu isolieren und somit ein

    erweitertes Verständnis über die Wirkmechanismen zu schaffen. So kann die Erregung des

    Systems einzig durch die Nutung der Schleifscheibe erfolgen, im Gegensatz zum realen

    Prozess, wo Unwuchten, nicht ideale Werkstückformen und weitere Effekte die Erregung

    überlagern. Bei den numerischen Simulationen zur Temperaturentwicklung wird ein eventuell

    veränderter Mechanismus des Kühlschmiermitteltransportes durch die Nutung unterdrückt,

    um den Effekt des unterbrochenen Eingriffs isoliert betrachten zu können.

  • 16 3 ZIELSETZUNG UND VORGEHENSWEISE

    Bild 3.1: Zielsetzung und Vorgehensweise

    Hauptziel:Kenntnis der Wirkmechanismen beim Einsatz genuteter keramisch gebundener CBN-Schleifscheiben

    Erschließung der Potenziale genuteter keramisch gebundener CBN-Schleifscheiben für eine wirtschaftliche und prozesssichere Bearbeitungstechnologie

    Teilziel 1:

    Kenntnis über das Einsatzverhalten genuteter Schleifscheiben und den Einfluss der Nutgeometrie

    Technologische Untersuchungen:

    Schleiftests mit Messung und Auswertung der relevanten Prozessparameter

    Variation der Stellparameter und der Nutgeometrien

    Modellierung des Prozesses:

    Simulation der Temperatur-entwicklung im Werkstück und des dynamischen Verhaltens der genuteten Schleifscheiben im Prozess

    Vergleichende Betrachtung:

    Auswertung signifikanter Messgrößen und Kennwerte unter Berücksichtigung von schleiftechnologisch wichtigen Aspekten und Grenzkriterien

    Teilziel 2:

    Abschätzung der möglichen Leistungssteigerung im Prozess durch den Einsatz genuteter Schleifscheiben

    Teilziel 3:

    Klärung der Ursachen der verbesserten Leistungs-fähigkeit genuteter Schleifscheiben

  • 4.1 VERSUCHSBEDINGUNGEN UND MESSMETHODEN 17

    4 TECHNOLOGISCHE UNTERSUCHUNGEN MIT GENUTETEN CBN-SCHLEIFSCHEIBEN

    4.1 Versuchsbedingungen und Messmethoden

    4.1.1 Allgemeines

    In diesem Abschnitt werden die Versuchsbedingungen und die Vorgehensweise bei der

    Durchführung der technologischen Untersuchungen beschrieben. Zunächst werden der

    Versuchsstand, die eingesetzten Schleifwerkzeuge und deren Nutgeometrien, die Werkstücke

    und der Werkstückwerkstoff sowie die eingesetzten Vorrichtungen und die Untersuchungs-

    umstände näher erläutert. Im Anschluss wird auf die verschiedenen Messmittel und Mess-

    methoden eingegangen, die zur Analyse des Schleifprozesses und des Arbeitsergebnisses

    eingesetzt werden. Die Messmethoden sind nach Messungen der Prozesskenngrößen, des

    Verschleißes am Schleifwerkzeug und den am Werkstück gemessenen Ergebnisgrößen

    geordnet.

    4.1.2 Versuchsmaschine

    Die Schleifbearbeitungen erfolgen an einer Universal-Rundschleifmaschine vom Typ PF51

    der Firma Schaudt Mikrosa BWF GmbH. Die Versuchsmaschine ist für Außenrund-, Innen-

    rund- und Unrund-Schleifprozesse ausgerüstet. Die Außenschleifspindel bietet eine Leistung

    von 25 kW und es können Schleifscheibenumfangsgeschwindigkeiten von bis zu 200 m/s bei

    einem Schleifscheibendurchmesser von 500 mm realisiert werden. Die Maschine stellt somit

    eine geeignete Basis dar, um industrielle Hochleistungsprozesse mit CBN-Schleifscheiben

    abzubilden. Neben den üblichen Tisch-Abrichteinheiten mit stehenden und rotierenden

    Abrichtwerkzeugen stehen Einheiten zum Continuous Dressing (CD) mit Diamant Abricht-

    rollen, zum Continuous Sharpening (CS) sowie eine Swing-Step Abrichteinheit zur Ver-

    fügung. Die Maschine ist zudem für das Schleifen mit Öl ausgelegt. Bild 4.1 zeigt die

    Versuchsmaschine und in Tabelle 4.1 ist eine Auswahl technischer Daten dargestellt.

    Kühlschmierung

    Für die Schleifversuche wird eine 5 %ige Emulsion vom Typ Castrol Syntilo XPS der Firma

    Deutsche BP AG eingesetzt. Das Kühlschmiermittel wird über eine Freistrahldüse mit regu-

    lierbarem Spalt in rechteckiger, scharfkantiger Form zugeführt. Der Volumenstrom wird

    während der Untersuchungen nicht variiert und beträgt QKS = 8,2 l/min.

    Neben den Hauptuntersuchungen mit Überflutungskühlung über die Freistrahldüse werden

    auch Untersuchungen mit Minimalmengenkühlschmierung durchgeführt. Hierzu wird eine

    Minimalmengenkühlschmieranlage vom Typ MKS-G 260 der Terstegen chemisch-technische

    Produkte GmbH eingesetzt. Als Kühlschmiermittel steht ein Spezialprodukt für Microjet®-

    Geräte vom Typ Micro 1100 der Link Dosiergeräte GmbH zur Verfügung. Die Anlage wird

    mit einem eingestellten Volumenstrom von QMMKS = 80 ml/h betrieben.

  • 18 4.1 VERSUCHSBEDINGUNGEN UND MESSMETHODEN

    Bild 4.1: Universal-Rundschleifmaschine PF51

    Tabelle 4.1: Technische Daten der Versuchsmaschine

    Arbeitsraum

    Schleiflänge 1000 mm (ca. 800 mm mit Kraftmesseinrichtung)

    Spitzenhöhe 225 mm

    max. Werkstückgewicht 250 kg

    Schleifspindelstockeinstellung -45° bis +190°

    Außenschleifspindel

    Leistung 25 kW

    Max. Schleifscheibendurchmesser 500 mm

    Min. Schleifscheibendurchmesser 50 mm

    Schleifscheibenumfangsgeschwindigkeit 140 m/s (konstant) / 200m/s (maximal)

    Werkstückspindel

    Drehzahl 0 bis 1000 min-1

    Moment 250 Nm

    Werkstücklänge/-durchmesser/-masse 1000 mm/445 mm/250 kg

  • 4.1 VERSUCHSBEDINGUNGEN UND MESSMETHODEN 19

    4.1.3 Versuchsschleifscheiben

    Für die technologischen Untersuchungen werden keramisch gebundene CBN-Schleifscheiben

    eingesetzt. Diese Werkzeuge kommen auf Grund ihrer Leistung und langen Standzeit in der

    Großserienfertigung zur Anwendung, bieten aber gegenüber metallisch gebundenen Werk-

    zeugen den Vorteil, dass ein geringerer Aufwand für die Einsatzvorbereitung notwendig ist.

    Somit ist einerseits die industrielle Relevanz gegeben und andererseits wird die nötige Flexi-

    bilität des Forschungsvorhabens gewährleistet, da die Werkzeuge direkt auf der Versuchs-

    maschine abgerichtet werden können.

    Es werden sowohl Schleifscheiben mit geschlossenen als auch Schleifscheiben mit unter-

    brochenen, d. h. genuteten Schleifbelägen eingesetzt. Da das Ziel der Untersuchungen die

    Kenntnis über den Einfluss der Nutung des Schleifbelags auf den Prozess und das Arbeits-

    ergebnis ist, wird die Spezifikation des Schleifbelags nicht verändert. Um die Vergleichbar-

    keit der Ergebnisse zu gewährleisten, werden die Schleifscheiben zudem nur von einem Her-

    steller, der Firma Saint-Gobain Diamantwerkzeuge GmbH & Co. KG bezogen. Die Spezi-

    fikation der Versuchsschleifscheiben geht aus Tabelle 4.2 hervor.

    Tabelle 4.2: Schleifbelagspezifikation

    B126 WC6VG1 V36 VG700-350-10-5 100

    B126: mittlerer CBN-Korndurchmesser 126 µm

    W: Bindungsansatz mit Wachs

    C: Füllkorn Aluminiumoxid (126 µm)

    6VG1: Niederbrandbindung mit 34 % Porosität

    V36: 37,5 % Volumenanteil CBN

    VG: Vitrified Ground

    700: Sonderform (nicht nach FEPA)

    350: Außendurchmesser in mm

    10: Belagbreite in mm

    5: Nutzbare Belagtiefe in mm

    100: Bohrungsdurchmesser in mm

    Der Schleifscheibendurchmesser wird mit 350 mm festgelegt. Dies bietet den Vorteil, dass

    auch ein geschlossener, nicht aus Segmenten aufgebauter Schleifbelag verfügbar ist. Die

    Nutungen werden bereits vom Hersteller mit einer galvanisch gebundenen Diamant-

    schleifscheibe in den Schleifbelag eingebracht. Es sind jeweils 20 Nuten gleichmäßig auf dem

    Umfang der Schleifscheibe verteilt.

    Die Nutungen sind unter Vorgabe des Winkels zur Schleifrichtung angeordnet und haben eine

    definierte Breite. Diese beiden Parameter werden im Laufe der Untersuchungen variiert und

    im Folgenden als Nutwinkel und Nutbreite bezeichnet. Die Nutungsgeometrien der Schleif-

    scheiben sind im Bezug auf den linienartigen Eingriff in der Kontaktzone derart gewählt, dass

  • 20 4.1 VERSUCHSBEDINGUNGEN UND MESSMETHODEN

    einerseits Eingriffsverhältnisse mit unterbrochenem Schnitt entstehen. Andererseits gibt es

    Schleifbeläge deren Segmente sich im Bezug auf den linienartigen Eingriff überdecken, so

    dass trotz der Nutung zu jedem Zeitpunkt Schleifbelag im Eingriff ist. Tabelle 4.3 gibt eine

    Übersicht über die eingesetzten Nutgeometrien. Die geometrischen Zusammenhänge sind in

    Bild 4.2 graphisch dargestellt.

    Tabelle 4.3: eingesetzte Nutgeometrien

    Spezifikation Nutbreite Nutwinkel Schleifbelag

    B126

    WC6VG1

    350-10

    0 mm - geschlossener nicht segmentierter Belag

    0 mm 90° geschlossener Belag, gerade Segmente

    5 mm 90° gerade Nuten, keine Schleifbelagsüberdeckung

    10 mm 90° gerade Nuten, keine Schleifbelagsüberdeckung

    15 mm 90° gerade Nuten, keine Schleifbelagsüberdeckung

    15 mm 45° geschränkte Nuten, keine Schleifbelagsüberdeckung

    10 mm 45° geschränkte Nuten, keine Schleifbelagsüberdeckung

    5 mm 45° geschränkte Nuten, Schleifbelagsüberdeckung

    5 mm 30° geschränkte Nuten, Schleifbelagsüberdeckung

    5 mm 60° geschränkte Nuten, Grenze Schleifbelagsüberdeckung

    Bild 4.2: Prinzipskizze der Nutgeometrien

    5

    45°

    30°

    60°

    90°

    45°

    15

    15

    45°

    10

    510

    Schleifbelagsüberdeckung

    Eingriffslinie

    Klebefuge

    Schleifbelag

    Nut

    Grenzfall der Schleifbelagsüberdeckung

  • 4.1 VERSUCHSBEDINGUNGEN UND MESSMETHODEN 21

    4.1.4 Abrichtprozess

    Das Abrichten der Schleifscheiben erfolgt in der Versuchsmaschine mit einer galvanisch

    positiv belegten Formrolle mit einschichtigem Diamantbelag der Firma Saint-

    Gobain Diamantwerkzeuge GmbH & Co. KG. Der Vorteil des einschichtigen Diamantbelags

    ist die über die Lebensdauer der Formrolle gleichbleibende Wirkbreite. Die Spezifikation der

    Formrolle geht aus Tabelle 4.4 hervor.

    Tabelle 4.4: Spezifikation der Abrichtrolle

    1SG 71P-130-0,6 (SG40 D602)

    1SG: Galvanisch positiv belegt

    71P/SG 40: Profilform (siehe Skizze rechts)

    130: Außendurchmesser in mm

    0,6: Wirkbreite in mm (entspricht Belagbreite)

    D: Diamantkörnung

    602: mittlerer Korndurchmesser in µm

    Die Parameter für den Abrichtprozess wurden in Voruntersuchungen ermittelt. Hierbei wurde

    zunächst das Verhalten der genuteten Schleifscheiben beim Abrichten untersucht, um eine

    Beeinflussung der Versuchsergebnisse durch den Abrichtprozess zu vermeiden. Die Vor-

    untersuchungen haben gezeigt, dass sich die genuteten Schleifscheiben beim Abrichten

    generell nicht anders Verhalten, als die ungenuteten Schleifscheiben. Der Vergleich der

    Schleifbelagstopographie nach dem Abrichten zeigte identische Werte.

    Im Rahmen der technologischen Untersuchungen werden zwei Abrichtparametersätze einge-

    setzt, die sich im Abrichtüberdeckungsgrad unterscheiden. Dies ist notwendig, da sowohl

    Schrupp- als auch Schlichtbearbeitungen durchgeführt werden, die mit industriellen Prozessen

    vergleichbar sein sollen und die Schleifbelagtopographie für entsprechende Ergebnisse ange-

    passt werden muss. Tabelle 4.5 zeigt die beiden Abrichtparametersätze.

    Tabelle 4.5: Abrichtparameter

    Bearbeitung Schruppen Schlichten

    Verfahren Gleichlauf Gleichlauf

    Geschwindigkeitsverhältnis qd 0,8 0,8

    Schleifscheibenumfangsgeschwindigkeit vsd 100 m/s 100 m/s

    Überdeckungsgrad Ud 3 6

    Zustellung aed 3 µm 3 µm

    Hubanzahl nhd 1 1

    Diamantbelag

  • 22 4.1 VERSUCHSBEDINGUNGEN UND MESSMETHODEN

    Das Abrichten wird mit einem Körperschall- bzw. Acoustic-Emission-Sensor (AE-Sensor)

    überwacht. Es handelt sich hierbei um ein Hydrophon vom Typ SEH der Firma

    Nordmann GmbH & Co. KG, welches den Körperschall an der Abrichtrolle mit Hilfe eines

    Flüssigkeitsstrahls misst, der auf die Spindel des rotierenden Tischabrichters gerichtet ist. Die

    Auswertung der Signale erfolgt mit dem entsprechenden Gerät vom Typ Tool Monitor SEM-

    68000 derselben Firma. Der Sensor wird für die Anschnitterkennung und für die Kontrolle

    des Abrichtprozesses eingesetzt. Dies ist insbesondere relevant, weil beim Abrichten der

    CBN-Schleifbeläge nur sehr kleine Zustellungen realisiert werden und Abweichungen von der

    Soll-Zustellung einen großen Einfluss auf die Schleifbelagtopographie bzw. den Korn-

    überstand haben. Bei den Voruntersuchungen wurde zudem die Schwingungsneigung des

    Abrichtprozesses beim Abrichten der genuteten Schleifscheiben mit diesem Sensor überprüft.

    Es konnte kein signifikant verändertes Schwingungsverhalten beim Abrichten der genuteten

    Schleifscheibe festgestellt werden. Bild 4.3 zeigt den Arbeitsraum der Maschine beim

    Abrichten mit Abrichtrolle, Kühlschmierdüse, Hydrophon und genuteter CBN-Schleifscheibe.

    Bild 4.3: Arbeitsraum der Maschine beim Abrichten

  • 4.1 VERSUCHSBEDINGUNGEN UND MESSMETHODEN 23

    4.1.5 Versuchswerkstücke

    Die technologischen Untersuchungen werden an Werkstücken aus gehärtetem 100Cr6 durch-

    geführt. Dieser Wälzlagerstahl wird industriell für verschiedene Bauteile in der Großserien-

    fertigung eingesetzt und ist ein typischer Werkstoff, der mit keramisch gebundenen CBN-

    Schleifscheiben bearbeitet wird. Um die Vergleichbarkeit der Versuchsergebnisse zu

    gewährleisten ist es notwendig, dass die Versuchswerkstücke über große Stückzahlen gleich-

    bleibende Qualität aufweisen. Aus diesem Grund wurde als Versuchswerkstück ein Bauteil

    aus einer Massenfertigung gewählt, das genormt ist und den üblichen industriellen Qualitäts-

    kontrollen unterliegt. Bei den Versuchswerkstücken handelt es sich um den äußeren Ring

    eines Rillenkugellagers der Spezifikation FAG-16007 der Schaeffler Technologies GmbH &

    Co. KG. Die Ringe sind durchgehärtet und fertig bearbeitet. Die Spezifikation der Lagerringe

    kann Tabelle 4.6 entnommen werden.

    Tabelle 4.6: Spezifikation der Versuchswerkstücke

    FAG 16007 Rillenkugellager (Außenring)

    Werkstoff: 100Cr6 (1.3505)

    Wärmebehandlung: Durchgehärtet

    Härteangabe Hersteller: 62 HRc +/- 2 HRc

    Gemessene Härte: 785 HV 0,5 (63,5 HRc)

    Hauptabmessungen nach DIN 625-1

    Außendurchmesser: 62 mm

    Innendurchmesser: 53,5 mm

    Breite: 9 mm

    Der Wälzlagerstahl 100Cr6 bildet nach der Wärmebehandlung ein martensitisches Gefüge mit

    eingelagerten Karbiden aus und weist auf Grund seines leicht übereutektoiden Kohlenstoff-

    gehalts von ca. 1 % eine hohe Oberflächenhärte auf. Wegen seines hohen Reinheitsgrades und

    der gleichmäßig verteilten Legierungs- und Gefügebestandteile hat dieser Stahl sehr homo-

    gene Eigenschaften und gilt als gut bearbeitbar. Bei zylindrischen Bauteilen kann 100Cr6 bis

    zu einem Durchmesser von 60 mm durchgehärtet werden. In Bild 4.4 wird das feinkörnige

    martensitische Gefüge des Versuchswerkstoffes anhand eines angefertigten Schliffbildes

    gezeigt. Die eingelagerten Karbide sind als weiße Punkte zu erkennen.

  • 24 4.1 VERSUCHSBEDINGUNGEN UND MESSMETHODEN

    Bild 4.4: Angeätztes Schliffbild des Versuchswerkstoffs 100Cr6

    4.1.6 Werkstückaufnahmen

    Für die Bearbeitung der Werkstücke in der Versuchsmaschine kommen speziell angefertigte

    Werkstückaufnahmedorne zum Einsatz. Die Dorne sind so konzipiert, dass mehrere

    Versuchswerkstücke, durch Zwischenringe getrennt, aufgenommen werden können. Nachdem

    die Werkstücke mit Hilfe einer Überwurfmutter verspannt sind, werden sie in der Versuchs-

    maschine durch eine definierte Vorbearbeitung erneut geschliffen, um einen eng tolerierten

    Rundlauf und somit gleichbleibende Versuchsbedingungen zu schaffen. Bild 4.5 zeigt eine

    Prinzipskizze der Werkstückaufnahme.

    Die Dorne haben am werkstückspindelstockseitigen Flansch eine Zentrierbohrung für eine

    Kraftmesseinrichtung, die in die Versuchsmaschine integriert ist. Die Dorne werden dort

    verschraubt und in der Maschine fertig geschliffen, was einen eng tolerierten Rundlauf

    gewährleistet.

    Des Weiteren wird für die Temperaturmessungen ein Dorn hohl ausgelegt und mit Schlitzen

    versehen, da er neben den von innen zugeführten Thermoelementen den Sender eines Tele-

    metriesystems aufnehmen muss. Zusätzlich sind Bohrungen und eine Nut am Flansch einge-

    bracht, um die Antenne des Senders aus dem Dorn herauszuführen. Die Überwurfmutter ist in

    einen Deckel integriert, der weitere Komponenten des Telemetriesystems aufnimmt. Bild 4.6

    zeigt eine Prinzipskizze des Hohldorns für die Temperaturmessungen.

  • 4.1 VERSUCHSBEDINGUNGEN UND MESSMETHODEN 25

    Bild 4.5: Prinzipskizze der Werkstückaufnahme

    Bild 4.6: Prinzipskizze des Hohldorns für die Temperaturmessungen

    Nutmutter

    Versuchswerkstücke

    Zwischenringe

    Dornflansch

    Nutmutter

    Versuchswerkstücke

    Zwischenringe

    Dornflansch

    Antenne

    Sender

    Kabel

    Batterie

    Deckel

    Kraftmesseinrichtung

    Dorn

    Angeschweißtes Thermoelement

    Nutmutter

    Versuchswerkstück

  • 26 4.1 VERSUCHSBEDINGUNGEN UND MESSMETHODEN

    4.1.7 Kraftmessung im Schleifprozess

    Die Versuchsmaschine ist mit einer Kraftmesseinrichtung ausgestattet, die am Institut für

    Werkzeugmaschinen und Fabrikbetrieb entwickelt und in das Maschinensystem integriert