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

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n

Regular Grooved

kilogram-force

0

2

4

6

0 5 10 15

Table speed, v m/min

Ta

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tia

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Regular Grooved

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0

100

200

0 5 10 15

Table speed, v m/min

Sp

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en

erg

y, u

Regular Grooved

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0

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0 5 10 15

Table speed, v m/min

Su

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Ro

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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