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Eine Keramikbindung ist für Serienfer-tigung und automatisierte Schleifpro-zesse optimal, weil diese Bindungsart - neben einer großen Leistungsfähig-keit – eine sehr gute Abrichtbarkeit mit rotierenden Abrichtwerkzeugen aufweist. Im Gegensatz zu Metall- und Kunstharzbindungen können die Keramikbindungen direkt in der Schleifmaschine abgerichtet werden. Dadurch gewinnt das Schleifwerkzeug seine Rundheit, Profilgenauigkeit und Schärfe wieder zurück und der Durch-messer und die Position des Werk-zeugs sind ständig bekannt. Deswegen treten keine Form- bzw. Maßfehler auf und es können engste Form-, Lage- und Maßtoleranzen erreicht werden. Ferner ist es möglich, die Mikrostruk-tur des Schleifwerkzeugs durch Ab-richtparameter zu beeinflussen. So kann man mit einer cBN-keramisch gebundenen Schleifscheibe durch die Variation der Abrichtparameter unter-

Aus wirtschaftlichen Aspekten bieten cBN-keramisch gebundene Schleifscheiben beim Schlei-fen von gehärteten Stählen eine sehr interessante Alternative zu konventionellen Schleifscheiben aus Korund und/oder Sinterkorund. Vor allem in der Serienfertigung können Produktivität und Wirtschaftlichkeit des Schleifprozesses durch den Einsatz der cBN-keramisch gebundenen Schleif-scheiben deutlich erhöht werden. Hohe Abrichtintervalle (bis zu 50-fache Erhöhung gegenüber den Abrichtintervallen bei konventionellen Schleifscheiben), hohe Zerspanungsrate, kurze Schleifzeit (teilweise Reduzierung bis 50%) und in der Regel verbesserte Oberflächenrauheit sind die Haupt-vorteile dieser Werkzeugarten. Durch die hohe Standzeit der cBN-keramisch gebundenen Schleif-scheiben erhöht sich außerdem auch das Intervall für einen Scheibenwechsel, was wiederum eine Reduzierung der Nebenzeiten zur Folge hat.

Anwendungsorientierte Prozessauslegung zum Rundschleifen ohne Formfehler und thermische Schädigung

__________von Bahman Azarhoushang

schiedliche Oberflächengüte und Zeit-spanvolumen erreichen. Allerdings müssen einige Voraussetzungen (u.a. Umfangsgeschwindigkeiten größer als 35 m/s, rotierende Abrichtwerkzeu-ge mit relativ kleinem Spitzenradius, Hochleistungsspindel, eine optimier-te Zufuhr des Kühlschmierstoffs und entsprechendes Know-how über die Wahl geeigneter Schleif- und Abricht-parameter) für die Anwendung der cBN-keramisch gebundenen Schleif-werkzeuge vorhanden sein, um diese Werkzeuge erfolgreich einsetzen zu können.

Beim Schleifprozess befinden sich viele aktive Schneiden mit negativem Spanwinkel im Eingriff mit dem Werk-stück. Ein großer Teil der zugeführten mechanischen Energie bei einem Korn- eingriff wird deshalb durch die Rei-bung und plastische Verformung des Werkstückstoffs, sowie während des

Abscherens des Spans bei der Spanbil-dung in Wärme umgewandelt [Brin91, Malk08]. Es entsteht außerdem eine relativ große Schleifkontaktfläche, die einen Wärmestau zur Folge hat. Dies führt zu einer weiteren Erhöhung der Temperatur an der Kontaktstelle. Eine der wichtigsten Voraussetzungen zur Realisierung eines effektiven Materi-alabtrages mit einer minimierten Bear-beitungstemperatur bei einer Spanbil-dung besteht daher im Erreichen einer optimalen Spanungsdicke. Dabei spie-len die Mikrostruktur der Schleif-scheibe und die Schleifparameter eine große Rolle.

Zur Ermittlung verschiedener Wirk-zusammenhänge beim Außenrund-schleifen mit cBN-keramisch ge-bundenen Schleifscheiben wurden systematische Untersuchungen durch-geführt, deren Ergebnisse hier präsen-tiert werden.

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SCHLEIFTECHNISCHE UNTERSUCHUNGEN ZUM AUSSENRUNDSCHLEIFEN

Die Untersuchungen wurden auf einer CNC Rundschleifmaschine der Firma Kellenberger durchgeführt. Die Rau-heit der Werkstücke wurde mit einem Rauheitsmessgerät vom Typ „Hommel Tester T1000“ der Firma Hommel-Etamic GmbH gemessen. Die Rund-heit wurde mit einem Formmessgerät vom Typ „F455“ der Firma Hommel-Etamic GmbH gemessen.

Die Durchführung der Schleifunter-suchungen erfolgte an Versuchswerk-stücken aus einsatzgehärtetem Stahl (Ø 65x 350 mm mit 4 mm Wanddicke) mit einer Härte von 58 ± 2 HRc. Das Ziel des Projekts war die Bearbeitung des Werkstücks mit einem Aufmaß von 0,15 – 0,2 mm in weniger als 6 Minuten mit einer Rauheit Rz < 2 µm und einer Rundheit < 1 µm. Das gro-ße Problem lag darin, dass aufgrund der geringen Wanddicke keine großen Schleiftemperaturen und Schleifkräfte im Prozess erzeugt werden durften. Ansonsten hätten thermische Schä-digungen bis hin zum Schleifbrand entstehen können. Außerdem bestand die Gefahr, dass aufgrund der hohen Schwingungsempfindlichkeit des Werkstücks Rattermarken und Form-fehler auftreten.

Um das Werkstück mit der geforderten Genauigkeit in kurzer Zeit bearbei-ten zu können, sollte eine geeignete Schleifstrategie entwickelt werden. Der Schleifprozess wurde in eine Schrupp- und eine Schlicht-Phase un-terteilt (zweistufige Prozessführung). Ziel der Schruppphase war die Er-reichung eines hohen Abtrags; in der Schlichtphase sollten Oberflächengü-te, Maß- und Formgenauigkeit verbes-sert werden. Hohe Bearbeitungskräfte und –temperaturen in der Schrupp-phase (bedingt durch den hohen Ab-trag) können unter Anderem thermi-sche Schädigungen, Formfehler und hohen Verschleiß der Scheibe zur Fol-ge haben. Dementsprechend wurden unterschiedliche Bearbeitungspara-meter für die jeweiligen Prozessstufen

Abb. 1: Versuchsaufbau

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gewählt. Das verwendete Abricht-werkzeug (rotierende Diamant Form-rolle) und die Abrichtstrategie waren auch abhängig vom Schleifkornmate-rial, der Konzentration der Scheibe, der Bindungsart und den qualitativen und wirtschaftlichen Anforderungen. Das Abrichten mit negativem Abricht-geschwindigkeitsverhältnis, kleinen Zustellungen und Vorschüben führte zu einer Verbesserung der Werkstück-rauheit. Andererseits waren die Span-räume der hochharten Schleifscheibe relativ klein und die Scheibe war nach dem Abrichten nicht scharf genug, um den geforderten hohen Abtrag in der Schruppphase zu realisieren. Dies hat-te thermische Schädigungen auf der Werkstückoberfläche und Maß- und Formfehler zur Folge. Dagegen erzeug-te das Abrichten mit positiven Ab-richtgeschwindigkeitsverhältnissen (qd > +0,5), großen Zustellungen und Vorschüben eine raue Schleifscheibe, die mit einem erhöhten Verschleiß und einer grob geschliffenen Oberfläche, aber reduzierten Bearbeitungskräften und –temperaturen verbunden war. Deswegen sollten geeignete Abricht-parameter gefunden werden, die einen Kompromiss zwischen einer feinen Scheibe (geringe Oberflächenrauheit) und einer rauen Scheibe realisieren können. Der allgemeine Zusammen-hang zwischen Abrichtparametern und Bearbeitungskräften bzw. Rauheit ist in Abb. 2 dargestellt.

RESULTATE DERUNTERSUCHUNGEN

Die Versuchsbedingungen sowie die Schleifscheibenspezifikationen sind in Tabelle 1 angegeben. In Abb. 3 ist der Einfluss der Abrichtparameter auf die Werkstückoberfläche und die Rundheit dargestellt. Die Steigerung der Werkstückoberfläche mit Zunahme des Abrichtgeschwindigkeitsverhält-nisses und des Abrichtüberdeckungs-grads ist deutlich. Im Gegensatz zu der Werkstückoberfläche zeigt die Rund-heit einen proportionalen Zusam-menhang mit dem Abrichtgeschwin-digkeitsverhältnis. Schleifkräfte und

Abb. 2: Resultate experimenteller Untersuchungen mit einer Formrolle.

Abb. 3: Einfluss von Abrichtgeschwindigkeitsverhältnis (qd) und Abrichtüberdeckungsgrad (U

d) auf Rundheit

und Rauheit (Rz)

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–temperaturen können beim Abrich-ten erwartungsmäßig durch Abricht-geschwindigkeitsverhältnis und Ab-richtüberdeckungsgrad beeinflusst werden, sodass bei den durchgeführ-ten Untersuchungen eine sichtbare thermische Schädigung (Schleifbrand) mit ausgewählten Schleif-Schrupp-parametern nach dem Abrichten mit qd = +0,4 und Ud = 7 erzeugt wurde (Feuersymbol in Abb. 3). Das ther-misch beschädigte Werkstück wird in Abb. 4 gezeigt. Die geringe Wand-dicke (4 mm) verhindert eine optima-le Wärmeabfuhr im Werkstück und verursacht einen Wärmestau an des-sen Oberfläche. Deswegen treten, im Vergleich zu einem Vollzylinder, bei einem dünnwandigen Werkstück die sichtbaren thermischen Schädigungen schon bei deutlich niedrigeren Bear-beitungstemperaturen auf. Der hohe Abtrag mit dem ausgewähl-ten Schruppparameter erzeugt hohe Bearbeitungskräfte und –temperatu-ren. Um bei einem hohen Zeitspan-volumen eine akzeptable Rundheit zu erreichen und Rattermarken und ther-mische Schädigungen zu vermeiden, müssen geeignete Abrichtparameter gewählt werden.

Es gibt einen Zusammenhang zwi-schen den Bearbeitungskräften und den Schwingungen (Rattermarken) im Schleifprozess. Der Schleifdruck soll während des Prozesses abgebaut werden, um eine hohe Formgenauig-keit (gute Rundheit und Zylindrizität) erreichen zu können. Die Reduzierung der Bearbeitungskräfte und –tempe-raturen ist durch den Abrichtprozess beeinflussbar. Durch einen relativ ge-ringen Überdeckungsgrad (Ud < 4) und ein hohes Geschwindigkeitsverhältnis (+0,6 ≤ qd ≤ 0,8) wird die kinemati-sche Schneidenzahl auf der Ober-fläche der Schleifscheibe reduziert; es entstehen große Spanräume und scharfe Schneidkanten. Dadurch wird der Spanbildungsprozess optimiert.

Für die Weiterführung der Versu-che wurden folgende Abrichtpara-meter gewählt; Abrichtzustellung, aed = 4 µm, Abrichtüberdeckungsgrad,

Tab. 1: Versuchsparameter der Schleifversuche

Ud = 3, Abrichtgeschwindigkeits-verhältnis, qd = + 0,8. Als beste Schruppparameter, die einen hohen Abtrag ohne sichtbare thermische Schädigung und einen akzeptablen Formfehler ermöglichen, haben sich Schnittgeschwindigkeit, vc = 40 m/s, Geschwindigkeitsverhältnis, qs = 60, Zustellung, ae = 30 µm und axialer Vorschub, vfa = 2400 mm/min etab-liert.

Das Geschwindigkeitsverhältnis qs ist einer der wichtigsten Schleifpa-rameter beim Rundschleifen. Damit wird angegeben, um wie viel die Werkstückgeschwindigkeit vw (m/s) langsamer ist als die Schnittgeschwin-digkeit vc (m/s). In Abhängigkeit von

qs verändert sich die Kinematik des Schleifprozesses [Grof77]. Die Kon-taktzeit zwischen einem beliebigen Punkt auf der Werkstückoberfläche und der Schleifscheibe reduziert sich mit der Abnahme des Geschwindig-keitsverhältnisses. Daraus resultieren ein schnellerer Schnitt, ein verbesser-ter Selbstschärfeeffekt der Körnungen sowie eine Verringerung der Bearbei-tungstemperatur. Nachteilig ist die Erzeugung der Rattermarken (dies ist vor allem bei einem sehr geringen Geschwindigkeitsverhältnis qs < 30 oder bei schlanken, schweren und langen Teilen die Regel) und die Er-höhung der Oberflächenrauheit. Des-wegen ist es empfehlenswert, ein Ge-schwindigkeitsverhältnis qs < 60-70

Abb. 4: Sichtbare thermische Schädigung (Schleifbrand) auf der Werkstückoberfläche

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für das Schruppen und einen qs > 90-100 für das Schlichten zu wäh-len. Damit wird es möglich, die er-zeugten Bearbeitungskräfte und -tem-peraturen während des Schruppens und die Oberflächenrauheit und den Formfehler während des Schlichtens zu reduzieren.

Der Effekt des Geschwindigkeitsver-hältnisses auf die Rundheit und die Oberflächenrauheit ist in Abb. 5 darge-stellt. Das Werkstück wurde zuerst mit ausgewählten Schruppparametern bis auf ein Schlichtaufmaß von 0,03 mm bearbeitet und danach geschlichtet.

Aufgrund der Untersuchungsresultate wurden folgende Schlichtparameter ausgewählt: vc = 40 m/s, Geschwin-digkeitsverhältnis, qs = 140, Zustel-lung, ae = 4 µm und axialer Vorschub, vfa = 1000 mm/min. Anschließend wurde ein Teil mit ausgewählten Schrupp- und Schlichtparametern und zwei Ausfunkhüben geschliffen. Die Bearbeitungszeit betrug ca. 4 Mi-nuten und es wurde eine Rundheit von 0,3 µm und eine Rz von 1,3 µm erreicht. Das geschliffene Teil ist in Abb. 6 dargestellt. Anhand der syste-matischen Untersuchungen und der optimalen Auswahl der Schleif- und Abrichtparameter konnte das Projekt erfolgreich abgeschlossen werden. Die Bearbeitungszeit wurde um ca. 30% reduziert (4 Min statt 6 Min geforderte Zeit). Außerdem lagen die Rundheit und die Rauheit des Werkstücks deut-lich unter den geforderten Werten. Die Langzeitversuche zeigten ein Abricht-intervall von 35 Teilen.

ZUSAMMENFASSUNG

Zur Realisierung eines effektiven Schleifprozesses sollte mittels einer anwendungsorientierten Prozessaus-legung ein effizienter Spanbildungs-prozess mit möglichst niedriger Wär-meentwicklung und Krafterzeugung und damit möglichst geringer Rand-zonenbeeinflussung, Oberflächengüte und Formfehler erzielt werden.

Abb. 5: Einfluss der Erhöhung des Geschwindigkeitsverhältnisses auf Rundheit und Rauheit

Abb. 6: Geschliffenes Werkstück mit optimierten Schrupp- und Schlichtparametern

Zur Ermittlung verschiedener Wirk-zusammenhänge beim Außenrund-schleifen mit cBN keramisch ge-bundenen Schleifscheiben wurden systematische Untersuchungen durch-geführt. Die Resultate lassen sich wie folgt zusammenfassen:

• Die Rundheit und die Rauheit nehmen mit Reduzierung des Schleifgeschwindigkeitsverhält-nisses qs ab.

• Die Bearbeitungskräfte und -tem-peraturen können durch die Er-höhung des Abrichtgeschwin-digkeitsverhältnisses qd und Abrichtüberdeckungsgrades Ud

reduziert werden. Dadurch ver-bessert sich die Rundheit des Werkstücks und thermische Schä-digung können vermieden wer-den.

• Die Bearbeitungszeit kann durch Auswahl einer geeigneten Schleif-Strategie reduziert werden.

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Prof. Dr.-Ing. Bahman Azarhoushang Hochschule Furtwangen University Jakob-Kienzle-Straße 17D - 78054 Villingen-SchwenningenTel.: +49 (0)7720-307-4215Fax: +49 (0)7720-307-4208Bahman.Azarhoushang@hs-furtwangen.de

LITERATUR

[Brin91] Brinksmeier, E.: Prozess- und Werkstückqualität in der Feinbearbeitung, Habilitationsschrift, Universität Hannover, 1991.

[Grof77] Grof, H. E.: Beitrag zur Klärung des Trennvorganges beim Schleifen von Metallen. Diss. TU München, 1977.

[Malk08] Makin, S. C. Guo : Grinding technology: Theory and applications of machining with abrasives, second edition, 2008.

Seit 1. September 2013 ist Prof. Dr.-Ing. Bahman Azarhoushang Nachfolger von Prof. Tawakoli und neuer Leiter des Kompetenzzentrums für Schleiftechnologie und Feinstbearbeitung (KSF) an der Hochschule Furtwangen.