Leistung steigern beim Schleifen keramischer Werkstoffe

Der Einsatz von Hochleistungskeramiken als Schneidstoffe ist in bestimmten Anwendungsbereichen eine Alternative zu konventionellen Stahl- oder Hartmetallwerkstoffen. Insbesondere in der Hochleistungszerspanung können dadurch höhere Zeitspanvolumina aufgrund gesteigerter Schnitt- und Vorschubgeschwindigkeiten erreicht und somit die Produktionsleistung beachtlich gesteigert werden. Trotz der außerordentlichen Eigenschaften der keramischen Werkstoffe, wie der hohen Warmhärte, Verschleiß- und Korrosionsbeständigkeit, wird allerdings häufig auf deren Einsatz aufgrund der sehr hohen Herstellungs- und Nachbearbeitungskosten verzichtet [1].

Eigenschaften keramischer Werkstoffe beim Schleifen berücksichtigen

Die spezifischen Eigenschaften der keramischen Werkstoffe, wie hohe Härte, Sprödigkeit und Thermoschockempfindlichkeit, erfordern während der schleifenden Bearbeitung eine besondere Berücksichtigung. Im Gegensatz zu den Hartmetallen sind diese wegen ihrer Sprödigkeit nur in geringem Maße in der Lage, auftretende Spannungsspitzen durch plastische Verformungen abzubauen, deshalb orientiert sich die Bearbeitung meist an dieser fehlenden plastischen Verformbarkeit [2 und 3].

Für die schleifende Bearbeitung von keramischen Werkstoffen haben sich bedingt durch ihre hohe Härte kunstharzgebundene Diamantschleifscheiben bewährt. Die Verwendung von Kunstharzbindungen soll zu vergleichsweise geringen Prozesskräften, einem guten Verschleißverhalten der Schleifscheibe sowie hohen Oberflächengüten und Formgenauigkeiten am Werkstück führen. Allerdings treten aufgrund der geringen Wärmeleitfähigkeit der kunstharzgebundenen Schleifscheiben hohe Temperaturen im Schleifprozess auf [4].

Eine keramische Bindung dagegen soll beim Schleifen einen kühleren Schliff aufgrund ihrer Porenräume ermöglichen; sie weist in der Regel eine höhere Wirkhärte auf. Das Ziel der Untersuchungen ist es, eine Leistungssteigerung des Schleifprozesses unter Berücksichtigung der werkstoffspezifischen Besonderheiten der keramischen Werkstoffe zu erreichen.

Für die Untersuchungen wurden eine kunstharz- und eine keramisch gebundene Diamantschleifscheibe mit der Korngröße D 64 und der Konzentration C 100 im Planumfangsschleifverfahren unter Schleiföl im Gegenlauf eingesetzt. Es wurde untersucht, inwieweit sich eine Variation des Bindungstyps auf die Prozesskräfte und die Oberflächengüte des jeweiligen keramischen Werkstoffes auswirkt.

Aufgrund der einfachen Form wurden Wendeschneidplatten SNGN 120408 aus Siliziumnitrid- (Si3N4) und Aluminiumoxidkeramik (Al2O3 + ZrO2) als zu bearbeitende Werkstücke für diese grundlegenden Untersuchungen ausgewählt, um eine einfache Prozesskinematik und dadurch einen reproduzierbaren Anschliff zu gewähren.

Vorschubgeschwindigkeit beeinflusst Prozesskräfte

Während der Versuchsreihe mit variierten Vorschubgeschwindigkeiten wurden die Schleifnormal- und -tangentialkräfte mit einem Dreikomponenten-Dynamometer aufgenommen, um Informationen über die Werkzeugbelastung zu erhalten.

Allgemein ist zu erkennen, dass eine Steigerung der Vorschubgeschwindigkeit mit einer Erhöhung der Prozesskräfte einhergeht. Bei einer Steigerung der Vorschubgeschwindigkeit vergrößert sich automatisch auch das bezogene Zeitspanvolumen, weil die Schleifscheibe das gleiche Werkstoffvolumen in kürzerer Zeit abzutragen hat. Dieses führt zu einer höheren mechanischen Beanspruchung der Schleifscheibe und somit zu erhöhten Prozesskräften.

Bei der keramischen Bindung dagegen treten deutlich geringere Prozesskräfte als bei der Kunstharzbindung auf. Das liegt an den unterschiedlichen Verschleißmechanismen der verwendeten Bindungsmaterialien. Die keramische Bindung zeichnet sich im Gegensatz zur Kunstharzbindung durch eine hohe Porosität aus, die das Zusetzen des Belages sowie der Porenräume fördert und damit das Ausbrechen des spröden Bindungsmateriales beschleunigt, wodurch neue, scharfe Diamantkörner in den Eingriff kommen, die geringere Prozesskräfte bedingen [5].

Der Vergleich der bezogenen Schleifkräfte für die Schleifbearbeitung der unterschiedlichen keramischen Werkstoffe verdeutlicht, dass beim Schleifen von Siliziumnitridkeramik höhere Kräfte als beim Schleifen von Aluminiumoxidkeramik auftreten. Die Unterschiede zwischen den Werten der bezogenen Schleifkräfte für den jeweiligen keramischen Werkstoff sind mit den verschiedenen Werkstoffgefügen und damit einhergehend mit den physikalischen Eigenschaften zu erklären.

Prozessergebnis anhand der Werkstückqualität beurteilt

Das Prozessergebnis wurde anhand der Werkstückqualität beurteilt. Das erfolgte quantitativ mit den Rauheitskenngrößen, der gemittelten Rautiefe und dem arithmetischen Mittenrauwert. Die leicht steigende Tendenz der gemessenen Rauheitskenngrößen bei zunehmender Vorschubgeschwindigkeit korrespondiert mit der der bezogenen Schleifkräfte beim Schleifen der Siliziumnitridkeramik.

Bei der Aluminiumoxidkeramik dagegen sind die Rauheitskenngrößen bei den zwei Vorschubgeschwindigkeiten relativ konstant, allerdings fallen sie höher aus als bei der Siliziumnitridkeramik. Dieses ist auf die unterschiedlichen Werkstoffeigenschaften und Materialabtragsmechanismen zurückzuführen. Bei keramischen Werkstoffen kann sich der Materialabtrag durch überwiegend plastische Verformungen bis hin zum reinen Sprödbruch vollziehen [3]. Die durch den Einsatz der keramisch gebundenen Schleifscheibe erzeugte schlechtere Oberflächenqualität liegt in den zuvor beschriebenen unterschiedlichen Verschleißmechanismen der verwendeten Bindungsmaterialien begründet.

Kunstharzgebundene Schleifscheibe erzeugt bessere Oberflächenqualität

Die Untersuchungen zeigen, dass die kunstharzgebundene Diamantschleifscheibe mit einer Korngröße von D 64 und einer Konzentration von C 100 geringere Rauheitskenngrößen und somit eine bessere Oberflächenqualität erzeugt. Die Schleifscheibe mit der keramischen Bindung dagegen verursacht geringere Schleifkräfte, wodurch das thermomechanische Belastungskollektiv auf das Werkstück deutlich reduziert werden kann.

Literatur

[1] Uhlmann, E., und S.-E. Holl: Entwicklungen beim Schleifen keramischer Werkstoffe. In: Moderne Schleiftechnologie. Neue Entwicklungen und zukünftige Trends aus der Praxis und Forschung. Villingen-Schwenningen 1998, S. 1-28.

[2] Tönshoff, H. K., und andere: Grinding of a ceramic steel compound. Production Engineering 1/2003, S. 1-4.

[3] Friemuth, Th., und andere: Bearbeitung keramischer Werkstoffe. Tribologie und Schmierungstechnik 1/2006, S. 29-36.

[4] Schneider, M.: Auswirkungen thermomechanischer Vorgänge beim Werkzeugschleifen. Dissertation Institut für Spanende Fertigung der Universität Dortmund 1999.

[5] Denkena, B., M. Reichstein und A. Karyazin: Schleifbearbeitung von Verbundwerkstoffen aus Stahl und Keramik mit Diamantwerkzeugen. Industrie Diamanten Rundschau 4/2005, S. 332-338.

Prof. Dr.-Ing. Dirk Biermann ist Leiter des Instituts für Spanende Fertigung (ISF) der Technischen Universität Dortmund; Dipl.-Ing. Dipl.-Wirtsch.-Ing. Evelyn Würz ist wissenschaftliche Mitarbeiterin am Institut.