Engineered Grinding Wheels - Deterministisches Präzisionsschleifen optischer Gläser
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Dieses Forschungsvorhaben umfasst die Analyse der Zusammenhänge zwischen der Schleifbelagtopografie und den Prozess- und Ergebnisgrößen beim Präzisionsschleifen sprödharter Werkstoffe zur Bereitstellung eines deterministischen, duktilen Schleifprozesses. Gegenstand der Untersuchungen waren unterschiedlich grobkörnige, einschichtig metallgebundene, semi-definiert und definiert belegte Diamantschleifscheiben, die in einem speziell entwickelten Abrichtprozess konditioniert und in Schleifexperimenten an einem optischen Glas auf ihre Eignung als deterministisch wirkende Zerspanwerkzeuge überprüft wurden. Anhand einer theoretischen Abrichtprozesskenngröße sowie bekannter und neu definierter, ein- und mehrdimensionaler Topografiekenngrößen erfolgte eine Charakterisierung des jeweiligen Konditionierzustands des Schleifbelags, deren Kenntnis die Identifizierung von Prozess- und Ergebnisgrößen beeinflussender Topografiekenngrößen ermöglichte. Während der durchgeführten Profilier- und Schärfprozesse an den unterschiedlichen Diamantschleifscheiben konnte die Eingriffszahl id als Abrichtprozess bestimmende und die Topografieveränderungen des Schleifbelags qualitativ beschreibende Kenngröße identifiziert werden. So steigen die Abrichtnormalkräfte F’nd proportional zur steigenden Eingriffszahl an. Diese Normalkraftsteigerungen werden durch die zunehmenden Kontakt- und Reibflächen zwischen Schleifbelag und Werkstückoberfläche hervorgerufen, die auf die Kombination größerer Diamantkorndurchmesser dK oder größerer spezifischer Flächenkorndichten C’K sowie mit der über den Profilierverlauf zunehmenden Abflachung der im Schleifbelag vorliegenden Diamantkornspitzen begründet werden kann. Mit der Abflachung der Diamantkornspitzen konnte gleichzeitig die Schleifscheiben spezifische Rundlaufabweichung unter die nomineller Zustellungen der späteren Präzisionsschleifprozesse reduziert werden, welches eine Voraussetzung für einen gleichförmigen Materialtrennprozess darstellt. Dennoch handelt es sich bei der Eingriffszahl id um eine theoretische Abrichtkenngröße, die aus Prozessparametern, kinematischen Prozesskenngrößen sowie Abricht- und Schleifwerkzeug spezifischen Kenngrößen berechnet wird. Durch diesen Prozess und Wirkpartner abhängigen Charakter reduziert sich die Eingriffszahl id auf eine qualitative Kenngröße zur Zustandsbeschreibung der betrachteten Schleifbelagtopografie in Form einer Abrichtintensität oder -dauer. Bezüglich der resultierenden Materialtraganteilkurven und ermittelten Topografiekenngrößen konnte sowohl ein einheitlicher Verlauf der Schleifbelagtopografieänderungen über die Art und Dauer der Profilier- und Schärfprozesse, als auch eine deutliche Abhängigkeit der Topografiekenngrößen von der Profilierdauer, dargestellt durch die Eingriffszahl id, festgestellt werden. Einflussgrößen sind die Schleifbelageigenschaften Diamantkorndurchmesser dK, spezifische Flächenkorndichte C’K und Kornbindungsüberstand üKB, die mit größeren (dK und üKB) bzw. kleineren Werten (C’K) initial zu effizienteren Profilierprozessen mit größeren Kennwertänderungen führten. Hier liegt die Ursache in der durch den Profilierprozess hervorgerufenen Abflachung und Einebnung hoch aus der Bindung herausragender Kornspitzen bzw. in den Flächenkorndichten reduzierten und definiert gesetzten Schleifbelägen mit größeren Kornzwischenräumen. Überproportional steigende Kornplateauflächen, bedingt durch große Abflachungen größerer Diamantkorndurchmesser, größere spezifische Flächenkorndichten oder der über die Profilierdauer einsetzende und kontinuierlich zunehmende Kontakt zum und Abtrag von Bindungsmaterial führten jedoch wieder zu einem Effizienzrückgang der Abrichtprozesse. In den durchgeführten Quer-Umfangs-Planschleifexperimenten konnten sowohl der Profilier- und Schärfzustand als auch die gewählten Prozessparameter als Prozess und Ergebnis bestimmende Einflussgrößen identifiziert werden. Bei den Prozesskenngrößen führen sowohl die über die Profilierdauer zunehmende Gesamtkornplateaufläche der Schleifbeläge, als auch das bezogene Zeitspanvolumen Q’W beim Schleifen des optischen Glases BK7 und SF57 zu steigenden Prozesskräften, hier insbesondere die bezogene Schleifnormalkraft F’n, die zu höheren mechanischen Belastungen von Zerspanwerkzeug und Werkstück führen. Diese Prozesskraftsteigerungen erfolgen einerseits überproportional zum Anstieg der Eingriffszahl id, andererseits zeigen sie eine lineare Abhängigkeit zum bezogenen Zeitspanvolumen Q’W, in der die tangentiale Vorschubgeschwindigkeit vft im Vergleich zur Zustellung ae einen gewichtigeren Einflussfaktor darstellt. Bezüglich der aus dem Präzisionsschleifprozess resultierenden Ergebnisgrößen der geschliffenen Glasnuten, hier die gewählten Oberflächenkenngrößen arithmetische Höhe Sa und maximale Spitzenhöhe Sz, zeigen sich unterschiedliche Tendenzen. Während größere bezogene Zeitspanvolumina zu steigenden spröden Werkstoffreaktionen des optischen Glases mit größeren Oberflächenrauheiten führen, können über den Profilierverlauf mit steigenden Eingriffszahlen id zunehmend duktilere Bearbeitungsspuren in den Glasnuten mit höheren Oberflächenqualitäten beobachtet und geringere Oberflächenrauheiten gemessen werden. Hier zeigt sich, dass durch das gezielte Abrichten der Diamantschleifscheiben eine gleichförmige Schleifbelagtopografie mit geringerer Wirkrauhtiefe erzeugt wird. Diese hatte einen gleichmäßigeren, nahezu kontinuierlichen und schädigungsfreien Materialtrennvorgang zur Folge. Ein einheitlicher Zusammenhang zwischen der spezifischen Flächenkorndichte C’K und den Prozess- und Ergebnisgrößen ist jedoch nicht feststellbar. Dieses deutet auf die Eignung aller drei grobkörnigen Diamantschleifscheibentypen zum Präzisionsschleifen sprödharter Werkstoffe hin. Zusammenfassend kann festgehalten werden, dass grobkörnige, metallgebundene, semi-definiert und definiert belegte Diamantschleifscheiben mit den entwickelten und eingesetzten Abricht- und Schärfprozessen konditioniert und zum Präzisionsschleifen sprödharter Werkstoffe eingesetzt werden können. In Kombination mit den vorgestellten, die Kontaktfläche und die Einzelkornschneidkantenbreite charakterisierenden Topografiekenngrößen konnte eine für einen duktilen Materialtrennprozess der optischen Gläser BK7 und SF57 geeignete Schleifbelagtopografie identifiziert und in den durchgeführten Schleifexperimenten überprüft werden. Darüber hinaus bieten die Topografiekenngrößen die Möglichkeit, durch ihren breiten- und flächenbezogenen Kenngrößencharakter, mechanische und thermische Einflüsse der Schleifbelagtopografie auf den Materialtrennprozess und die Werkstückrandzone zu untersuchen.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- Characterization of Diamaond Grinding Wheel Topography by Functional Surface Parameters, Proceedings of the euspen International Conference, Bremen, May 2007, S. 344-347
Rickens, K., Grimme, D., Brinksmeier, E.
- Development of Characteristic Topographical Surface Parameters for Engineered Diamond Wheels for Deterministic Grinding Processes, Proceedings of the euspen International Conference, Zürich, May 2008, Vol. 1, S. 112-115
Rickens, K., Riemer, O., Brinksmeier, E.
- ELID Assisted Precision Conditioning of Coarse-Grained Diamond Grinding Wheel, Key Eng. Materials, Vols. 364-366 (2008), S. 578-583
Zhao, Q., Brinksmeier, E., Riemer, O., Rickens, K.
- Engineered wheels for grinding of optical glass, Annals of the CIRP 58 (2009), Vol.1: S. 315-318
Heinzel, C., Rickens, K.
- Influence of Engineered Diamond Wheels Topography on Ductile Grinding of BK7, Proceedings of the euspen International Conference, San Sebastian, June 2009, Vol. 2, S. 475-478
Mutlugünes, Y., Rickens, K., Brinksmeier, E.
- Schleifen optischer Gläser mit grobkörnigen Diamantschleif-scheiben – Teil 1: Konditionieren, Wt- Werkstattstechnik online 99 (2009) 6, S. 409-414
Brinksmeier, E., Riemer, O., Rickens, K., Mutlugünes, Y.
- Schleifen optischer Gläser mit grobkörnigen Diamantschleif-scheiben – Teil 2: Präzisionsschleifen, Wt- Werkstattstechnik online 99 (2009) 6, S. 415-419
Brinksmeier, E., Riemer, O., Rickens, K., Mutlugünes, Y.
- Surface and Sub-Surface Integrity of Ultramachined BK7 using Fine and Coarse Grained Diamond Wheels, Key Eng. Materials, Vols. 359-360 (2009), S. 234-238
Zhao, Q., Wang, B., Brinksmeier, E., Riemer, O., Rickens, K., Corbett, J.
- Ultra-precision Grinding, Annals of the CIRP 59 (2010), Vol.2: S. 652-671
Brinksmeier, E., Mutlugünes, Y., Klocke, F., Aurich, J. C., Shore, P., Ohmori, H.
