Experimentelle und numerische Untersuchungen zum ultraschallüberlagerten Pressen von Schleifkörpern
Final Report Abstract
Der Schlickerguss, mit anschließendem aufwändigem Trocknen und nachfolgendem Sintern, wie er bis zur Mitte des zwanzigsten Jahrhunderts zur Produktion keramisch gebundener Schleifkörper üblich war, wurde weitgehend durch die deutlich kosten- und zeitgünstigere Fertigungsabfolge Trockenmischen, Pressen, Sintern abgelöst. Im Gegensatz zum Schlickerguss ist beim Pressen mit deutlichen Dichtegradienten in den Kontaktbereichen zwischen dem Pressgut und den formgebenden Werkzeugen zu rechnen, da die stark abrasiv wirkenden Schleifmittel hier naturgemäß zu erhöhter Reibung führen. Diese Dichtegradienten können während des anschließenden Sinterprozesses zu unerwünschten Verzügen führen und es kann während des Pressvorganges in Abhängigkeit von der Geometrie des herzustellenden Körpers zu Gleitungen in Verbindung mit Volumenaufweitungen kommen. Diese Umstände bergen die Gefahr einer Rissbildung während des Fressens, des Sinterns und des Betriebes der Schleifkörper. Daher ist bei der pulvertechnischen Herstellung von Schleifkörpern schon während des Fressens ein möglichst geringer Dichtegradient anzustreben. Vor diesem Hintergrund wird deutlich, dass die Reibverhältnisse zwischen dem Pressgut und den formgebenden Werkzeugen bei der Herstellung von Schleifkörpern vorrangigen Einfluss auf das Verdichtungsverhalten des zu verpressenden Materials besitzen. Damit geht die Annahme einher, dass die mechanischen Eigenschaften der Grünkörper maßgeblich durch die Reibverhältnisse zwischen Pressgut und den formgebenden Werkzeuge beeinflusst werden. In verschiedenen Arbeiten wird berichtet, dass durch das schwingungsüberlagerte Pressen granulärer Materialien eine erkennbar geringere Streubreite der Bruchfestigkeit der Grünkörper erzielbar ist und darüber hinaus auch eine verbesserte Verdichtung ermöglicht wird. Der Einfluss hochfrequenter Schwingungen, wie sie im Rahmen dieses Vorhabens ursprünglich vorgesehen waren, ist gemäß der verfügbaren Literatur jedoch kaum bekannt. Daher bestand das Ziel der nachfolgend dargestellten Forschungsarbeiten in der Untersuchung der Auswirkungen einer Schwingungsanregung der formgebenden Werkzeuge auf die mechanischen Eigenschaften der Grünkörper. Für die Durchführung der experimentellen und numerischen Untersuchungen wurde hier ein Gemenge, bestehend aus weißem Edelkorund der Körnung F 120 in Verbindung mit einem keramischem Bindemittel ausgewählt. Dieses nicht frei erhältliche Gemenge zur Herstellung von Schleifkörpern wurde freundlicherweise von der Firma Comet Schleifscheiben GmbH, St. Ingbert zur Verfügung gestellt. Die detaillierte Zusammensetzung des verwendeten Gemenges unterliegt dem spezifischen „Know How" des Herstellers und darf daher aus Gründen der Vertraulichkeit nicht veröffentlicht werden. Zu erwähnen ist jedoch, dass auf den Einsatz porenbildender Substanzen, wie sie bei der Fertigung von Schleifkörpern vielfach verwendet werden, im Rahmen dieses Projektes verzichtet wurde. Im Gegensatz zu den verwendeten Schleif- und Bindemitteln besitzen porenbildende Substanzen ein deutlich höheres elastisches Formänderungsvermögen. Auf Grund des damit verbundenen höheren Dämpfungsvermögens hätten diese Substanzen während des Pressvorganges eine Minderung der aus der Schwingungsüberlagerung resultierenden Effekte zur Folge. Des Weiteren ist bei der Verwendung dieser Substanzen mit einer verstärkten elastischen Auffederung der Grünkörper während des Auswerfvorganges zu rechnen, die wiederum mit einer Volumenaufweitung und der Gefahr einer erhöhten Rissbildung einher geht. Für die experimentelle Untersuchung der schwingungsüberlagerten Verdichtung wurde eigens ein Werkzeug entwickelt und erprobt, das eine axiale Schwingungsanregung der Matrize mittels dreier Piezoaktoren erlaubt. Die Verwendung dieser Aktoren bietet die Möglichkeit über ein weites Frequenzband hinweg, ohne großen Rüstaufwand die Auswirkungen unterschiedlicher Frequenzen zu betrachten. Die Untersuchungen erfolgten im Rahmen dieses Projektes zunächst bei Frequenzen zwischen 0 Hz und 20 kHz, wobei deutlich wurde, dass hohe Frequenzen mit ihren technologisch bedingten geringeren Amplituden zu keinem messbaren Einfluss auf das Verdichtungsverhalten führen. Die weiteren experimentellen Untersuchungen erfolgten daher bei Frequenzen zwischen f = 0 und f = 120 Hz in Schritten von 30 Hz, die entgegen der ursprünglichen Intention nicht dem Ultraschall- sondern eher dem Infraschallbereich zuzuordnen sind. Die Ergebnisse dieser Pressversuche zeigen, dass in Abhängigkeit der Frequenzen der aufgebrachten Schwingungen signifikante Effekte auf das Verdichtungsverhalten zu verzeichnen sind. Des Weiteren zeigt sich, dass offenkundig eine werkstoffabhängige ideale Schwingungsfrequenz existiert, da Schwingungen mit f = 30 und f = 60 Hz eindeutig positive Auswirkungen zeigen; Schwingungen mit f = 90 Hz bzw. f = 120 Hz jedoch nur vergleichsweise geringe bis negative Effekte erbringen. Die positiven Auswirkungen äußern sich darin, dass gegenüber den Referenzversuchen ohne Schwingungsüberlagerung eine erkennbar bessere Verdichtung bei gleicher Presskraft erzielt wird. Dieses zeigt sich sowohl in der experimentell ermittelten geometrischen Dichte und Festigkeit der hergestellten Grünkörper als auch in den entsprechenden Verdichtungskurven. Darüber hinaus bestätigen die computertomographisch und numerisch ermittelten Dichte Verteilungen und berechneten Risssicherheiten den positiven Einfluss der Schwingungsüberlagerung auf das Verdichtungsverhalten. Die Ergebnisse der hier vorgestellten Forschungsarbeiten weisen auf die Möglichkeit hin, dass Verdichtungsverhalten granulärer Materialen im Kontext pulvertechnischer Fertigungsverfahren positiv zu beeinflussen. So ist die Anwendung dieses Verfahrens auch für andere pulvertechnisch relevante Werkstoffe, wie z.B. Metalle denkbar.
Publications
- Entwicklung eines Optimierungsalgorithmus für das Pressen keramisch gebundener Schleifscheiben. Jahrestagung 2002 der Forschungsgemeinschaft Schleiftechnik, März 2002
Doege, E.; Kammler, M.
- Experimentelle und numerische Untersuchungen zum ultraschallüberlagerten Pressen von Schleifkörpern. Jahrestagung 2004 der Forschungsgemeinschaft Schleiftechnik, März 2004
Behrens, B.-A.; Kammler, M.
- Numerische und experimentelle Untersuchungen zum Bruchverhalten keramisch gebundener Schleifscheiben. Dissertation, Leibniz Universität Hannover 2006, ISBN 978-3-939026-35-8
Kammler, M.
- Aktuelle Forschungsvorhaben am IFUM zur Herstellung und Bruchsicherheit keramisch gebundener Schleifscheiben. Jahrestagung 2007 der Forschungsgemeinschaft Schleiftechnik, März 2007
Behrens, B.-A.; Lange, F.; Kammler, M.
