Neuartiges Werkzeugkonzept für verschleißfeste Diamantschleifscheiben
  • Uni/Hochschule: Labor für Mikrozerspanung (LFM) Universität Bremen
  • Land: Deutschland
  • Autor(en): Daniel Berger, Kai Rickens, Oltmann Riemer, Ekkard Brinksmeier
  • Artikel vom: 16 November 2015
  • Seitenaufrufe: 6839
  • Artikel Nummer: 055-012-d
  • Kategorie(n): Abrichtwerkzeuge, Schleifwerkzeuge, WERKZEUG ANWENDUNGEN, Rotierende Abrichtwerkzeuge, Schleifen, Produktionsschleifen, Abrichten, Schleifwerkzeug nach Bindungsart, Polieren-Finishen-Feinstbearbeitung, Schleifwerkzeug mit galvanischer Bindung, Glas
  • Schlüsselbegriffe: Abrichtwerkzeug, finishen, finishing, galvanische Bindung, Glaskeramik, Optikindustrie, optisches Glas, Vielkornabrichter
  • Neuartiges Werkzeugkonzept für verschleißfeste Diamantschleifscheiben

    Neuartiges Werkzeugkonzept für verschleißfeste Diamantschleifscheiben

    Bauteile mit optischen Funktionen stellen hohe Anforderungen bezüglich der erreichbaren Oberflächenrauheit, wobei optische Oberflächen typischerweise durch Polierprozesse erreicht werden, die jedoch zumeist aufwändig und langwierig sind. Das Ultrapräzisionsschleifen gewinnt daher in der Optikindustrie kontinuierlich an Bedeutung, denn je besser der vorhergehende Schleifprozess in Bezug auf die erreichbare Oberflächengüte ist, desto geringer fallen die Polierzeiten aus. Schleifend erzeugte Oberflächenrauheiten in optischer Qualität können an sprödharten Werkstoffen vor allem durch feinkörnige, kunstharzgebundene Diamantschleifscheiben erreicht werden. Diese Werkzeuge sind gekennzeichnet durch einen hohen Werkzeugverschleiß, sodass die Abrichtintervalle sehr kurz ausfallen, was wiederum zu hohen Nebenzeiten und somit steigenden Bearbeitungskosten führt. Der Einsatz von grobkörnigen, metallisch gebundenen Diamantschleifscheiben für das Ultrapräzisionsschleifen wird durch spezielle Abrichttechnologien möglich und kann in diesem Zusammenhang zu deutlich geringerem Werkzeugverschleiß führen [1,  2].

    Ein neuartiger Ansatz für das Ultrapräzisionsschleifen liegt daher im Einsatz galvanisch gebundener Schleifscheiben mit einer Diamantkörnung von dK = 301 µm und sphärischer Kontur, sogenannten „Engineered Grinding Wheels“ (EGW). Die Kontur soll das Schleifen sphärischer und asphärischer Linsen aus optischen Gläsern und Glaskeramiken ermöglichen. Ein speziell entwickelter, thermo-chemischer Abrichtprozess führt zu angeflachten Diamantkörnern, die im Schleifprozess hydrostatische Druckverhältnisse in der Kontaktzone erzeugen und somit duktilen Materialabtrag begünstigen [3]. Voraussetzung für das Präzisionsschleifen ist außerdem ein, durch die gleichmäßige Anflachung aller Diamantkörner auf eine einheitliche Hüllkurve, erreichbarer Werkzeugrundlauf im Bereich weniger Mikrometer.

    Ultrapräzisionsschleifen

    Das Ultrapräzisionsschleifen ist ein materialabtragender Prozess, dessen Hauptaugenmerk auf der hohen Oberflächengüte, der hohen Formgenauigkeit und der geringen Tiefenschädigung liegt. Diese Anforderungen sollen optimalerweise in einem einzigen Prozessschritt erreicht werden [4]. Aufgrund dessen werden konventionell feinkörnige Diamantschleifscheiben mit weichen Bindungen eingesetzt, da hier die Einzelkornspanungsdicke gering ist und somit ein duktiler Materialabtrag begünstigt wird. Im Vergleich zu Werkzeugen mit groben Diamantkörnungen in metallischen Bindungen ist das G-Verhältnis feinkörniger Schleifscheiben, welches den Werkzeugverschleiß quantifiziert, allerdings relativ niedrig. Im Gegensatz dazu ermöglichen die Engineered Grinding Wheels Prozesse mit deutlich höheren G-Verhältnissen und zeichnen sich durch einen geringen Rundlauffehler aus, welcher durch den gleichmäßigen Kornüberstand aus der Bindung und die somit entstehende einheitliche Hüllkurve entsteht. Im Schleifprozess dringen die angeflachten Diamantkörner nahezu einheitlich in den Werkstoff ein und begünstigen einen duktilen Materialabtrag [5, 6, 7]. Zur Untersuchung des Einsatzverhaltens der Engineered Grinding Wheels werden in diesem Beitrag die Prozessschritte aus Abb. 1 durchgeführt.

    Abrichten von Engineered Grinding Wheels

    Um einen gleichmäßigen Kornüberstand zu erreichen, wurde ein neuartiger Abrichtprozess entwickelt und durchgeführt. Bei diesem wird der thermo-chemische Effekt genutzt, welcher beim Reibungskontakt zwischen Diamant und Stahl entsteht. Der Vorteil dieses Abrichtprozesses liegt in der einmaligen Ausführung vor dem Schleifprozess, sodass die kostenintensiven Abrichtzeiten zwischen den Schleifoperationen reduziert werden können. Hierfür werden zwei rotierende Stahlkalotten unter Aufbringung einer Andruckkraft Fd von zwei Seiten an die rotierende Schleifscheibe gepresst (Abb. 2, links). Die Reibung zwischen der Schleifscheibe und den aus austenitischem Chrom-Nickel Stahl bestehenden Kalotten führt zu einer Diffusion der Kohlenstoffatome aus den Diamantkörnern in den Stahl. Die katalysierende Wirkung der Legierungselemente des Kalottenstahls führt bereits ab einer Temperatur von 700°C zu einer Graphitisierung des Diamanten [3]. Die unterschiedlichen Kornüberstände werden somit angeglichen und ein gemessener Rundlauffehler von über 200 µm im Ausgangszustand kann auf einen Rundlauffehler von 25 µm nach dem thermo-chemischen Abrichten verringert werden. Um das Werkzeug beim Ultrapräzisionsschleifen mit Zustellungen von 1 bis 10 µm einsetzen zu können, müssen Rundlauffehler von wenigen Mikrometern erreicht werden. Größere Rundlaufabweichungen führen dazu, dass bei den notwenigen kleinen Zustellungen nur einzelne Körner in Eingriff kommen. Der nachträglich mit einem Vielkornabrichter (dK = 91 µm) durchgeführte mechanisch-abrasive Abrichtprozess verringert den Rundlauffehler auf einen Wert von 5 µm (Abb. 2, rechts).

    Schleifexperimente

    Ziel der Schleifexperimente war einerseits die Untersuchung des Verschleißverhaltens von Engineered Grinding Wheels inklusive der Bestimmung des G-Verhältnisses und andererseits die Untersuchung der erreichbaren Oberflächenrauheiten. Die Durchführung erfolgte auf einer Fünfachs-Ultrapräzisions-Schleifmaschine. Abb. 3 zeigt den Versuchsaufbau und die Schleifkinematik. Zunächst werden zylindrische Flachproben aus der Glaskeramik Zerodur mit einem Durchmesser von 100 mm durch Längs-Umfangs-Planschleifen, also längs zur Werkzeugachse, bearbeitet, wobei ein hohes Zerspanvolumen erreicht wird. Die Experimente werden in mehreren Intervallen durchgeführt, sodass ein Zerspanvolumen von insgesamt 27.000 mm3 erreicht wird. Vor dem ersten dieser Schleifintervalle und anschließend in größeren Abständen wurde der Kornüberstand mit einem Konfokal-Lasermikroskop in-situ gemessen und das Verschleißvolumen über eine Näherung berechnet. Nach den Planschleifversuchen an den Flachproben wurden zur Bestimmung der Oberflächenrauheit sphärische, konvexe Linsen, neben dem Zerodur auch aus dem optischen Glas BK7, mit einem Linsenradius von 200 mm und einem Durchmesser von 30 mm geschliffen, ebenfalls in der Kinematik des Längs-Umfangsschleifens. Zunächst wurde die sphärische Kontur mit verhältnismäßig hohen Zustellungen von ae = 20 µm hergestellt. Anschließend wurden Schleifprozesse mit geringen Zustellungen (ae = 1 bzw. 3 µm) durchgeführt, um ein Finishing mit optischer Oberflächenqualität zu erzeugen. Beide Prozesse wurden mit einer Vorschubgeschwindigkeit vf = 3 mm/min durchgeführt. Die Werkstückdrehzahl wurde zwischen 140 min-1 und 350 min-1 variiert, um neben der eingestellten Zustellung den Einfluss dieses Parameters auf die Oberflächengüte zu untersuchen. Anschließend konnte die Oberflächenrauheit der geschliffenen Linsen mittels Weißlichtinterferometrie gemessen werden. Zum Vergleich der EGW mit konventionell eingesetzten feinkörnigen Diamantschleifscheiben wurden zudem Linsen mit einer kunstharzgebundenen Torus-Schleifscheibe mit einer Diamantkörnung von dK = 3 µm geschliffen. Aufgrund der unterschiedlichen Geometrie der beiden Schleifscheiben können die G-Verhältnisse der beiden Schleifprozesse allerdings nur indirekt miteinander verglichen werden.

    Verschleißverhalten und G-Verhältnis

    Zur Bestimmung des G-Verhältnisses der beiden Schleifprozesse (EGW und feinkörnige Schleifscheibe) muss neben dem Zerspanvolumen auch das Verschleißvolumen des Werkzeugs bekannt sein. Um dieses zu ermitteln, wurde ein konfokales Lasermikroskop in-situ verwendet, mit dem zunächst der Kornüberstand dreier verschiedener Diamantkörner des EGW gemessen wurde (Abb. 5, links). Abb. 4 zeigt die Abnahme des Kornüberstands der drei Diamantkörner mit fortschreitendem Zerspanvolumen. Der abnehmende Trend stoppt nach einer Einlaufphase bei einem Zerspanvolumen von ca. 2.700 mm3. Dies entspricht dem typischen Verschleißverhalten von Werkzeugen, bei dem der Verschleiß zu Beginn eines Schleifprozesses stark ansteigt. Anschließend stellt sich ein lang andauernder Betriebszustand ein, in dem der Werkzeugverschleiß nur geringfügig zunimmt [7]. Dieses Verhalten zeigt sich auch beim Einsatz der EGW, da die Abnahme des Kornüberstands in der Einlaufphase bei sehr geringem Zerspanvolumen mit 10-20 µm vergleichsweise hoch ist und im anschließenden Betriebszustand bei lediglich 3-5 µm liegt. Desweiteren standen die hier untersuchten Körner sehr weit aus der Bindung heraus, sodass diese durch den Schleifprozess einen hohen Verschleiß in der Einlaufphase erfahren.

    Neben dem Kornüberstand ist eine weitere geometrische Größe für die Bestimmung des Verschleißvolumens notwendig. Da die exakte Form der Diamantkörner nicht bestimmt werden kann, wird eine geometrische Abschätzung der minimalen und maximalen Kornform vorgenommen. Die Abschätzung der minimalen Kornform wird über die Hüllkurve einer Kugel, die der maximalen Kornform über die Hüllkurve eines Würfels vorgenommen. Der Durchmesser (Kugel) bzw. die Kantenlänge (Würfel) können mittels der mikroskopischen Messung bestimmt werden, sodass ein Vergleich zwischen dem maximalen und dem minimalen Verschleißvolumen angestellt werden kann. Der Mittelwert dieser beiden Näherungslösungen wird schließlich für die Bestimmung des G-Verhältnisses genutzt. Eines der drei untersuchten Diamantkörner (Korn #1) zeigt Abb. 5 (links) nach verschiedenen Zerspanvolumina. Es konnten keine Risse oder kleineren Ausbrüche (Mikroverschleiß) detektiert werden und die Form des Diamantkorns bleibt über die gesamte Einsatzzeit des Werkzeugs gleich, bis hin zu einem Zerspanvolumen von 27.000 mm3. Die rote Linie in Abb. 5 markiert das Kornprofil, das im rechten Teil der Abbildung dargestellt ist. Zwischen dem höchsten und niedrigsten Punkt des Diamantkorns (grüne Linien A-B) kann eine Differenz von 115,1 µm ermittelt werden, sodass anschließend die Berechnung des G-Verhältnisses, wie zuvor beschrieben, durchgeführt werden kann. Die berechneten Werte des G-Verhältnisses der drei untersuchten Diamantkörner sind in Abb. 6 dargestellt. Aus den Mittelwerten der Einzelkörner, gebildet aus den beiden Näherungslösungen Kugel und Würfel, kann ein abschließender Wert für das G-Verhältnis des Schleifprozesses berechnet werden. Für den mit dem feinkörnigen, kunstharzgebundenen Werkzeug durchgeführten Schleifprozess konnte ebenfalls das G-Verhältnis bestimmt werden. Trotz geringfügig unterschiedlicher Geometrie der eingesetzten Schleifscheiben (die Körner kommen bei der größeren, feinkörnigen Schleifscheibe durch die geringere Drehzahl weniger oft in Eingriff) kann ein Unterschied des G-Verhältnisses von drei Größenordnungen ermittelt werden.

    Erzeugte Oberflächengüten

    Abb. 8 zeigt die mit einem Weißlichtinterferometer gemessene Oberflächengüte der sphärischen Linsen nach dem Finishing. Auf der X-Achse ist der Abstand zum Mittelpunkt der Probe aufgetragen, sodass ein Anstieg der Oberflächenrauheit zum äußeren Rand der Linse zu erkennen ist. Vor allem beim optischen Glas BK7 ergeben sich aufgrund des sich ändernden Geschwindigkeitsverhältnisses zwischen Werkzeug und Werkstück am Rand der geschliffenen Probe hohe Rauheitswerte Sa. Die Geschwindigkeit des Werkstücks vw nimmt am äußeren Rand der Probe ihren maximalen Wert an (Position „0“ in Abb. 7, links), welcher zur Probenmitte (Position „1“) linear abnimmt. Somit wird das Verhältnis der Schleifscheibengeschwindigkeit vs und der Werkstückgeschwindigkeit vw zur Mitte hin größer (Abb. 7). Dies schlägt sich auch in den gemessenen Normalkräften nieder, die am äußeren Rand der Probe höher sind als innen. Der qualitative Verlauf der Normalkräfte beim Längs-Umfangsschleifen ist ebenfalls in Abb.7 dargestellt. Vor allem die steigenden Kräfte wirken sich auf die Oberflächenrauheiten aus, deren Werte bei einer Werkstückdrehzahl von 140 min-1 und einer Zustellung ae = 1 µm bei BK7 zwischen 0,14 µm und 0,76 µm und bei Zerodur zwischen 0,07 µm und 0,4 µm variieren. Bei beiden Materialien stellt sich bis zu einem Abstand von 4,5 mm zum Mittelpunkt eine Oberflächenrauheit von Sa < 0,2 µm ein. Bei Zerodur, welches eine niedrigere Härte, eine höhere Risszähigkeit und somit eine höhere kritische Spanungsdicke als BK7 aufweist, ist dies sogar bis zu einem Abstand von 7 mm zum Mittelpunkt der Fall. Der duktile Materialabtrag wird bei Zerodur im Vergleich zu BK7 aufgrund der Materialkennwerte gefördert, was auch die Topographien der geschliffenen Oberflächen zeigen, die bei BK7 deutlich mehr Ausbrüche zeigen.

    Zusammenfassung

    Der Einsatz von Engineered Grinding Wheels zur Bearbeitung optischer Gläser oder Glaskeramiken bietet hinsichtlich des Verschleißverhaltens im Vergleich zu feinkörnigen, elastisch gebundenen Diamantschleifscheiben ein großes Potenzial, was durch das ermittelte G-Verhältnis von über 5000 für diese neuartigen Schleifwerkzeuge quantifiziert wird. Im Gegensatz dazu weist die feinkörnige, elastisch gebundene Schleifscheibe lediglich ein G-Verhältnis von 2 auf. Jedoch müssen die erreichbaren Oberflächengüten ins Verhältnis gesetzt werden, die bei den EGWs vor allem im Randbereich der in diesem Fall geschliffenen sphärischen Linsen deutlich über den im Mittelpunkt der Linsen erreichten Oberflächengüten liegen. Die mit diesem Werkzeug auf Zerodur erreichten Werte von 70 nm zeigen allerdings, dass eine nahoptische Oberflächenqualität bei konstanten Eingriffsverhältnissen erzeugt werden kann. Nachfolgende Polierprozesse könnten bei diesen Oberflächenrauheiten deutlich verkürzt werden, welches in Kombination mit den hohen Standzeiten des Schleifwerkzeugs zu einer Reduzierung der Kosten bei der Herstellung optischer Komponenten führt. In weiteren Untersuchungen ist zu prüfen, ob die Oberflächengüte durch eine Verringerung des Rundlauffehlers weiter verbessert werden kann. Die konstante Einhaltung des Geschwindigkeitsverhältnisses zwischen Werkzeug und Werkstück über den Probendurchmesser ist ebenfalls Gegenstand weiterführender Untersuchungen.

    Danksagung

    Die Autoren danken der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) für die Förderung des Projektes "Engineered Grinding Wheels - Deterministisches Präzisionsschleifen optischer Gläser" (#BR 825/53-3), in dessen Rahmen die vorliegenden Ergebnisse am Labor für Mikrozerspanung (LFM) unter der Leitung von Prof. Dr.-Ing. habil. Dr.-Ing. E.h. E. Brinksmeier erarbeitet wurden.


    Info

    Labor für Mikrozerspanung (LFM)
    Universität Bremen
    Badgasteiner Str. 2
    28359 Bremen
    Telefon +49 42121851141
    Diese E-Mail-Adresse ist vor Spambots geschützt! Zur Anzeige muss JavaScript eingeschaltet sein!
    www.lfm.uni-bremen.de

    Prof. Dr.-Ing. habil. Dr.-Ing. E.h. E. Brinksmeier

    Direktor des Labors für Mikrozerspanung (LFM)

    Dr.-Ing. Oltmann Riemer

    Abteilungsleiter des Labors für Mikrozerspanung

    Dr.-Ing. Kai Rickens

    Technischer Leiter des Labors für Mikrozerspanung

    Daniel Berger

    Wissenschaftlicher Mitarbeiter am Labor für Mikrozerspanung (LFM)

    Quellen

    [1]
    Zhao Q (2015) Ultra-precision grinding of optical glasses using mono-layer nickel electroplated coarse-grained diamond wheels. Part 1: Part 1: ELID assisted precision conditioning of grinding wheels. Precision Engineering, Volume 39, S. 56-66.
    [2]
    Zhao Q (2015) Ultra-precision grinding of optical glasses using mono-layer nickel electroplated coarse-grained diamond wheels. Part 2: Investigation of profile and surface grinding. Precision Engineering, Volume 39, S. 67-78
    [3]
    Mutlugünes Y (2014) Abrichten und Qualifizierung grobkörniger Diamantschleifscheiben zum Ultrapräzisionsschleifen. Dissertation Universität Bremen, Shaker Verlag 65.
    [4]
    Brinksmeier E, Mutlugünes Y, Klocke F, Aurich J C, Shore P, Ohmori H (2010) Ultra-precision Grinding. Annals of the CIRP 59/2, S. 652-671.
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    Guo B, Zhao Q, Fang X (2014) Precision grinding of optical glass with laser micro-structured coarse-grained diamond wheels. Journal of Materials Processing Technology 214, S. 1045-1051.
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    Xie J, Lu Y X (2010) Study on axial-feed mirror finish grinding of hard and brittle materials in relation to micron-scale grain protrusion parameters. International Journal of Machine Tools & Manufacture 51, S. 84-93.
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    Heinzel C, Rickens K (2009) Engineered wheels for grinding of optical glass. Annals of the CIRP, Volume 58/1, S. 315-318.
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    [8] Tönshoff H K, Denkena B (2004) Spanen. Springer-Verlag.