Hochproduktives Schleifen von pCBN

von Berend Denkena, Alexander Krödel und Dominik Müller-Cramm, 01. Juni 2021
Abb. 1: Versuchsaufbau für die pCBN-Bearbeitung
Am Institut für Fertigungstechnik und Werkzeugmaschinen IFW der Leibniz Universität Hannover werden derzeit innovative Strategien für die Bearbeitung von polykristallinem Bornitrid (pCBN) entwickelt.

Zum Schleifen komplexer Geometrien, wie Schaftwerkzeug-Spannuten, eignet sich das Umfangsschleifen mit keramisch gebundenen Diamantschleifwerkzeugen. Die vorliegende Studie zeigt das erhebliche Potenzial dieses Schleifprozesses durch eine geeignete Auswahl der Spezifikation des Schleifbelags auf.

Problemstellung und Motivation

Polykristallines Bornitrid (pCBN) ist ein etablierter Schneidstoff für die Hartbearbeitung von Stahl. Seine hohe Härte von bis zu 5.500 HV ermöglicht auch bei hohen Schnitttemperaturen hohe Standzeiten der Schneidwerkzeuge [1]. pCBN wird dabei vornehmlich in Form von Wendeschneidplatten oder bei Schaftwerkzeugen als eingelötete Schneidkante zur Zerspanung genutzt [2]. Bei kleinen Schaftwerkzeugdurchmessern stellt der Einsatz von pCBN-Spitzen (Tips) eine Alternative zu Schneideneinsätzen dar. Diese Vollmaterial-Spitzen ermöglichen den Einsatz von pCBN an allen Funktionsgeometrien der Schaftwerkzeuge und setzen insbesondere Potentiale in der Geometrieauslegung hochharter Spannuten frei. Bisherige Untersuchungen beim Querseiten-Planschleifen von pCBN-Wendeschneidplatten haben aufgezeigt, dass eine ressourceneffiziente Freiflächenbearbeitung mit G-Verhältnissen von G > 4 möglich ist. Das G-Verhältnis gibt hierbei das Verhältnis aus Zerspan- und Verschleißvolumen des Werkzeugs an. Somit wurde in diesen Untersuchungen durch angepasste Prozessstellgrößen erreicht, dass viermal mehr pCBN abgetragen werden kann als Schleifbelagsvolumen verloren geht. Die für die Bearbeitung von pCBN hohen G-Verhältnisse konnten auf den geringen Härteunterschied zwischen Diamant und pCBN zurückgeführt werden. Denn erst dieser geringe Härteunterschied ermöglicht es, dass das Diamantkorn hinreichend mechanisch belastet wird und so bei der Schleifbearbeitung des pCBN splittert. Dies setzt wiederum kontinuierlich neue scharfe Schneiden der Schleifkörner frei. Das Kornsplittern kann dabei durch die Wahl einer hohen Vorschubgeschwindigkeit (vfa > 12mm/min) und einer geringen Schnittgeschwindigkeit (vc < 10m/s) gefördert werden [3]. Eine weitere Steigerung des G-Verhältnisses konnte durch eine Verringerung der Kontaktlänge des Werkstücks erreicht werden. Hierzu wird die Wendeschneidplatte gegenüber der  Schnittgeschwindigkeitsrichtung angestellt und bearbeitet. Durch die daraus resultierende Verringerung der Kontaktlänge wird insbesondere der Verschleißmechanismus der Kornverrundung, der ansonsten zu hoher Reibung im Prozess führt, signifikant reduziert [4]. Da beim Querseiten-Planschleifen das Werkstück stets Plan zum Schleifwerkzeug geführt wird, ist bei diesem Prozess der Kantenverschleiß des Schleifwerkzeugs für das Schleifergebnis nicht von Relevanz. Auch der Profilverschleiß des Schleifbelags selbst kann deshalb vernachlässigt werden.
 

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