Teilprojekt C04 – Sonderforschungsbereich 1368: Sauerstofffreie Produktion

Ausgangslage

Verbesserte chemische Schleifkornanbindung durch sauerstofffreien Sinterprozess (c) IFW

Schleifen ist als fertigungstechnisches Verfahren für die Bearbeitung einer Vielzahl von schwer zerspanbaren Werkstoffen zur Sicherstellung der geforderten Qualitäten am Ende der Prozesskette erforderlich. Die Herausforderungen dabei sind die hohen thermischen und mechanischen Belastungen, die zu einer Limitierung der Produktivität führen. Daher ist nicht nur eine präzise Abstimmung der Schleifwerkzeuge mit den Prozessstellgrößen erforderlich, sondern auch mit den Umgebungsbedingungen wie der Atmosphäre. Diesbezüglich ist bekannt, dass durch Oxidation der Werkzeugverschleiß erhöht wird und die Werkzeugeigenschaften bei der Schleifwerkzeugherstellung beeinflusst werden. Das Ziel des Teilprojekts ist es daher, Verständnis der chemischen Mechanismen bei der Schleifwerkzeugherstellung und beim Schleifwerkzeugeinsatz durch gezielte Variation der Umgebungsbedingungen zu erlangen. Dies ermöglicht schließlich die Anpassung von Schleifwerkzeugen an die Schleifaufgabe, was zu einer Verschiebung aktueller Prozessgrenzen führt.

Für die Schleifuntersuchungen wurde in der ersten Förderperiode eine Versuchsmethodik entwickelt, die schleiftechnologische Untersuchungen unter XHV-adäquater Atmosphäre und geeigneter Kühlschmierstoffzufuhr ermöglicht. Schleifuntersuchungen in XHV-adäquater Atmosphäre zeigten, dass beim Schleifen von Titan mit cBN-Werkzeugen eine signifikante Reduzierung der Prozesskräfte und des Werkzeugverschleißes um bis zu 50 % auftritt. Die hohen thermischen Belastungen bei weiterer Steigerung der Prozessstellgrößen führen allerdings zu Schleifbrand und somit zur Begrenzung der Produktivität. Daher ist die Wahl des Schleifwerkzeugs und des richtigen Kühlschmierkonzepts von besonderer Bedeutung. In der ersten Förderperiode wurden grundlegende Effekte hinsichtlich der Prozessbelastungen, des Werkzeugverschleißes und der daraus resultierenden Randzoneneigenschaften aufgezeigt, deren Ursachen bisher noch nicht bekannt sind. Diese sollen in der zweiten Förderperiode genauer untersucht werden.

Ziele

Durch die hohe thermische Belastung beim Einsatz metallisch gebundener Schleifwerkzeuge rücken vor allem poröse Schleifwerkzeuge in den Fokus. Diese sind in der Regel keramisch gebunden und ermöglichen aufgrund ihrer hohen Porosität eine deutlich bessere Kühlschmierung, wodurch die Schleifbrandgrenze verschoben werden kann. Der prozesssichere Einsatz poröser, keramisch gebundener Werkzeuge wird dadurch möglich, dass durch die XHV-adäquate Atmosphäre die mechanische Prozessbelastung signifikant reduziert wird. Daraus ergibt sich die Arbeitshypothese für die zweite Förderperiode, dass eine XHV-adäquate Atmosphäre durch nachgewiesene Reduzierung der Prozesskräfte die Verwendung poröser Schleifwerkzeuge ermöglicht und somit bestehende Prozessgrenzen bei der schleifenden Bearbeitung sauerstoffaffiner Werkstoffe überwindet. Die hieraus resultierenden Fragestellungen betreffen unter anderem den Einfluss poröser Schleifwerkzeuge auf die Materialtrennmechanismen in Abhängigkeit der Atmosphäre und der Kühlschmierbedingungen, die tribomechanischen Belastungen und die O+R-Eigenschaften geschliffener Bauteile. Im Fokus stehen somit in der zweiten Förderperiode Untersuchungen, um die Wechselwirkungen zwischen den Schleifscheibeneigenschaften, ihrem Einsatzverhalten und den resultierenden O+R-Eigenschaften des Bauteils in Abhängigkeit der Umgebungsbedingungen zu verstehen. Daraus resultiert das Forschungsziel, Kenntnisse der Zusammenhänge zwischen Atmosphäre, Werkzeugspezifikation, Kühlschmierbedingungen und Prozessstellgrößen bezüglich tribomechanischer Vorgänge beim Schleifen mit porösen Schleifwerkzeugen und deren Einfluss auf die Bauteilrandzoneneigenschaften zu erlangen.

Veröffentlichungen

Zeitschriftenbeiträge, begutachtet

Denkena, B., Bergmann, B., Fromm, A., Klose, C., Hansen, N. (2022): Influence of the atmosphere and temperature on the properties of the oxygen-affine bonding system titanium-diamond during sintering, The International Journal of Advanced Manufacturing Technology
DOI: 10.1007/s00170-022-09171-7
Prasanthan, V., Denkena, B., Bergmann, B. (2022): Influence of XHV-adequate atmosphere on surface integrity, Production Engineering
DOI: 10.1007/s11740-022-01143-w

Beiträge in Büchern

Denkena, B., Bergmann, B., Hansen, N. (2022): Einfluss von Sauerstoff auf das Schleifen von Titan, In: Hoffmeister, H.-W., Denkena, B. (Hg.): Jahrbuch Schleifen, Honen, Läppen und Polieren: Vulkan-Verlag GmbH, pp. 38–48
ISBN: 978-3-8027-3176-1

Zeitschriftenbeiträge, nicht begutachtet

Denkena, B., Krödel, A., Hansen, N. (2021): Oxygen-free production: Potential of grinding under oxygen-free atmosphere, journal of hp tooling 2021, pp. 24–28.
Denkena, B., Krödel, A., Hansen, N. (2020): Oxygen-free production: New manufacturing approach in grinding, Journal of High Precision Tooling, pp. 34–38

Konferenzbeiträge, nicht begutachtet

Denkena, B., Bergmann, B., Hansen, N. (2023): Einfluss einer sauerstofffreien Atmosphäre auf die Schleifkräfte und Werkstückqualität beim Flachschleifen von Ti-6Al-4V, In: Clausthaler Zentrum für Materialtechnik (Hg.): Tagungsband 4 . Symposium Materialtechnik. Düren: Shaker Verlag.
ISBN: 978-3-8440-9105-2