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ter-) Metalle und Keramiken bis zuhochfesten PKD-Verbindungen, mitgeeigneten Schleif- und Konditio-nierwerkzeugen prozesssicher be-arbeitet werden kann.

Stand der Technik

Das Zweischeiben-Prinzip desLäppverfahrens mit Planetenkine-matik (rollendes Korn) ist seit lan-gem etabliert. Klassische Maschi-nenkonstruktionen weisen in die-sem Bereich eine sogenannte C-Gestellbauweise auf. Der Prozess istdurch den Einsatz von Ölen undungebundenen Läpppasten ver-gleichsweise reinigungsintensiv,welches sowohl bezüglich der Teile-stückkosten als auch in Hinblick auf

mögliche Entsorgungsprobleme alskritisch zu bewerten ist.

Die Einführung von Bearbei-tungswerkzeugen mit gebundenemKorn, z.B. Diamant oder kubischemBornitrid (CBN), ist damit für dieProzessentwicklung generell alsdeutliche Innovation zu werten.

Erste Anwendungen konnten mitkunstharz- und metallgebundenenSchleifwerkzeugen realisiert wer-den. Die aus den großen Kontakt-flächen der Bauteile resultierendenProzesskräfte führten jedochzunächst zu zahlreichen maschi-nen- und prozesstechnischenSchwierigkeiten. Fehlende, auf denProzess des Flachhonens ausgeleg-te, konstruktive Anpassungen derMaschine im Bereich der Drehzahl-regelung sowie zeitgemäße Steue-rungen ermöglichten daher langeZeit nur begrenzte Produktivitäts-steigerungen.

Erst der Einsatz keramischgebundener Werkzeuge erbrachteentscheidende Fortschritte im Ver-gleich zu klassischen Läppverfah-ren [3]. Als weiterer Schritt ist dietechnische Auslegung in Form ein-zelner Pellets zu werten, welche dieZahl der bei der Bearbeitung ein-greifenden Schneiden neben derKonzentration durch das Bele-gungsmuster einer Scheibe kali-briert. Im Bereich der keramischenBindung von CBN und Diamantselbst ist jedoch lange Zeit ver-gleichsweise wenig Entwicklungs-arbeit geleistet worden. In der Regelwurden vorhandene Systeme ande-rer Prozesse nur geringfügig modi-fiziert und adaptiert.

Des Weiteren ist die Konditionie-rung der Schleifwerkzeuge bisher

Die immer höheren Anforderun-gen der Werkstücke bezüglich

der Maß-, Form- und Lage-Tole-ranzen, sowie die Zielsetzung derimmer währenden Kostensenkungdurch kontinuierliche Prozessver-besserung sind nur durch eine engeZusammenarbeit zwischen Werk-zeug- und Maschinenhersteller rea-lisierbar. Auch beim Flachhonenermöglichen neue Systeme zuneh-mend die nochmalige Steigerungdes Zeitspanvolumens durcherhöhte Schnittgeschwindigkeiten.

Der vorliegende Beitrag zeigt dieOptimierung eines Systems imBereich des Flachhonens, auch"Sauberes Läppen mit Planetenki-nematik" genannt [1], mit welchemheute praktisch jeder Werkstoff,vom weichen Kunststoff, über (Sin-

Innovatives Flachhonen mit keramisch gebundenen Schleif-und Konditionierwerkzeugen -

eine neue SystemlösungP. Beyer, M. v. Ravenzwaaij

Der Prozess des Flachhonens ist seit langem zur hochpräzi-sen Bearbeitung keramischer, metallischer und polymererBauteile etabliert, sobald es um die Anforderung höchsterPlanparallelitäten geht [1]. Im Gegensatz zu bekanntenSchleifverfahren mit steigender Tendenz zu Hochgeschwin-digkeitsprozessen [2], wie z.B. Außenrund-, Schälschleif-und Tiefschliffprozesse mit primär linienförmiger Kontakt-zone zwischen Werkzeug und Schleifkörper, können beimFlachhonen die zu bearbeitenden Flächen bis nahezu 100 %im Kontakt mit dem Bearbeitungswerkzeug stehen. Darausergeben sich trotz niedriger Schnittgeschwindigkeiten hoheAbtragsvolumina, gekennzeichnet durch geringe thermischeBelastung und Verzug der Bauteile. Durch die charakteris-tische Planetenkinematik herrschen unterschiedliche Belas-tungen der einzelnen Schleifkörner, mit einem daraus resultierenden Verschleißbild als Funktion des Scheiben-teilkreises. Dem ist bei der Auslegung des Werkzeuges, derMaschine, bei der Anwendung sowie beim Konditionierenstets Rechnung zu tragen.

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wenig prozesssicher. Üblich ist z.B.zur Schärfung von Diamantschei-ben der Einsatz von weichenKorundsteinen [4], auf den Läufer-scheiben montierter SiC-Ringe oderungebundener Schleifmittel. AlleVerfahren erfordern eine großeErfahrung, sind zeitaufwändig undaufgrund der Personenabhängigkeitnur bedingt prozesssicher.

Die prinzipielle Werkstück/Werk-zeuganordnung sowie die Relativ-bewegung aufgrund der Planetenki-nematik zeigen die Bilder 1a und 1b.Die sich daraus ableitenden Ver-schleißbilder am Werkzeug werdenin Bild 2 schematisch dargestellt.

Die Grenze eines jeden Prozessesbildet jeweils das schwächste Gliedin der Kette. Eine innovative Pro-zessverbesserung ist damit nurdurch eine konzeptionelle Neuaus-legung des Gesamtsystems möglich,welches nur durch koordinierteMaschinen- und Werkzeugentwick-lung erfolgreich sein kann.

Maschinenentwicklung

Ein entsprechendes Maschinen-konzept muss folgende grundsätzli-che Faktoren bei einer Neukon-struktion berücksichtigen:

• stabiles verwindungssteifes Ma-schinenkonzept

• weiter Bereich der Scheibendreh-zahlvariation

• auf die zu bearbeitenden Werk-stoffe adaptierbare (ggf. höhere)Kraftaufbringung

Der signifikanteste konstruktiveUnterschied zu vorhandenen Syste-

men ist die als ideal anzusehendePortalbauweise, realisiert in derneuen DLM 05-Baureihe (DLM 705,DLM 1005, DLM 1505). Bei den bis-herigen Waagebalken-Systemen(mit oder ohne schwenkbaremKopf) war jeweils die Lagerung einPunkt, welcher die dort gewählte C-Gestell-Bauweise schwächte. DieserNachteil entfällt bei der Portalbau-weise. Die so optimierte Konstruk-tion ermöglicht damit Bearbeitungs-kräfte von bis zu vier Tonnen. Zuweiteren konstruktiven Verbesse-rungen zählt die Entkoppelungsämtlicher Motoren von denAntriebswellen, d.h. eine möglicheVerformung ist nicht mehr leis-tungsabhängig, eine auf 400 U/min

gesteigerte Drehzahl (aktuelle Ver-suche sogar bis 2000 U/min), sowieeine deutlich verbesserte Zugäng-lichkeit für den Bediener. Somit las-sen sich die Schlüsselbearbeitungs-parameter Anpresskraft undSchnittgeschwindigkeit, bezogenauf die Abtragsleistung, werkstoff-und werkstückspezifisch optimalauswählen.

Einen Überblick der zur Verfü-gung stehenden technischen Para-meter gibt Tabelle 1. Damit sind dieentscheidenden Voraussetzungenzur Entwicklung des Flachhonenszum Flachschleifen mit Planetenki-nematik gegeben.

In Kombination mit jüngstenWerkzeugentwicklungen, wie z.B.

1a Prinzipielle Anordnung der Bearbeitungszone einer Flachhon-maschine

1b Planetenkinematik beim Flachhonen

2 Mögliches Ver-schleißbild an Werk-zeugen zum Flach-honen

3 Stähli DLM 705

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legung von Hochleistungsschleif-oder Honprozessen kommt hierbeiaufgrund ihrer systemspezifischenVorteile bevorzugt die keramischeBindung von CBN- und Diamant-körnungen zum Einsatz. Wesent-liche Vorteile sind dabei die sehrschneidfreudige Schleifkörpertopo-grafie, daraus resultierender gerin-ger Arbeitsdruck und mögliche sehrkurze Bearbeitungszeiten bei gleich-zeitig exzellenter Werkstückgeome-trie. Eine Übersicht über die techno-logischen Grundlagen keramischgebundener Schleifwerkzeuge ist [5]zu entnehmen. Im Folgenden soll

nur auf die spezifischen Anpassun-gen zum Flachhonen eingegangenwerden.

Spezifikationsauslegung der SchleifwerkzeugeAufgrund der großen Kontakt-

flächen ist zur Erzielung einerhohen Abtragsleistung in der Regeleine vergleichsweise niedrigeCBN/DIA-Konzentration im Be-reich von C50-C75 mit einer mög-lichst porösen Struktur zu wählen.Die breite Möglichkeit zur Einstel-lung der Parameter Schleifkornkon-zentration, Porenvolumen undPorenradienverteilung ist in dieserVariabilität nur mit Hilfe der kera-mischen Bindungstechnologie mög-lich. Die Porenstruktur garantierthierbei die Kühlschmiermittelzu-fuhr und den Spanabtransport undist bezüglich der Parameter Poren-volumen und Porenradienvertei-lung einstellbar (Bild 4).

Aufgrund der großen Kontakt-flächen und hohen anfallendenSpanmengen beim Flachhonen wirddiese Funktion außerdem durch das

der HPB-Technologie [5], ist dasschwächste Glied in der Kette fortandas Werkstück selber, bzw. ggf. dieLäuferscheibe (Schablone), in wel-cher das Werkstück geführt wird.

Werkzeugentwicklung

Neben der grundlegenden Ausle-gung der Maschinenkonstruktionwird der Prozess zu einem wesentli-chen Teil durch die Auswahl geeig-neter Schleif-/Hon- und Konditio-nierwerkzeuge bestimmt. Zur Aus-

4 Links: Standardstruktur, Korngröße 230 meshRechts: Hochporöse Struktur mit definierter Porenradienverteilung, Korngröße 230 mesh

DLM 705 DLM 1005 DLM 1505

Arbeitsleistung

Drehzahlen obere und untere Arbeitsscheibe, stufenlos

Optionen

Tabelle 1: Technische Daten der 05-Reihe

Außen-Ø der Arbeitsscheiben 500-720 mm 800-1250 mm 1300-1600 mm

Anzahl Läuferscheiben 4 - 7

Distanz zwischen den Arbeitsscheiben < 390 mm

Werkstückbelastung stufenlos 0-2000 (4000) daN 0-3500 (6000) daN 0-4000 (8000) daN

PC-Bediensteuerung Frei programmierbar

Abschaltgenauigkeit 0,1 µm

Kühlung der Arbeitsscheiben Ja

Flachhonen und Feinschleifen 0-200 (400) min-1 10-240 (15-350) min-1 6-150 (10-200) min-1

Mittenantrieb 0-100 (200) min-1 5-120 (7-180) min-1 4-80 (5-100) min-1

Drehrichtung der Antriebe Frei programmierbar

Gesamte Arbeitsleistung 22 (39) KW 40 (61) KW 61 (97) KW

Abmessungen inkl. SchutzhaubeB x T x H ca. 1900 x 1700 x 2600 mm ca. 2600 x 2100 x 2620 mm ca. 3100 x 2800 x 2720 mm

Gewicht Ca. 7.800 kg Ca. 12.500 kg Ca. 19.500 kg

Halb- und Vollautomation, Roboterbeladung, Verkettung Ja

Anbindung an Präzisions-Bürstanlagen Ja

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Spaltvolumen zwischen den in derRegel hexagonalen Pellets unter-stützt bzw. bestimmt. Mit zuneh-mender Abnutzung des Schleifbela-ges reduziert sich durch eine sinken-de Spalttiefe dieses bis nahezu aufnull. Um diesen negativen Effekt zuvermeiden, besteht die Möglichkeitdie Pellets mit einem keramischenTräger (Blindbelag) zu versehen(Bild 5).

VerbundwerkzeugtechnologieDie wirtschaftliche Herstellung

dieser als Verbundwerkzeuge oder -pellets bezeichneten Strukturenerfolgt durch ein kombiniertes Pres-sen von Schleif- und Blindbelag.Verfahrensbedingt muss der Blind-belag aufgrund des keramischenHerstellungsprozesses den thermi-schen und physikalischen Eigen-schaften des Schleifbelages ange-passt werden, um beim konsolidie-renden Brennprozess spannungsfreizu versintern. Hierbei sind für denEntwickler beim Schleifwerkzeug-hersteller die Faktoren Korngrößeund Konzentration, thermischerAusdehnungskoeffizient sowie Sin-terschwindung entsprechend einzu-stellen.

Konstruktive DetailsZur konstruktiven Optimierung

des Schleifwerkzeuges wird desWeiteren die in der Anwendungstets wiederkehrende Problematikder Scheifbelagsschädigung beimEinlauf der Werkstücke berücksich-

tigt. Zur Vermeidung zu großerSpaltmasse im Randbereich wirdder Außen- und Innendurchmessermit Doppelpellets, sogenannten"Goldfischli-Pellets", belegt (Bild 6).

Abricht-/KonditionierwerkzeugeUm den gesamten Schleifprozess

werkzeugseitig zu optimieren ist zudiskutieren, ob bei der Wahl desKonditionierwerkzeuges neueAnsätze möglich sind, welche inQualität und Zeitaufwand den lang-wierigen Einrichtprozess verkürzenkönnen. Dabei ist neben der Egali-sierung von CBN-Schleifbelägenvor allem die Problematik derRekonditionierung von Diamant-werkzeugen ein bisher nur wenigzufriedenstellend gelöster Prozess.

Der grundlegende bindungstech-nologische Ansatz zur Auslegungneuer Abrichtwerkzeuge ist mitkeramisch gebundenen Diamant-Werkzeugen der vDD-Technologie

(vitrified Diamond Dresser) gege-ben [6]. Die bekannten Vorteilebezüglich geringerer Abrichtkräfte,einer "freischneidenden" hohenKonditionierleistung und einerexzellenten Schleifscheibenegalisie-rung lassen die Bearbeitung vongroßflächigen Schleifscheiben zumFlachhonen als geradezu prädesti-niert erscheinen.

Eine entsprechende konstruktiveAuslegung zeigt Bild 7, bzw. im Ein-satz Bild 8. Die Konditionierwerk-zeuge werden dabei, montiert aufLäuferscheiben, rotierend über dieSchleifwerkzeugfläche analog zumTeilefluss bewegt.

Anwendungsbeispiele

Jüngste technische Entwicklungenbeim Anwender führen verstärktzum Einsatz neuer und in der Regelschwer zerspanbarer Materialien.

5 Keramisch gebundene CBN-Schleifscheibe in Verbundtechno-logie

6 Technische Auslegung zur Stabilisierung der Randzone einerCBN/DIA-Scheibe zum Flachhonen (schematisch) - Goldfischli-Pellets

7 vDD-Abrichtwerkzeuge der Spezifikation D11-120-P-8-280-X150-V86-39-2

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Dabei haben werkstoff- und ferti-gungstechnisch die Sintermetalleaufgrund ihrer von metallurgischenProzessen weitestgehend unabhän-gigen Zusammensetzungen stark anBedeutung gewonnen. Verfahrens-bedingt resultieren jedoch in Bezugauf die Zerspanbarkeit Gradientenin der Werkstoffhärte. Die bisheri-gen Bearbeitungsstrategien erfor-derten daher einen zweistufigenProzess mittels einer vorgeschalte-ten Drehoperation.

Einer reinen Schleifbearbeitungstand bisher der schnelle Verlust derfreischneidenden Eigenschafteneines Werkzeugs und damit häufi-ger Nachschärfintervalle, oder derVerschleiß des Werkzeuges miteinem Geometrieverlust der Schleif-scheibe entgegen. Infolgedessenwurde zusätzlich das Schwingungs-verhalten der Maschine ungünstigbeeinflusst, so dass enge Toleranzenbezüglich der Maßhaltigkeit derWerkstücke nicht realisierbarwaren.

Im vorgestellten Anwendungsbei-spiel (1) lässt sich mit Hilfe moder-ner Flachhontechnologie diese Be-arbeitung prozesssicher auf eineneinstufigen Prozess reduzieren.

Mit Einsatz der HPB-Schleifwerk-zeugtechnologie auf der neukon-struierten DLM 705 kann dieses sig-nifikant verbessert werden. Kürzereund konstantere Laufzeiten bei bes-serer Qualität, deutlich längere Kon-ditionierintervalle sowie eine ver-minderte Gratbildung garantiereneine produktive und prozesssichereFertigung.

Ein weiteres Anwendungsbeispiel(2) zur Bearbeitung von 100 Cr 6-Bauteilen für einen optimierten Prozess von Maschine, Bearbei-tungswerkzeug sowie Konditionier-scheibe bestätigt die optimale Aus-legung des Gesamtkonzeptes vonMaschinenhersteller und Werkzeug-lieferant.

Ausblick

Auch im Bereich des Flachhonensdürfte sich der allgemeine Trendzugunsten keramisch gebundenerHochleistungswerkzeuge, nicht zu-letzt durch die inzwischen deutlichgeeigneteren Maschinenkonzepte,

8 Abricht- und Schärfring im Einsatz

Anwendungsbeispiel 1:Kombination Stähli DLM 705, Meister HPB Vit-CBN und vDD Technologie

Anwendungsbeispiel 2:Kombination Stähli DLM 705, Meister Vit-CBN und vDD Technologie

Anwendung: Flachhonen auf Stähli DLM 705 unter Öl

Material: Sinterstahl D

Aufmaß: 0,3 mm oder 300 µm

Anz. Teile / Ladung: 6 Läuferscheiben zu 10 Teilen = 60 Teile

Belegung: 19 %

Honwerkzeug: Swiss Master HPB Vit-CBNCB56-170-P-11-215-X75-V51-31

Abrichtwerkzeug und Swiss Master vDDSchärfwerkzeug: D11-120-P-8-280-X150-V86-39-2

Resultate Swiss Master HPB Vit-CBN Standard

- Bearb.-Zeit / Ladung 2 min 3 - 7 min

- Bearb.-Zeit / Wkst 2 s 3 - 7 s

- Maßhaltigkeit ± 1 µm ± 2 µm

- Rz 2 - 3 µm 2 - 3 µm

- Ebenheit 0,5 µm 1 - 1,5 µm

Abrichtintervall nach Montage 30 s 1 Mal pro Tag 60 s

Schärfintervall 1 Mal pro Tag 20 s 2 - 3 Mal pro Schicht 60 s(bei > 7 min Bearb.-Zeit)

Anwendung: Flachhonen auf Stähli DLM 705 unter Öl

Material: 100 Cr 6

Aufmaß: 0,2 mm oder 200 µm

Anz. Teile / Ladung: 6 Läuferscheiben zu 390 Teilen = 2340 Teile

Honwerkzeug: Swiss Master Vit-CBNCB56-1450-P-9-260-50-V51-32

Abrichtwerkzeug und Swiss Master vDDSchärfwerkzeug: D11-120-P-8-280-X150-V86-39-2

Resultate Swiss Master Vit CBN Standard

- Bearb.-Zeit / Ladung 2,5 min 2,5 - 7 min

- Bearb.-Zeit / Wkst 0,065 s 0,065 - 0.18 s

- Maßhaltigkeit ± 1.5 µm ± 3 µm

- Rz 0,6 - 0,8 µm 0,8 - 2,5 µm

Abrichtintervall nach Montage 30 s nach Montage 60 s

Schärfintervall nach ca. 150.000 Teilen nach ca. 100.000 Teilen

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weiter fortsetzen. Dabei wirdzukünftig auch die Kombination dervDD-Technologie mit der Konditio-nierung keramisch gebundener Dia-mantwerkzeuge zum Flachhonenvon z.B. technischer KeramikGegenstand detaillierter Versuchesein.

Die vorgestellten Anwendungs-beispiele zeigen dabei deutlich, dassnur durch eine enge Kooperationdes Maschinenherstellers mit demWerkzeuglieferanten das Gesamt-system zur Bearbeitung gezielt opti-miert werden kann. Sowohl innova-tive Maschinenkonzepte, als auchneue Ansätze im Bereich der Werk-zeugentwicklung ermöglichen da-bei in enger Abstimmung einen sig-nifikanten Produktivitätszuwachsfür den Anwender.

Dr.-Ing. Peter Beyer ist Leiter Tech-nik, F+E, Produktion und in dieserFunktion Mitglied der Geschäfts-leitung bei der Meister AbrasivesAG in Andelfingen, Schweiz.Marc van Ravenzwaaij ist Anwen-dungstechniker TS bei der Fa.A.W. Stähli AG in Pieterlen,Schweiz.

Literatur

[1] Stähli, A.W. "Läppen und Flachhonen mitZweischeiben-Maschinen", Firmenschrift A.W.Stähli AG (1998)[2] Yegenoglu, K. "Maschinentechnische Voraus-setzungen zum Hochleistungsschleifen", 7. Int.Braunschwg. FBK, Schriftenreihe des IWF, Vul-kan-Verlag Essen (1993)[3] Dennis, P., Preising, D., v. Mackensen, V., Lon-gerich, W. "Feinschleifen Substitution des Läp-pens", Schleiftechnisches Kolloqium Aachen1997, VDI Verlag 1997, 16-1[4] Benguerel, R. "Feinschleifen technischer Kera-mik mit Diamant-Cluster-Scheiben", IWF Kol-loqium 2000 [5] Beyer, P. "Die HPB-Technologie für Vit-CBN-Schleifwerkzeuge", IDR 4 (2004) 344

Bildnachweis: Bilder 1 bis 3 und 8A.W. Stähli AG, Pieterlen, Schweiz;Bilder 4 bis 7 Meister Abrasives AG,Andelfingen, Schweiz.