Cutting Behavior and Process Monitoring During Grinding of Ceramics Using CVD-Tools
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Im gesamten Forschungszeitraum wurde das Zerspanverhalten von Piezokeramik, Zirkonoxid und Aluminiumoxid mit Diamant-Mikroschleifstiften und Diamant Mikroschleifscheiben untersucht. Insbesondere lag ein Schwerpunkt auf dem Einsatzverhalten und den technologischen Zusammenhängen von CVD-Diamantbeschichteten Schleifwerkzeugen. Ergänzend dazu wurde ein Messsystem in die Bearbeitungsmaschine integriert, um während des Zerspanungsprozesses insbesondere die auftretenden Kräfte aufzuzeichnen und anschließend auszuwerten. Weiterhin wurde der Einfluss der Prozesskenngrößen sowie der Einfluss der Schleifwerkzeugspezifikationen auf das Bearbeitungsergebnis untersucht. Neben dem eigentlichen Zerspanprozess wurden die auftretenden Kräfte bei Schleifstiften dahingehend untersucht, ob mit ihnen nicht der Schleifprozess überwacht und ein Schleifstiftbruch vermieden werden kann. Es konnte aufgezeigt werden, dass mit Hilfe der Messsignale ein potenzieller Bereich identifiziert werden kann, bei dem die auftretenden Prozesskräfte, je nach Werkzeug und Werkstück, zu einem Werkzeugbruch führen können. Ein weiterer Arbeitspunkt war die Untersuchung des Einsatzverhaltens galvanisch gebundener 1A1-Diamant Schleifscheiben und der Vergleich mit konventionellen Diamant-Mikroschleifscheiben (Dicing Blades) mit konvexem V-Profil mit verschiedenen Profilwinkeln. Bei der Bearbeitung von Piezokeramik unterlagen die Mikroschleifscheiben nur einem sehr geringen Verschleiß. Bei der Bearbeitung der übrigen Keramiken zeigten die Schleifscheiben hingegen, unabhängig von den Prozessparametern, Kornausbrüche und Bindungsverschleiß. Das Schleifscheibenprofil veränderte sich dabei so stark, dass die Profile der hergestellten Nuten zum Prozessende deutlich von den Nutprofilen zu Prozessbeginn abwichen. Im Rahmen dieser Vergleichsversuche wurden auch CVD-Diamantbeschichtete Schleifscheiben mit einem Rechteckprofil hergestellt und untersucht. Diese Werkzeuge wiesen entgegen der konventionellen Schleifwerkzeuge nach der Bearbeitung keinen messbaren Verschleiß auf und eigneten sich sehr gut für die Zerspanung aller hier untersuchten Werkstoffe. Aufgrund des extrem geringen Verschleißes wiesen die geschliffenen Strukturen konstante Form- und Maßgenauigkeiten auf. Im dritten und vierten Forschungsjahr wurden konvex profilierte CVD-Diamantbeschichtete Schleifscheiben hergestellt und erprobt. Die Werkzeuge wurden zur Identifikation optimaler Werkstückqualitäten zunächst in einfachen Nutstrukturen getestet. Anschließend wurden diese für die Herstellung von Säulen- und Pyramidenarrays eingesetzt. Diese wurden mittels optischer Analysemethoden ausgewertet und der Einfluss der eingestellten Parameterkombinationen auf das Zerspanungsverhalten der bearbeiteten Werkstoffe untersucht. Zusätzlich zu dem Zerspanungsprozess wurden auch bei Einsatz der profilierten CVD-Diamantschleifscheiben die auftretenden Prozesskräfte aufgezeichnet und analysiert. Während bei den Schleifscheiben mit einem 1A1-Profil die Kräfte im Bereich von ca. 1 N lagen, waren bei den 1E1 Profilen die Kräfte mit Werten zwischen durchschnittlich 0,1 N – 0,5 N deutlich kleiner. Dies lässt sich vor allem auf die geringere Zustelltiefe der profilierten Werkzeuge zurückführen. Die Analyse der Messsignale aus der Bearbeitung von Piezokeramik zeigte die geringsten gemessenen Normal- und Tangentialkräfte aller Parameter- und Werkstoffkombinationen. Die qualitativen Untersuchungen der Form- und Maßhaltigkeit konnten belegen, dass die CVD-beschichteten Diamantschleifscheiben gegenüber den konventionellen Schleifscheiben deutliche Vorteile hinsichtlich der gefertigten Säulen- und Pyramidenstrukturen aufweisen. Für sie war die Profiltreue sowie die Maßhaltigkeit innerhalb der geschliffenen Arrays bei Zirkonoxid und Aluminiumoxid deutlich höher. Der Werkzeugverschleiß innerhalb eines Arrays war bei den bindungslosen CVD-beschichteten Diamantschleifscheiben praktisch nicht messbar. Das extrem geringe Verschleißverhalten begründet die konstanten Form- und Maßgenauigkeiten der erzeugten Strukturen. Bei Zirkonoxid und Piezokeramik konnte im Rahmen der Standzeituntersuchungen festgestellt werden, dass sich die Spanräume zusetzen. Die Zusetzungen der Spanräume sowie die Abflachung der Diamantkristallite der CVD-beschichteten Diamantschleifscheiben verursachte in den Prozesskräften einen vergleichsweise geringen kaum messbaren Kraftanstieg.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Investigation of the Cutting Behavior of Piezoelectric Ceramics during Grinding with Diamond Pins. In: euspen 10th international Conference, Delft, Netherlands, Euspen, 2010, Page 303-306, ISBN 978-0-9553082-8-4
Hoffmeister, H.-W.; Hahmann, W.-C.; Rüggeberg, M.
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Micromachining of Parts for Microsystems, In: Büttgenbach, Stephanus; Burisch, Arne; Hesselbach, Jürgen, Design and Manufacturing of Active Microsystems, Springer, Berlin Heidelberg New York, 2010, Seite 245-266, ISBN 978-3-6421-2902-5
Hahmann, Dennis; Rüggeberg, Marc; Wittmer, Ronald; Reichstein, Martin; Hlavac, Marcus; Denkena, Berend; Hoffmeister, Hans-Werner
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Process Monitoring During Microgrinding of Ceramics. In: Proceedings of the Eigth International Conference on High Speed Machining, Metz, France, 2010, Page 184-189, ISBN 978-2-9534170-2-9
Hoffmeister, H.-W.; Rüggeberg, M.
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Investigation of the Cutting Behavior of Piezoelectric Ceramics during Grinding with Diamond Pins. In: euspen 11th international Conference, Como, Italy, Euspen, 2011, Page 117-120, ISBN 978-0-9553082-9-1
Hoffmeister, H.-W.; Rüggeberg, M.
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CVD Diamond Grinding Tools Lead to Increasing Cutting Performance during Microgrinding of Ceramics. In: euspen 12th international Conference, Stockholm, Sweden, Euspen, 2012, Seite 489-492, ISBN 978-0-9566790-0-0
Hoffmeister, H.-W.; Rüggeberg, M.
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Prozessüberwachung bei der Mikrostrukturierung technischer Keramiken durch CVD-Diamant Schleifstifte. In: Hoffmeister, H.-W.; Berend, Denkena, Jahrbuch Schleifen, Honen, Läppen und Polieren, Vulkan-Verlag, Essen, 2013, 66. Ausgabe, Seite 293-299
Hoffmeister, H.-W.; Rüggeberg, M.
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Prozessüberwachung in der Zerspanungstechnik. In: Sensitive Fertigungstechnik, Magdeburg, 2013, Seite 001-013
Hoffmeister, H.-W.; Luig, M.; Fricke, A.; Rüggeberg, M.
