Analysis of material removal mechanisms in grinding of super hard cutting materials regarding polycrystalline cubic boron nitride (PCBN)
Final Report Abstract
Das Ziel dieses Forschungsvorhabens war es, ein Erklärungsmodell für den Abtrag bzw. die Spanbildung bei der Schleifbearbeitung von PKD zu entwickeln. Um dieses Ziel zu erreichen, mussten zunächst die thermischen und mechanischen Lasten in der Kontaktzone beim PKD- Schleifen ermittelt werden. Mit Hilfe eines Analogieprüfstandes wurden die Kräfte in der Kontaktzone und die Temperaturen im Schleifbelag einer keramisch gebundenen Diamantschleifscheibe beim Schleifen unterschiedlicher PKD-Spezifikationen in Abhängigkeit von den Eingangsgrößen Zustellung, Schleifscheibenumfangsgeschwindigkeit und Vorschubgeschwindigkeit untersucht. Zudem wurde der makroskopische Schleifscheibenverschleiß in Abhängigkeit von der PKD-Spezifikation und in Abhängigkeit von den Eingangsgrößen analysiert. Als Haupteinflussgröße auf den Schleifscheibenverschleiß beim PKD-Schleifen wurde die Schleifscheibenumfangsgeschwindigkeit identifiziert. Steigende Schleifscheibenumfangsgeschwindigkeiten gingen mit einem zunehmenden Schleifscheibenverschleiß einher. Im nachfolgenden Schritt wurde die Beeinflussung der PKD-Randzone durch die thermischen und mechanischen Lasten im Schleifprozess für unterschiedliche PKD-Spezifikationen mittels REM- und TEM-Aufnahmen analysiert. Es zeigte sich, dass die Randzonenbeeinflussung stark vom Auftreten oberflächennaher Kobalteinschlüsse abhing. Lagen Kobalteinschlüsse an der Oberfläche vor, wurden vermehrt transkristalline und interkristalline Risse in den angrenzenden Diamantkörnern beobachtet. Lagen keine Kobalteinschlüsse vor, waren die Diamanten im PKD-Verbund nicht durch eine Rissbildung geschädigt. Um zu überprüfen, ob der Materialabtrag in diesen Bereichen durch eine thermisch bedingte Umwandlung von Diamant in Graphit erfolgte, wurden mittels DSC-Analysen die Umwandlungstemperaturen für die unterschiedlichen PKD-Spezifikationen und für monokristallinen Diamant bestimmt. Ferner wurden die im Schleifprozess gemessenen makroskopischen thermischen Lasten durch eine Finite-Elemente-Simulation auf die Mesoebene übertragen und so die maximalen Oberflächentemperaturen des PKD-Werkstücks beim Schleifen ermittelt. Auf Basis von mittels Laserscanningmikroskopie gemessenen Schleifscheibentopographien wurden darüber hinaus die maximalen Flächenpressungen in den einzelnen Kornkontaktflächen abgeschätzt. Sämtliche Erkenntnisse wurden in einem Erklärungsmodell für die Zerspanungsmechanismen beim PKD- Schleifen zusammengefasst. Im untersuchten Parameterbereich konnten thermophysikalische Umwandlungsreaktionen im PKD ausgeschlossen werden. Die Zerspanungsmechanismen beim PKD-Schleifen sind damit auf eine mechanische Beanspruchung zurückzuführen. Eine duktile Verformung des PKD-Gefüges wurde nicht beobachtet. Als Ursache für den Materialverlust beim PKD-Schleifen wurde daher ein Kollektiv aus einem Abrasionsverschleiß und einer lokalen Zerrüttung der PKD-Randzone identifiziert. Die Zerrüttung trat in Bereichen auf, in denen Kobalteinschlüsse vorlagen und wurde anhand des stark unterschiedlichen Materialverhaltens von Kobalt und Diamant in Folge einer thermischen und mechanischen Belastung erklärt. Auf Basis der dargestellten Ergebnisse kann festgehalten werden, dass die im Antrag ausgegebene Gesamtzielstellung erreicht wurde.
Publications
- Analysis of the tribological conditions in grinding of polycrystalline diamond based on single-grain friction tests using the pin-disk principle, International Conference on Tribology in Manufacturing Processes & Joining by Plastic Deformation 2018, 24. - 26. Juni 2018
Vits, F.
- Schleifscheibenverschleiß bei der PKD-Bearbeitung. In: wt Werkstattstechnik online, Ausgabe 6/2018
Vits, F.; Trauth, D.; Mattfeld, P.; Klocke, F.
(See online at https://doi.org/10.37544/1436-4980-2018-06-74)
