Thermische Grenze bei der mechanischen Randschichtverfestigung infolge des Größeneinflusses beim Schleifen
Final Report Abstract
Die dargestellten Untersuchungsergebnisse belegen, dass spanender Materialabtrag beim Schleifen mit einer Randschichtverfestigung bei geeigneter Nutzung des Größeneffekts der spezifischen Energie kombiniert werden kann. Das neuartige Schleifkonzept bietet das Potenzial Prozessketten zu verkürzen und neue Anwendungsgebiete für die Schleiftechnik zu erschließen. Die Ergebnisse zum Seitenschleifen zeigen ein Prozessfenster auf, mit dem sich unter Einhaltung von bestimmten Anforderungen der Größeneffekt beim Schleifen gezielt nutzen lässt. Zu den Anforderungen zählen eine niedrige Schnittgeschwindigkeit, ein geringer radialer Vorschub, Schleifen im Gleichlauf sowie ein Schleifwerkzeug mit großen Schleifkörnern und einem elastischen Bindungssystem. Zur Bewertung der neuen Schleifstrategie erweist sich bei dieser Variation, als geeignete Methode ein Schleifverfahren als einen mechanischen Verschleißprozess zu betrachten. Dadurch wird ein direkter Rückschluss auf den Spanbildungsmechanismus und somit auf die Randzonenbeeinflussung möglich. Auch beim Außenrundschleifen konnte nachgewiesen werden, dass spanender Materialabtrag beim Schleifen von weichen Stählen mit einer Randschichtverfestigung bei geeigneter Prozessführung kombiniert werden kann. Untersucht wurde ein mehrstufiger Prozess zum Außenrund-Einstechschleifen, der aus den Prozessschritten Schruppen, Schlichten, Feinschlichten und Ausfunken kombiniert wurde. Die Rahmen- und Anfangsbedingungen zur Prozessauslegung, wie z. B. die Prozessdauer, das radiale Aufmaß oder die Stellgrößen, erfolgten in Anlehnung an die in der industriellen Fertigung üblichen Randbedingungen. Mit einer konstanten Schrupp- und Schlichtbearbeitung sollte bei einer Finishoperation die Bauteilrandzone gezielt mechanisch beeinflusst und verfestigt werden. Die Beeinflussung der Randzone führte dabei nicht nur zu einer Erhöhung des Druckeigenspannungszustandes, sondern auch zur Steigerung des Verschleißschutzes des Werkstücks. Im Vergleich zu der praxisnahen Prozessführung wurde mit einer Verringerung der Schnittgeschwindigkeit eine deutliche Erhöhung der Druckeigenspannung erzielt. Dieser Druckeigenspannungszustand konnte weiter gesteigert werden, indem die Werkstückumfangsgeschwindigkeit erhöht wurde. Über die Variation von radialer Vorschubgeschwindigkeit und der Schnittgeschwindigkeit sollte der Anteil der Verformungsenergie an der Gesamtenergie erhöht werden. Die Verringerung der Schnittgeschwindigkeit wurde durch eine Erhöhung der Werkstückdrehzahl beim Schleifen im Gleichlauf erreicht. Die Steigerung auf die maximale Drehzahl erfolgte prozessintegriert bei Beginn des Feinschlichtens. Hieraus resultiert eine Reduzierung der Schnittgeschwindigkeit um bis zu 6 m/s. Die Schleifuntersuchungen wurden mit zwei Werkzeugspezifikationen (A120 H8 V und A60 J7 V) durchgeführt. Die neue Prozessstrategie arbeitet maschinenseitig im Bereich der maximalen Werkstückdrehzahlen und im Bereich der minimalen Werkzeugdrehzahlen. Die Forderung nach niedrigen Schnittgeschwindigkeiten kann mit heutigen Maschinen bis zu einem Bereich von 20 m/s erfüllt werden, allerdings reicht das zur Verfügung stehende werkzeugseitige Antriebsdrehmoment nur bedingt. Die durch die Werkstückaufnahme bedingte Nachgiebigkeit des Systems kann bei der Beschleunigung der Werkstückspindel zu störenden Schwingungen führen, die sich negativ auf das Arbeitsergebnis auswirken. Um das aufgezeigte Potenzial der entwickelten Vorgehensweise zur mechanisch induzierten Randschichthärtung aufzuzeigen, sind Änderungen an den Spindeln der Werkzeugmaschine notwendig. Die Kennlinie der Werkzeugspindel sollte dahingehend verändert werden, so dass ein ausreichendes Drehmoment auch bei niedrigen Schleifscheibenumfangsgeschwindigkeiten vorliegt. Weiteres Potenzial für die Nutzung des Größeneffekts der spezifischen Energie liegt in der Verwendung von elastisch gebundenen Schleifwerkzeugen. Die Untersuchungen zeigen eindrucksvoll auf, dass zusätzlich zu einer Verfestigung der Randschicht auch deutliche Verbesserungen bei der Oberflächengüte und dem Materialtraganteil im Vergleich zum industriellen Standard umgesetzt werden können. Mit einer abgestimmten Prozess- und Werkzeugentwicklung liegen die Herausforderungen und Ziele zukünftiger Forschungsarbeiten auf der Weiterentwicklung der bereitstehenden Technologie zur Nutzung des Größeneffekts auf eine große Bandbreite an Werkstoffen und konventionelle Schleifkinematiken auszuweiten. Somit kann ein neuartiges Kombinationsverfahren zur Prozesskettenverkürzung bereitgestellt werden, welches das hohe Potenzial einer Finishoperation bei gleichzeitiger Randschichtverfestigung bietet. Mit diesem Verfahren können in der Weichbearbeitung neue Eigenschaftsverbesserungen von metallischen Bauteilen erzielt werden, wie z. B. bei der Bearbeitung von Führungsschienen, wodurch prozesssichere, leistungsfähigere Schleifprozesse ausgelegt werden können. Weiterführende Untersuchungen an der Stiftung Institut für Werkstofftechnik belegen, dass beim Schleifen von V-Profilen die aus dieser Arbeit vorhergesagten Eigenschaftsverbesserungen erzielt werden können. Mit einer Finishoperation der Spezifikation A400 wurden wesentlich größere Druckeigenspannungen in der Randzone induziert und gleichzeitig die Oberflächenqualität deutlich unter einen Wert von Rz < 1 μm verbessert. Für einige Anwendungen, wie z. B. gering belastete Führungsbahnen, könnte die Prozesskette erheblich verkürzt und die Gefahr der Nacharbeit durch thermischen Verzug eliminiert werden. In diesem Zusammenhang sollte auch die Frage der thermischen Belastung in weiteren Forschungsarbeiten aufgenommen werden. Durch die geschlossenen Schleifscheibenstrukturen und langen Prozesszeiten können thermische Prozesswirkungen auf die Werkstückrandzone nicht immer ausgeschlossen werden. Auch die Frage des Potenzials einer möglichen Übertragung auf andere Schleifanwendungen sollte in weiteren Forschungsarbeiten aufgenommen werden. Beim Flachschleifen wurden mit dem Schnellhubschleifen bereits Vorschubgeschwindigkeiten von 3 m/s erreicht. In Kombination mit einer prozessintegrierten Verringerung der Schleifscheibenumfangsgeschwindigkeit können weitere Fortschritte zur Erreichung einer technisch interessanten mechanisch induzierten Randschichthärtung durch einen Schleifprozess zur Folge haben. Diese Forschungsarbeit konnte aufbauend auf Grundlagenuntersuchungen zum Größeneffekt der spezifischen Schleifenergie, die umfangreiche Analysen zur Verstärkung und Grenzen des Effekts beinhalteten, sowie weiterführenden Untersuchungen zur Übertragung der Schleifstrategie auf konventionelle Kinematiken ein neuartiges Schleifkonzeptbeinhalten, ein schlüssiges Gesamtkonzept erarbeiten. Es wird vorgeschlagen dieses Verfahren als grind-strengthening zu bezeichnen.
