Analyse der Verschleißmechanismen beim PKD-Schleifen mit keramisch gebundenen Diamantschleifscheiben auf Basis eines Reibungsmodells
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Die Herstellung von Schneidplatten aus polykristallinem Diamant (PKD) ist aufgrund des hohen Verschleißes an Diamantschleifscheiben mit einem großen finanziellen Aufwand verbunden. Eine Optimierung dieses Schleifprozesses bietet ein erhebliches wissenschaftliches und wirtschaftliches Potenzial. Das übergeordnete Ziel dieses Forschungsvorhabens war, die thermo-mechanischen Lasten beim Schleifen von polykristallinem Diamant in Abhängigkeit von den physikalischen Eigenschaften eines wassergemischten Kühlschmierstoffs und den Schleifparametern vorherzusagen sowie die resultierenden Zerspanungs- und Schleifscheibenverschleißmechanismen zu erklären. Um die Komplexität des tribologischen Systems im Mehrkornkontakt zu bewältigen, wurden zunächst Analogieversuche im Einkornkontakt (Pinon-Disc-Tribometer) durchgeführt. In den Versuchen wurden bei kontinuierlich steigender Normalkraft Fn die PKD-Spezifikation, die Relativgeschwindigkeit vrel und die Konzentration des Kühlschmierstoffs xKSS variiert. Die Tangentialkraft Ft und die Reibtemperatur Tr wurden gemessen. Durch eine mathematische Modellierung des Einkornkontakts wurde die Grundlage für das Verständnis des Mehrkornkontakts geschaffen, welcher im Anschluss in kraft- und bahngebundenen Schleifversuchen untersucht wurde. Dabei wurden ebenfalls die thermischen und mechanischen Prozessbelastungen sowie der Makro- und Mikroverschleiß der keramisch gebundenen Diamantschleifscheiben gemessen. Durch eine Finite-Elemente-Simulation des Schleifprozesses wurden die lokalen Maximaltemperaturen in Abhängigkeit von dem Kühlschmierstoff bestimmt. Auf Basis der gewonnenen Erkenntnisse und unter Zuhilfenahme von Transmissionselektronenmikroskopaufnahmen wurden ein Erklärungsmodell für die Zerspanungsmechanismen und ein Erklärungsmodell für die Schleifscheibenverschleißmechanismen entwickelt. Beim Schleifen von polykristallinem Diamant mit einem wassergemischten Kühlschmierstoff wurden keine thermischen Zerspanungs- und Schleifscheibenverschleißmechanismen festgestellt. Die Zerspanung war somit auf mechanische Effekte beschränkt. Die am häufigsten identifizierten Zerspanungsmechanismen waren interkristalline Risse am Diamant/Kobalt-Interface. Der Schleifscheibenverschleißprozess wies eine klare Unterteilung in Initialverschleiß und kontinuierlichen Verschleiß auf. Diese beiden Bereiche waren durch unterschiedliche Schleifscheibenverschleißmechanismen gekennzeichnet. Der Initialverschleiß war durch Kornbrüche und Abnahme der Bindung dominiert, während Abrasion und Zusetzungen den kontinuierlichen Verschleiß bestimmten.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Analyse der tribologischen Verhältnisse beim Schleifen von polykristallinem Diamant mit einem wassergemischten Kühlschmierstoff. Vortrag auf der Veranstaltung GrindingHub, Stuttgart, 14.05.2024 (Veranstalter: Verein Deutscher Werkzeugmaschinenfabriken e.V. in Kooperation mit Messe Stuttgart und SwissMem)
Breuer, P.
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Tribologische Untersuchungen zur Schleifbearbeitung von polykristallinem Diamant mit wassergemischten Kühlschmierstoffen. Vortrag auf der Veranstaltung Schleiftagung, Fellbach, 31.01.2024 (Veranstalter: refocus consulting GmbH)
Breuer, P.
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Explanatory Model of the Material Removal Mechanisms and Grinding Wheel Wear During Grinding of PCD with Water-Based Cooling Lubricants. Processes, 13(6), 1671.
Breuer, Peter; Reuter, Eike; Prinz, Sebastian & Bergs, Thomas
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Thermal analysis of the polycrystalline diamond grinding process with a water-based cooling lubricant by numerical simulation. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 136(5-6), 2325-2337.
Breuer, Peter; Gilles, Mick; Knothe, Jan; Prinz, Sebastian & Bergs, Thomas
