Material removal mechanisms in grinding of fiber-reinforced non-oxide ceramics
Final Report Abstract
Faserverstärkte Nichtoxidkeramiken sind in den letzten Jahren in den Fokus der Materialentwicklung gerückt. Aufgrund ihres hohen thermischen Widerstands ermöglichen sie höhere Turbineneintrittstemperaturen. Aufgrund ihrer zusätzlich hohen Toleranz gegenüber Schlag- und Stoßbelastungen sowie ihres geringen spezifischen Gewichts eignen sie sich als Konstruktionswerkstoffe für zukünftige Triebwerkskomponenten. Diese Bauteile werden als sicherheitskritische Funktionsbauteile eingestuft, wobei strenge Toleranzen eingehalten werden müssen. Obwohl in vielen Fällen eine schleiftechnische Endbearbeitung von Bauteilen aus diesem Werkstoff notwendig ist, sind die Zerspanungsmechanismen und die resultierenden Oberflächeneigenschaften unbekannt. Das übergeordnete Ziel des Forschungsvorhabens war es, ein Erklärungsmodell für die Zerspanungsmechanismen bei der Schleifbearbeitung von faserverstärkten Nichtoxidkeramiken in Abhängigkeit von der Faserorientierung bezogen auf die Schleifrichtung, von dem Fasertyp und von den Schleifprozessparametern zu entwickeln. Zur Zielerreichung wurden vier Arbeitspakete definiert. Im ersten Arbeitspaket wurde eine Werkstoffcharakterisierung mit dem Ziel, ein Verständnis zum Zerspanungsverhalten des Werkstoffs auf Basis der werkstoffphysikalischen Eigenschaften aufzubauen, durchgeführt. Dabei wurden die Härte, der E-Modul und die kritische Risszähigkeit der Komponenten des Verbundwerkstoffes (SiCF, CF, SiCM, SiCMono) analysiert und gegenübergestellt. Des Weiteren wurde mittels XCT-Untersuchungen der Faser-Matrix-Verbund charakterisiert. In Arbeitspaket 2 wurden Einkornritzversuche durchgeführt. Dabei wurden die Diamantkorngeometrie, die Ritzgeschwindigkeit, der Fasertyp sowie die Faserorientierung in Bezug auf die Ritzrichtung variiert. Während der Untersuchungen wurden die resultierende Normal- und Tangentialkräfte aufgezeichnet. Die erzeugten Ritzspuren wurden quantitativ mithilfe von Laser-Scanning-Mikroskop-Aufnahmen und qualitativ anhand von REM-Aufnahmen untersucht. Die identifizierten Oberflächenphänomene wurden in Abhängigkeit von dem Faserwerkstoff und der Faserorientierung dargestellt und in AP4 in einem Beschreibungsmodell zusammengefasst. Basierend auf diesen Oberflächenphänomenen wurden die zugrundeliegenden Zerspanungsmechanismen abgeleitet. Sowohl für Faser als auch Matrix konnte tendenziell ein duktiles Zerspanungsverhalten für SiC/SiC nachgewiesen werden, wenn eine spezifische Spanungsdicke und somit eine thermo-mechanische Belastung nicht überschritten wurde. Bei einer Überschreitung dieses Übergangsbereichs zeigten Fasern und Matrix sprödhartes Zerspanungsverhalten. Die Übertragung der Ergebnisse der Einkornritzversuche auf einen Schleifprozess wurde im dritten Arbeitspaket anhand von Flachschleifversuchen durchgeführt. Dabei wurden die Prozessstrategie, die Schleifscheibenspezifikationen, das bezogene Zeitspanungsvolumen, die Schleifscheibenumfangsgeschwindigkeit sowie der Schleifmodus variiert. Als Bewertungsgrößen wurden die maximale Höhe der Oberfläche, die mittlere arithmetische Höhe der Oberfläche, die mittlere quadratische Höhe der Oberfläche und die Kernhöhe der Oberfläche herangezogen. Zusätzlich wurden REM- und BF-STEM-Aufnahmen der geschliffenen Oberflächen für qualitative Analysen erstellt. Während der Schleifversuche wurden die Schleifnormal- und Schleiftangentialkräfte bei allen Versuchspunkten aufgezeichnet, wohingegen die Prozesstemperatur stichprobenartig gemessen wurde. Die Schleifversuche zeigten, dass die auf Basis der Einkornritzversuche entwickelten Modelle zur Erklärung der Oberflächenphänomene und Zerspanungsmechanismen qualitativ auf einen Flachschleifprozess übertragen werden können. Abschließend wurden auf Basis des im vierten Arbeitspaket generierten Modells über die Ursache-Wirkungs-Beziehungen hinsichtlich des Zerspanungsverhaltens der faserverstärkten Nichtoxidkeramiken beim Einkornritzen und während des Schleifens Hinweise für eine wissensbasierte Prozessauslegung zur Schleifbearbeitung von faserverstärkten Nichtoxidkeramiken abgeleitet. Als Ergebnis des Forschungsprojekts liegt ein heuristisches Modell vor, mit Hilfe dessen das Zerspanverhalten von faserverstärkten Nichtoxidkeramiken beschrieben und erklärt wird und somit die bei der Schleifbearbeitung auftretenden Zerspanungsmechanismen vorhergesagt werden können. Das erweiterte Prozessverständnis trägt zur effizienteren Auslegung von Schleifprozessen von faserverstärkten Nichtoxidkeramiken bei.
Publications
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Analyse des Zerspanungsverhaltens beim Schleifen von faserverstärkten Nichtoxidkeramiken (SiC/SiC und C/SiC). In: Diamond Business, 2022, Nr. 1, S. 42–48
Prinz, S.; Dehmer, A.; Barth, S. & Bergs, T.
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Hochleistungswerkstoffe aus der Luft- und Raumfahrt – Schleifverhalten von faserverstärkten Nichtoxidkeramiken. Vortrag und Poster auf der Fellbacher Schleiftagung, 27. Januar 2022
Prinz, S. & Bergs, T.
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Zerspanungsmechanismen bei der Schleifbearbeitung von faserverstärkten Nichtoxidkeramiken. Vortrag auf der GrindTec, 16. März 2022
Prinz, S. & Bergs, T.
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Simulation of material removal behavior during grinding of fiber reinforced non-oxide ceramics (SiC/SiC). Procedia CIRP, 118, 614-619.
Prinz, Sebastian; Dehmer, Alexander; Schrenker, Christopher; Barth, Sebastian & Bergs, Thomas
