Analyse der Verschleißmechanismen von cBN beim Schleifen von gehärteten Stahlwerkstoffen mit esterbasierten Kühlschmierstoffen
Final Report Abstract
Der Kühlschmierstoffeinsatz beim Schleifen verursacht unter anderem aufgrund von Pflege und Entsorgung, gesetzlichen Auflagen und fehlenden Recyclingmöglichkeiten einen hohen Anteil der Fertigungskosten. Daher wird den biologisch schnell abbaubaren Kühlschmierstoffen auf Esterbasis, die neben einer kostengünstigeren Entsorgung zumeist auch eine höhere Leistungsfähigkeit im Zerspanprozess aufweisen, ein großes Potential zur Kostensenkung zugeschrieben. Ein optimierter Kühlschmierstoffeinsatz zur Verschleißreduzierung ist insbesondere für kostenintensive Schleifscheiben aus dem hochharten Schleifkornmaterial cBN erforderlich. Der technologisch und wirtschaftlich sinnvolle Einsatz von biologisch schnell abbaubaren Kühlschmierstoffen und die optimierte Auslegung dieser Kühlschmierstoffe hinsichtlich Basisflüssigkeit und Additivierung bedingt die Kenntnis der im tribologischen System vorliegenden tribochemischen Reaktionen und der Mikroverschleißmechanismen am cBN-Schleifkorn. Die Bestimmung dieser Zusammenhänge ist Ziel dieses Forschungsvorhabens. Um das Projektziel zu erreichen, wurde eine Versuchssystematik gewählt, die von Analogieprozessen zum Realprozess führt. Die Analogieprozesse finden dabei auf zwei Abstraktionsstufen statt. Dazu werden zunächst Reibuntersuchungen (Kategorie VI) und anschließend Einkornritzuntersuchungen mit cBN-Körnern einer ausgewählten cBN-Kornsorte (Kategorie V) und verschiedenen Kühlschmierstoffzusammensetzungen durchgeführt. Hierbei erfolgt sowohl ein Vergleich der esterbasierten Kühlschmierstoffe zu anderen Basisflüssigkeiten als auch eine Variation der Additivierungskomponenten. Die cBN-Körner werden durch Mikroanalyseverfahren hinsichtlich der bei den einzelnen Kühlschmierstoffen auftretenden Verschleißmechanismen untersucht. Aufbauend auf diesen Ergebnissen erfolgen im Sinne der systematischen Versuchsdurchführung Untersuchungen an Analogiebauteilen unter dem tribologischen Belastungskollektiv eines Schleifprozesses (Kategorie IV). Eine modifizierte Schleifscheibenkonstruktion ermöglicht die anschließende Mikroanalyse von Schleifscheibensegmenten. Weiterhin wird der Einfluss auf das Prozessverhalten und das Arbeitsergebnis bei Einsatz der biologisch schnell abbaubaren Kühlschmierstoffe betrachtet. Mit den in dieser Arbeit durchgeführten Untersuchungen konnten wichtige Erkenntnisse zur Auslegung von Kühlschmierstoffen für das Schleifen mit cBN gewonnen werden. Durch tribologische Untersuchungen konnte der Einfluss der Basisflüssigkeiten und ihrer Additive auf die Reibungseigenschaften in der Kontaktzone zwischen Schleifkornmaterial und Werkstückmaterial analysiert werden. Die Ritzuntersuchungen ergaben wichtige Erkenntnisse bezüglich der sich bildenden Adhäsionsschichten auf den Kornoberflächen. Mit Hilfe von ESMA-Untersuchungen konnte die Zusammensetzung dieser Schichten analysiert werden und die Oxidationsvorgänge, die zur Bildung der Schichten führen, erklärt werden. In Außenrundschleifuntersuchungen wurde eine deutliche Reibungsminderung beim Einsatz höherviskoser Kühlschmierstoffe aufgezeigt. Weitere Ergebnisse zur Kühlschmierstoffadditivierung zeigen, dass mit zunehmender Steigerung des bezogenen Zeitspanungsvolumens der inaktive Schwefel zu einer zunehmenden Verbesserung des Schleifergebnisses führt. Im Allgemeinen hat sich gezeigt, dass der Einsatz von esterbasierten Kühlschmierstoffen vergleichbare, und in bestimmten Parameterbereichen sogar bessere Ergebnisse liefert als die bisher industriell genutzten Schleiföle. Im Hinblick auf den Zusammenhang ökologischer und wirtschaftlicher Aspekte kann somit der Einsatz von ökologisch schnell abbaubaren Kühlschmierstoffen gerechtfertigt werden. Neben dem Einfluss des Kühlschmierstoffes ist jedoch zu bemerken, dass in Bezug auf den Schleifscheibenverschleiß und das Prozessverhalten der Schleifscheibe, die Korneigenschaften eine hohe Dominanz besitzen. So sind die Kornform, die Kornzähigkeit und die Makroverschleißerscheinungen am cBN-Korn sowie die Schleifparameter entscheidend für das Arbeitsergebnis. Im Hinblick auf das Verschleißverhalten unterschiedlicher cBN-Kornsorten besteht großes Forschungspotential.
