Spanende Hartbearbeitung
Ziel der Arbeit ist es, das Ultraschallschwingläppen im Hinblick auf reproduzierbare Prozesse und eine werkstoffgerechte Bearbeitung zu optimieren. Hierzu werden Untersuchungen zum ultraschallerosiven Profilsenken durchgeführt. Als Versuchswerkstoffe dienen sechs hochreine Al2O3-Keramiken. Zusätzlich werden drei dispersionsverstärkte Al2O3/ZrO2 und ZrO2 eingesetzt. Die Kraft-Vorschub-Wechselwirkung des Bearbeitungsvorganges, die Maßtoleranz am Werkstück, der Längenverschleiß am Formzeug, die Oberflächentopographie im Bearbeitungsgrund sowie die bearbeitungsinduzierte Bauteilfestigkeit charakterisieren den Bearbeitungsprozeß und das Arbeitsergebnis.
Um die Reproduzierbarkeit eines Prozesses quantitativ bewerten zu können, wurden Kraft- und Vorschubverläufte prozeßintegriert aufgezeichnet und mit Methoden der statistischen Prozeßkontrolle beurteilt. Lokale Kräfte und Geschwindigkeiten ermöglichen Aussagen über die Lage und die Reproduzierbarkeit eines Gesamtprozesses. Darüber hinaus können sie zur Identifikation des Vorschubsystems und damit zur Einstellung optimaler Arbeitspunkte eingesetzt werden.
Die bisher durchgeführten Untersuchungen zeigen, daß Bearbeitungen mit konstanter Vorschubbewegung Voraussetzung für eine reproduzierbare Prozeßführung sind. Die Vorschubgeschwindigkeit ist definitionsgemäß konstant und ihr Einfluß auf die Vorschubkraft eindeutig funktional bestimmt. Im Gegensatz dazu streuen die Vorschubgeschwindigkeiten bei der Bearbeitung mit konstanter Vorschubkraft sehr stark. Ursache für diese Streuung sind ständig veränderliche Beanspruchungsbedingungen im Arbeitsspalt. Insbesondere bei geringen Zustellungen streut die Vorschubgeschwindigkeit nicht um einen festen Mittelwert. Eine große Bandbreite gleichwertig auftretender Vorschubraten und große Streubreiten sind die Folge. Dies bedeutet, daß Bearbeitungen mit konstanter Vorschubkraft nur innerhalb statistischer Grenzen beherrschbar sind. Die Abhängigkeit der Vorschubgeschwindigkeit von der Vorschubkraft kann nicht mit deterministischen Modellen allein beschrieben werden. Zusätzlich müssen stochastische Methoden zur Prozeßgestaltung und Prozeßüberwachung eingesetzt werden.
Im Vergleich zur Bearbeitung mit konstanter Vorschubkraft treten bei der Bearbeitung mit konstanter Vorschubgeschwindigkeit wesentlich geringere Vorschubkräfte auf. Bezogen auf die wirksame Formzeugstirnfläche ergeben sich maximale Läppdrücke von 0,2 MPa, während bei der Bearbeitung mit konstanter Vorschubkraft maximale Vorschubgeschwindigkeiten bei einem Läppdruck von ca. 1 MPa realisiert werden. Dies unterstreicht, daß die Bearbeitung mit konstanter Vorschubgeschwindigkeit für die Bearbeitung feiner Konturen eingesetzt werden sollte.
Der Arbeitsbereich ist bei der Bearbeitung mit konstanter Vorschubgeschwindigkeit auf ein enges Parameterfeld begrenzt. Gleichzeitig fallen die Vorschubgeschwindigkeiten geringer aus als bei der Bearbeitung mit konstanter Vorschubkraft. Um Prozesse in diesem Arbeitsbereich sicher führen zu können, ist eine optimale Abstimmung der Beanspruchungsparameter Läppkorngröße und Schwingungsamplitude erforderlich. Dabei läßt sich eine Grenzgeschwindigkeit definieren, die der maximal mit konstanter Vorschubbewegung realisierbaren Vorschubgeschwindigkeit entspricht. Die Grenzgeschwindigkeit bietet einen guten Kompromiß zwischen Reproduzierbarkeit und Abtrennleistung und stellt das Optimierungsziel für eine reproduzierbare Prozeßführung mit konstanter Vorschubgeschwindigkeit dar.
Die Bearbeitung mit konstanter Vorschubgeschwindigkeit beeinflußt nicht nur die Reproduzierbarkeit des Prozesses sondern auch das Arbeitsergebnis positiv. Reproduzierbare Prozesse verbessern aufgrund einer geringeren Formzeugbeanspruchung und einer erhöhten Arbeitsspaltstabilität die Maßtoleranz.
Neben dem eingesetzten Vorschubkonzept bestimmt der Werkstückstoff die Leistungsfähigkeit eines Prozesses. Er beeinflußt maßgeblich die realisierbare Trenngeschwindigkeit. Ein günstiges Bearbeitungsverhalten haben spröde Al2O3 Keramiken (KIc-Wert ~ 3 MPam0,5). Mit zunehmender Rißzähigkeit sinkt die Abtrennleistung. Für die Bearbeitung mit konstanter Vorschubkraft bedeutet dies eine Verringerung der Vorschubgeschwindigkeit. Gleichzeitg nimmt der Formzeugverschleiß zu.
Zur grundlegenden Analyse der werkstoffseitigen Vorgänge beim Trennen durch Ultraschallschwingläppen eignen sich Indenterversuche mit Vickers-Diamantpyramiden. In beiden Fällen werden harte Körper in das Werkstück eingedrückt und bewirken dabei eine Reihe gemeinsamer Phänomene wie plastische Verformung, Mikrorißbildung und -wachstum. Diese qualitative Ähnlichkeit legt die Korrelation des Prozeßverhaltens bei der Ultraschallbearbeitung mit der Rißbildung bei Vickers-Eindringversuchen nahe.
So kann aus der bruchmechanischen Theorie des Vickers-Eindringversuchs ein lateraler Rißwiderstand abgeleitet werden. Mit diesem ist es möglich, bei vorgegebenen Werkstoffkennwerten - Elastizitätsmodul, Härte und Rißzähigkeit -, die Abtrennleistung der unterschiedlichen Oxidkeramiken vorherzusagen.
Die Oberflächenausbildung wird sowohl durch die Beanspruchungsparameter Läppkorngröße und Schwingungsamplitude als auch durch den bearbeiteten Werkstoff bestimmt. Der Läppdruck hat keinen Einfluß auf die Rauheitskennwerte. Beim Profilsenken von unterschiedlichen Oxidkeramiken werden gemittelte Rauhtiefen im Bereich von 6 bis 12 µm realisiert. Die Mittenrauhwerte nehmen Werte im Bereich von 1 bis 2 µm an. Dies entspricht den Qualitäten einer Schlichtbearbeitung und damit den allgemeinen Anforderungen des Maschinenbaus.
Wichtig für die Oberflächenausbildung ist vor allem der Werkstoffeinfluß, da der Trennvorgang durch die Wechselwirkung der Werkstoffmikrostruktur mit den Beanspruchungsgrößen entsteht. Beim Ultraschallschwingläppen von Oxidkeramiken lassen sich zwei prinzipielle Oberflächenveränderungen unterscheiden. Bei Al2O3-Keramiken überwiegt der spröde Ausbruch von Körnern oder die Kornfragmentierung. Mikroplastische Deformation charakterisiert die Oberflächenstruktur bei Dispersionskeramiken.
Die bearbeitungsinduzierte Festigkeit wird maßgeblich von der bearbeiteten Keramik bestimmt. Dabei zeigt sich bei keinem der untersuchten Werkstoffe gegenüber dem gesinterten Zustand eine Verschlechterung der Festigkeitswerte. Vielmehr erhöht eine Ultraschallbearbeitung den Weibull-Modul und verbessert so die Reproduzierbarkeit des Festigkeitsverhaltens. Mit zunehmender Rißzähigkeit ist ein Festigkeitsgewinn bei den ultraschallbearbeiteten Werkstoffen festzustellen. Dieser fällt mit fast 40% bei hochzähem ZrO2 besonders signifikant aus, während die spröden Al2O3 Keramiken keinen Festigkeitsgewinn erfahren.
Die weiteren Untersuchungen beschäftigen sich mit der Fertigung freier zwei- oder dreidimensionaler Raumformen durch die Verfahrensvariante Ultraschallfräsen. Das Bahnerodieren (zweidimensionales Ultraschallfräsen) erlaubt translatorische und orbitale Formzeugbewegungen, wobei mit oder ohne Formzeugrotation gearbeitet werden kann. Durch das mehrachsige Erodieren, das dreidimensionale Ultraschallfräsen, soll dann die Breite der Fertigungsmöglichkeiten des Ultraschallschwingläppens zu flexibler, komplexer Formerzeugung, z.B. halbkugelförmiger Konturen, erweitert werden. Ziel dieser Arbeiten ist es, anhand kinematischer Kenngrößen wie Vorschubgeschwindigkeit, Schwingungsamplitude, Zustellung und Formzeugdrehzahl eine Bearbeitungssystematik zur Herstellung derartiger Konturen zu erarbeiten
Ziel der Arbeit ist es, das Ultraschallschwingläppen im Hinblick auf reproduzierbare Prozesse und eine werkstoffgerechte Bearbeitung zu optimieren. Hierzu werden Untersuchungen zum ultraschallerosiven Profilsenken durchgeführt. Als Versuchswerkstoffe dienen sechs hochreine Al2O3-Keramiken. Zusätzlich werden drei dispersionsverstärkte Al2O3/ZrO2 und ZrO2 eingesetzt. Die Kraft-Vorschub-Wechselwirkung des Bearbeitungsvorganges, die Maßtoleranz am Werkstück, der Längenverschleiß am Formzeug, die Oberflächentopographie im Bearbeitungsgrund sowie die bearbeitungsinduzierte Bauteilfestigkeit charakterisieren den Bearbeitungsprozeß und das Arbeitsergebnis.
Um die Reproduzierbarkeit eines Prozesses quantitativ bewerten zu können, wurden Kraft- und Vorschubverläufte prozeßintegriert aufgezeichnet und mit Methoden der statistischen Prozeßkontrolle beurteilt. Lokale Kräfte und Geschwindigkeiten ermöglichen Aussagen über die Lage und die Reproduzierbarkeit eines Gesamtprozesses. Darüber hinaus können sie zur Identifikation des Vorschubsystems und damit zur Einstellung optimaler Arbeitspunkte eingesetzt werden.
Die bisher durchgeführten Untersuchungen zeigen, daß Bearbeitungen mit konstanter Vorschubbewegung Voraussetzung für eine reproduzierbare Prozeßführung sind. Die Vorschubgeschwindigkeit ist definitionsgemäß konstant und ihr Einfluß auf die Vorschubkraft eindeutig funktional bestimmt. Im Gegensatz dazu streuen die Vorschubgeschwindigkeiten bei der Bearbeitung mit konstanter Vorschubkraft sehr stark. Ursache für diese Streuung sind ständig veränderliche Beanspruchungsbedingungen im Arbeitsspalt. Insbesondere bei geringen Zustellungen streut die Vorschubgeschwindigkeit nicht um einen festen Mittelwert. Eine große Bandbreite gleichwertig auftretender Vorschubraten und große Streubreiten sind die Folge. Dies bedeutet, daß Bearbeitungen mit konstanter Vorschubkraft nur innerhalb statistischer Grenzen beherrschbar sind. Die Abhängigkeit der Vorschubgeschwindigkeit von der Vorschubkraft kann nicht mit deterministischen Modellen allein beschrieben werden. Zusätzlich müssen stochastische Methoden zur Prozeßgestaltung und Prozeßüberwachung eingesetzt werden.
Im Vergleich zur Bearbeitung mit konstanter Vorschubkraft treten bei der Bearbeitung mit konstanter Vorschubgeschwindigkeit wesentlich geringere Vorschubkräfte auf. Bezogen auf die wirksame Formzeugstirnfläche ergeben sich maximale Läppdrücke von 0,2 MPa, während bei der Bearbeitung mit konstanter Vorschubkraft maximale Vorschubgeschwindigkeiten bei einem Läppdruck von ca. 1 MPa realisiert werden. Dies unterstreicht, daß die Bearbeitung mit konstanter Vorschubgeschwindigkeit für die Bearbeitung feiner Konturen eingesetzt werden sollte.
Der Arbeitsbereich ist bei der Bearbeitung mit konstanter Vorschubgeschwindigkeit auf ein enges Parameterfeld begrenzt. Gleichzeitig fallen die Vorschubgeschwindigkeiten geringer aus als bei der Bearbeitung mit konstanter Vorschubkraft. Um Prozesse in diesem Arbeitsbereich sicher führen zu können, ist eine optimale Abstimmung der Beanspruchungsparameter Läppkorngröße und Schwingungsamplitude erforderlich. Dabei läßt sich eine Grenzgeschwindigkeit definieren, die der maximal mit konstanter Vorschubbewegung realisierbaren Vorschubgeschwindigkeit entspricht. Die Grenzgeschwindigkeit bietet einen guten Kompromiß zwischen Reproduzierbarkeit und Abtrennleistung und stellt das Optimierungsziel für eine reproduzierbare Prozeßführung mit konstanter Vorschubgeschwindigkeit dar.
Die Bearbeitung mit konstanter Vorschubgeschwindigkeit beeinflußt nicht nur die Reproduzierbarkeit des Prozesses sondern auch das Arbeitsergebnis positiv. Reproduzierbare Prozesse verbessern aufgrund einer geringeren Formzeugbeanspruchung und einer erhöhten Arbeitsspaltstabilität die Maßtoleranz.
Neben dem eingesetzten Vorschubkonzept bestimmt der Werkstückstoff die Leistungsfähigkeit eines Prozesses. Er beeinflußt maßgeblich die realisierbare Trenngeschwindigkeit. Ein günstiges Bearbeitungsverhalten haben spröde Al2O3 Keramiken (KIc-Wert ~ 3 MPam0,5). Mit zunehmender Rißzähigkeit sinkt die Abtrennleistung. Für die Bearbeitung mit konstanter Vorschubkraft bedeutet dies eine Verringerung der Vorschubgeschwindigkeit. Gleichzeitg nimmt der Formzeugverschleiß zu.
Zur grundlegenden Analyse der werkstoffseitigen Vorgänge beim Trennen durch Ultraschallschwingläppen eignen sich Indenterversuche mit Vickers-Diamantpyramiden. In beiden Fällen werden harte Körper in das Werkstück eingedrückt und bewirken dabei eine Reihe gemeinsamer Phänomene wie plastische Verformung, Mikrorißbildung und -wachstum. Diese qualitative Ähnlichkeit legt die Korrelation des Prozeßverhaltens bei der Ultraschallbearbeitung mit der Rißbildung bei Vickers-Eindringversuchen nahe.
So kann aus der bruchmechanischen Theorie des Vickers-Eindringversuchs ein lateraler Rißwiderstand abgeleitet werden. Mit diesem ist es möglich, bei vorgegebenen Werkstoffkennwerten - Elastizitätsmodul, Härte und Rißzähigkeit -, die Abtrennleistung der unterschiedlichen Oxidkeramiken vorherzusagen.
Die Oberflächenausbildung wird sowohl durch die Beanspruchungsparameter Läppkorngröße und Schwingungsamplitude als auch durch den bearbeiteten Werkstoff bestimmt. Der Läppdruck hat keinen Einfluß auf die Rauheitskennwerte. Beim Profilsenken von unterschiedlichen Oxidkeramiken werden gemittelte Rauhtiefen im Bereich von 6 bis 12 µm realisiert. Die Mittenrauhwerte nehmen Werte im Bereich von 1 bis 2 µm an. Dies entspricht den Qualitäten einer Schlichtbearbeitung und damit den allgemeinen Anforderungen des Maschinenbaus.
Wichtig für die Oberflächenausbildung ist vor allem der Werkstoffeinfluß, da der Trennvorgang durch die Wechselwirkung der Werkstoffmikrostruktur mit den Beanspruchungsgrößen entsteht. Beim Ultraschallschwingläppen von Oxidkeramiken lassen sich zwei prinzipielle Oberflächenveränderungen unterscheiden. Bei Al2O3-Keramiken überwiegt der spröde Ausbruch von Körnern oder die Kornfragmentierung. Mikroplastische Deformation charakterisiert die Oberflächenstruktur bei Dispersionskeramiken.
Die bearbeitungsinduzierte Festigkeit wird maßgeblich von der bearbeiteten Keramik bestimmt. Dabei zeigt sich bei keinem der untersuchten Werkstoffe gegenüber dem gesinterten Zustand eine Verschlechterung der Festigkeitswerte. Vielmehr erhöht eine Ultraschallbearbeitung den Weibull-Modul und verbessert so die Reproduzierbarkeit des Festigkeitsverhaltens. Mit zunehmender Rißzähigkeit ist ein Festigkeitsgewinn bei den ultraschallbearbeiteten Werkstoffen festzustellen. Dieser fällt mit fast 40% bei hochzähem ZrO2 besonders signifikant aus, während die spröden Al2O3 Keramiken keinen Festigkeitsgewinn erfahren.
Die weiteren Untersuchungen beschäftigen sich mit der Fertigung freier zwei- oder dreidimensionaler Raumformen durch die Verfahrensvariante Ultraschallfräsen. Das Bahnerodieren (zweidimensionales Ultraschallfräsen) erlaubt translatorische und orbitale Formzeugbewegungen, wobei mit oder ohne Formzeugrotation gearbeitet werden kann. Durch das mehrachsige Erodieren, das dreidimensionale Ultraschallfräsen, soll dann die Breite der Fertigungsmöglichkeiten des Ultraschallschwingläppens zu flexibler, komplexer Formerzeugung, z.B. halbkugelförmiger Konturen, erweitert werden. Ziel dieser Arbeiten ist es, anhand kinematischer Kenngrößen wie Vorschubgeschwindigkeit, Schwingungsamplitude, Zustellung und Formzeugdrehzahl eine Bearbeitungssystematik zur Herstellung derartiger Konturen zu erarbeiten