Metal cutting hard machining

The aim of the work is to optimize ultrasonic vibratory lapping with regard to reproducible processes and material-specific machining. For this purpose, investigations on ultrasonic profile sinking are carried out. Six high-purity Al2O3 ceramics are used as test materials. Additionally, three dispersion-reinforced Al2O3/ZrO2 and ZrO2 are used. The force/feed interaction of the machining process, the dimensional tolerance on the workpiece, the length wear on the die, the surface topography in the machining base and the machining induced component strength characterize the machining process and the work result. In order to be able to quantitatively evaluate the reproducibility of a process, force and feed curves were recorded in a process-integrated manner and evaluated using methods of statistical process control. Local forces and velocities allow statements about the position and the reproducibility of an overall process. In addition, they can be used to identify the feed system and thus to set optimum working points.

The investigations carried out so far show that machining with constant feed motion is a prerequisite for reproducible process control. The feed rate is constant by definition and its influence on the feed force is clearly functionally determined. In contrast to this, the feed speeds during machining with constant feed force vary considerably. The reason for this scatter is the constantly changing stress conditions in the working gap. Especially with small infeeds, the feed rate does not scatter around a fixed average value. A wide range of equivalent feed rates and large scattering widths are the result. This means that machining operations with constant feed force can only be controlled within statistical limits. The dependence of the feed rate on the feed force cannot be described with deterministic models alone. In addition, stochastic methods must be used for process design and process monitoring. Compared to machining with constant feed force, machining with constant feed speed results in considerably lower feed forces. In relation to the effective die face, maximum lapping pressures of 0.2 MPa are obtained, whereas machining with constant feed force results in maximum feed rates at a lapping pressure of approx. 1 MPa. This underlines that machining at constant feed rate should be used for machining fine contours. The working range is limited to a narrow parameter field when machining at constant feed rate. At the same time, the feed rates are lower than when machining with constant feed force. In order to be able to safely carry out processes in this working range, the stress parameters lapping grain size and vibration amplitude must be optimally matched. A limit speed can be defined which corresponds to the maximum feed speed that can be achieved with constant feed motion. The limiting speed offers a good compromise between reproducibility and cutting performance and represents the optimization goal for a reproducible process control with constant feed rate.

Machining at a constant feed rate not only has a positive effect on the reproducibility of the process but also on the work result. Reproducible processes improve the dimensional tolerance due to a lower mould stress and increased working gap stability. In addition to the feed concept used, the workpiece material determines the performance of a process. It significantly influences the achievable cutting speed. Brittle Al2O3 ceramics (KIc value ~ 3 MPam0.5) have a favourable machining behaviour. With increasing crack toughness the cutting performance decreases. For machining with constant feed force, this means a reduction in feed speed. At the same time, the wear of the mould tool increases.

Indenter tests with Vickers diamond pyramids are suitable for a fundamental analysis of the material-side processes during cutting by ultrasonic lapping. In both cases, hard bodies are pressed into the workpiece and cause a number of common phenomena such as plastic deformation, microcrack formation and growth. This qualitative similarity suggests a correlation between the process behaviour in ultrasonic machining and crack formation in Vickers indentation tests. Thus, a lateral crack resistance can be derived from the fracture mechanical theory of the Vickers indentation test. With this it is possible to predict the separation performance of the different oxide ceramics at given material characteristics - modulus of elasticity, hardness and crack toughness.

The surface formation is determined both by the stress parameters lapping grain size and vibration amplitude and by the machined material. The lapping pressure has no influence on the roughness parameters. When profile countersinking different oxide ceramics, average roughness depths in the range of 6 to 12 µm are achieved. The average roughness values assume values in the range of 1 to 2 µm. This corresponds to the qualities of a finishing process and thus to the general requirements of mechanical engineering. The influence of the material is particularly important for the surface formation, since the cutting process is caused by the interaction of the material microstructure with the stress variables. In ultrasonic lapping of oxide ceramics, two basic surface changes can be distinguished. In the case of Al2O3 ceramics, the brittle breaking out of grains or grain fragmentation predominates. Microplastic deformation characterizes the surface structure of dispersion ceramics.

The machining induced strength is mainly determined by the machined ceramic. None of the investigated materials shows a deterioration of the strength values compared to the sintered state. Instead, ultrasonic processing increases the Weibull modulus and thus improves the reproducibility of the strength behaviour. With increasing crack toughness, an increase in strength can be observed in the ultrasonically processed materials. This gain is particularly significant with almost 40% for high-toughness ZrO2, while the brittle Al2O3 ceramics do not experience any increase in strength.

The further investigations deal with the production of free two- or three-dimensional spatial shapes by the process variant ultrasonic milling. Path erosion (two-dimensional ultrasonic milling) allows translational and orbital die movements, whereby it is possible to work with or without die rotation. Multi-axial erosion, three-dimensional ultrasonic milling, will then expand the range of manufacturing possibilities of ultrasonic vibratory lapping to flexible, complex shape generation, e.g. hemispherical contours. The aim of this work is to develop a processing system for the production of such contours on the basis of kinematic parameters such as feed rate, vibration amplitude, infeed and tool speed.

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