Die Lebensdauer der Schleifscheibe

Als Versuchsmaschine wird eine von Fa. Mµtech Basis AC500F eingesetzt. Diese wurde speziell auf kleinere Werkzeugdurchmesser angepasst, um die Kosten für Versuche gering zu halten.
Um die Einstellung reproduzierbarer Schärfbedingungen zu gewährleisten, wird der Schärfringverschleiss erfasst, dokumentiert und mindestens eine Wiederholung durchgeführt. Als KSS wird die Emulsion Syntilo 81 E (5,4 Prozent) eingesetzt. Schärfringe werden darin einlegt beziehungsweise benetzt, während des Schärfprozesses dann kein KSS zuführt. Anschliessend werden die Schleifscheiben gereinigt.

Bedingungen und Parameter beim Schleifen
Beim Standard-Schärfverfahren wird einmal konkav und einmal konvex geschärft, um die Scheiben gerade zu halten. Hierbei ändert sich nur die Drehrichtung des Innenstiftkranzes. Die Drehzahlen in 1/min betragen: konkav: noben 30, nunten -36, nMitte -24 und konvex: noben 30, nunten -36, nMitte 24. Die Kraft in der Hauptlast beträgt 38 daN und die Schärfzeit pro Drehrichtung 25 s, wovon jeweils die ersten 5 s zum Benetzen mit KSS versorgt werden. Es werden Verschleiss vom Schärfring sowie der unteren Schleifscheibe erfasst – letzterer nach dem Schärfen und nach dem Schleifen. Zunächst werden Schleifscheiben untersucht mit der Spezifikation 4D 76 X 18 V8318-40 und geschlossenem Layout, welche mit 57C 220 I 5 V59 geschärft werden (Bild 4, links). Zum Abstumpfen werden Bauteile aus Aluminiumoxidkeramik (Bild 4, rechts) bearbeitet. Dabei entsprechen neun Bauteile 20x20 mm2 aus ALOTEC92 pro Läufer bei Einsatz von fünf Läufern einer Materialbelegung von 22,4 Prozent. Die Drehzahlen der Hauptlast betragen dabei in 1/min noben 200; nunten -200 und nMitte 20 und die Startschleifkraft in der Hauptlast 30 daN. Die Abtragsrate ist mit 100 µm/min vorgegeben bei einer Zustellung pro Lauf von 200 µm. Die Schleifkraft wird beim Abstumpfen der Schleifscheiben automatisch erhöht, um die Abtragsratenvorgabe einzuhalten.
Dabei werden so viele Läufe gefahren bis die Maximalkraft von 250 daN erreicht wird, damit ist der gleichmässig abgestumpfte Schleifbelag sichergestellt. Dabei werden in jedem Versuch die Prozesslaufzeiten, -kräfte tatsächlichen Abtragsraten und Schleifscheibenverschleiss dokumentiert.
Bei den Aluminiumoxidplatten entsteht die Rauheit massgeblich durch die grobe Materialstruktur und ist unabhängig vom Schärfegrad, weshalb hier auf die Auswertung der Bauteilrauheiten verzichtet wird. Selbst mit dem stumpfen Werkzeug wird hier ein Ra von >0,5 µm und Rz von >5 µm erzielt. Um den Schärfegrad bei verschiedenen Prozessvariationen zu erfassen wird ein Verfahren mittels Graphitabdruck eingeführt. Es wurden mittels 3D-Druck Haltevorrichtungen für Graphitstücke erstellt. Diese Graphitstücke bilden bei Bearbeitung durch Ober- und Unterscheibe die produzierte Hüllkurve der Schleifscheibentopographie als Rauheit ab.

Ergebnisse
Zunächst wurde ausgehend vom beschriebenen Standardschärfprozess der Druck variiert. Höherer Druck bedeutet anhand der Rauheiten nicht automatisch schärfere Scheibe. Der Abtrag am Graphit bestätigt dies (Bild 3).
Die Werte in Bild 4 sind beim Rauheitsmessen des Graphits erfasst worden, wobei zu berücksichtigen ist, dass der Graphitabdruck einem Negativabdruck der überlagerten Schleifscheibentopographie entspricht. Dies bedeutet Rvk repräsentiert hier die Kornspitzen und Rpk die Topographietäler (Poren/Spanraum). Rpk und Rvk verdeutlichen aussen stumpft mehr ab als innen. Die Schleifwerkzeugringmitte ist am meisten abgeflacht. Oben ist dabei immer etwas schärfer als unten. Nach dem Schärfen ist immer eindeutig rauer als nach dem Schleifen. Rvk weist einen geringeren Unterschied zwischen Schärfen und Schleifen auf. Das Korn (Rvk) verschleisst weniger stark als die Bindung (Rpk).
Hinsichtlich der Gesamtabtragshöhe unterscheiden sich die Schleifprozesse nach der Variation des Druckes beim Schärfen kaum, jedoch ist hinsichtlich des Verschleisses der Werkzeuge ein Unterschied von mehr als Faktor 3 erkennbar.
In der Regel wird das Verschleissvolumen der Scheiben VS in mm3, dem von den Werkstücken geschliffenen Gesamtvolumen VW in mm3, gegenübergestellt, um die Prozesseffizienz über den sogenannten G-Wert zu bewerten. Hohe G-Werte sprechen für eine lange Lebensdauer der Werkzeuge.

Hier entsteht jedoch der Schleifscheibenverschleiss eher beim Schärfprozess und der Schärfring muss als «Einsatz» auch Berücksichtigung finden. So wird ein Wert Effizienz E eingeführt, der sich ergibt aus der Gegenüberstellung des Gesamtabtragsvolumens der Werkstücke VW und der Summe der Verschleissvolumina der Schleifscheibe VS und des Schärfringes VSR:

Es wurden neben dem Druck auch die Drehzahlen sowie die Schärfkorngrösse variiert. Druck- sowie Drehzahlverkleinerung wirken sich demzufolge positiv auf die Effizienz aus. Bei Korngrössenänderungen wirken sich nur starke Änderungen aus. Der Schnittpunkt entspricht dem Standardprozess. Diese Prozessanpassungen wirken sich direkt auf die mögliche Ladungszahl bezüglich eines Schleifscheibensatzes (Annahme 6 mm Belagstärke) aus sowie auf die benötigte Schärfringsatzanzahl während der Scheibenlebensdauer.
Eine Verringerung des Drucks und der Drehzahlen führt zu einer Verbesserung der Effizienz im Schärf- und im Schleifprozess.
Die Untersuchung ergab, dass der Druck den Verschleiss der Werkzeuge um mehr als den Faktor 3 erhöhte. Die Ergebnisse zeigten, dass eine Reduzierung des Drucks und der Drehzahlen die Effizienz des Prozesses steigert, während Änderungen in der Korngrösse nur bei starken Abweichungen signifikante Effekte hatten. Diese Anpassungen beeinflussten direkt die Lebensdauer eines Schleifscheibensatzes und die Anzahl der benötigten Schärfringe. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass für eine optimale Effizienz beim Doppelseitenplanschleifen nicht der Standardprozess beibehalten werden sollte, sondern auch eine gezielte Anpassung der Prozessparameter, wie Druck und Drehzahl, sinnvoll ist, um die Werkzeuglebensdauer zu verlängern und die Gesamtprozesseffizienz zu verbessern.

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