Ziel der Entwicklung

Die Globalisierung hat den Wettbewerb neben vielen anderen Bereichen auch auf dem Gebiet der Schleifwerkzeuge und deren Anwendungen deutlich verschärft. Die deutschen Hersteller und Anwender müssen sich dem harten Wettbewerb stellen, um weiterhin mitführend auf dem Weltmarkt zu sein und auch progressiv agieren zu können. Bisher noch unbekannte Erkenntnisse über einzelne Zusammenhänge von Prozessen, wie u.a. vom Abricht- und Schleifprozess, müssen gewonnen werden, um auf Basis des erarbeiteten Know-hows z.B. genaue Aussagen zu einflussnehmenden Prozessparameter für relevante Qualitätskenngrößen treffen zu können und damit die Effektivität und die Qualität des gesamten Schleifprozesses weiter erhöhen und den Herausforderungen insbesondere zur Bearbeitung von schwer zerspanbaren und Hochleistungswerkstoffen gerecht werden zu können. Die Reduzierung der Nebenzeiten beim Abricht- und Schleifprozess ist neben der Erhöhung der Standzeit des Schleifwerkzeuges ein ganz wesentlicher Punkt, um den Schleifprozess qualitätsgerecht, effektiver und kostengünstiger gestalten zu können.
Die in Deutschland hergestellten Schleifwerkzeuge, wie z.B. Schleifscheiben, Schleifstifte und Schleifbänder, haben dank ihrer exzellenten Qualität sowohl national als auch international einen sehr guten Ruf. Dies trifft sowohl für einschichtige und mehrschichtige Schleifwerkzeuge zu. Seit Jahren werden immer wieder von Anwendern der mehrschichtigen und abrichtbaren Werkzeuge die Anfragen bzw. Forderungen gestellt, diese Schleifwerkzeuge so zu konditionieren bzw. abzurichten, dass die Oberflächentopographie des Werkzeuges durch den Abrichtprozess so gezielt gestaltet werden kann, damit dadurch eine definierte Oberflächentopografie (Oberflächengüte, Rauheit) am Werkstück durch den Schleifprozess des abgerichteten Schleifwerkzeuges erreichen zu können.
Beim Abrichten von kunstharz- und keramikgebundenen Diamant- und CBN-Schleifscheiben kann neben dem Profilieren auch noch ein Schärfprozess notwendig sein. Das ist vor allem bei porenfreien Schleifbelägen der Fall, da nach dem Profilieren ein Zurücksetzen der Bindung erforderlich wird.
Für die Einsatzvorbereitung von mehrschichtigen Schleifwerkzeugen werden die Begriffe Konditionieren und Abrichten meist äquivalent verwendet. Da das Porenvolumen bei einem überwiegenden Teil der zum Einsatz kommenden kunstharz- und keramikgebundenen Schleifwerkzeuge in der Regel ausreichend zur Verfügung steht, kann auf ein separates Schärfen nach dem Polieren verzichtet werden. Bei der Anwendung einer anforderungsgerechten Menge von Kühlschmierstoff findet der Prozess Profilieren, Schleifen und Reinigen gleichzeitig statt.
Von der technischen Ausgangssituation der zur Anwendung kommenden Abrichtverfahren von Schleifwerkzeugen und dem industriellen Marktbedarf an hochwertigen Schleifwerkzeugen zur Bearbeitung von Präzisionswerkzeugen für die Zerspanung mit bestimmter Schneide ausgehend, soll in dem geplanten Vorhaben das mechanische Verfahren als Wirkprinzip für das Konditionieren unter Variation der relevanten Prozessparameter zur Ermittlung relevanter Prozesszusammenhänge detailliert untersucht und analysiert werden. Basierend auf den Untersuchungsergebnissen wird dann eine Strategie und daraus abgeleitet ein Verfahren für einen sensorgestützten und regelbaren Abrichtprozess von kunstharz- und kunststoffgebundenen CBN- und Diamant-Schleifscheiben für den Einsatz direkt in der Maschine entwickelt und praxisrelevant umgesetzt. Unter Nutzung des entwickelten Verfahrens soll erreicht werden, dass die Oberfläche des abgerichteten Schleifwerkzeugs jeweils so modifiziert wird, um die gewünschte Werkstückoberflächengüte durch den Schleifprozess sicher erreichen zu können. Das soll vorrangig für kunstharz- und kunststoffgebundene CBN- und Diamantschleifwerkzeuge in einem Korngrößenbereich zwischen D41 und D151 erreicht werden. Werkzeuge mit Schleifkörnern in diesem Korngrößenbereich kommen in hohem Maße in der Industrie beim Werkzeugschleifen zum Einsatz und haben daher eine entsprechende Marktrelevanz.
Die Motivation für das geplante FuE-Vorhaben besteht daher einerseits darin bisher unbekannte Zusammenhänge zwischen den genauen Auswirkungen des Abrichtprozesses auf die Oberflächencharakteristik von mehrschichtigen Diamant- und CBN-Schleifwerkzeugen und deren Einfluss auf die Oberflächenstruktur des geschliffenen Werkstücks, z.B. beim Präzisionswerkzeug aus Hartmetall für die Zerspanung, detailliert zu untersuchen, zu analysieren und andererseits aus den dabei gewonnenen Erkenntnissen innovative Abrichtstrategien, -verfahren und -prozesse abzuleiten und zu entwickeln, um gezielt definierte Werkstückoberflächen schleifen und gleichzeitig die Standzeiten der Schleifwerkzeuge positiv beeinflussen zu können.

Vorteile und Lösungen

Um ausgehend von der Gesamtzielstellung über einen sensorgestützten Abrichtprozess von mehrschichtig keramisch und kuntsharzgebundenen CBN-Werkzeuge und Diamantschleifwerkzeugen gezielt die Werkstückoberflächenqualität durch den Einsatz der abgerichteten Schleifwerkzeuge beeinflussen zu können, sind in der ersten Phase des Vorhabens folgende Zusammenhänge im Einzelnen zu untersuchen: Ermittlung des Einflusses der Oberflächen von Siliziumkarbid-Abrichtwerkzeugen auf die abgerichtete Oberflächentopografien von keramisch- und kunststoffgebundenen CBN- und Diamantschleifwerkzeugen unter definierter Variation der folgenden Prozessparameter: Umfangsgeschwindigkeit vom Abrichtwerkzeug, Umfangsgeschwindigkeit vom keramisch gebundenen Schleifwerkzeug, Drehrichtung der Werkzeuge, Vorschubgeschwindigkeit, Zustellung, Anzahl der Zustellungen, Stärke und Einwirkungsrichtung der Kühlmittelzufuhr. Während des Abrichtprozesses werden die auftretenden Kräfte bzw. der Schleifdruck, der Spindelstrom und die Wirkleistung sowie die entstehenden Schwingungen bzw. Schallemissionen am Abrichtwerkzeug wie auch am Schleifwerkzeug aufgenommen und die erzielten Ergebnisse hinsichtlich möglicher Korrelationen zu den Prozessparametern überprüft.
Vor Beginn der ersten Untersuchungen wird die messtechnische Charakterisierung der Oberflächen der eingesetzten Abrichtwerkzeuge und der keramisch gebundenen CBN- und Diamantschleifwerkzeuge durchgeführt.
Nach Abschluss der jeweils in Etappen durchgeführten Abrichtprozesse werden die Oberflächen der eingesetzten Abrichtwerkzeuge und Schleifwerkzeuge wieder optisch erfasst und messtechnisch charakterisiert. Danach schließen sich die Auswertungen und Korrelationsanalysen an.
In der zweiten Phase des Vorhabens erfolgen die Untersuchungen zur Ermittlung des Einflusses der durch den Abrichtprozess erzeugten Schleifwerkzeugoberflächentopgrafie auf die Qualität der geschliffenen Werkstückoberfläche unter Berücksichtigung insbesondere der folgenden Prozess- und Qualitätsparameter: Schleifscheibenumfangsgeschwindigkeit, Werkstückgeschwindigkeit, Schnitttiefe, Schleifwerkzeugverschleiß. Analog zur Vorgehensweise in der ersten Phase des Vorhabens wird vor der Durchführung der Schleifversuche jeweils der Ausgangszustand der Oberfläche des abgerichteten Schleifwerkzeugs optisch erfasst und messtechnisch bewertet. Während der Schleifbearbeitung wird dann der auftretende Schleifdruck, die Schallemissionen, der Spindelstrom und die Wirkleistung in Abhängigkeit der variierten Prozessparameter aufgenommen und mit den Ergebnissen zur erreichten Oberflächengüte des Werkstückes und der Veränderung der Schleifwerzeugoberfläche in Korrelation gesetzt. Das Ziel der Korrelationsanalysen zwischen den einzelnen Prozessparametern, den während des Schleifprozesses erfassten Messgrößen und den messtechnisch nach dem Schleifprozess charakterisierten Werkzeug- und Werkstückoberflächen ist es abzuleiten, wie die Einstellungen der Prozessparameter in Abhängigkeit des Ausgangszustands der Schleifwerkzeugoberflächentopografie vor dem Schleifprozess zu erfolgen haben, um eine gezielte bzw. modifizierte Werkstückoberflächengüte generieren zu können. Durch die erzielten Korrelationsergebnisse soll des Weiteren eine sensorgestützte Regelung des Schleifprozesses abgeleitet werden, um die Abrichtzyklen verlängern und dadurch gleichzeitig auch eine höhere Werkzeugstandzeit erreichen zu können.
Auf der Basis der erzielten Erkenntnisse bei den Untersuchungen zu den Zusammenhängen des Abrichtprozesses in der ersten Phase und des Schleifprozesses in der zweiten Phase des Vorhabens werden die sich gegenseitig beeinflussenden Parameter und Kenngrößen der beiden Prozesse in der dritten Projektphase ermittelt, analysiert und bewertet. Daraus werden notwendige Anpassungen und Optimierungen für beide Prozesse (Abrichten und Schleifen) abgeleitet, um die Entwicklung des sensorgestützten Abrichtprozesses in der Werkzeugschleifmaschine, dessen Grundlagen am Ende der ersten Phase des Verfahrens geschaffen worden sind, abzuschließen und praxisrelevant umzusetzen, um die beiden Prozesse so steuern bzw. regeln zu können, dass jeweils die gewünschte Oberflächengüte durch die Schleifbearbeitung am Werkstück erzielt werden kann. Damit sollen gleichzeitig, wie bereits ausgeführt, verlängerte Abrichtzyklen und auch eine Erhöhung der Schleifwerkzeugstandzeiten erreicht werden.
Es schließen sich nun systematische Paraxistests des entwickelten sensorgestützten Abrichtprozesses in Verbindung mit dem Schleifprozess von Nuten an Präzisonsfräswerkzeugen an.

Zielgruppe und Zielmarkt

Die Zielmärkte für das im Rahmen des Vorhabens zu entwickelnde Verfahren für einen sensorgestützten Abrichtprozess von Schleifwerkzeugen, basierend auf den ermittelten Erkenntnissen zu den Zusammenhängen zwischen der Oberflächentopografie des Abrichtwerkzeuges und der auf dem abgerichteten Schleifwerkzeug in Abhängigkeit der Bearbeitungsparameter und erfassten Messgrößen sowie der Zusammenhänge zwischen Schleifwerkzeugoberfläche und der Oberflächengüte des geschliffenen Werkstücks unter Berücksichtigung der Bearbeitungsparameter und der aufgenommenen Messgrößen, sind einerseits die Hersteller von Werkzeugschleifmaschinen und andererseits die Anwender dieser Maschinen.
Die Anwender von Werkzeugschleifmaschinen sind insbesondere Produzenten von Präzisionswerkzeugen (Zerspanwerkzeuge). Diese kommen in den verschiedensten Branchen zum Einsatz. Hierzu gehören u.a. die Automobilindustrie, der Werkzeug- und Formenbau, die Montage- und Handhabungstechnik, die Antriebstechnik, die Pharma- und Medizintechnik sowie die Nahrungs- und Verpackungsindustrie.
Aufgrund des Wettbewerbsdrucks in den einzelnen Branchen ist es für die Unternehmen unabdingbar nach innovativen Lösungen zu suchen, um Produktionsprozesse effektiver gestalten und dadurch Kosten sparen zu können. Die Reduzierungen von Abrichtzyklen und Abrichtzeiten von kunstharz- und keramisch gebundenen Schleifwerkzeugen bieten in den Einsatzbereichen von Werkzeugschleifmaschinen hohe Potentiale und Chancen für die Unternehmen um ihre Produktivität, insbesondere bei dem Schleifen von Serienteilen, zu erhöhen.
Marktseitig bedeutet dies für die Werkzeugschleifmaschinen herstellenden Unternehmen, dass durch die angestrebte Entwicklungslösung eines sensorgestützten Abrichtprozesses und deren Implementierung in Schleifmaschinen eine unternehmensrelevante Umsatzsteigerung durch Reduzierung der Schleifwerkzeugkosten über längere Werkzeugstandzeiten in Verbindung mit anwendungsgerecht gestalteten Abrichtzyklen erreichbar ist. Durch den sensorgestützten und dadurch auch steuer- und regelbaren Abrichtprozess lassen die Einsatzzeiten erhöhen sowie Abrichtzyklen und -zeiten relevant reduzieren. Die Anwender der Entwicklungslösung erreichen einen effektiveren und vor allem einen sicheren hochqualitativen Schleifbearbeitungsprozess, mit Möglichkeiten zum vollautomatischen Abrichtprozess.
Die Vermarktung der Ergebnisse findet sich somit im Transfer der prototypischen Lösung eines sensorgestützten Abrichtprozesse in Unternehmen der Werkzeugschleifmaschinenbranche und Anwender wieder. Die GFE wird die im Vorhaben entwickelte Lösung einschließlich der Möglichkeiten zur Übertragbarkeit in weiteren Schleifmaschinentypen interessierten Partnern zur Verfügung stellen.
Nach dem gegenwärtigen Stand der Erkenntnisse ist kein Hersteller und Anwender von Werkzeugschleifmaschinen oder ein Produzent von Sensoren bekannt, der über detaillierte Kenntnisse und Know-how zu den einzelnen Zusammenhängen beim Abrichtprozess unter Berücksichtigung der Spezifik der Abricht- und Schleifwerkzeuge, der Prozessparameter und der Messgrößen verfügt, um über einen geregelten sensorgestützten Abrichtprozess mit definiert abgerichteten Schleifwerkzeugen gezielte Werkstückoberflächengüten erreichen kann.
Die Hersteller von den verschiedenen Sensoren, die für den sensorunterstützten Abrichtprozess zum Einsatz kommen können, stellen im erweiterten Sinne einen möglichen Wettbewerb dar. Die Fa. Marposs, als Anbieter von AE-Sensoren (Acoustic Emission) von der Fa. Dittel, wäre ein möglicher Wettbewerber. Es ist jedoch nicht bekannt, dass die Fa. Marposs oder ein anderer Sensorhersteller derartiger AE-Sensoren eine Lösung für einen sensorgestützten Abrichtprozess anbietet bzw. entwickelt und umgesetzt hat. Für eine breitere Vermarktung wäre die Zusammenarbeit mit einem oder (mehreren) Sensorhersteller(n) in Verbindung mit Schleifmaschinenherstellern eine günstige Konstellation.
Zusammenfassend kann festgestellt werden, dass es ein erhebliches und sich entwickelndes Marktpotenzial für den sensorgestützten Abrichtprozess zur Implementierung in Werkzeugschleifmaschinen vorliegt und es recht gute Voraussetzungen für erfolgreiche Partnerschaften im Bereich der Hersteller und Anwender von Werkzeugschleifmaschinen und auch mit Transferpartnern gibt.