UND AUF DIE FEINHEIT DER SCHNEIDEKANTE

SCHLEIFPROZESSES AUF DIE RAUHIGKEIT DER GESCHLIFFENEN OBERFLÄCHE

UND AUF DIE FEINHEIT DER SCHNEIDEKANTE

Yon

E. K_ÜDOS

Lehrstuhl für Fertigungstechnik, Technische lYniversität. Budapest (Eingegangen am 11. Juli 1971)

Vorgelegt von Prof. Dr. 1. KAL..\SZI

1. Einleitung

Die elektrochemischen Bearbeitungsmethoden beruhen auf der elektro- chemischen Wirkung des elektrischen Stromes. Zwischen dem als positiver Pol eines Gleichstromgenerators geschaltetPll Werkstück und dem als negativer Pol geschalteten Werkzeug entsteht eine Materialwanderung, ,,-enn die Elek- troden in Elektrolyt getaucht sind. Dit' dektrochemische Lösung dt's }laterials folgt dem Faraday-Gt'setz:

wobei: IV JJ n

IV = J1". I· t n' 96.500 Masse des abgetrennten ::\Iaterials (g).

Atomgewicht.

chemischt' Wertigb>it.

I Stromstärke (A).

Zeit (s).

(1)

Die hei der dektrochemischen Lösung entstehenden Reaktionsprodukte passiYieren die Anode. Die entstandene Schicht ist von der Anode und aus dem Arheitsraum zu entfernen. Es sind mehrere elektrocht'lllische Beal'hei- tungsverfahren hekannt. je nach der Art des ven\-endeten Werkzeugs und der 1Iethode des Entfernens der Passivschicht . Die Passiyschicht kann durch die Elektrolytströmung von groß"r Gescln\-indigkeit (ECM) und auch mecha- nisch (ECG) entfernt werden.

Das elektrochemische Schleifen wird für die Bearheitung von Metall- karhiden und schwerhearheitbaren Legierungen verwendet. Das gegenwärtig größte Anwendungsgehiet ist die Herstellung und Anschärfung von Hart- metallwerkzeugen. Das elektrochemische Schleifen gewährleistet gegenüber dem herkömmlichen Schleifen ein größeres Spanvolumen [1]. Zahlreiche V ^01'- teile erklären seine Hrhältnismäßig schnelle Verhreitung in der Industrie.

Der Verschleiß - damit auch die Standzeit von Zerspanungswerk- zeugen wird von der Oberflächenrauhigkeit der Werkzeugflächen und von der Feinheit der Schneidekanten wesentlich heeinflußt [2].

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Im Laufe unserer Untersuchungen wurden die Oberflächenrauhigkeit und die Schneidenfeinheit mit, durch elektrochemisches oder mechanisches Schlei- fcn hprgestellte Einkannten-Hartmetallwerkzeugen untersucht. Die Qualität der erzielten Oberfläche hängt sowohl bei der elektrochemischen als auch bei der mf'chanischen Anschärfung von zahlreichen Faktoren ab. Bei unseren Yersuchen wurden bei gleichbleib enden Bearbeitungsparametern - die Auswirkungen der Generatorspannung und des Oberflächendrucks geprüft.

2. Die Kennwerte fies Versuches

Die statische Starrheit des Systems Schleifscheihe-Spindel (Ahh. 1) betrug 1 kpi,lIm.

A.nzahl der Doppelhübe des Tisches Hublänge dC's Tisches

Menge des geförderten Elektrolyts ZuSamUlf'l18etzung des Elektrolyts bezogen auf 100 1 Elektrolyt pH- Wert des Elektrolyts TC'lllperatur des Elektrolyts

Fassungsvermögen des Elektrolytbehälters K f'nnwerte der Schleifschf'ibe

30

~ 25

2:

c: ₂₀

-

E: ¹⁵

<2 '-

Cl> 10

Cl 5

2 6 8 10 12 14

Bela stungskraft

63 Doppelhübejmin 15 mlll

2.2 ljmin

.'\ atrium nitrit 2225 g .'\atriumnitrat 640 g Borax

9

23 -28

oe

50 1

16 rkp]

18

238 tT

'"

20

Abb. 1. Statische Deformation des Systems Schleifscheibe-Spindel

Erzeugnis Abmessungen

Diamantkonzentration Kornfeinheit

maximaler Stirnschlag Drehzahl

L mfangsgt>sehwindigkeit

GRA:XIT 150/15/1,5 3,3 Karat/cm³ 100-120 ,um

0,02 mm 3410imin 26.8 m!St~C

eillgstelltf'r Druck 2.5-5- 7.5-10- 12.5 kpcm~

eingestellte Spannung -l-G-8-10 Y

untersuehtFs Hartmetall DA 20 Co ^0" DR 20 Co 6%

WC 79°;) TiC 13°_u

3. Beschreihung der Versuche

Bf'i den Yer;.:uchen sollten dip Obuflächcl1driieke und GI'neratorspan- nungf'll bestimmt werden. die die günstigsten Ergehnisse liefern. Die Druck- und Spannungs'H·rte wurden gemäß Punkt 2.0 pinge:-tellt. Zu den Versuchen wurden Hartmetall-Prohestücke mit den AIJll1t'~5ungen 10 10:< 10 mm ver- wendet (Ahh.2). Je z\\-ei sich sclmeidende Flächen clf'" \Verkstücks wurden gpschliffen und an der entstandenen Kante Rauhigkeitsme:3sungen durch- geführt. Die Oherflächenrauhigkeit wurde mit einem uniyersalen Oherflächen- prüfgerät Typ Perth-O-Meter und die Rauhigkeit der Kante mit einem Talysurf-Gerät hestim mt. Zur Yerminderung der ~1eßfehler wurde jede Ober- fläche dreimal gemesscn. Hinsichtlich der Oberflächenrauhigkeitsmessung sind die Flächen des Prohestückes als Oherflächen yon einander unahhängiger Prohestücke anzusehen: so wurde das arithmetische "Mittel der sechs Ver- suchsergdmisse als maßgehend hetrachtet. Die Oherflächenrauhigkeit wurde ZWl'cks hessen'r Yergleichharkeit mit den Literaturangalwn auch in Ra und

Abb. 2. Photoaufnahme der zum Yersuch verwendeten Probestücke

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Ra rR-t-[jJ-m'-' 1--'--0 D-A-20--' - -

[jJm1 16; • DR20 d .;

. "--... __ ~=;;;;:;;=;;; ___ ;j-~ _.-1=:U=6V Rt

1.4 1.2

0,16 0,8

0,12 f-"0,"'-.6---.,c----+-.-i----l----:i

0'08~0'~·4~~~~~~~~~

0'04f-"0'~.2_~_~~~--L-~

OV R_t 6V R_t OV Rt

SV Ra

OV Ra 6V Ra OV Ra

2,5 5 7,5 10 12,5 [kp/cm2j P A.bb. 3. OberfIächenrauhigkeit ah Funktion de~ Druckes

Ra RtfjJm1 [ji m1 1,8 __ _

o DA 20

• DR20

op:10I<.p/cm² RI

I ::u =- ' -- ~---

1.2 ____ - - - _ " , i L - - -

0,16 Jl~ _____ . ______ _

::::-~

0,04 0,_2 _ _ .

IOkp/cm² Ra 10kpjcm²Ra

6 8 10 12 U [V}

A.bb. 4. Oberflächenrauhigkeit als Funktion der Spannung

R_t gemessen. Bei der Messung der Schneidkantenfeinheit wurde das Gerät auf den Ra Wert geeicht. Die Abbildungen 3 -6 wurden aufgrund der Mes- sungen aufgezeichnet. Um die geschliffenen Oberflächen auch visuell bewerten zu können, wurden von diesen Photoaufnahmen gemacht (Abb.7-8). Zur

5

«OHante ROHante

[pm) 4 [pm}

OV 3

6V

2 6V

2,5 5 7,5 10 12,5 P [kplcm2)

Abb. 5. Schneidekan tenfeinheit als Funktion des Druckes

5 4 3 2

2

oDA 20 oDR 20

1',0=10 :; kplcm:

4 6 8 10 12 U [V}

Abb. 6. Schneidekantenfeinheit als Funktion der Spannung

Abb. 7. Photoaufnahme yon der elektrochemisch geschliffenen Oberfläche. DA 20. 100fache Vcrgrößcru;:;g

Abb.8. Photoaufnahmc ,"on der mechanisch geschliffenen Oberfläche. DA20, 100fache Ver- größ~rung

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besseren Bewertbarkeit der Schncidkantenfeinheit wurden außer den Pro- filogrammen (Abb. 9) auch Photoaufnahmen gemacht. die zur Yisuellen Bewer- tung dienten (Abb. 10).

Abb. 9. Profilogramme zur rntersllchun!l: der Schneidekantellfeinheit DA20.1000fache ,,-er- tikale Vergrößerung. a) Elektro('hemi~che A.mchärfllng. b) mechanische Anschiirfung

Abb.10. Photoallfnahmc zur rlltersuchum: der Schneidekantenfeinheit. DA20. lOOfache Ver- griißernng. a) Photo aufnahme ,"on der l1Ie'Chanisch hergestellten Schncidckanntc. b) Photo-

aufnahme ,"on der elektrochemisch hergestellten Sehneidekante

4. Auswertung der Versuchsergehnisse

Beim elektrochemischen Schleifen stellt die Aushildung der Oberfläche einen komplizierten Prozeß d~r. Die ~1aterialahtr('nllullg und die Ausbildung der Oberfläche sind das Ergebnis elektrochemischer und mechanischer Prozesse.

Gegenwärtig sind noch nicht alle Faktoren und ihre Wirkung auf die Ober- flächen güte bekannt, die entscheidendste 'Wirkung hahen aher die Oherflächen- llrücke zwischen dem Werkstück und der Schleifscheihe bzw. die angewandte Spannung.

-LI. Untersuchung der OberJläclzenrauhigkeit

!llld der SclzeidkantenJeinlzeit in Abhängigkeit ('om angetcandten Druck Im Mechanismus der Materialahtrennung hat die Stromstärke des im Arheitsspalt strömenden Elektrolyts einen entscheidenden Einfluß. Durch den Arheitsspalt fließt nach dem Ohmschen Gesetz ('in Strom:

(2)

wobei U den Spannungsabfall im Arbeitsspalt, R den Widerstand des Arbeitsspalts bedeuten.

Es gilt weiterhin

R = .::c._, O'U (3)

A

wobei IJ den spezifischen Widerstand des Elektrolvts.

a die Breite des Arb eitsspalts, A die aktive Oberfläche hed<'lltt'll.

Aus GI. (2) und (3) folgt:

I C·A

Q'U

(4)

P;-il11mt man an. daß rJ"r Spannungsahfall. dir' aktiv!' Oherfläche und der SP('-

zifische \Viderstand konstant sind. so hängt di" Größe des durchfließenden Strom<';;; von den Ahnwssungell des Arheitsspalts ab. Die Größe des Arbeits- spalts ist hei gleichbleihenclen sonstigpn Parampl<'rIl - hauptsächlich die Funktion des allgewandtPI1 Druckps.

a = j(p). ⁽⁵⁾

Die Größe des elen Arbeitsspalt durchströmenden Stromes hängt somit üher komplizierte funktionelle Zusammenhänge auch vom z,,·ischen den Oher- flächcn auftretendpll Druck ah. Die Aufgabe der aus der Scheibe heraus- ragenden (wirksamen) Diamantkörnchf'!1 hesteht beim elektrochemis<:hell Prozeß darin, die Bedingungen des elektrochemischt'1l Prozesses zu gewähr- leisten. d. h. die erforderliche Größe des Arht'itsspalts zu sichern. die auf der Anode anstehenden Reaktionsprodukte ahzutragen. Bt'i den Versuchen wurde festgestellt, daß ein optimaler Druckwert existiert, hei dem - bei vorgegehenen sonstigrn Bedingungen - die Stromstärke und Reaktiol1sproduktentfernung optimal sind. Üherschreitet der Druck dieses "Maximum, so wird der Arheits- spalt kleiner, sein \'\liderstand vermindert sich, wodurch bei glcichbleihender Spannung einc größere Stromstärke durchfließen kann. :Mit der Erhöhung der Stromstärke nimmt die elektrochemische Materialabtrennung zu, wobei auch die Gashlasenentwicklung intensiver wird [3]. Durch die im Spalt ent- standenen Gasblasen wird die Leitfähigkeit des Elektrolyts lokal verschlech- tert. Dies wirkt sich natürlich auch auf die l\Iaterialahtragung und auf die Qualität der entstandenen Oherfläche aus. Die derart zustandekommende Oherfläche ist gröber.

Mit crhöhtem Druck trennen die arbeitrnden Diamantkörnchen nicht nur die durch den elektrochemischen Prozeß zerstörten Materialteile ah.

sondern dringen auch in die nicht zerstörte Materialschicht ein. Dadurch

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erhöht sich der mechanisch abgetrennte lVraterialanteil auf Kosten des elektro- chemisch abgetrennten Anteils. Die Oberflächengüte wird zufolge der durch die Diamantkörnchen verursachten Risse beeinträchtigt.

Infolge der durch den erhöhten Druck verursachten Verminderung des Arbeitsspalts treten zwischen der Scheibe und dem Werkstück lokale Durch- schläge bzw. Funkenerscheinungen auf. An diesen Stellen entstehen sowohl an der Schleifscheibe als auch am Werkstück Krater hzw. Einbrennungen, die die Oberflächengütc wesentlich heeinträchtigen. Diese Erscheinungen wurden bei unseren Versuchen heobachtet. Anhand der Ahhildungen und Photoauf- nahmen können folgende Feststellungen gemacht werden:

1. Oh"wohl das mechanische Schleifen eine etwa::: hessere Oberflächen- rauhigkeit liefert als die elektrochemiE'che, sind beide noch von derseihen

Größenordnung. Die rrsache dafür ist im Charakter des elektrochemischen Prozesses zu suchen. Im Laufe des letzteren lösen sieh die Körnchen entlang der Körnchengrenzen heraus. Durch die Korng-rößen "wird also die erreichhare Oherflächenrauhigkeit eingeschränkt. Dagegen werden heim mechanischen Schleifen die Hartmetallkörnchen von den Diamantkörnchen durchschnitten, wodurch eine hesscre Oherflächenqualität erzielt wird.

2. Bei den Hartmetallen DA20 und DR20 wurden die günstigen Oher- flächenrauhi"gkeitswerte im Druckhereichp=7,5-10 kpjcm~ erhaltcn (Abb. 3).

3. Die elektrochemisch geschliffene Oberfläche ist vollkommen richtungs- frei und ritzenlos, wogcgen beim mechanischen Schl(>ifprozeß die gerichteten

Ritze gut zu erkennen sind (Abb. 7-8).

4. Die Oherfläche des Werkstoffes DR20 war auch heim elektrochemi- schen SchlE'ifen etwas ritzig, die UrsachE' dafür ii"t in der Materialznsammen- setzung zu suchen.

Oberhalh des Druclnl-ertes von 10kp!cm² entstehen auch auf dcr clektro- chemisch geschliffenen Oberfläche Ritze, die durch die ahrasive Wirkung der Diamantkörnchen ycrursacht werden.

5. Die Oberflächenrauhigkeit beim elektrochcmischen Schleifen betrug Ra = 0,08-0,12 .um, bz,1". R1 = 0,8-1.1 fim.

6. Obwohl sich mit dem mechanit3chen Schleifen bei"sere Oberflächen herstellen ließen, war die Feinheit der Schneidkanten heim elektrochemischen Schleifen besser (Abh. 5). Dies war besonders im Bereich der größeren Drücke auffallend.

Der Grund dafür ist in der gerichteten Oherfläche beim mechanischen Schleifen hzw. darin zu suchen, daß die elektrochemisch geschliffenen Oher- flächen ungerichtet sind [6]. An den Schnittlinien der gerichteten Flächen haben die Ritze auch bei sonst befriedigender Oberflächen güte grohe Kanten zur Folge und die Kanten sind infolge der Drücke abgesprungen (Ahh. 10).

Beim elektrochemischen Schleifen komml dies nicht vor, vielmehr sind die Ecken zufolge des an den Rändern entstandenen elektrischen Feldes abgerundet

(Abb. 10). Unserer Meinung nach trägt auch dieser Umstand dazu bei, daß die elektrochemisch geschliffenen Hartmetallwerkzeuge eine bessere Stand- zeit aufweisen als die mechanisch geschliffenen [5].

7. Mit der Druckerhöhung verschlechtert sich die Kantenfeinheit des mechanisch geschliffenen Werkzeugs eindeutig. Dagegen erreicht die Kanten- feinheit des elektrochemisch geschliffenen Werkzeugs bei einem Druck von 7,5-10 kp!cm~ den Optimalwert (Abb. 5).

4.2. Die Oberflächenrauhigl,eit und die SclzneidkantenJeinheit

11l Abhängigkeit ron der Spann ung

Die Auswirkung der Generatorspannung auf den elektrochemischen Prozeß ist yiels,~itig. Durch größere Spannungen wird hei gIeichhleihendem Arheitswiderstand mehr Strom durch den Stromkreis getriehen. Nach dem Faraday-Gesetz erhöht sich auch die Materialahtragung mit erhöhter Strom- stärke. Mit der Spannung wächst aher auch die Funkengefahr zwischen der Schleifscheibe und dem Werkstück. Dies führt nehen raschem Verschleiß auch zur Verschlechterung der geschliffenen Oherfläche.

Wird die Spannung auf einem niedrigen Wert gehalten, verlangsamt sich ,uch die }Iaterialahtragung. Unter 2:5-3 V ist die Lösung einiger Hartmetall- Bestandteile (TiC) theoretisch unmöglich [4]. Xehen den während des elektro- chemischen Prozesses entstandenen Oxyden sind im Material auch TiC-Teile 'vorhanden, die sich nur mechanisch ahtrennen lassen. Damit vermindert sich die :.:vlaterialahtrennung. und es entsteht hei schnellerem Verschleiß der Scheihf' eine grohe Oherfläche. Bei den Versuchen wurde festgestellt, daß unter sonst konstanten Bedingungen eine optimale Spannung existiert, hei der die gün- stigste Oherflächenqualität erzielt wird. Diese optimale Spannung lag hei (i-6,s V (Ahh. 4). Aufgrund der Versuche können folgende Aussagen gemacht 'werden:

1. Die nicht einwandfreie Montage der Schleifscheihe führt unzulässige Rundlauffehler herhei. Nach unseren Erfahrungen verursacht ein Stirnschlag von 0,03 mm schon hei Spannungen von 5 V Funkenerscheinungen.

2. Die Oherflächenrauhigkeit war hei konstanten Druck- und Spannungs- werten hei der Metallsorte DR20 hesser als hei der Sorte DA20. Dies läßt sich auch mit der unterschiedlichen Zusammensetzung der Hartmetalle erklären.

3. In Übereinstimmung mit den hei der Untersuchung der Oherflächen- rauhigkeit erhaltenen Ergebnissen lag der für die Kantenfeinheit günstigste Spannungswert hei 6-6,5 V (Ahh. 6).

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Zusamnlenfassung

Die Rauhigkeit der Werkzeugflächen und die Feinheit der herausgebildeten Schneiden sind beim Elysieren vor allem vom angewandten Druck und der Generatorspannung abhängig.

Die Versuche des Verfassers an den Hartmetallsorten DA20 und DR20 beweisen, daß die Rauhig- keit der Flächen und die Feinheit der Schneide in Abhängigkeit von den genannten Parametern ein Optimum habei!. Deshalb ist es zweckmäßig, unter betrieblichen" erhältnissen diese Span-

nungs- und Druckwerte einzustellen. Es läßt sich feststellen, daß im optimalen Druckbereich des Elysierens die erreichbare Rauhigkeit gleich der durch mechanisches Schleifen erreich- ten ist, beim Ely;;ieren ist aber die Feinheit der Schneide wesentlich günstiger. Deiihalb ist dieses" erfahren für die ZU5chärfung von hartmetallbestücktcn Werk zeugen auch wegen seiner sonstigen Vorteile -- zweckm'ißig anzuwenden.

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Endre K_.\Lnos, Budapest XI., Stoczek u. 6-10. Ungarn.