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Prozessoptimierung durch Verschleiß- und Zusetzungserkennung an Schleifwerkzeugen

Einleitung 

Für die Produktion von hochwertigen Komponenten mit engsten geometrischen Toleranzen und hohen Oberflächenanforderungen werden oft Schleifprozesse im letzten Fertigungsschritt verwendet, um Funktionsflächen wie Lauf-, Dicht- oder Sichtflächen zu erzeugen. Um eine qualitativ hochwertige und wirtschaftlich effektive Produktion zu ermöglichen, muss ein leistungsfähiger und vor allem prozesssicherer Fertigungsablauf gewährleistet sein. Für einen effektiven Schleifprozess ist das Verschleißverhalten der Werkzeuge und den damit verbunden thermischen, chemischen und mechanischen Vorgängen während des Prozesses von großer Bedeutung. Mit zunehmendem Verschleiß des Schleifwerkzeuges stellen sich erhöhte Prozesskräfte und Temperaturen in der Kontaktzone zwischen Werkzeug und Werkstück ein [Azar11, Azar14, Kloc05].

Durch den Kontakt zwischen Werkzeug und Werkstück während des Bearbeitungsprozesses flachen sich Schleifkörner über mechanischen Abrieb, Korrosions- und Diffusionsvorgänge ab. Diese Kornanflachungen führen in der Kontaktzone, zwischen den Schleifkörnen und dem Werkstück, zu einer Steigerung der Reibung. Der Reibungsanstieg beeinflusst die Schleifkräfte und  temperaturen während des Bearbeitungsprozesses und verringert dadurch die Zerspanungsleistung des Werkzeuges. Auch Anhaftungen von Werkstückmaterial in den Porenräumen zwischen Korn und Bindung oder auf der Werkzeugoberfläche führen zu höheren Temperaturen in der Kontaktzone. Durch die Zusetzung der Porenräume werden die Spanabfuhr sowie die Kühlschmierwirkung des Schleifwerkzeuges verschlechtert [Azar11, Azar14, Kloc05]. Die durch den Werkzeugverschleiß entstehenden Prozesskräfte und -temperaturen führen zu einer hohen Belastung der bearbeiteten Werkstücke, was die Qualität in der bearbeiteten Werkstückoberfläche nachhaltig beeinflussen kann. Abhängig von dem Grad der Belastung können Änderungen der Härte, des Gefügezustands oder der Eigenspannung in den Randzonen des Werkstücks auftreten. Auswirkungen können Rissbildung, Schleifbrand, Änderung der Eigenspannungszustände oder Neuhärtezonen sein. Das Konditionieren (Profilieren, Abrichten, Strukturieren, Schärfen und Reinigen) des Schleifwerkzeugs hat einen wesentlichen Einfluss auf das Prozessergebnis, da dem Anstieg von Prozesskräften und -temperaturen, sowie dem Aufkommen von Kornanflachungen und Zusetzungen entgegengewirkt wird. 

Für die Überwachung von Schleifprozessen und den Zustand von Schleifwerkzeugen gibt es viele Verfahren, die indirekt Rückschlüsse über den Verschleißzustand des Werkzeugs liefern können. Die Systeme basieren auf der Erfassung und Auswertung von Prozessgrößen wie z.B. Acoustic-Emission-Signalen (AE), Schleifkräften, der Spindelleistung oder Prozesstemperaturen [BAUS02, Lang97]. Jedoch sind diese Systeme abhängig von den Umgebungsbedingungen wie dem Kühlschmiermittelvolumen und dessen Zuführung, Vibrationen oder eventuellen Unrundheiten des Schleifwerkzeugs. Ein Anstieg der Schleifkräfte kann beispielsweise, ohne die Aufbereitung weiterer Informationen, kein zuverlässiger Indikator für die Bestimmung des Zustandes von Schleifwerkzeugen sein, da sich Spanbildungs-, Spanformungs- und Reibvorgänge während des Schleifprozesses direkt auf die resultierenden Prozesskräfte auswirken. Um Aussagen über den Zustand von Schleifwerkzeugen treffen zu können besteht die Möglichkeit mikroskopischer Bilder oder 3D-Topografien, sowie Abdrücken der Werkzeugoberfläche anzufertigen [Hell04, Suzu95]. Diese Methoden sind jedoch zeitaufwendig und selten prozessnah zu realisieren.

Um den aktuellen Verschleißzustand eines Schleifwerkzeuges bewerten zu können, wurde am KSF ein sehr prozessnahes und innovatives Analysesystem entwickelt, welches innerhalb kürzester Zeit Rückschlüsse auf die aktuelle Zerspanungsfähigkeit des Schleifwerkzeuges ermöglicht. Mit diesem System kann das Prozessverständnis erweitert und die Grundlage für eine effektivere Auslegung und umfangreiche Regelung von Schleifprozessen geschaffen werden.

Analyseprinzip

Das Analyseprinzip basiert auf der Tatsache, dass sich Verschleißmerkmale, wie angeflachte Schleifkörner und Zusetzungen unter direkter Beleuchtung auf Bildaufnahmen durch Reflexionen erkennen lassen. Abbildung 1 zeigt schematisch das Aufnahmeprinzip. Aufgrund der angeflachten Form von Kornanflachungen und Zusetzungen werden Lichteinflüsse, die im rechten Winkel auf die Werkzeugoberfläche gestrahlt werden, nahezu im direkten Einfallswinkel zurück in die Kameralinse reflektiert. Hierdurch erscheinen Kornanflachungen und Zusetzungen als helle Oberflächen, die in den hochaufgelösten Kameraaufnahmen und durch bildverarbeitende Methoden extrahier- und bewertbar sind. Poren, Bindemittel und spitze Schleifkörner diffundieren das Licht und generieren keine direkten Reflexionen, wodurch sie auf den Aufnahmen der Oberflächentopografie dunkler erscheinen. Mit zunehmenden Zerspanungsvolumen tritt Verschleiß an dem verwendeten Schleifwerkzeug auf. Das Analysesystem des KSF extrahiert die durch den Verschleiß entstehenden Reflexionen mittels bildverarbeitender Methoden aus den hochaufgelösten Oberflächenaufnahmen und differenziert mithilfe von Algorithmen die ermittelten Objekte und deren Verschleißcharakteristik und Ausprägung.


Aufnahmeprinzip der Oberflächentopografie


Mithilfe von Parametereinstellungen, wie unter anderem der Lichtintensität, der Beleuchtungsmethode oder der verwendeten Vergrößerung, ist es möglich, jedes Schleifwerkzeug, unabhängig von der gegebenen Kornart, -größe oder dem Bindungstyp, auf Kornanflachungen und Zusetzungen zu untersuchen. In Abbildung 2 und 3 werden analysierte Oberflächenaufnahmen von superabrasiven Schleifwerkzeugen mit unterschiedlichen Kornarten (Diamant und CBN), Korngrößen (zwischen 30µm und 151µm) und Bindungstypen (metall-, keramisch- und kunstharzgebunden) dargestellt und den unbearbeiteten Aufnahmen gegenübergestellt. Kornanflachungen werden hierbei grün und Zusetzungen rot umrandet hervorgehoben. Die Gesamtanzahl und Gesamtfläche der einzelnen Verschleißcharakteristiken sind in den Analysen der Oberflächentopografien zu erkennen
 

          

Darstellung des Analyseprinzips bei verschiedenen Kornarten, ‐größen und Bindungsarten (Kornanflachungen sind grün umrandet)

 

Die Abbildung zeigt die Oberflächentopografie zweier Schleifwerkzeuge mit Kornanflachungen und Zusetzungen. In der gezeigten Oberflächenanalyse der keramisch gebunden Schleifschleifscheibe (D76 C100) sind 22 Zusetzungen, die auf der Werzeugoberfläche aufgeschweißt sind, und 415 Kornanflachungen mithilfe des Analyseprinzips erkannt worden. Die Fläche der Kornanflachungen mit 50249,91 µm² beträgt im Verhältnis mit der Fläche der Zusetzungen (11.472.551,30 µm²) nur einen kleinen Teil (0,173%) der betrachteten Gesamtfläche. Die Zusetzung beträgt hingegen 39,59% der analysierten Oberflächentopografie.

In der analysierten Aufnahme einer kunstharzgebunden Schleifscheibe (B30 C150) sind ebenfalls 102 Zusetzungen (183058,40µm²) in Form von Anhaftungen des Werkstückmaterials in den Porenräumen zwischen Korn und Bindung, sowie 457 Kornanflachungen mit einer Gesamtfläche von 576370 µm² zu erkennen. 

In der gezeigten Oberflächenanalyse der keramisch gebunden Schleifschleifscheibe (D76 C100) sind 22 Zusetzungen, die auf der Werzeugoberfläche aufgeschweißt sind, und 415 Kornanflachungen mithilfe des Analyseprinzips erkannt worden. Die Fläche der Kornanflachungen mit 50249,91 µm² beträgt im Verhältnis mit der Fläche der Zusetzungen (11.472.551,30 µm²) nur einen kleinen Teil (0,173%) der betrachteten Gesamtfläche. Die Zusetzung beträgt hingegen 39,59% der analysierten Oberflächentopografie.

In der analysierten Aufnahme einer kunstharzgebunden Schleifscheibe (B30 C150) sind ebenfalls 102 Zusetzungen (183058,40µm²) in Form von Anhaftungen des Werkstückmaterials in den Porenräumen zwischen Korn und Bindung, sowie 457 Kornanflachungen mit einer Gesamtfläche von 576370 µm² zu erkennen. 

Analysierte Oberflächentopografie verschiedener Schleifwerkzeuge mit Kornanflachungen (grün umrandet) und Zusetzungen (rot umrandet)

Durch eine Betrachtung der vorhandenen Verschleißcharakteristiken kann eine passende Strategie für die Prozessregelung definiert werden. Die Werkzeugstandzeit kann durch eine zeitgenaue Bestimmung des Konditionierungszeitpunktes maximiert und die Effizienz des Schleifprozesses deutlich gesteigert werde. Zudem können unterschiedliche Abricht- und Schleifparameter miteinander verglichen und prozessspezifisch optimiert werden.
Das Verfahren kann prozessnah, mithilfe einer Kamerahalterung oder von Hand, auf jeder Schleifmaschine durchgeführt werden.

Messsystem:

Das manuelle Messverfahren nutzt ein hochauflösendes Mikroskop mit einer Bildauflösung von 5 Megapixeln, um Aufnahmen der Werkzeugoberfläche zu generieren. Das Kamerasystem wird hierfür in eine 3D gedruckte Halterung eingespannt, welche aus einem fest in der Maschine integrierten und einem abnehmbaren Bauteil besteht. Die abnehmbare Halterung des Mikroskops kann über ein Zahnstangengetriebe von dem Gesamtsystem gelöst und aus der Maschine entfernt werden, um das Kamerasystem während des Fertigungsprozesses vor Kühlschmierstoff und Spänen zu schützen. Das Gesamtsystem ist in Abbildung 4 zu sehen. Soll eine Bewertung der Oberflächentopografie durchgeführt werden, kann das Mikroskop mithilfe des Zahnstangengetriebes auf einer zuvor definierten Position montiert werden. Der Abstand zwischen Schleifwerkzeug und Kamerasystem wird hierbei von der gewünschten Vergrößerung der mikroskopischen Aufnahme abhängig. Mit dem in Abbildung 4 dargestellten Mikroskop können mikroskopische Oberflächenaufnahme, mit einem Vergrößerungsfaktor von 10 – 200, erreicht werden. Die für das Analyseprinzip benötigte Beleuchtung wird mithilfe einer in das Mikroskop integrierten Ringbeleuchtung erzeugt. Die Lichtintensität kann hierbei werkzeugspezifisch reguliert werden, um eine Überbelichtung der Aufnahmen zu verhindern.


Kamerasystem und Aufbau für das manuelle Messverfahren


Zur Reinigung des zu betrachtenden Bereichs wird das Schleifwerkzeug mit der Schleifumfangsgeschwindigkeit für einige Sekunden weiterbetrieben. Zudem kann eine weitere Reinigung der Bildaufnahmestelle mithilfe von Druckluftimpulsen über eine maschinenintegrierte Düse oder mithilfe einer manuell bedienbaren Druckluftpistole erreicht werden.

Das Kamerasystem kann, über eine USB-Verbindung, direkt mit der Analyse-Software des KSF verbunden werden. Die Oberfläche des Schleifwerkzeuges kann dadurch in Echtzeit angezeigt, die aktuelle Vergrößerung des Mikroskops ausgelesen und die Lichtintensität des integrierten Ringlichtes angepasst werden. Da sich die Oberfläche jedes Schleifwerkzeug, in Abhängigkeit mit der verwendeten Kornart, -größe und dem Bindemittel, unterscheidet, muss das Bildverarbeitungssystem auf das verwendete Werkzeug eingelernt werden. Dies wird mithilfe einer Analysekonfiguration, welche alle Parameter, die für die Aufnahme der Oberflächentopografie und der Verschleißanalyse mithilfe der bildverarbeitenden Algorithmen benötigt werden, in der Software hinterlegt. Die Klassifizierung der Analysekonfiguration erfolgt in Form einer Strukturansicht mit bis zu vier Definitionsebenen. In der in Abbildung 5 gezeigten Verschleißanalyse einer keramisch gebundenen Schleifscheibe (D76 C100) sind diese vier Ebenen als „Kornart“, „Korngröße“, „Werkstück-Material“ und (Werkzeug) „ID“ definiert. Mithilfe der Analysekonfiguration wurden sieben Oberflächenaufnahmen, die in einem gleichmäßigen Abstand über die gesamte Fläche des Werkzeugs angefertigt wurden, nach der Zerspanung eines Werkstücks aus Hartmetall analysiert. Aus den Ergebnissen der Verschleißanalyse können Grenzwerte bestimmt werden, bei denen die Prozesssicherheit und -qualität nicht mehr gegeben ist. 

 
Analysetool des KSF für das manuelle Messverfahren. Kornanflachungen sind grün und Zusetzungen rot umrandet

Die Analyseergebnisse der in Abbildung 5 gezeigten Analyse Nummer 6 sind in Abbildung 3 zu sehen. 

Eine Messung des Verschleißzustandes kann, abhängig von der gewählten Anzahl an Analysebereichen, innerhalb weniger Sekunden durchgeführt werden. In Abbildung 6 ist eine schematische Darstellung des zeitlichen Ablaufs einer Verschleißmessung gezeigt. Nachdem der Schleifprozess gestoppt und das Schleifwerkzeug mit Druckluftimpulsen gereinigt wurde, können Aufnahmen der Werkzeugtopografie angefertigt werden. Das Einbauen der mobilen Mikroskop-halterung und die Anfertigung einer ausreichenden Anzahl von Bildern kann in unter 1 Minute erfolgen. Die Analyse kann bereits während der Anfertigung der mikroskopischen Aufnahmen gestartet werden. Die Verschleißmessungen sind dadurch bereits wenige Sekunden nach der Anfertigung der Aufnahmen abgeschlossen. Die Ergebnisse können direkt in der Anwendung betrachtet werden oder als Excel- und Bilddateien abgespeichert werden. 


Zeitliche Darstellung des Analyseablaufs


Die Messung kann nach einer definierten Stückzahl, einem festgelegten Zerspanungsvolumen oder nach einer definierten Zeiteinheit erfolgen. Der aktuelle Verschleißzustand bzw. die Schleiffähigkeit des Schleifwerkzeugs kann auf diesem Wege sehr einfach während des gesamten Prozesses überwacht werden.

Versuche und Ergebnisse des Messverfahrens

Für die hier dargestellten Versuche wurde der Verschleißzustand einer kunstharz-gebundenen Diamantschleifscheibe (D151 C100) untersucht. Der Zustand der Schleifscheibe sollte unabhängig von den verwendeten Abricht- und Schleifparametern ermittelt werden. Zudem sollte die Wiederholbarkeit des Messverfahrens gezeigt werden. 

Für die Oberflächenanalyse wurden 20 Aufnahmen der Oberflächentopografie an zuvor fest definierten Positionen über den gesamten Umfang des Werkzeugs angefertigt. Die Aufnahmebereiche betrachteten die Mitte der Schleifscheibenoberfläche und waren in einem 18° Winkel zueinander versetzt. Bei der Auswertung der Analyseergebnisse wurde ein inhomogener Verschleiß des Schleifwerkzeugs festgestellt, woraufhin die Scheibenoberfläche in 4 Sektoren unterteilt wurde. Eine schematische Darstellung der 20 Aufnahmepositionen und deren Sektoren wird in Abbildung 7 (links) gezeigt. Die durchschnittliche Anzahl und Fläche der angeflachten Körner ist, nach Sektoren unterteilt, in Abbildung 7 (rechts) dargestellt. Hierbei ist zu erkennen, dass die Aufnahmebereiche in Sektor I, im Vergleich zu Sektor III und IV, eine deutlich höhere durchschnittliche Anzahl und Fläche von Kornanflachungen aufweist. Die Analyseergebnisse zeigen, dass die Werkzeugoberfläche in Sektor I und II stärker im Eingriff sind wie der Rest der Schleifscheibe, was auf schlechte Rundlaufeigenschaften des Werkzeugs während des Prozesses hindeutet.

Darstellung der durchschnittlichen Anzahl und Fläche von Kornanflachungen (rechts), untergliedert in 4 Sektoren des Schleifwerkzeuges mit jeweils fünf Aufnahmepositionen (links)

Zur Prüfung der Wiederholbarkeit des Messverfahrens wurden zwei weitere Messungen mit jeweils 20 Aufnahmen, ohne die Verwendung einer Kamerahalterung, angefertigt. Die Bilder wurden stattdessen von Hand in den bereits definierten Positionen angefertigt, wobei der Aufnahmebereich nicht auf die Mitte der Werkzeugoberfläche beschränkt war.

Die Ergebnisse der 20 Oberflächenaufnahmen wurden hierbei für jede Messung mittels der Fläche der Kornanflachungen absteigend sortiert und in Abbildung 8 miteinander verglichen. Die Beschriftung der X-Achse ist hierbei eine Index-Nummerierung und nicht die Positionsnummer des Aufnahmebereiches. Sowohl bei der Anzahl als auch bei der Fläche der Kornanflachungen ist ein klarer Trend zu erkennen, welcher auf schlechte Rundlaufeigenschaften des Werkzeugs hinweist. Die Trendlinien der drei Messungen, in Bezug auf die ermittelte Fläche der Kornanflachungen, zeigt nur eine sehr geringe Streuung auf, wodurch die Wiederholbarkeit des Messsystems gezeigt werden konnte.

Nach Fläche der Kornanflachungen (ab d = 15µm) absteigend sortierte Analyseergebnisse von 3 Messungen mit jeweils 20 Oberflächenaufnahmen


Durchschnittliche Anzahl und Fläche der Kornanflachungen bei 20 bzw. 10 Oberflächenanalysen je Messung

Aus den Analyseergebnissen können Referenzwerte ermittelt werden, die bei der Beurteilung des aktuellen Verschleißzustandes von Werkzeugen verwendet werden können. In Abbildung 9 werden diese Werte in Form des arithmetischen Mittelwertes aus der Anzahl und der Fläche der angeflachten Körner erstellt. Es ist zu erkennen, dass die Analyseergebnisse der Messungen ohne definierte Aufnahmeposition nahe bei den Messergebnissen der Messung mit fest definierten Positionen liegen. Es ist auch zu sehen, dass eine Reduzierung der Oberflächenaufnahmen von 20 auf 10 Bilder keinen großen Einfluss auf die Genauigkeit der Referenzwerte hat. Um die Wirtschaftlichkeit des Messverfahrens zu maximieren, sollte daher die minimal benötigte Anzahl der Aufnahmebereiche ermittelt werden. Die Anzahl der Aufnahmebereiche ist abhängig von der Größe des Schleifwerkzeugs und dem verwendeten Vergrößerungsfaktor des Kamerasystems. Aufgrund von Erfahrungswerten kann gesagt werden, dass für ein Schleifwerkzeug mit einem Durchmesser von 100mm bei einer Vergrößerung von 60 etwa fünf Aufnahmebereiche, die gleichmäßig über den gesamten Umfang der Oberfläche verteilt sind, für eine akkurate Bestimmung des Verschleißzustandes ausreichen.

Zusammenfassung

Das innovative Messsystem „GrainVision“ ermöglicht eine prozessnahe Analyse des Verschleißzustandes von Schleifwerkzeugen mithilfe von hochauflösenden Aufnahmen der Oberflächentopografie. Mithilfe von bildverarbeitenden Methoden und Algorithmen können Rückschlüsse auf die Ausprägung von Kornanflachungen und Zusetzungen auf der Werkzeugoberfläche getroffen werden. Dank des hochauflösenden Kamerasystems können selbst Werkzeuge mit kleinsten Korngrößen auf ihre Schleiffähigkeit hin bewertet werden.

Aufgrund der einmalig angelegten Analysekonfigurationen können Verschleißmessungen einfach und schnell in individuell festgelegten Intervallen durchgeführt, eine detaillierte Aufzeichnung des Verschleißverhaltens erstellt und die Abrichtzeitpunkte wirtschaftlicher geplant werden. Eine Maximierung der Standzeit und prozessspezifische Optimierung der Abricht- und Schleifparameter kann hierdurch erreicht werden.
Zusammengefasst bietet das Messsystem die Möglichkeit, Schleifprozesse effizienter, wirtschaftlicher und qualitätssicherer zu gestalten.

 

B.Sc. Björn Becker
Prof. Dr.-Ing. Bahman Azarhoushang
Kompetenzzentrum für Spanende Fertigung (KSF), Hochschule Furtwangen
aza@hs-furtwangen.de



Literatur:
[Azar11]    Azarhoushang, B.; „Intermittent Grinding of Ceramic Matrix Composites“; Diss. Uni Stuttgart, 2011.
[Azar14]    Azarhoushang, B., Rasifard, A.; „Das Abrichten als integraler Bestandteil des Schleifprozesses: Mechanische Abrichtprozesse“; diamond business, Heft 49, ISSN 1619-5558, S. 64-71, 2014.
[Baus02]    Baus, A.; „Anwendung der nichtlinearen Zeitreihenanalyse auf Schleifprozesse“; Diss. RWTH Aachen, 2002.
[Hell04]    Helletsberger, H: Grindology Paper; G7 Schleiftechnische Grundbegriffe, Tyrolit Schleifmittelwerke Swarowski K.G, Seite 43, 2004
[Kloc05]    Klocke, F.; König, W.; „Fertigungsverfahren“ Band 2: Schleifen, Honen, Läppen; 4. Auflage; ISBN 13: 978-3-540-23496-8 Springer Verlag Berlin Heidelberg New York, 2005.
[LANG97]    Lange, D.; Kappmeyer, G.; „Verfahren zur Erhöhung der Prozesssicherheit innerhalb der Prozessketten Kolbenlaufbahn- und Turbinenschaufelbearbeitung“; Jahrbuch Schleifen, Honen, Läppen und Polieren, 58. Ausgabe, Hrsg.: Tönshoff, H.-K.; Westkämper, E. 1997.
[Suzu95]    Suzuki, H.: “Development of 5 axis controlled ultraprecision grinding machine equipped with the system measuring and compensating profile error on the machine” In: Proceedings of symposium for key technology in precision machine, Shanghai, pp 291–294, 1995.