Dry grinding with CBN wheels, the effect of structuring

Abstract

Although some of the machining processes with defined cutting edges like milling and turn-ing could be recently applied without coolant, the realization of the processes with undefined cutting edges like grinding is still a challenge for researches and a very interesting target for industry. Grinding involves high specific energy compared to other machining processes due to the stochastic nature of the grain distribution and negative rake angle of grains. A major part of this energy is converted to friction, generated high heat, which can have harmful ef-fects on workpiece surface quality, and it also increases tool wear. Due to this high heat gen-eration, the coolant is a necessary part of the process to eliminate the thermal damages. In spite of many advantages of the use of coolant to prevent such adverse effects, ecological as well as economical problems are some disadvantages which have oriented the research works in the last decades to minimize the using of coolant or even to eliminate it. However, due to the complicated nature of grinding process, this goal has not been fully achieved yet. Structuring is presented in this work as a main concept of dry grinding. The concept of struc-turing is based on optimization of the chip formation which causes a considerable reduction of friction and rubbing in the process. Reduction of the dynamic cutting edges using structuring causes an increase of the chip thickness as well as micro-cutting and decreases the micro-ploughing and micro-rubbing processes during the grinding. Structuring of the grinding wheels can be done using different methods and geometry. The defined structured grinding wheels are achieved by the three main methods of dressing, laser conditioning and special electroplating. The structured wheels are compared with the conventional wheels by a series of systematic tests. The quality and integrity of ground surface as well as grinding forces, specific energy, temperature and tool wear are investigated. Physical models are developed for chip thickness, grinding forces, specific energy and workpiece temperature. A neural net-work model is also presented to estimate the workopiece roughness and burn. The test result shows that a higher material removal rate without thermal damages and more efficient process can be achieved by proper structuring. The developed models can also be used to design the structured tools as well as optimizing the process parameters.

Das Interesse von Forschung und Industrie an der Realisierung der Trockenbearbeitung beim Schleifen ist sehr groß, weil neben den Vorteilen der Benuzung der Kühlschmierstoff (KSS) zum Reduzierung der Wärme und Temperatur Ökonomische und Ökologische Probleme beim KSS-Verbrauch als die großen Nachteile sehr bemerkbar sind. Die bei Zerspanungsverfahren mit geometrisch definierter Schneide wie Drehen oder Fräsen relativ gut eingeführte Techno-logie der Trockenbearbeitung konnte bisher aus mehreren Gründen nicht auf Zerspanungsver-fahren mit geometrisch undefinierter Schneide übertragen. Zahlreiche Forschungen zeigen, dass die Zerspanung mit geometrisch undefinierter Schneide ein sehr energiereicher Prozess ist. Die Haupteinteil der zugeführten Energie wird in Wärmeenergie umgewandelt. Daher sind zur Reduzierung der Wärme und der Temperatur die Methoden wie Minimierung der Kühl-schmierstoffe und Trockenschleifen Stand der Technik. Die Lösungsideen für das Trockenschleifen in dieser Arbeit basieren im Wesentlichen auf das Konzept des Optimierens des Spanbildungsprozesses. Zur Reduzierung des Reibungsanteils und zur Optimierung des Spanbildungsprozesses beim Schleifen wurde die Anzahl der dyna-mischen Schneidenzahl auf der Kontaktfläche bei der Unterbrechung der Kontaktzeit redu-ziert. Diese Reduzierung der Schneidenzahl bei der Unterberechung gibt den Körnern die Chance dickere Späne abzutragen, erhöht die Anteile der Mikrospanung und reduziert die Anteile der Mikroreibung & Mikropflügen. Dieses Ziel wurde schon durch die gezielte Struk-turierung der Schleifscheibenbelag erreicht. Zur Strukturierung wurden verschiedene Geome-trien und Methoden verwendet. Die gezielte Strukturierung erfolgt mittels des Abricht- und Profilierungsprozesses, Laserbearbeitung so wie spezifische Galvanisierung. Die entwickelte physikalische Modelle für Spanungsdicke, Schleifkräfte, bezogene Energie und Temperatur sowie neuronales Netzwerkmodell zur Vorhersagung von Brandmarken und Rauheit unter-stützten die Lösungskonzepte bei der Strukturierung der Schleifscheibe. Mit der strukturierten Schleifscheibe konnte ein Trockenschleifprozess mit höherem Zeitspanvolumen und dazu höhere Wertschöpfung ohne thermische Probleme realisiert werden. Die entwickelten Model-le können zur Konzeption der neuen strukturierten Schleifscheiben so wie Optimierung der Prozessparametern verwendet werden.