Theory of chip formation in grinding of biphasic brittle materials using the example of WC-Co carbide
Final Report Abstract
Die wirtschaftliche Schleifbearbeitung von WC-Co Hartmetallen stellt aufgrund der Werkstoffeigenschaften eine Herausforderung dar. Im ersten Förderzeitraum wurde bereits nachgewiesen, dass die mittlere WC-Korngrößenverteilung und der Co-Anteil in WC-Co Hartmetallen nicht nur die Werkstoffeigenschaften, sondern auch das Zerspanverhalten bei der Schleifbearbeitung maßgeblich beeinflussen. Einen Ansatz zur Optimierung des Schleifprozesses bietet die Vorhersage des Schleifscheibenverschleißes bei der Schleifbearbeitung von WC-Co Hartmetallen. Aufgrund von Voruntersuchungen war anzunehmen, dass auch der Werkzeugverschleiß von der WC-Co Hartmetallspezifikation abhängt. Daher war das Ziel dieses Forschungsvorhabens die Entwicklung eines Beschreibungs- und eines Erklärungsmodells für den Werkzeugverschleiß in Abhängigkeit von der WC-Co Hartmetallspezifikation bei der Schleifbearbeitung. Dazu wurden sowohl Einkornritzuntersuchungen als auch Schleifuntersuchungen mit sechs verschiedenen WC-Co Hartmetallspezifikationen, die systematisch in ihrer mittleren WC-Korngröße und in dem Co-Anteil variiert wurden, durchgeführt. Zudem wurden ausgewählte Prozessparameter variiert. Die Ergebnisse der Einkornritzuntersuchungen ermöglichten eine detaillierte Analyse der Verschleißmechanismen und der mechanischen Belastung am Diamantkorn in Abhängigkeit von der Hartmetallspezifikation und den Prozessparametern. Ein hoher Co-Anteil und eine große WC-Korngröße führten sowohl zu den höchsten Kräften als auch zu dem größten Volumenverlust am Diamantkorn. Die Mikroverschleißmechanismen wurden in TEM-Analysen untersucht. Insbesondere wurde festgestellt, dass beim Ritzen von Hartmetallspezifikationen mit hohem Kobaltanteil kein Adhäsionsverschleiß zu erkennen war. Sowohl eine Erhöhung der Werkstückvorschubgeschwindigkeit vw als auch eine Erhöhung der Zustellung ae führten tendenziell zu höheren Kräften und zu geringerem Kornverschleiß. Die Ergebnisse der Einkornritzuntersuchungen wurden mit realen Schleifversuchen validiert. Zudem wurde der Schleifscheibenmakroverschleiß mit Hilfe von Laserscanningmikroskop- Aufnahmen analysiert. Auf den Aufnahmen waren vermehrt Kornausbrüche zu erkennen. Diese traten häufiger bei hohen Werkstückvorschubgeschwindigkeiten auf. Eine Validierung der Einkornritzversuche anhand des Tangentialdrucks der Einkornritz- und Schleifversuche war nicht möglich, da die zweidimensionale Betrachtung der Ritzkornschneide die realen Eingriffsbedingungen nicht genau genug abbildet. Da die Validierung durch die Bearbeitung der Arbeitspakete im Antrag noch nicht vollständig erreicht werden konnte, wird aktuell eine Methode entwickelt, mit Hilfe derer die Eingriffsflächen der Ritzkörner mit den Aufnahmen des Laserscanningmikroskops berechnet werden. Anhand der Ergebnisse konnte ein heuristisches Erklärungsmodell aufgestellt werden, mit Hilfe dessen der Verschleiß beim Schleifen in Abhängigkeit von der Hartmetallspezifikation erklärt werden kann. Um die Ergebnisse dieses Projektes weiter verwerten zu können und ein genaueres Vorhersagemodell für den Schleifscheibenverschleiß entwickeln zu können, ohne aufwändige Ritzversuche an weiteren Hartmetallspezifikationen durchführen zu müssen, werden zukünftig zwei Ansätze verfolgt. Zum einen wird ein Simulationsmodell entwickelt, welches die auftretenden Ritzkräfte in Abhängigkeit von der realen Korngeometrie und der Hartmetallspezifikation numerisch bestimmt. Dazu wird auf die Finite Elemente Methode zurückgegriffen. Zum anderen werden die in diesem Projekt erzeugten Daten als Eingangsgrößen für Machine Learning Algorithmen verwendet. So sollen Korrelationen identifiziert werden, die in der manuellen Auswertung unentdeckt blieben. Zudem ist das Ziel der Anwendung von Machine Learning, den Schleifscheibenverschleiß mit den Eingangsgrößen der in diesem Projekt variierten Prozessparameter und der Hartmetallspezifikation zu berechnen und möglichst genau vorherzusagen.
Publications
- Analysis of the grinding wheel wear in dependency of the cemented carbide specification. In: The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, Jg. 99, Nr. 1–4, 2018, S. 747–754
Wirtz, C.; Dehmer, A.; Trauth, D.; Mattfeld, P.; Klocke, F.
(See online at https://doi.org/10.1007/s00170-018-2362-6) - Entwicklungen bei der Schleifbearbeitung von Hartmetall. Einsatzverhalten von sintermetallisch gebundenen Diamantschleifscheiben bei der Schleifbearbeitung verschiedener WC-Co Spezifikationen. In: Diamond Business, 17. Jg., Nr. 70, 2019, S. 12–19
Bergs, T.; Dehmer, A.; Barth, S.
- Influence of the Grinding Process on the Workpiece Surface and the Workpiece External Zone Properties of Cemented Carbides. In: Euro PM 2019 Proceedings, Maastricht, Niederlande, 2019
Bergs, T.: Dehmer, A.; Barth, S.; Wirtz, C.
- Einfluss des Schleifprozesses auf die Werkstückoberfläche und -randzone von WC-Co Hartmetallen, Wernesgrüner Werkzeugsymposium, Wernesgrün, 31. Januar 2020
Dehmer, A.; Wrobel, C.; Bergs, T.
