Theory of chip formation in grinding of fiber reinforced ceramics with porous matrix
Final Report Abstract
Aufgrund ihrer thermo-mechanischen Eigenschaften und geringen Herstellungskosten repräsentieren faserverstärkte Keramiken mit unbeschichteten Fasern in einer porösen Matrix einen Werkstoff mit hohem Anwendungspotential in unterschiedlichen Einsatzgebieten. Obwohl in vielen Fällen eine schleiftechnische Endbearbeiten von Bauteilen aus diesem Werkstoff notwendig ist, sind die Zerspanmechanismen und die resultierenden Oberflächeneigenschaften unbekannt. Das übergeordnete Ziel des Forschungsvorhabens war es ein Erklärungsmodell für die Zerspanmechanismen bei der Schleifbearbeitung von faserverstärkten Keramiken mit unbeschichteten Fasern in einer porösen Matrix in Abhängigkeit von der Faserorientierung bezogen auf die Schleifrichtung, dem Fasertyp, dem Matrixtyp und den Schleifprozessparametern zu entwickeln. Zur Zielerreichung wurden vier Arbeitspakete definiert. Im ersten Arbeitspaket wurden Einkornritzversuche durchgeführt. Dabei wurden der Matrixtyp, der Fasertyp sowie die Faserorientierung in Bezug auf die Ritzrichtung variiert. Während der Untersuchungen wurden die resultierende Normal- und Tangentialkraft aufgezeichnet. Die erzeugten Ritzspuren wurden quantitativ mithilfe von Laserscanningmikroskop-Aufnahmen und qualitativ anhand von REM-Aufnahmen untersucht. Die identifizierten Oberflächenphänomene wurden in einem Beschreibungsmodell zusammengefasst. Basierend auf diesen Oberflächenphänomenen wurden die zugrundeliegenden Zerspanmechanismen abgeleitet. Sowohl für Faser als auch Matrix konnte ein duktiles Zerspanverhalten nachgewiesen werden, wenn eine spezifische Spanungsdicke und somit eine thermo-mechanische Belastung nicht überschritten wurde. Bei einer Überschreitung dieses Übergangsbereichs zeigten Fasern und Matrix sprödhartes Zerspanverhalten. Dieser Schwellwert wurde anschließend in Abhängigkeit von der Faserorientierung, dem Fasertyp, dem Matrixtyp und der Geometrie des Einkornritzdiamanten bestimmt. Zusätzlich zur Analyse der Einkornritzuntersuchungen wurden im zweiten Arbeitspaket Rückschlüsse auf die zugrundeliegenden Zerspanmechanismen durch die Analyse der erzeugten Späne oder Fragmente gezogen. Die Übertragung der Ergebnisse der Einkornritzversuche auf einen Schleifprozess wurde im dritten Arbeitspaket anhand von Flachschleifversuchen durchgeführt. Dabei wurden die Prozessstrategie, das bezogene Zeitspanungsvolumen sowie die Schleifscheibenumfangsgeschwindigkeit variiert. Als Bewertungsgrößen wurden die maximale Höhe der Oberfläche Sz, die mittlere arithmetische Höhe der Oberfläche Sa, die mittlere quadratische Höhe der Oberfläche Sq und die Kernhöhe der Oberfläche Sk herangezogen. Zusätzlich wurden REM-Aufnahmen der geschliffenen Oberflächen für qualitative Analysen erstellt. Während der Schleifversuche wurden die Schleifnormal- und Schleiftangentialkraft bei allen Versuchspunkten aufgezeichnet, wohingegen die Prozesstemperatur stichprobenartig gemessen wurde. Die Schleifversuche zeigten, dass die auf Basis der Einkornritzversuche entwickelten Modelle zur Erklärung der Oberflächenphänomene und Zerspanmechanismen qualitativ auf einen Flachschleifprozess übertragen werden können. Abschließend wurden auf Basis der im vierten Arbeitspaket generierten Beschreibungs- und Erklärungsmodelle hinsichtlich des Zerspanverhaltens der faserverstärkten Oxidkeramiken mit poröser Matrix beim Einkornritzen und während des Schleifens Hinweise für eine wissensbasierte Prozessauslegung zur Schleifbearbeitung von faserverstärkten Keramiken mit poröser Matrix abgeleitet. Als Ergebnis des Forschungsprojekts liegt ein heuristisches Modell vor, mit Hilfe dessen das Zerspanverhalten von faserverstärkten Keramiken mit poröser Matrix und unbeschichteten Fasern erklärt wird und somit die bei der Schleifbearbeitung auftretenden Zerspanmechanismen vorhergesagt werden können. Die Originalität des Modells liegt in der erstmaligen systematischen Untersuchung des Einflusses von Matrixtyp, Fasertyp und Faserorientierung auf das Zerspanverhalten bei der Schleifbearbeitung. Das erweiterte Prozessverständnis trägt zur effizienteren Auslegung von Schleifprozessen von faserverstärkten Keramiken mit poröser Matrix bei.
Publications
- Influence of Fiber Orientation on Material Removal Mechanisms in Grinding Fiber-Reinforced Ceramics with Porous Matrix. In: Production Engineering Research and Development WGP Jahreskongress, 2017
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- Material Removal Mechanisms in Grinding of Two-phase Brittle Materials. In: The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 2017, S. 287–298
Müller, S.; Wirtz, C.; Trauth, D.; Mattfeld, P.; Klocke, F.
(See online at https://doi.org/10.1007/s00170-017-1184-2) - Plastic Deformability on Micro-scale of Fiber Reinforced Ceramics with Porous Matrix. In: Procedia Engineering, 2017
Müller, S.; Wirtz, C.; Trauth, D.; Klocke, F.
(See online at https://doi.org/10.1016/j.proeng.2017.10.748) - Schleifbearbeitung von CMCs mit poröser Matrix – Methodik zur Analyse der Zerspanmechanismen bei faserverstärkten Oxidkeramiken. In: wt Werkstattstechnik online, 2017, S. 461–466
Müller, S.; Kittel M.; Trauth, D.; Klocke, F.
- Material Removal Mechanisms during Grinding of Fiber-Reinforced Ceramics with Porous Matrix. Dissertation, RWTH Aachen, 2018
Müller, S.
