Intermittent grinding of ceramic matrix composites

Keramische Faserverbundwerkstoffe (ceramic matrix composites, CMC) sind aufgrund ihrer vorteilhaften mechanischen, physikalischen und tribologischen Eigenschaften vielversprechende Werkstoffe für hochtechnologische Anwendungen, u. a. für Bremsscheiben (Rotoren) in Flugzeugen und Hochleistungsfahrzeugen. Präzisionsbauteile und Maschinenelemente aus hartzähen CMC bedürfen aber einer umfassenden Fein- und Fertigbearbeitung, welche aus o. g. Gründen sehr kostenintensiv ist. Für Bauteile aus CMC werden meist Schleifscheiben mit Diamant als Schneidwerkstoff verwendet, um die geforderten Geometrien und Konturen, Maß- und Lagetoleranzen und schließlich die Oberflächenqualitäten zu erreichen. Die Kosten für diese Bearbeitung können im Falle von CMC-Rotoren für Hochleistungsscheibenbremsen mehr als die Hälfte der Gesamt-herstellkosten betragen. Dies verhindert trotz der bereits beschriebenen Vorteile eine breitere Anwendung der CMC in Märkten mit hohem Wettbewerbsdruck. Die vorliegende Arbeit beschreibt die Entwicklung und Realisierung einer industriell einsetzbaren Schleiftechnik mit einer Verringerung der hohen Schleifkräfte und des großen Werkzeugverschleißes, sowie einer Verbesserung der Oberflächenbeschaffenheit am Werkstück unter gleichzeitiger Erhöhung der Materialabtragsgeschwindigkeit. Die Arbeit des Autors entstand während seiner Tätigkeit als wissenschaftlicher Mitarbeiter im Kompetenzzentrum für Schleiftechnologie und Feinstbearbeitung (KSF) an der Hochschule Furtwangen unter Leitung von Prof. Tawakoli in Zusammenarbeit mit dem Institut für Fertigungstechnologie keramischer Bauteile (IFKB) unter Leitung von Prof. Gadow. Es wird ein Konzept vorgestellt, um CMC durch das Schleifen mit unterbrochenem Schnitt zu bearbeiten und so den Schleifprozess schneller und kostengünstiger durchzuführen. Um das bisherige Verständnis von Schleifprozessen mit unterbrochenem Schnitt (sowohl mit Ultraschallunterstützung als auch mit segmentiertem Werkzeug) zu vertiefen, werden mehrere theoretische und mathematische Modelle vorgestellt. Der unterbrochene Schleifprozess mit segmentiertem Werkzeug, der ultraschallunterstützte Schleifprozess und eine Kombination beider Prozesse werden mit dem konventionellen Schleifprozess verglichen. Untersucht werden dabei die Auswirkungen verschiedener Prozessgrößen wie Schnitttiefe, Vorschub, Schnittgeschwindigkeit, Schwingungs-amplitude, als auch der Einfluss des CMC Werkstofftyps und des Schleifprozesses auf Verschleißentwicklung und -verhalten der Schleifscheibe, auf die Kräfte, die Energie, die Temperatur, die Oberflächenbeschaffenheit, die elastische Deformation, die Späne und die Eigenspannungen. Vergleichsuntersuchungen zeigen für das ultraschallunterstützte Schleifen, den Einsatz des T-Tools (segmentierte Schleifscheibe) als auch für die Kombination aus beiden eine eindeutige Verringerung der Zugeigenspannungen, der elastischen Deformationen, der Schleifkräfte und -energien als auch der Schleiftemperaturen. Zudem ergeben die Schleifprozesse mit unterbrochenem Schnitt höhere G-Verhältnisse. Im Vergleich zu konventionellen Prozessen kann durch das ultraschallunterstützte Schleifen (ultrasonic assisted grinding with normal wheel, UAG-N) sowohl die Oberflächenrauheit als auch der Traganteil im Anwendungsfall der Scheibenbremsen verbessert werden.