Material removal and grinding wheel wear mechanisms during grinding of polycrystalline cubic boron nitride

Müller, Ulrich Hermann; Bergs, Thomas; Klocke, Fritz

doi:HT030331767

Material removal and grinding wheel wear mechanisms during grinding of polycrystalline cubic boron nitride = Zerspanungs- und Schleifscheibenverschleißmechanismen beim Schleifen von polykristallinem kubischem Bornitrid

Müller, Ulrich Hermann^RWTH*

2023

VerantwortlichkeitsangabeUlrich Müller

Ausgabe1. Auflage

ImpressumAachen : Apprimus Verlag 2023

Umfang1 Online-Ressource : Illustrationen, Diagramme

ISBN978-3-98555-163-7

ReiheErgebnisse aus der Produktionstechnik ; 20/2023

Dissertation, RWTH Aachen University, 2023

Druckausgabe: 2023. - Auch veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak04

Hauptberichter/Gutachter
Bergs, Thomas (Thesis advisor)^RWTH* ; Klocke, Fritz (Thesis advisor)^RWTH*

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2023-07-04

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2023-07507
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/962621/files/962621.pdf

Einrichtungen

Projekte

DFG project 282086890 - Analyse der Zerspanungs- und Abtragsmechanismen beim Schleifen hochharter Schneidstoffe am Beispiel von polykristallinem Bornitrid (PCBN) (282086890) (282086890)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
SCHLTF100 (frei) ; grinding (frei) ; pcBN (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
Produzierende Unternehmen aus der Luft- und Raumfahrtindustrie sowie aus dem Automobilbau stehen vor der Herausforderung den steigenden Anforderungen an die Nachhaltigkeit der Produkte und Produktionsprozesse gerecht zu werden. Dies führt zu einem Wandel der Konstruktionswerkstoffe und geht mit einer Veränderung der für die Zerspanung dieser Werkstoffe verwendeten Schneidstoffe einher. Aufgrund der steigenden Anforderungen an die Zerspanbarkeit und Produktivität bei der Bearbeitung neuartiger Werkstoffe mit geometrisch bestimmter Schneide steigt die Nachfrage nach hochharten Schneidstoffen. Insbesondere im Segment der Wendeschneidplatten für die Zerspanung von eisenhaltigen Werkstoffen wird in den kommenden Jahren eine steigende Nachfrage nach Zerspanwerkzeugen aus polykristallinem kubischem Bornitrid (pcBN) erwartet. Das zunehmende Interesse an pcBN wird durch den geringen Werkzeugverschleiß und einer hohen Produktivität begründet. Aufgrund der herausragenden physikalischen Eigenschaften von pcBN ist die Herstellung von Werkzeugen aus pcBN jedoch kosten- und zeitintensiv. Bei der mechanischen Materialtrennung durch das Schleifen resultieren die mechanischen Eigenschaften des pcBN in einer geringen Produktivität und einem hohen Schleifscheibenverschleiß. In bestehenden Ansätzen zur Analyse der Ursache-Wirkungs-Zusammenhänge beim Schleifen von pcBN wurden bislang keine thermischen Lasten zwischen dem pcBN Werkstück und der Schleifscheibe berücksichtigt. Ferner wurde bislang ausschließlich das bahngebundene Quer-Seiten-Planschleifen von pcBN betrachtet, so dass keine Erkenntnisse zum bahngebundenen Längs-Seiten-Planschleifen und zum kraftgebundenen Quer-Seiten-Planschleifen von pcBN existieren. Diese Dissertation beinhaltet daher eine Erweiterung des bestehenden Wissens zum Schleifen von pcBN hinsichtlich der mechanischen und thermischen Lasten in der Kontaktzone zwischen dem pcBN Werkstück und der Schleifscheibe sowie die Schließung der Wissenslücke zu den Verfahrensvarianten des bahngebundenen Längs-Seiten-Planschleifens und kraftgebundenen Quer-Seiten-Planschleifens von pcBN. Daher sind die Analyse und Modellierung der grundlegenden tribologischen Bedingungen des Reibkontakts zwischen Diamant und pcBN und die Charakterisierung der thermischen und mechanischen Lasten beim bahngebundenen Längs-Seiten-Planschleifen sowie beim kraftgebundenen Quer-Seiten-Planschleifen von pcBN Gegenstand dieser Arbeit. Zur Ableitung von Handlungsempfehlungen für die Prozessauslegung in der industriellen Praxis werden basierend auf den thermischen und mechanischen Lasten die resultierenden Zerspanungs- und Schleifscheibenverschleißmechanismen analysiert und erklärt.

Manufacturing companies in the aerospace and automotive industries are facing the challenge of increasing demands on the sustainability of products and production processes. This leads to a change in the structural materials and is accompanied by a change in the cutting materials used for machining these materials. Due to the increasing requirements in terms of machinability and productivity in the machining of novel materials with geometrically defined cutting edges, the demand for superhard cutting materials is rising. In the segment of indexable inserts for machining of ferrous materials in particular, the demand for polycrystalline cubic boron nitride (pcBN) cutting tools is expected to increase in the coming years. The growing interest in pcBN is driven by low tool wear combined with high productivity. Due to the superior physical properties of pcBN, the manufacturing of tools from pcBN is cost- and time-demanding. In mechanical material removal by grinding, the mechanical properties of pcBN result in low productivity and high grinding wheel wear. In existing approaches to analyze the cause-effect-relationships in grinding of pcBN, thermal loads between the pcBN workpiece and the grinding wheel were not considered yet. Furthermore, only track-bound plunge face grinding of pcBN was considered so far, resulting in a lack of knowledge on track-bound longitudinal face grinding and force-controlled plunge face grinding of pcBN. Therefore, this thesis involves expanding the existing knowledge on grinding of pcBN with respect to the mechanical and thermal loads in the contact zone between the pcBN workpiece and the grinding wheel, as well as closing the knowledge gap on the process variants of track-bound longitudinal face grinding and force-bound plunge face grinding of pcBN. Therefore, the analysis and modeling of the basic tribological conditions of the frictional contact between diamond and pcBN and the characterization of the thermal and mechanical loads in track-bound longitudinal face grinding as well as in force-controlled plunge face grinding of pcBN are the subject of this work. In order to derive recommendations for the process design of industrial applications, the resulting material removal and grinding wheel wear mechanisms are analyzed and explained based on the thermal and mechanical loads.

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