Ultraschallbearbeitung von technischer Keramik (Ergebnisse der Bachelorarbeit)

Für die Bearbeitung von hart-spröden Werkstoffen, wie technische Keramik (wie z.B. Aluminiumoxid, Siliziumcarbid, Zirkonoxid usw.) haben sich auf dem Markt mehrere Verfahren etabliert. Eine für die Bearbeitung dieses Werkstoffes besonders geeignete Technologie ist jedoch die ultraschallunterstützte Fräsbearbeitung. Ein Hybridverfahren, bei dem konventionelle Prozesskinematik mit einer axialen Ultraschallschwingung des Werkzeugs kombiniert wurde.
Eigentlich zählt die ultraschallunterstützte Bearbeitung nach DIN 8589 zum Spanen mit geometrisch unbestimmter Schneide, wobei rotierende Diamantwerkzeug mittels Ultraschall in Schwingung versetzt werden. Durch diese pulsierende Bewegung ist das Werkzeug nicht permanent im Eingriff und es werden die Prozesskräfte, der Verschleiß des Werkzeugs, sowie die thermische Belastung in der Arbeitszone reduziert. Dieser Prozess ist gerade für spröde Werkstoffe sehr schonend, da die Mikrorissbildung an der Oberfläche reduziert wird. Ultraschallunterstützte Zerspanungsprozesse sind jedoch komplex und es liegen noch keine reproduzierten Richtwerte für die Bearbeitung konkreter Werkstoffe vor.
Die Anwendungsvielfalt der keramischen Werkstoffe steigt stetig. Dank der besonderen Werkstoffeigenschaften, wie geringes Gewicht, hohe chemische und thermische Beständigkeit sowie Verschleißfestigkeit verbreiten sich die Anwendungsfelder der technischen Keramik von der Luft- und Raumfahrt über den Maschinenbau bis hin zur Medizintechnik. In diesen Bereichen bestehen höhere Anforderungen an die Leistungsparameter, Maß- und Formgenauigkeit, Oberflächenqualität, Lebensdauer und tribologischen Eigenschaften. Dazu kommt ein steigender Kosten- und Termindruck.  
Seitens der Fertigungstechnik sind für Anwender weitere Herausforderungen vorhanden, wie z.B. fehlende Richtwerte für die Bearbeitung von derartigen Werkstoffen und unkonstante Werkstoffeigenschaften, die auf die Herstellungsprozess technischer Keramik zurückzuführen sind.
In Rahmen einer Bachelorarbeit wurden auf einem Bearbeitungszentrum DMG/Sauer Ultrasonic 20 linear Untersuchungen zur mit Ultraschall unterstützten Bearbeitung der technischen Keramik Al2O3 durchgeführt. Dabei wurden optimale Parameter für einen stabilen Zerspanprozess und die erzielten Oberflächengüten ermittelt. Schlussfolgernd werden Empfehlungen für Schnittparameter bei der Keramikzerspanung mit Ultraschallunterstützung gegeben. Zusätzlich wurden Verschleißmessungen an den eingesetzten Werkzeugen und die Betrachtung des Selbstschärfeeffektes durchgeführt.
Als Ergebnis sind folgende Zusammenfassungen und Empfehlungen festzuhalten:
Werkzeugkonfigurationen (Korngröße, Bindungsart, Kornhärte) und auch die Prozessparameter richteten sich nach dem zu bearbeitenden Werkstoff, der Bearbeitungsstrategie, sowie des zu fertigen Formelementes
Der Werkzeugverschleiß wirkt negativ auf die Maßhaltigkeit der Geometrieelemente, insbesondere bei der Fertigung von scharfen Innenkonturen. Empfohlen wird, beim Schlichten eine galvanische Bindung der Schleifkörner zu wählen.
Bei der Bearbeitung der Oxidkeramik sind die erstellten Tabellen zur Werkzeug- und Prozessparameterauswahl zu nutzen. Diese stehen in der Kontaktstelle auch für weitere Beratungen interessierter KMU zur Verfügung. 

 

Bild: Bearbeitung der Oxidkeramik und Verschleissuntersuchungen am Diamantwerkzeug
 
Ansprechpartner
Katja Albrecht
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