Schleifen Polierschleiftechnik verkürzt Prozesskette beim Bearbeiten optischer Oberflächen

Autor / Redakteur: Alexander Grüntzig / Bernhard Kuttkat

Um bei sprödhartem, hochfestem Material Oberflächen in optischer Qualität zu erzeugen, sind die Prozessschritte Vorschleifen, Feinschleifen und Polieren erforderlich. Mit einem Zeitanteil bis zu 70% ist das Polieren der kostenintensivste Arbeitsschritt. Feinschleifen und Polieren in einem Schritt kann die Kosten des Schleifens deutlich senken.

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Bild 1 (rechts): Das Wirkprinzip der Elektrolytzelle (a) wurde angepasst an den Schleifprozess und die Schleifkinematik (b).
Bild 1 (rechts): Das Wirkprinzip der Elektrolytzelle (a) wurde angepasst an den Schleifprozess und die Schleifkinematik (b).
( Archiv: Vogel Business Media )

Die Leidensgeschichte eines Austin Healey 3000, Baujahr 1962, und der Erfolg einer modernen Ultrapräzisionsschleiftechnologie liegen enger beieinander, als dem Fahrzeugliebhaber auf der einen und dem Naturwissenschaftler auf der anderen Seite lieb sein mag. Zugrunde liegt ein Phänomen, das unter verschiedenen Namen von dem einen bekämpft und von dem anderen gefördert wird.

Der Chemiker beschreibt es nüchtern mit der Formel Fe2+ + 2OH– → Fe(OH) und spricht vom Eisenhydroxid als Reaktionsprodukt der Eisenpartikel mit den aus der Wasserdissoziation stammenden OH–-Ionen. Dem Maler wiederum ist der rote Farbstoff als Folgereaktionsprodukt Hämatit bekannt. Optiker nutzten es früher als Poliermittel unter dem Namen Polierrot. Der Autoliebhaber aber kennt es vor allem unter dem gefürchteten Namen „Rost“.

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Um auch bei sprödhartem und hochfestem Material Bauteiloberflächen in optischer Qualität zu erzielen, sind die Prozessschritte Vorschleifen, Feinschleifen und Polieren erforderlich. Mit einem Zeitanteil bis zu 70% an der gesamten Bearbeitung ist das Polieren der kostenintensivste Arbeitsschritt. Eine Kombination aus Polieren und Feinschleifen in einem Schritt kann eine große Zeitersparnis bewirken. Wie bereits der Name „Polierschleifen“ vermuten lässt, handelt es sich um einen Schleifprozess unter Zuhilfenahme eines Poliermediums.

Dabei lassen sich fünf Einsatzfelder des Poliermittels unterscheiden:

  • extern zugeführt,
  • bereits im Kühlschmierstoff enthalten,
  • in der Schleifscheibenbindung enthalten,
  • im Werkstück enthalten oder
  • im Schleifprozess produziert.

Metalloxide bilden ein lockeres Gefüge

Soll das Poliermittel im Schleifprozess selbst produziert werden, macht man sich die Eigenschaften des Korrosionsproduktes – also des Rosts – zunutze. Metalloxide bilden ein lockeres Gefüge mittlerer Härte und eignen sich hervorragend zum Polieren.

Im Schleifprozess können sich diese Oxide durch eine elektrochemische Reaktion auf der Schleifscheibenoberfläche bilden. Es ist die Sauerstoffkorrosion, die die unedlen Metallbestandteile der Schleifscheibe zur Metalloxidbildung veranlasst. Im Kühlschmierstoff zusätzlich enthaltene Molybdän-Ionen führen später zur Mischkristallbildung. Dieser Prozessschritt ermöglicht eine gleichmäßige und flächendeckende Oxidation und steigert die Haftung der Oxide an den Schleifscheiben-Bindungsuntergrund.

Positiv gepolte Schleifscheibe dient als Anode

Weil es sich bei der Korrosion um einen Redoxprozess handelt, könnte diese auch ohne äußeren Einfluss ablaufen. Der Prozess lässt sich allerdings beschleunigen, indem man sich am Aufbau einer elektrolytischen Durchflusszelle orientiert: Diese besteht aus einer positiv und einer negativ geladenen Elektrode (Anode und Kathode), die durch einen Spalt getrennt sind, der von Kühlschmierstoff durchflutet ist. Angepasst an den Schleifprozess und die Schleifkinematik wird die metallgebundene Schleifscheibe positiv gepolt und dient damit als Anode, während eine Kupferelektrode die Funktion der Kathode übernimmt (Bild 1).

Durch die Variation der Strom- und Spannungsparameter lässt sich die Dicke der sich aufbauenden Oxidschicht beeinflussen. Je nach Einstellung kann diese Schicht bis zu 100 µm dick werden (Bild 2). Die passivierende Wirkung der Oxidschicht stoppt den Aufbau automatisch.

Oxidschicht entfaltet Polierwirkung beim Schleifen

Während der Bearbeitung des Bauteils reibt sich die Oxidschicht beim Kontakt der Schleifscheibe mit dem Werkstück in der Arbeitszone ab und entfaltet unter dem Arbeitsdruck des Werkzeugs ihre Polierwirkung. Bei der elektrolytischen Korrosion handelt es sich um einen selbstregelnden Prozess – nach dem Abrieb der Oxidschicht baut sie sich von selbst wieder auf.

Doch die Korrosion dient nicht nur zur reinen „Produktion“ von Poliermitteln, sondern übt auch einen Einfluss auf den Schleifprozess aus: Sie greift das Bindungsmaterial so sehr an, dass sich das Spanabtragsverhalten der eingesetzten Körnung ändert. Die Bindung wird zurückgesetzt und die Kornhaltekraft verringert. Dadurch verringert sich die Spandicke im Prozess.

Bindungsrückgang beschleunigt Kornausbruch

Die Folge ist eine bessere Rauheit der Werkstückoberfläche. Der Bindungsrückgang leitet einen frühen Kornausbruch ein. Dabei rollt das gelockerte und herausbrechende Korn im Arbeitsspalt zwischen Werkstück und Schleifscheibenbindung ab und unterstützt auf diese Weise den Polierprozess (Bild 3).

Das Fraunhofer- Institut für Produktionstechnologie (IPT) hat das Polierschleifen bereits auf mehreren Schleifmaschinen erfolgreich getestet. Der modifizierte Kühlschmierstoff basiert zu über 97% auf Wasser und kann auch im konventionellen Schleifprozess eingesetzt werden. So lässt sich beispielsweise ein konventioneller Vorschleifprozess mit einem nachgeschalteten Polierschleifverfahren auf einer Zweispindelmaschine ohne Einschränkungen in einem gemeinsamen Arbeitsraum durchführen (Bild 4).

Die Ergebnisse der bisherigen Untersuchungen zeigen den positiven Effekt bei der Polierschleifbearbeitung von Stahl, Hartmetall, Glas und Keramik (Bilder 5 bis 7). Besonders gut sichtbar ist der polierende Einfluss beim Werkstoff Glas. Die Entwicklung der Polierschleiftechnologie befindet sich allerdings noch im Anfangsstadium, deutlich wird aber bereits jetzt schon ihr großes Leistungspotenzial für die zukünftigen Anforderungen in der Fertigung von optischen Flächen und Komponenten.MM

Dipl.-Ing. Alexander Grüntzig M. S. ist wissenschaftlicher Mitarbeiter am Fraunhofer-Institut für Produktionstechnologie (IPT) in 52074 Aachen, Tel. (02 41) 89 04-2 41, alexander.gruentzig@ipt.fraunhofer.de

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