Fachinformationen rund um's Schleifen von

Schleifen mit CBN- und Diamant-Schleifscheiben

Einführung

Der zunehmende Einsatz von verschleißfesteren und somit schwer zerspanbaren Stahllegierungen und die parallel geforderten Leistungssteigerungen und Qualitätsanforderungen führten maschinen- und schleifscheibenseitig zu entscheidenden Weiterentwicklungen. CBN hat sich als Schleifmittel durchgesetzt, das allen vorgenannten Forderungen gerecht wird. CBN hat eine hohe Lebensdauer und ausgezeichnete Materialabtragsraten und ist aus der Automobilindustrie nicht mehr wegzudenken. Dort sind kurze Schleifzykluszeiten und vollautomatisierte Fertigungen Standard. Die eingesetzten Schleifmaschinen haben sich in den letzten Jahrzehnten in punkto CNC-Achsen, Steuerung und Steifigkeit enorm weiterentwickelt.

Manche Materialien sind mit konventionellen Schleifmitteln schlichtweg nicht mehr wirtschaftlich schleifbar; seien dies nun pulvermetallurgische oder hochlegierte Werkzeugstähle.

CBN, oder kubisches Bornitrid, ist nach Diamant das zweithärteste bekannte Material. Während Diamant aus reinem Kohlenstoff, angeordnet in einer engen dreidimensionalen Matrix, besteht, verfügt CBN zwar über die gleiche dreidimensionale Matrix, wobei diese Matrix aber aus Bor- und Stickstoffatomen besteht. Das Kürzel CBN stammt aus dem Englischen: CubicBoron Nitride.

Aufgrund der komplexen Atomstruktur ist bei CBN eine größere Anzahl von Kornformen als zum Beispiel bei Diamant möglich. Die möglichen Kristallformen können sich von einer Oktaeder- bis hin zu einer Würfelform, oder auch von einer Oktaeder- bis hin zu einer Tetraederform erstrecken, wie dies nachstehend abgebildet wird:

Physikalische Eigenschaften

CBN enthält keinen Kohlenstoff und eignet sich somit im Gegensatz zu Diamant hervorragend zum Schleifen von gehärteten kohlenstoffhaltigen Stählen. Bei CBN handelt es sich um ein 100% synthetisches Produkt, das in der Natur nicht vorkommt. Die CBN-Synthese gelang zum ersten Mal 1957 in den Forschungslabors der Firma General Electrics.

Merkmale von CBN:

  • Hohe thermische Leitfähigkeit
  • Niedriger Reibungskoeffizient
  • Spezifisches Gewicht: 3,48 g/cm3
  • Chemische Elemente: B (Bor) und N (Stickstoff)
  • Gewichtseinheit: Karat (1 Karat = 0,2 g)

In der nachfolgenden Härtevergleichstabelle sind in Rot die Legierungsbestandteile von Stahl aufgezeichnet. Sobald die Legierungszusätze in eine Karbidform übergehen, wie das bei pulvermetallurgischen Stählen der Fall ist, kommen konventionelle Schleifmittel wie Korunde (Al2O3) schnell an ihre Leistungsgrenze (Knoop’sche Härte von 2.200) und der Einsatz von CBN mit einer Knoop’schen Härte von 4.500 ist mehr als gerechtfertigt. Zudem zeigt die folgende Tabelle u. a. auch die Überlegenheit von CBN gegenüber Al2O3 in Bezug auf Wärmeleitfähigkeit und somit kühleren Schliff auf.

Die Bearbeitung moderner Hartstoffe macht die innovative Nutzung von modernen Diamantschleifwerkzeugen unabdingbar. Mit immer härter werdenden und somit schwerer zu zerspanenden Werkstoffen ist der Einsatz von Diamantwerkzeugen bei Hartmetallen, technischen Keramiken, PKD, PCBN, Cermets und Hartbeschichtungen notwendig.

 DIA
DIAMANT
CBN
Quellesynthetisch oder natürlichsynthetisch

Eigenschaften

  • Härte kN/mm2

  • Dichte 3,52 g/cm3

  • Temperaturstabilität ~700 °C

  • Farbe: transparent bis grün-gelblich

  • Reaktionsfreudig bzgl. Karbidbildung

  • Temperaturstabilität: > 1.000 °C

  • Chemisch beständig

  • hermische Leitfähigkeit: 13 (W/cm²C)

  • Härte: ~4.500

  • RSpezifisches Gewicht: 3,48 g/cm³
EinsatzBearbeitung von Hartmetallen,
Keramik, Cermets, PKD, PKB, Glas
Stahlwerkstoffe, nickel- und
kobaltbasierte Legierungen

CBN-Schleifscheiben in galvanischer Bindung
Bei galvanisch belegten Schleifscheiben handelt es sich um Stahlgrundkörper, die in einem elektrolytischen Bad mit Schleifkörnern (CBN oder Diamant) meist einschichtig belegt werden. Um Nickel- und Kornablagerungen nur im Schleifbereich zuzulassen, wird der Stahlkörper an den Stellen mit Plastikmasse abgedeckt, wo keine Ablagerungen gewünscht werden. Bei diesem galvanischen Prozess wird durch ein elektrolytisches Bad Strom geschickt. Der Pluspol befindet sich an einer Nickelelektrode und der Minuspol am Stahlgrundkörper. Der Strom löst an der Nickelelektrode, der Anode, Metall-Ionen ab, die sich dann am Stahlkörper, der Kathode, ablagern und mechanisch die Schleifkörner auf dem Stahlkörper befestigen. Die Körner werden in der Regel nur so weit in die hochfeste Nickelschicht eingelagert, dass genügend Kornüberstand und somit Spanfreiräume bleiben. Diese Kornüberstände sind das Markenzeichen der 3M galvanisch gebundenen High Productivity (HPG)-Schleifscheiben.

3M unterscheidet „nicht-crushierte“ und „crushierte“ Ausführungen. Unter „Crushieren“ (engl. „Brechen“) versteht man in der Schleiftechnik das Brechen der Kornspitzen, um die Formgenauigkeit und die Schleiffreudigkeit zu erhöhen. Dies geschieht mittels einer Hartmetallrolle, die rotierend und bahngesteuert die ebenfalls mit gleicher Umfangsgeschwindigkeit rotierende Schleifscheibe abfährt und überstehende, von der Profilinie abweichende, Kornspitzen auf genaues Mass bricht. Bei diesem Prozess darf keine Relativgeschwindigkeit zwischen den beiden Umfangsgeschwindigkeiten der Hartmetallrolle und der Schleifscheibe aufkommen.

Galvanische Schleifscheiben, die für Schrupp- und Vorschleifprozesse eingesetzt werden, brauchen nicht „crushiert“ zu werden, um den Streubereich einzuengen. Werden hingegen hochgenaue Profile und Oberflächenqualitäten gefordert, ist das „Crushieren“ kaum zu vermeiden.

Standard oder individuell – die Bindungen
Je nach Aufgabenstellung stehen verschiedene Standardbindungen mit
entsprechenden Eigenschaften zur Verfügung, darüber hinaus aber auch eine große Anzahl von kundenspezifischen Sonderbindungen (hier nicht aufgeführt).

Kunstharzbindungen

  • kühlschleifend bei hohen Zustellwerten und hoher Zerspanungsleistung
  • griffig und freischneidend
  • geringe Schleifkräfte
  • trocken und nass einsetzbar
  • leicht bearbeitbar
DIAMANTSTANDARDBINDUNGENCBN
BXHbesonders weichschleifendRXF
BJ; BXJ
BJ...D; BXN
BJ...W

weichschleifend

RXJ
BN
BN...D; BXR
BN...W; BXR...W

griffig, stabil
RN...D
RN...W; RXN
RN...S; RXR
BR
BR...D
BR...W; BXS
BR...S; BXR...S

verschleißfest

RR...D
RR...W
RR...S; RXS
BY
BY...W; BXY
BXY...S

extrem verschleißfest

RX...S

Metallsinterbindungen

  • hohe mechanische Festigkeit
  • thermisch belastbar
  • hohe Verschleißfestigkeit
  • höhere Schleifkräfte
  • vorwiegend Nassschliff
  • schwer abrichtbar
DIAMANTSTANDARDBINDUNGENCBN
MHJ...Jextrem weichschleifendSF...N
MJ...; MHJ...NweichschleifendSJ...N
MHL...J
MHL...N
MHL...R

griffig, stabil

SML...N
MN...J ; MHN...J
MN...N ; MHN...N
MN...R ; MHN...R

verschleißfest

SR...N ; SMR...R
MX...J
MX...N ; MHS...R
MX...R

extrem verschleißfest

SX...N; SNX...N
SMX...R
MC...N; MHC...NeinrollprofilierbarSC...N; SMC...N

Keramikbindungen

  • kühlschleifend bei hohen Zustellwerten und hoher Zerspanungsleistung
  • griffig und freischneidend
  • gute Abricht- und Profilierbarkeit
  • geringe Schleifkräfte
  • vorwiegend Nassschliff
DIAMANTSTANDARDBINDUNGENCBN
KJ...J
KJ...N
weichschleifendVJ...J
VJ...N
KN...J
KN...N
griffig, stabilVN...J
VN...N
KR...J
KR...N
verschleißfestVR...J
VR...N
KX...J
KX...N
extrem verschleißfestVX...J
VX...N
HochleistungsbindungVY...J
VY...N

Galvanikbindungen

  • vorwiegend einschichtiger Belag
  • für komplizierte und komplexe Formen geeignet
  • sehr hohe Griffigkeit
  • vorwiegend Nassschliff
  • kein Konditionieren notwendig
DIAMANTSTANDARDBINDUNGENCBN
GN 333 / GXN200PN 2000 / PXN200

Qualitätsstandards – Grundkörper und Formbezeichnungen
Der Grundkörper bestimmt die statische und dynamische Festigkeit des Schleifkörpers und hat großen Einfluss auf das Schwingungsverhalten des Schleifwerkzeuges. Die Auswahl und Auslegung des Grundkörpers nehmen wir in Anpassung an die Scheibenform, das Fertigungsverfahren, die Schleifaufgabe und die internationalen Sicherheitsbestimmungen vor.

Unsere 3M-eigene Formbezeichnung kennzeichnet sowohl die Geometrie des Grundkörpers als auch die Geometrie und Anordnung des Schleifbelages. Sie wird durch den FEPA-Standard für Diamant- und CBN-Schleifscheiben ergänzt. Die erste Stelle der 3M-Form bezeichnet den zu bearbeitenden Werkstoff und die Bindungsart.

 

ZU
BEARBEITENDER
WERKSTOFF

SCHLEIFMITTEL

KUNSTHARZ
BINDUNGSARTEN
METALL

GALVANIK
KERAMIK
HartstoffDIAABCD
StahlCBNFGHJ
GlasDIAKLMN
SonstigeDIAPQRS

 

Scheibenkonstruktion

3M bietet heute im superharten Bereich profilierbare, keramisch gebundene CBN-Schleifscheiben in verschiedenen, an die Anforderungen der jeweiligen Anwendung angepassten Strukturen (porös und nichtporös, weich schleifend und verschleißfest) und Ausführungen an. Je nach Bedarf kommen völlig geschlossene Belagsringe bis zu Durchmesser 750 mm oder auch segmentierte Beläge zum Einsatz, wenn diese sich zum Beispiel aufgrund der Profilauslegung als wirtschaftlicher erweisen.

Es werden segmentierte und unsegmentierte Profilscheiben gefertigt. Die segmentierte Form hat insbesondere bei solchen Profilen ihren Vorteil, bei denen tiefe, innen liegende Profile vorliegen. Ein Beispiel für segmentierte Profilscheiben sind Schleifscheiben zur Herstellung von Tannenbaumprofilen in der Flugzeugindustrie.

Korngrößen nach FEPA / Mesh / JIS

 

FEPA (ΜM)MESHJISGRÖSSE (ZOLL
25260/80600,00980
18180/100800,00700
151100/1201000,00600
126120/1401200,00500
107140/1701400,00400
91170/2001700,00350
76200/2302000,00300
64230/2702300,00250
54270/3252700,00220
46325/4003250,00190
M4030/40 μ5000,00120
M1610/20 μ1.0000,00049
M106/12 μ2.0000,00030

In Europa wird die Korngröße für CBN in Mikrometer (μm) angegeben. So bedeutet Korngröße 126, dass der mittlere Korndurchmesser bei 0,126 mm liegt. In den USA und in Japan (JIS) wird analog den konventionellen Schleifmitteln, wie z. B. bei Schmelzkorunden, die Korngröße in „Mesh“ oder der Siebgröße angegeben, wobei die Anzahl Maschenöffnungen pro linearem Zoll gemeint ist.

Oberflächengüte in Bezug auf Korngröße

Die mit der jeweiligen Korngröße zu erzielende Oberfläche hängt unter anderem auch vom Werkstoff, von den Abrichtbedingungen, Zustellbeträgen, den Arbeitsgeschwindigkeiten und dem Kühlschmierstoff ab.

Konzentration

Mit der Konzentration wird der Gewichtsanteil der Schleifkörnung je Rauminhalt des Schleifbelages bezeichnet. International gültige Normen für die Konzentration fehlen. Allgemein hat sich die folgende Definition in Deutschland durchgesetzt, die in DIN 69800 Teil 2 genormt ist. Danach gilt für die Diamant- und CBN-Körnungen: Konzentration 100 = 4,4 Kt/cmSchleifbelag.
Da ein Karat (Kt) = 0,2 g ist, bedeutet Konzentration 100 also 0,88 g Schleifkorn je cm3 Schleifbelag. Dies gilt für Diamant- und CBN-Schleifwerkzeuge, da das spezifische Gewicht beider Kornarten nahezu gleich ist. Im Sinne einer Standardisierung werden DIA- und CBN-Schleifkörnungen im Wesentlichen in den in der Tabelle 4 genannten Konzentrationen verarbeitet.
Einige Hersteller verwenden volumenbezogene Konzentrationsangaben.
Diese Werte errechnen sich nach folgender Formel:

Das bedeutet, dass z. B. anstelle der Konzentrationsangabe 100 die Bezeichnung V24 bzw. V240 verwendet wird. Es gilt allgemein, dass bei größer werdender Konzentration die Rauigkeit der geschliffenen Werkstücke geringer wird, d. h. die Oberflächengüte und die Kantenschartigkeit werden verbessert. Der Schleifenergieaufwand wird höher. Das realisierbare Zeitspanvolumen wird geringer, d. h. die Schnittigkeit der Schleifscheibe nimmt ab.

3M Konzentrationen
25385075100125150175200
Karat / cm3
1,11,652,23,34,45,56,67,78,8
Volumenbezogene Konzentrationen in Prozent
V6V9V12V18V24V30V36V42V48
Volumenbezogene Konzentrationen in Promille
V60V90V120V180V240V300V360V420V480