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Fakultät Maschinenbau

Bestimmung der mikroskopischen Verschleißmechanismen und Einsatzeignung von Diamant sowie cBN bei der Präzisionsschleifbearbeitung von gehärtetem Stahl unter Variation der thermomechanischen Belastung und Verwendung skalenübergreifender Messmethoden

Kubisches Bornitrid (cBN) ist ein häufig verwendeter hochharter Schneidstoff für die Bearbeitung von gehärteten Stählen aufgrund seiner hohen thermochemischen Beständigkeit. Diamant weist im Vergleich zu cBN überlegene mechanische Kennwerte auf und ermöglicht längere Standzeiten bei niedrigen Prozesstemperaturen, ist allerdings weniger temperaturbeständig. Bislang sind die Mechanismen des Werkzeugverschleißes von Diamant sowie cBN bei der Bearbeitung von Stahl nicht vollständig verstanden, was den Einsatz einschränkt und eine Forschungslücke darstellt. Es ist von besonderem Interesse, wie die Vorhersagbarkeit des Präzisionsschleifergebnisses und die Zuverlässigkeit der Schleifkornfunktion unter Einsatz von Diamant und cBN gesteigert werden kann. Das Verständnis der Wechselwirkung von Diamant und cBN mit einer Stahloberfläche und damit des Schleifkornverschleißes auf der Nanoskala stellt außerdem einen offenen tribologischen Aspekt dar. Daher bietet sich eine mikroskopische Beschreibung der für den Verschleiß relevanten Oberflächeneigenschaften der Schleifkörner und ihrer Abhängigkeiten von der Temperatur und des Drucks an.

 

Das Projekt zielt darauf ab, chemische, strukturelle und physikalische Ober-flächeneigenschaften von Diamant- und cBN-Schleifkörnern sowie des Werkstücks aus gehärtetem Wälzlagerstahl 100Cr6 auf meso- und nanoskopischer Ebene zu beschreiben; in Anlehnung an die Verhältnisse bei Schleifprozessen wird die thermomechanische Belastung variiert. Die miteinander korrelierten Eigenschaften sollen die Kornverschleißmechanismen beim Präzisionsschleifen und die Einsatzeignung und Effizienz der Schleifkörner zur Realisierung einer hohen Werkstückoberflächengüte charakterisieren. Zum einen sollen akustische Phononmoden die bei dem Schleifvorgang in das Kohlenstoff- oder Bornitrid-Atomgitter dissipierte Energie beschreiben und mit makro- und mikroskopischen Analysen zu Verschleiß und Reibung korreliert werden. Zum anderen werden anwendungsspezifische Prozessparameterräume für die Präzisionsschleifbearbeitung der eingesetzten cBN- und Diamantschleifscheiben sowie mögliche Grenzen und Vorteile bei ihrem Einsatz erschlossen. Die Verschleißbeständigkeit und das Materialabtragsverhalten werden für den zielgerichteten und wirtschaftlichen Einsatz von cBN und Diamant als Schleifmedien bei der Präzisionsschleifbearbeitung ergründet.

 

Hierzu werden komplementäre und skalenübergreifende Methoden, wie makro- und mikroskopische Untersuchungen von strukturell-topographischen Merkmalen, eingesetzt und die interatomaren Wechselwirkungen, die für chemische und physikalische Eigenschaften relevant sind, mittels Raman- und Brillouin-Laserlichtstreuung analysiert. Die thermomechanische Belastung für Diamant- und cBN-Schleifkörner im Kontakt mit der Werkstückoberfläche wird zudem über eine quantensensorische Messung von Druck und Temperatur in situ und operando erfasst. Das Institut für Spanende Fertigung und die Experimentelle Physik 2 werden die im Rahmen des Vorhabens notwendigen Forschungs- und Entwicklungsarbeiten durchführen.

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