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I. Loresch, O. Riemer
Kornverschleiß beim abrasiven Polieren mit Diamant
Grain wear in polishing with diamond abrasives
Zusammenfassung
Um die Ergebnisse eines abrasiven Polierprozesses möglichst genau vorhersagen zu können, bedarf
es genauer Kenntnis der wichtigsten Einflussfaktoren wie der Prozessparameter und deren
Wechselwirkungen. Aber auch die Kenntnis über die entscheidenden Bestandteile des Poliersystems
wie Werkzeug und Werkstück ist für die Analyse des Polierprozesses von maßgeblicher Bedeutung.
Bei der abrasiven Bearbeitung mit losem Korn besteht das eigentliche Werkzeug aus dem
Poliermittelträger und den in der Suspension zugeführten Abrasivkörnern. Das Wissen über das
Verhalten der Suspension und der darin erhaltenen Abrasivkörner während des Polierprozesses bietet
die Möglichkeit, die Ergebnisse des abrasiven Polierens zu verstehen und anhand von
Prozessmodellierungen vorherzusagen.
In diesem Beitrag werden mikroskopische Untersuchungen der Poliersuspension mit
Diamantabrasiven vor und nach dem Polieren vorgestellt und hinsichtlich der Änderung solcher
Charakteristika wie Kornform und Korngröße diskutiert.
Schlüsselwörter: Polieren, Verschleiß, Diamantkörner, Drei-Körper-Abrasion
Abstract
To predict the results of abrasive polishing processes precisely, exact knowledge of the most
important influencing factors like process parameters and their interaction is required. But also
knowledge about the most important components of the polishing system like tools and work piece is
of decisive relevance for the analysis of polishing processes. In the abrasive processing with loose
grains the actual tool consist of the polishing pad and the abrasive grains supplied in the slurry.
Comprehensive knowledge about the slurry including the abrasive grains contained and the temporal
behavior in the polishing process respectively offers the possibility to understand abrasive polishing
better and to predict machining results through modelling.
In this article microscopic investigations before and after polishing of the polishing slurry with diamond
abrasives are introduced and discussed concerning the alteration of characteristic features like grain
form and grain size.
Keywords: Polishing, wear, diamond abrasive, three-body abrasion
Autoren/Authors
Dipl.-math. techn. Inga Loresch, Labor für Mikrozerspanung LFM, Universität Bremen, Badgasteiner
Strasse 2, 28359 Bremen, Germany; Email: [email protected]; Tel: +49-421-218-51169
Dr.-Ing.Oltmann Riemer, Labor für Mikrozerspanung LFM, Universität Bremen
1. Einführung
Beim abrasiven Polieren werden die Abrasivkörner einer Paste oder Suspension beigemengt und dem
Prozess lose zugeführt. In Abhängigkeit von den Prozess- und Stellgrößen können die Körner
entweder in den Poliermittelträger eingenistet über die Werkstückoberfläche gleiten oder lose durch
die Wirkzone rollen. Daraus resultieren unterschiedliche abrasive Materialtrennmechanismen – Zweibzw. Drei-Körper-Abrasion; auch Mischzustände sind möglich. Bild 1 zeigt schematisch die möglichen
Materialtrennmechanismen bei der Bearbeitung mit losem Korn sowie daraus entstehende
Oberflächentopografien [1, 2, 3].
1
Bild 1: Materialtrennmechanismen bei der mechnisch-abrasiven Bearbeitung mit losem Korn und die
entstehenden Oberflächentopographien
Fig. 1: Material removal mechanisms and topographies of mechanically polished surfaces
Die Art des Trennmechanismus beeinflusst entscheidend die entstehende Oberflächentopografie und
damit die Oberflächengüte sowie die Abtragsrate als Kriterium für die Effektivität und Wirtschaftlichkeit
des Fertigungsverfahrens. Während die Zwei-Körper-Abrasion wegen ihres Auftretens beim Schleifen
relativ ausführlich untersucht wurde, sind die Mechanismen der Drei-Körper-Abrasion wesentlich
komplizierter und daher seltener untersucht: einerseits ist es schwierig sie komplett von der ZweiKörper Abrasion zu trennen, andererseits führen die frei rollenden Körner zu einer sich ständig
ändernden Werkzeuggeometrie. Die Bewegung einzelner Körner wird zwar durch die Bewegung des
Poliermittelträgers und somit durch die Prozessparameter vorgegeben, die Untersuchungen von
Heisel [4] haben aber gezeigt, dass neben den Prozessparametern auch die Kornform der Abrasiva
einen maßgeblichen Einfluß auf das Rollverhalten der Körner, d.h. ob das Korn rollt, oder eher von
dem Poliermittelträger über die Fläche gezogen wird. Somit bestimmt die Kornform den
vorherrschenden Abtragsmechanismus. So wird durch eine eher runde Form das Rollen des Korns
und damit auch die Drei-Körper-Abrasion begünstigt. In Rahmen der Modellierung der
Oberflächenentstehung bei der Bearbeitung mit losem abrasiven Korn wurden von den Autoren
Simulationen entwickelt und durchgeführt, die den Einfluß der Kornform und der Korngröße auf das
Rollverhalten der Körner über strukturierte Oberflächen belegen. Insbesondere wurde gezeigt, dass
unterschiedliche Kornformen unter sonst identischen Bedingungen, wie z.B. Korngröße und
Oberflächentopographie, unterschiedliche Trajektorien der Körner zur Folge haben, s. hierzu Bild 2.
Es ist zu erkennen, dass die Trajektorien der spitzen Körner, die durch Tetraeder abgebildet wurden,
sich deutlich von den Trajektorien der runden Körner, die hier durch Dodekaeder modelliert wurden,
unterscheiden. Desweiteren belegen diese Simulationen die Abhängigkeit des Auslenkverhaltens der
Körner vom Verhältnis der Korngröße zur Größe der Oberflächenstruktur, vgl. hierzu [8].
Bild 2: Simulationsergebnisse zum unterschiedlichen Rollverhalten in Abhängigkeit von der Kornform;
links: spitze Körner (Tetraeder), rechts: runde Körner (Dodekaeder)
Fig. 2: Simulation results for different rolling behaviour depending of the grain form
2
Für die Modellierung der Oberflächenentstehung bei der Bearbeitung mit losem abrasiven Korn ist das
Rollverhalten der Abrasiva ein wesentliches Kriterium; so können die Materialabträge, die das Korn
verursacht, wesentlich genauer bestimmt werden, wenn die Trajektorie des Korns bekannt ist. Somit
ist die Kornform wie auch die Kornformänderung während des Polierprozesses, bedingt z.B. durch
den Verschleiß der Körner, ein wichtiger Eingangsparameter für die Modellierung und bedarf
ausführlicher Untersuchungen.
Diamant ist wegen seiner vorteilhaften Eigenschaften ein weitverbreitetes Werkzeug bei der
Zerspannung. Daher wurden Diamantwerkzeuge unterschiedlichster Art zahlreichen Untersuchungen
unterzogen. Zu einem wurden die Verschleißmechanismen beim Polieren von Diamant selbst
untersucht, wie z.B. in den Arbeiten [9, 10]. Diese Ergebnisse sind jedoch wegen der
unterschiedlichen Prozesskinematiken nicht ohne weiteres auf das abrasive Polieren mit losem
Diamantkorn übertragbar. Ein weites Feld für den Einsatz von Diamantwerkzeugen ist das Zerspanen
mit geometrisch bestimmter Schneide. Daher existieren umfangreiche Untersuchungen zum
Verschleiß von monokristallinen Diamantwerkzeugen, vgl. [11, 12, 13]. Diese Erkenntnisse, sowie die
Untersuchungen zum Verschleiß von Schleifscheiben mit gebundenem Diamantkorn, z.B. [14, 15, 16],
lassen sich ebenso wenig auf das Verschleißverhalten loser Diamantkörner in einer Poliersuspension
übertragen. Bei der Bearbeitung mit losen Abrasivkörnern wurde z.B. in [17] das Verschleißverhalten
von Ceroxid beim Polieren von Glas untersucht. Die Auswirkung der Kornform solcher Abrasiva wie
SiC, Al2O3 und SiO2 auf die Drei-Körper-Abrasion wurde in [18] untersucht. In [19] wurden 10
unterschiedliche industrieübliche Typen von Diamantkörnern hinsichtlich des Einflusses der Kornform
auf die Abtragsrate analysiert. Untersuchungen, die sich mit dem Verschleiß der Diamantkörner bei
der Bearbeitung mit losem Korn befassen, sind aus aktueller Literatur nicht bekannt.
In diesem Beitrag werden mikroskopische Untersuchungen einer Poliersuspension mit
monokristallinen Diamantkörnern als Abrasiva vorgestellt. Fokus der Untersuchungen liegt dabei auf
der Betrachtung von Kornform und Korngröße sowie der Korngrößenverteilung. Dabei wurden
Suspensionen auf unterschiedlicher Basis (Öl und Wasser) miteinander verglichen. Neben der
statistischen Charakterisierung der Suspension ist es entscheidend, ob und wie sich diese
Kenngrößen während des Polierprozesses ändern. Um dies festzustellen, wurde die Suspension nach
der Politur untersucht und mit den Ergebnissen der unbenutzten Suspension verglichen.
2. Versuchsbedingungen
Zur Untersuchung des Kornverschleißes beim abrasiven Polieren wurde eine Poliersuspension von
Schmitz Metallographie GmbH mit monokristallinen Diamantkörnern und einem mittleren
Korndurchmesser von 30µm (Bild 3) und mit der Diamantkonzentration von 50cts/l benutzt. Um den
Einfluß der Suspensionsviskosität auf das Verschleißverhalten der Körner zu untersuchen, wurden
Poliersuspensionen auf Wasser- und Öl-Basis verwendet. Laut Hersteller wird die Agglomeration in
der Suspension durch besondere Vorbehandlung der Diamanten verhindert. Jedoch wurden keine
genauen Angaben über sonstige Bestandteile der Suspensionen vom Hersteller gemacht.
Bild 3: Schematische Darstellung des Polierprozesses und mikroskopische Aufnahme der
Poliersuspension mit Diamantkörner Ø 30µm vor dem Einsatz
Fig. 3: Schematic diagram of the polishing process applied and light microscopy of fresh polishing
slurry with abrasives exhibiting diamond grains with a nominal, average grain diameter of dg = 30 μm.
3
Die experimentellen Untersuchungen wurden auf einer Asphärenpoliermaschine Precitech M300
durchgeführt. In die Poliermaschine ist eine Kraftmessplatte der Fa. Kistler Instrumente AG integriert,
welche zur Einstellung der Polierkraft verwendet wurde. In den Polierversuchen wurden die mit einer
Nickel-Phosphor-Legierung beschichteten Stahlgrundkörper als Werkstück und Stifte aus Kupfer als
Poliermittelträger eingesetzt. Eine schematische Darstellung des Polierversuches ist Bild 2 zu
entnehmen. Die Prozessparameter für die Polierversuche wurden bei den Voruntersuchungen in
Hinblick auf die Drei-Körper-Abrasion als vorherschende Materialtrennmechanismus ermittelt [5]. In
der Tabelle 1 sind die Versuchsparameter zusammengefasst.
Werkstück
chemisch Nickel (Schichtdicke: 250µm)
Poliermittelträger
Kupfer (Ø 5,5mm)
Poliersuspension
wasser-, ölbasiert
Poliermittel
Diamant (Korngröße 30µm)
Normalkraft Fn
2,0 N
Spindeldrehzahl np
30, 40, 50 min-1
Tabelle 1: Versuchsparameter
Table1: Experimental parameters
Für die Auswertung wurde jeweils saubere und genutzte Suspension auf einen Objektträger
aufgetragen und mit einem zweiten Objektträger abgedeckt, wodurch eine flächige Verteilung der
Suspension zwischen den Glasplätchen erzielt wird. Die Diamantkörner in der Probe sind damit in
einer Lage verteilt, was eine Auswertung der Körner bezüglich ihrer Form und Größe ermöglicht.
Die Proben wurden mit dem digitalen Lichtmikroskop Keyence Modellreihe VHX-5000 ausgewertet.
Dabei wurde das Objektiv VH-Z100, welches eine bis zu 1000-fache Vergrößerung ermöglicht,
verwendet. Die Zuordnung der Körner einer bestimmten Kornform wurde anhand der
lichtmikroskopischen Bilder nach Augenmaß vorgenommen. Bei der Bestimmung der Korngröße
hingegen wurde auf die mikroskopeigene Software zurückgegriffen. Mit Hilfe dieser können die
Flächeninhalte einzelner Körner bestimmt werden. Ausgehend von der Kornform und dem
Flächeninhalt wurden die Abmessungen der Körner in der Länge und Breite berechnet.
3. Auswertung der Suspension
Abrasivkörner werden oft als Kugeln modelliert [6], was die mathematische Beschreibung wesentlich
vereinfacht, der Realität aber nur bedingt nahe kommt. Tatsächlich lassen sich die Abrasivkörner
besser durch Polyeder beschreiben, vgl. Bild 3.
Eine dreidimensionale Beschreibung von Abrasivpartikeln haben Pellegrin und Stachowiak in ihrer
Arbeit vorgestellt [7]. Dabei werden die Partikel als Polyeder modelliert, welche aus einem
anfänglichen Festkörper durch zufällig tiefe Schnitte von Ebenen mit zufälliger Orientierung entstehen.
Mit diesem Ansatz lassen sich Polierkörner maximal realistisch abbilden. Das Rollen solcher Körner
zu simulieren insbesondere über eine raue Oberfläche kann aber beliebig kompliziert werden. Um die
Gleichmäßigkeit und die mathematische Einfachheit der Kugel zu erhalten und die Körner dennoch
möglichst realitätsnahe darzustellen, können die Abrasivkörner als platonische Körper modelliert
werden. Als platonische Körper werden in Geometrie vollkommen regelmäßige Polyeder bezeichnet,
Bild 4.
Bild 4: Platonische Körper: Tetraeder, Hexaeder (Würfel), Oktaeder, Dodekaeder, Ikosaeder (v.l.n.r.)
Fig. 4: The Platonic solids: tetrahedron, hexahedron (cube), octahedron, dodecahedron and
icosahedron (f.l.t.r.).
Es gibt fünf platonische Körper (Bild 4), was die nötige Vielfalt bietet, um die Simulation möglichst
realitätsnahe zu gestalten, den Programmieraufwand jedoch überschaubar zu halten. So kann in der
4
Modellierung das tatsächliche Geometriespektrum des Korngemisches lediglich durch Angabe der
Kornform- und Korngrößenverteilung abgebildet werden.
Um die Kornform- und Korngrößenverteilung in der Suspension bestimmen zu können, wurden
lichtmikroskopische Bilder der Suspension aufgenommen und ausgewertet. Da die Bilder nur eine
zweidimensionale Betrachtung der Körner erlauben, wird die Aussage über die dreidimensionale Form
der Körner erschwert. So kann beispielsweise kaum zwischen Hexaeder (Würfel) und Oktaeder sowie
zwischen Dodekaeder und Ikosaeder unterschieden werden. Deshalb wurde bei der hier gewählten
Klassifizierung der Kornform lediglich zwischen Tetraeder, Oktaeder und Dodekaeder differenziert.
Desweiteren wurde bei der Auswertung der Suspension festgestellt, dass einige Körner eine längliche
Form ausfweisen mit dem ungefähren Verhältnis Breite-zu-Länge von 1:2 und sich somit keiner der
drei Gruppen zuordnen lassen. Solche Körner wurden gesondert unter Parallelepipeden
zusammengefasst, vgl. Bild 5.
Bild 5: Zuordnung der Kornform
Fig. 5: Classification of grain forms
Die Zuweisung einzelner Körner zu jeweiligen Kornformgruppen wurde anhand der
lichtmikroskopischen Aufnahmen nach Augenmaß gemacht. Dabei wurden durchschnittlich 200
Körner ausgewertet. Die Auswertung der unbenutzten Poliersuspension hat gezeigt, dass die meisten
Körner eher eine spitze Form haben, d.h., dass sie gut den Tetraedern und Oktaedern zuzuordnen
sind, vgl. Bild 6. Dabei unterscheidet sich das Korngemisch der wasserbasierten Suspension
hinsichtlich der Kornformverteilung kaum von dem Korngemisch der ölbasierten Suspension.
5
Bild 6: Kornform- und Korngrößenverteilung bei einer unbenutzten Poliersuspension
Fig. 6: Distribution of grain form and grain size in fresh slurry
Die Auswertung der unbenutzten Suspension hinsichtlich der Korngröße konnte die Herstellerangaben
bezüglich der 30µm-Körnung bestätigen.
3.1 Verschleiß der Abrasivkörner in Abhängigkeit von der Suspensionsviskosität
Um festzustellen, ob es bei der Bearbeitung zum Kornverschleiß kommt, wurde die Korngröße zuerst
in der frischen Suspensionen und anschließend nach der Bearbeitung bei einer Spindeldrehzahl von
n=40min-1 und unterschiedlicher Polierdauer untersucht. Mit der mikroskopeigenen Software können
die Fächeninhalte einzelner Körner bestimmt werden. Ausgehend von diesen Werten und der
jeweiligen Kornform wurden die Abmessungen der Körner in der Länge und Breite bestimmt und
anhand dieser Werte die Häufigkeitsverteilungen der Korngröße zu jeweiligen Bearbeitungszeiten
gemacht, vgl. Bild 7.
6
Bild 7: Korngrößenverteilung in Abhängigkeit von der Bearbeitungszeit
Fig.7: Distribution of grain size depending on machining time
Man erkennt, dass die Abrasivörner sowohl in wasser- als auch in der ölbasierten Suspension mit
steigender Bearbeitungszeit duchschnittlich kleiner werden, da sich die Verteilungskurven deutlich zu
kleineren Korndurchmessern verschieben.
Untersuchungen der Suspension hinsichtlich der Kornform haben gezeigt, dass die Körner zudem
zunehmend runder werden, vgl. Bild 8. Dabei weisen auch hier die beiden Suspensionen mit
unterschiedlicher Basis ähnliches Verhalten auf. Der steigende Anteil länglicher Körner kann dabei
möglicherweise durch das Zusammenwirken der Prozesskinematik mit der monokristallinen Struktur
der Diamantkörner, was bei der Belastung zum Bruch entlang der parallelen Spaltebenen führt, erklärt
werden.
7
Bild 8: Änderung der Kornform in wasser- und ölbassierten Suspension in Abhängigkeit von der
Bearbeitungszeit
Fig. 8: Changing of grain form by water- and ol-based slurry depending of processing time
3.2 Verschleiß der Abrasivkörner in Abhängigkeit von der Prozessgeschwindigkeit
Die Untersuchungen zum Einfluss der Bearbeitungsgeschwindigkeit zeigen, dass mit der steigender
Spindeldrehzahl und somit steigender Relativgeschwindigkeit zwischen dem Poliermittelträger und
dem Werkstück die Veränderung der Körner abrupter auftritt, s. Bild 9. Das Verhältnis zwischen den
Anteilen spitzer und runder Körner ändert sich bei 30min-1 annähernd linear mit steigender
Bearbeitungszeit. Im Gegensatz dazu tritt eine Änderung bei 40min-1 und 50min-1 schlagartig auf –
wesentlicher Anstieg der Anzahl der dodekaederförmiger Körner bei 40min-1 zwischen 90 und 120min
und signifikante Reduktion der Anzahl der tetraederförmiger Körner bei 50min-1 schon zwischen 0 und
30min. Ähnliches Verhalten wurde auch bei der wasserbasierten Suspension beobachtet.
8
Bild 9: Kornformänderung in Abhängigkeit von der Bearbeitungszeit und -geschwindigkeit
9
Fig. 9: Alteration of grain form depending of mashining time and rotational speed
Bei Betrachtung der Veränderung der Kornform zusammen mit der Veränderung der Korngröße über
der Zeit, so zeigt sich, dass ab einer bestimmten Zeit - bei wasserbasierten Suspension 60min, bei
ölbasierten 90min - das Korngemisch bezüglich der Kornform- und Korngrößenverteilung nahezu
stationär ist.
4. Zusammenfassung
Die Untersuchungen der Poliersuspension vor und nach dem Polieren haben gezeigt, dass es
während des Polierprozesses zum Kornverschleiß kommt, was die Veränderung der Kornform- und
Korngrößenverteilung im Korngemisch zur Folge haben. Simulationen belegen, dass sowohl die Form
als auch die Größe eines Korns einen wesentlichen Einfluß auf sein Rollverhalten auf einer
strukturierten Oberfläche hat. Aus diesen Simulationen ergibt sich, dass die Änderung der Kornform
und –größe während des Bearbeitungsprozesses bei der Modellierung der Drei-Körper-Abrasion
berücksichtig werden müssen.
Kombiniert man das Wissen über die Veränderung der Form und Größe und damit verbundenen
Veränderungen im Rollverhalten einzelner Abrasivkörner mit dem Wissen über die Materialabträge,
die von einzelnen Körner bewirkt werden, welches ebenfalls aus den Versuchen gewonnen werden
kann, so erhält man ein analytisch-empirischem Modell, das die Topographie der bearbeitenden
Werkstückoberfläche zu simulieren erlaubt.
Danksagung
Die Autoren bedanken sich bei der Deutschen Forschungsgemeinschaft DFG für die Förderung der
vorgestellten Arbeiten im Rahmen des Projektes RI 1108/3-1 „Modellierung der
Oberflächenentstehung bei der Drei-Körper-Abrasion“.
Acknowledgements
The authors greatly acknowledge the funding of the project RI 1108/3-1 “Modelling of surface
formation for three-body abrasion” by the German Research Foundation (DFG).
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