Schlüssel zum idealen Traganteil

von Frank Weise

Neben den bekannten Kenngrößen der Oberflächenrauheit wie Ra, Rz, und Rmax gewinnen die mit der Amplitudenverteilung in Verbindung stehenden Oberflächenkenngrößen an Bedeutung. Hintergrund sind die allgemein gestiegenen funktionellen Anforderungen an die technischen Oberflächen. Praxisbeispiele dafür sind:

Die Beispiele belegen das enorme Potenzial, das in der Optimierung der Oberflächen-Kennwerte ruht.

Die Ermittlung der Amplitudenkennwerte der Rauheit erfolgt in der Regel mittels Tastschnittgerät. In den eigenen Versuchen erfolgte dies mittels des ‘Talysurf’ von Rank Taylor Hobsen. Die ermittelte Amplitudenverteilung stellt den sogenannten Materialanteil dar (engl. ‘Bearing Ratio’), das entspricht der Abott’schen Traganteilkurve. Diese Kurve repräsentiert die Summe der Ordinatenwerte des Rauheitsprofils in den verschiedenen Schnitttiefen.

Für technische Oberflächen ist die Amplitudenverteilung sehr relevant, hängen von der Form der Unebenheiten wichtige Eigenschaften ab, wie etwa das Schmierungsverhalten und die Ölaufnahme von Gleitpaarungen oder auch das Pressungsverhalten von Pressverbindungen und viele andere.

In die Amplitudenverteilung gehen charakteristische Ausbildungen der Bearbeitungsspuren ein, beispielsweise von Drehriefen. Wird dagegen nur ein bestimmtes Bearbeitungsverfahren betrachtet, wie hier das Schleifen, vereinfacht sich die Beschreibung etwas, da die Oberflächenstrukturen dann ähnlich sind.

So werden in der Praxis an geschliffenen Oberflächen heute meist die Horizontalkennwerte Rar und Rmr(c) vorgegeben. Die Definition liefert die Norm DIN EN ISO 4287. Der Materialanteil bezieht sich dabei auf die Messstrecke ln.

Um die Empfindlichkeit der Bestimmung des Traganteils zu senken, bezieht man neuerdings die Messung nicht mehr auf den höchsten Punkt des Profils, sondern in der Regel auf die Referenzschnitthöhe c0. Diese ergibt sich durch das Verschieben der Bezugslinie ins Profil bis zu einem definierten Materialanteil, zumeist wird fünf Prozent verwendet. Von dieser Referenzschnitthöhe wird die Schnittlinienhöhe Rδc ins Teil hinein verschoben. Dieses Rδc wird vom Konstrukteur auf Basis der funktionellen Anforderungen vorgegeben (Bild 1).

Es steht die Frage, wie der Schleif- und der Abrichtprozess den Traganteil der geschliffenen Oberfläche beeinflussen. Es ist zu erwarten, dass die Schleifscheibenspezifikation einen Einfluss hat, aber auch das Abrichtverfahren und das Abrichtwerkzeug. Da zu diesen beiden Schwerpunkten bisher keine umfassenden Untersuchungen vorliegen, erfolgten in Zusammenarbeit mit einem deutschen Kugellagerfertiger und Automobilzulieferer breit angelegte Abricht- und Schleifversuche.

Es wurden Abrichtversuche gefahren mit verschiedenen Formrollen in Metallbindung unterschiedlicher Körnung, Belagbreite und Konzentration beim zylindrischen Abrichten von Korund- und Sinterkorundscheiben. Alle Parameterkombinationen beim nachfolgenden Rundschleifen von gehärteten Teilen aus 100Cr6 sind bis zum Zyklus 10 gefahren worden.

Zunächst unterstreichen die Versuche die bekannte Tatsache der steigenden Rauheit Ra über dem Zyklus (Bild 2). Bemerkt werden muss hier, dass es sich bei diesen Kurven nicht um eine singuläre Tendenz handelt. Vielmehr wurden gemäß eines Faktorplans tausende Versuchskombinationen gefahren, die eine Datenkomprimierung erforderten. In Bild 2 wurden für jeden Werkstoff die Mittelwerte aller gleichen Versuche herangezogen. Sehr augenscheinlich ist hier, dass die gröberen Sinterkorundscheiben (SK) die besten Ergebnisse bringen.

Zur Ermittlung der Haupteinflussgrößen wurden umfangreiche Korrelationsanalysen durchgeführt. In deren Ergebnis kristallisieren sich diese Einflüsse deutlich heraus. Es ist festzustellen, dass der Abrichtvorschub über alle angewendeten Schleifscheiben und Formrollen den höchsten Einfluss auf Rauheit und Traganteil nimmt. Die Einzeltendenz von Rauheit Ra und Traganteil Rmr in Abhängigkeit des Abrichtvorschubs zeigt exemplarisch Bild 3.

Die Tendenz wurde aufgenommen mit drei verschiedenen Formrollen FR2 (Diamant-Körnung D601, Belagbreite 4 mm, Diamant-Konzentration C100), FR7 (Diamant-Körnung D426, Belagbreite 4 mm, Diamant-Konzentration C135) und FR6 (Diamant-Körnung D426, Belagbreite 4 mm, Diamant-Konzentration C60).

Wenn die Rauheit Ra steigt, dann fällt Rmr und umgekehrt: Wenn die Rauheit kleiner ist, erhält man höhere Traganteile. Dies hat auch seine Logik. Da die Schnitttiefe als fest gegeben ist, ist man sozusagen bei geringerer Rauheit mehr im Inneren des Profils mit höherem Materialanteil.

Zweitwichtigste Einflussgröße ist das bezogene Zeitspanvolumen Qw’. Da in den Versuchen alle Teile die gleiche Geometrie haben, verbirgt sich das Qw’ im Radialvorschub. Auf die Rauheit Ra wirkt sich ein höheres Qw’ steigernd aus, auf Rmr wiederum senkend. Dieser Zusammenhang zwischen Ra und Rmr wurde auf seine Strenge hin untersucht. Dafür wurden alle Werte einer Serie, beispielsweise der Scheibe SK120, als Rmr über Ra aufgetragen. Ausgewählt wurden dafür die Werte für den Zyklus 1, 5 und 8.

Der Zusammenhang zeigt in Bild 4 einen hyperbolischen Abfall, in der Darstellung im doppeltlogarithmischen System wird daraus eine abfallende Gerade. Die Punkte für Zyklus 1, 5 und 8 fügen sich ohne Sprung aneinander. Diese Gerade hat einen gewissen Streubereich, was auf mindestens eine weitere Einflussgröße hindeutet.

Deshalb ist eine vertiefte statistische Auswertung mithilfe der statistischen Kennwerte Rsk (Skewness) und Rku (Kurtosis) vorgenommen worden. Die Skewness interpretiert die Schiefe der Normalverteilung der Axialwerte. Ein offenes Profil mit dominanten Spitzen und breiteren Tälern hat eine positive Skewness, ein plateauförmiges Profil mit schmalen Tälern besitzt eine negative Skewness. Die Kurtosis weist auf die Breite der Normalverteilung hin, der Begriff bedeutet ‘Wölbung’. An geschliffenen Profilen bedeuten beispielsweise Werte über 3 eine hohe Anzahl sehr spitzer Gipfel und sehr spitzer Täler.

Die Rsk- und Rku-Verläufe geben zwar keinen direkten Hinweis zur Lage im Streubereich der Ra-Rmr-Kurven. Das liegt darin begründet, dass es sich von der Definition her um unterschiedliche Kategorien handelt: Ra ist ein Vertikalmaß, Rmr, Rsk und Rku sind Horizontalmaße. Aber allein die Tatsache, dass sich Rsk über dem Zyklus stark ändert, zeigt auf, dass sich am Oberflächenprofil etwas stark ändert (Bild 5).

Deutlich ist die Tendenz von Rsk, die Skewness verliert Minus und geht mehr zu positiven Werten am Zyklusende hin, das heißt, tendenziell geht die Amplitudenverteilung vom Plateau zum mehr offenen Profil über. Die Kurtosis Rku verliert vom ersten bis etwa dem dritten geschliffenen Teil, um danach bis zum Zyklusende etwa konstant zu bleiben. Die Anfangswerte von 5 bis 9 gehen über in Werte von 3 bis 5, die Profile verlieren also etwas an spitzen Täler und spitzen Spitzen.

Über alle in den Versuchen gemessenen Werte gemittelt, liegt der Mittelwert Rsk für das vorhandene Schleifgefüge im Minus, das heißt, die Plateauform ist vorherrschend.

Von weiterem Interesse ist es, wie die Parameter des Abrichtwerkzeugs, der verwendeten metallgebundenen Diamant-Formrollen, sich auswirken. Es ist ein merkbarer Einfluss der verwendeten Formrolle zu erkennen. Die Variation betrifft die Körnung, die Konzentration und die Belagbreite der Formrollen, ermittelt an den Schleifscheiben SK120 und SK150.

Die Diamant-Körnung wirkt im Vergleich der FR2 mit D426 und FR3 mit D601 zwar unbestimmt, nämlich mit leicht höheren Rauheitswerten an der Körnung D426 gegenüber D601. Im RSK-Wert ist jedoch ein deutlich kleinerer Wert festzustellen. Über der Belagbreite fallen die Rauheit und RSK, RKU steigt und gleichfalls über der Diamant-Konzentration in der Formrolle fallen Rauheit und RSK, auch hier steigt RKU.

Im Ergebnis der Untersuchungen führt das zur Erkenntnis, für hohe Traganteile und funktionsgerechten Oberflächen nicht zu fein gekörnte Formrollen zu verwenden und die weitere Anpassung an den Schleifprozess besser über die Konzentration und die Belagbreite vorzunehmen.

Die beschriebenen umfangreichen Untersuchungen lassen folgende Schlussfolgerungen zu:

Dieser Fachartikel ist ein Auszug aus der überarbeiteten und ergänzten Fassung des Kapitels 16 des Buchs ‘Abrichten von Schleifkörpern mit Diamantwerkzeugen’ [4].