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Schleifen - Schleifmaschinen

Schleif- und Feinbearbeitungszentren

Schleifen – Schleifmaschinen

Auszug aus

Handbuch Spanen

Herausgeber: Günter Spur
10/2014, 1392 Seiten, € 239,99
ISBN: 978-3-446-43699-2
Seite 756-757

Schleifzentren können mehrere Bearbeitungsoperationen an einem Werkstück ausführen und bei Bedarf unterschiedliche Schleifverfahren anwenden. Feinbearbeitungszentren zeichnen sich dadurch aus, dass sie daneben noch weitere zerspanende Verfahren einsetzen können. Andere gebräuchliche Bezeichnungen sind multifunktionale Maschinen oder Kombinationsmaschinen.

Schleifzentren können mehrere Bearbeitungsoperationen an einem Werkstück ausführen und bei Bedarf unterschiedliche Schleifverfahren anwenden, zum Beispiel Flach- und Profilschleifen sowie Außen- und Innenrundschleifen. Feinbearbeitungszentren zeichnen sich dadurch aus, dass sie daneben noch weitere zerspanende Verfahren einsetzen können, zum Beispiel Drehen oder Fräsen. Andere gebräuchliche Bezeichnungen sind multifunktionale Maschinen, Kombinationsmaschinen sowie zusammengesetzte Begriffe wie Dreh-/Schleifzentren oder Schleif-/Fräszentren.

Maschinenkonzept und Ausstattung ermöglichen es, diese Zentren flexibel für ein breites Werkstückspektrum einzusetzen. Feinbearbeitungszentren basieren je nach Aufgabenschwerpunkt auf Schleifzentren, in die zusätzliche Module zum Drehen, Fräsen etc. integriert sind, oder auf Dreh- bzw. Fräszentren, die zusätzlich mit Modulen zum Schleifen bestückt sind. Sie verbinden Merkmale und Fähigkeiten unterschiedlicher Maschinentypen und sind deshalb nicht direkt einer der bisher geläufigen Kategorien zuzuordnen.

Das Schleifen ist ein bewährtes Verfahren zur Präzisionsbearbeitung harter Werkstoffe. Die Schleifwerkzeuge, unter anderem Schleifscheiben, Schleifbänder und Honsteine, weisen eine Vielzahl statistisch verteilter Schleifkörner auf. Sie werden als Werkzeuge mit geometrisch unbestimmten Schneiden bezeichnet. Dagegen zählen Dreh-, Fräs-, Bohr- und Reibwerkzeuge zu den Werkzeugen mit geometrisch definierten Schneiden. Mit der Entwicklung hochharter Schneidstoffe erwarben sie das Potenzial zur Bearbeitung harter Werkstoffe. Bereits seit den 1980er Jahren werden Schneidplatten aus Mischkeramik und Bornitrid zur Bearbeitung von gehärteten Stählen eingesetzt. Selbst sehr harte Guss- und Auftragswerkstoffe können damit bearbeitet werden. In den 90er Jahren gewann ihr Einsatz zur Feinbearbeitung von Werkstücken aus vergüteten und gehärteten Stählen zunehmend an Bedeutung. Sie ermöglichen es in manchen Fällen, Schleifprozesse zu substituieren und hohe Qualitätsanforderungen zu erfüllen. Doch in vielen anderen Fällen bleibt das Schleifen unersetzbar oder bei Abwägung von Wirtschaftlichkeit und Zuverlässigkeit günstiger.

Die vorteilhaften Anwendungsgebiete der Zerspanung mit definierten Schneiden als Alternative zum Schleifen lassen sich u. a. nach den geometrischen Parametern der Werkstücke, den Materialeigenschaften und den geforderten Qualitätsmerkmalen abgrenzen. Als gegen Ende der 1990er Jahre erkannt wurde, dass sich beide Verfahren vorteilhaft kombinieren lassen, wurden geeignete Maschinen, Werkzeuge und Prozesse zur Anwendungsreife entwickelt.

Zunächst stand die Bearbeitung von Drehteilen im Fokus, die im Futter einzuspannen und an mehreren Flächen zu bearbeiten sind. Ein weiterer Schwerpunkt lag auf der Bearbeitung von Großteilen, die komplett in einer Maschine erfolgen kann.

Abb. 13.347: Schleif-/Feinbearbeitungszentrum Mägerle MGC 230 mit zwei Fahrständern

Allgemeine konstruktive Anforderungen

Feinbearbeitungszentren führen in der Regel abschließende Operationsschritte aus, in denen enge Toleranzen zu erreichen und gute Oberflächenqualitäten zu gewährleisten sind. Grundlegende Voraussetzungen für diese Ziele sind hohe Genauigkeit, große statische und dynamische Steifigkeit und gute thermische Stabilität der Maschinen.
Für eine Folge von Bearbeitungsoperationen müssen sie die jeweils optimalen Werkzeuge unter optimalen Konditionen zum Einsatz bringen können. Dazu halten sie die benötigten Werkzeuge in mehreren Arbeitsspindeln ständig bereit oder sie wechseln sie automatisch aus einem Werkzeugmagazin ein und aus. Unverzichtbar für höchste Genauigkeit und Oberflächenqualität sind Arbeitsspindeln mit Präzisionslagerungen, deren Drehzahlbereiche und Antriebsleistungen sich an den Abmessungen und dem Leistungsbedarf der jeweils benötigten Werkzeuge orientieren. Für den Einsatz kleiner Schleifscheiben und von Fräswerkzeugen werden Motorspindeln bevorzugt, die oftmals für beide Werkzeugtypen gleichermaßen geeignet sind. Große Schleifscheiben erfordern dagegen schwere, steife Spindeln mit einem hohen Drehmoment bei relativ niedrigen Drehzahlen. Im Einzelfall sind zugeschnittene Lösungen zweckmäßig, wenn sich die Abmessungen und Gewichte oder die optimalen Drehzahlen und Antriebsleistungen der Werkzeuge erheblich unterscheiden. Bei Bedarf werden dann mehrere Bearbeitungseinheiten in einer Maschine installiert, die jeweils für bestimmte Werkzeuge und Verfahren ausgelegt sind.

Auch an die Werkstückspindeln werden verfahrensspezifisch sehr unterschiedliche Anforderungen gestellt:

  • Zum Profilschleifen, Bohren oder Fräsen müssen die Werkstücke exakt positioniert und während der Bearbeitung starr gehalten werden.
  • Das Rundschleifen erfordert einen sehr guten, schwingungsfreien Rundlauf.
  • Beim Unrundschleifen sind das Beschleunigungsvermögen und die Lageregelung besonders wichtig, weil die Rotationsachse mit einer Linearachse interpoliert.
  • Beim Drehen führt das Werkstück die Schnittbewegung aus. Dafür muss die Werkstückspindel hohe Drehzahlen erreichen sowie schnell hochfahren und bremsen können.

Bei Kombination unterschiedlicher Prozesse addieren sich die entsprechenden Anforderungen. Schwenkachsen verschaffen den Werkzeugen Zugang zu den Werkstücken aus unterschiedlichen Richtungen und ermöglichen die Bearbeitung von mehreren Seiten. Sie positionieren die Werkstücke und Werkzeuge und können rotatorische Vorschubbewegungen ausführen. Die Maschinenkonzepte unterscheiden sich in Hinsicht auf die Schwenkung von Werkzeugen oder von Werkstücken. Die verlängerte kinematische Kette vergrößert den Abstand des Werkzeugeingriffspunktes zu den Führungen. Weil sich dabei unvermeidbare Ungenauigkeiten überlagern, sind an die einzelnen Komponenten umso höhere Präzisionsanforderungen zu stellen.

Abb. 13.349: Universeller Einsatz der Mägerle Schleif- und Feinbearbeitungszentren MGC: a) Profilschleifen einer Planverzahnung, b) Rundschleifen eines Zapfens, c) Hartdrehen von Borden eines Wälzlagerrings

Zur Kühlung der Werkzeuge und Werkstücke genügen beim Fräsen und Drehen in der Regel kleine Kühlschmierstoffmengen und -drücke. Oftmals ist eine Minimalmengenschmierung ausreichend oder sogar eine Trockenbearbeitung möglich. Beim Schleifen sind dagegen größere Mengen und hohe Drücke vorteilhaft, die geschlossene Arbeitsraumverkleidungen und gegebenenfalls auch Nebelabsauganlagen erfordern. Meistens stellt das Schleifen die höheren Ansprüche. Die Kühlschmierstoffe und -anlagen werden deshalb vorzugsweise für Schleifprozesse ausgelegt. Doch für Kombinationen mit anderen Prozessen müssen sie auch deren Anforderungen erfüllen. Wichtige zusätzliche Funktionen der Kühlschmierung sind der Abtransport von Spänen und die Verhinderung von Ablagerungen im Arbeitsraum. Abhängig vom Einsatzspektrum der Feinbearbeitungszentren variieren das Volumen der anfallenden Späne und die Spanformen.

Die Hartfeinbearbeitung lässt beim Fräsen, Drehen und Schleifen unterschiedliche Späne entstehen. Lange, dünne Drehspäne neigen dazu, Knäuel zu bilden, die sich unter anderem an den Werkzeugen aufhängen können. Kurze Dreh- und Frässpäne fliegen in den Arbeitsraum und können sich dort in Nischen oder auf Vorsprüngen ablagern. Den feinen Schleifspänen wird beim Abrichten Schleifkornmaterial zugemischt. Sie sind abrasiv und können sich als Schlamm absetzen. Automatisierte Maschinen müssen zuverlässig produzieren und in der Serienfertigung möglichst ohne manuelle Eingriffe auskommen. Dafür ist es sehr wichtig, dass die Maschinenkonzepte dem störungsfreien Abtransport der Späne entgegen kommen und Ablagerungen im Arbeitsraum weitestgehend vorbeugen. Die Arbeitsraumverkleidungen und Achsabdeckungen müssen dem Aufprall der Späne widerstehen und die Abstreifkanten beweglicher Abdeckungen der abrasiven Beanspruchung gewachsen sein. Eine Installation von Spüldüsen kann als begleitende Maßnahme gefährdete Bauteile und Positionen im Arbeitsraum schützen und den Spantransport unterstützen.

Die Sicherheitsvorkehrungen an multifunktionalen Maschinen haben allen Risiken zu genügen, die sich in der Summe aus den integrierten Werkzeugen und Verfahren ableiten. Neben den Normen für ortsfeste Schleifmaschinen sind äquivalente Normen für weitere Maschinenarten zu beachten (DIN13218). Beispielhaft ist die Gefährdung durch Herausschleudern von Teilen zu nennen, die verfahrensspezifisch unterschiedliche Schwerpunkte aufweist: Beim Drehen muss die sichere Einspannung der Werkstücke im Spannfutter besonders beachtet werden, beim Schleifen mit großen Scheiben sind ein Primärschutz zum Auffangen von Scheibenbruchstücken und zusätzliche Einrichtungen zur sicheren Begrenzung der Umfangsgeschwindigkeit obligatorisch. Maschinen ohne ausreichenden Primärschutz, die beispielsweise mit Hochfrequenzspindeln für kleine Schleifscheiben und Fräswerkzeuge ausgerüstet sind, oder mit Spindeln, die in unterschiedliche Positionen geschwenkt werden können, erfordern eine ausreichend dimensionierte und gesicherte Arbeitsraumverkleidung oder andere geeignete Schutzmaßnahmen.

Auszug aus

Handbuch Spanen

Herausgeber: Günter Spur
10/2014, 1392 Seiten, € 239,99
ISBN: 978-3-446-43699-2
Seite 756-757
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