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Schleifen/Hartfeinbearbeitung

Schleifen von Metall mit Einsatz von Kühlschmiermittel
© Hermes Schleifmittel

Schleifen ist das wichtigste Verfahren zur Feinbearbeitung und damit zur Endbearbeitung von Werkstücken. Dabei wird Material (fachsprachlich: Werkstoff) in Form von feinsten Spänen von einem Teil abgetragen. Kleine, sehr harte Körner in einem Schleifkörper bilden das Schleifwerkzeug und tragen diesen Werkstoff ab. Schleifen von Hand ist schon sehr lange bekannt. In jüngster Zeit wird das Schleifen allerdings fast ausschließlich maschinell praktiziert

Definierter Abtrag

Schleifwerkzeuge

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Schleifen - Verfahren zur Feinbearbeitung

Das Schleifen gehört zu den nach der Norm DIN 8580 definierten Verfahrens-Hauptgruppen der Fertigung – das Trennen. Innerhalb des Trennens wiederum, dessen Merkmale in DIN 8589 fixiert sind, ist das Schleifen als ‘Spanen mit geometrisch unbestimmter Schneide‘ benannt. Anders als beim Drehen, Fräsen oder Bohren mit ihren monolithischen, vergleichsweise großen Schneiden, geschieht der Späne-Abtrag beim Schleifen mittels kleinster, in einer Bindungsmatrix fest gebundener Hartstoffkörner, deren zahllos scheinende Mikro-Schneiden in quasi zufälliger Ausrichtung verteilt sind. 

Das Schleifen grenzt sich von anderen spanenden Feinbearbeitungsverfahren mit geometrisch unbestimmter Schneide ab, bei denen die Hartstoffkörner entweder auch fixiert sind, aber lineare oder oszillierende Bewegungen ausführen, beispielsweise beim Honen. Oder sie werden lose geführt, zum Beispiel beim Läppen. 

Das maschinelle Schleifen geschieht meist mit hoher Geschwindigkeit, wobei sich Werkstück und einzelnes Schleifkorn meist nicht permanent berühren, Werkstück und Schleifwerkzeug als Ganzes aber schon. Ziel des Schleifens ist vorrangig eine Verbesserung der Form-, Maß- und Lagegenauigkeit sowie der Oberflächengüte des Werkstücks. Je nach Bearbeitungsziel gibt es aber auch Trennschleifen, Entgratschleifen und Werkzeugschleifen, also das Formgeben und Schärfen von Präzisionswerkzeugen wie Fräsern, Bohrern oder Wendeschneidplatten. 

Im Zuge einer forcierten wissenschaftlich-technischen Entwicklung haben sich die Leistungsparameter des Schleifens stetig verbessert, sodass längst nicht mehr nur Fertigschleifen, sondern auch Vorschleifen möglich ist und Arbeitsgänge mit relativ großem Späne-Abtrag möglich sind. Diese waren zunächst dem Fräsen oder Drehen vorbehalten. Das Schleifen kann also diese Verfahren zum Teil ersetzen.

Die Varianten des Schleifens

Die Vielzahl der Varianten des Schleifens lässt sich zum einen danach gliedern, in welchem Grundkörper die Körner gebunden sind. So unterscheidet man das Schleifen mit rotierendem festem Werkzeug – die klassische Schleifscheibe in zylindrischer oder vielfältiger anderer Form, die zum Beispiel die Endkontur des fertigen Teils schon in sich trägt – und das Bandschleifen, bei dem die Körner auf einer biegsamen Unterlage fixiert sind, die rollengestützt umläuft und in Kontakt mit dem Werkstück steht. 

Je nachdem, wo das Werkstück geschliffen wird, unterscheidet man das Innen- und das Außenschleifen. Nach der Art der zu bearbeitenden Fläche unterscheidet man:

  • Rundschleifen

  • Flachschleifen und 

  • Verzahnungsschleifen. 

Weitere Abkömmlinge:

  • Umfangsplanschleifen als Pendel- oder Vollschleifen

  • Stirnplanschleifen

  • Profilschleifen

  • Außenrund-Längsschleifen

  • Innenrund-Längsschleifen

  • Gewindeschleifen

  • Wälzschleifen mit Schleifschnecke 

  • spitzenloses Schleifen (Werkstück wird nicht wie üblich zwischen Spitzen gespannt) 

Maßgebend für die Wahl des Schleifverfahrens ist die Wirtschaftlichkeit. Sie wird maßgeblich von der Fertigungszeit, den Betriebskosten und der Ausbringung bestimmt.

Das Material

Auch wenn sich Holz schleifen lässt, man bestimmte Arten von Kunststoff schleifen kann und es auch durchaus üblich ist, keramische Werkstoffe oder Granit zu schleifen, ist doch das Schleifen von Metall das im industriellen Maßstab eindeutig bestimmende Verfahren. Ob Stahl schleifen, Edelstahl schleifen, Hartmetall schleifen oder Aluminium schleifen – für alle Anwendungsfälle halten die Hersteller optimierte Schleifgeräte parat. Gerade wenn es um schwer zerspanbare Werkstoffe wie Titan- oder Nickelbasislegierungen geht, ist Schleifen die bevorzugte Bearbeitungsmethode, um eine hohe Bauteilqualität zu erzielen. Die Kenntnis der ‘Grundlagen Schleifen‘ ist also für Fertiger essentiell.

Die Maschinen

Gemäß der großen Varianz der Schleifprinzipien gibt es mannigfaltige Maschinenkonzepte, um das Schleifen auszuführen. Maßgebend für die Maschinengestaltung ist die Art der zu erzeugenden Fläche. Ein weiteres Kriterium ist die Frage: Außen- oder Innenbearbeitung? 

Maschinen zum Flachschleifen gibt es mit vertikaler und horizontaler Arbeitsspindel-Position und mit einem Längs- oder Drehtisch. Ein Merkmal zeitgemäßer Spitzenlos-Rundschleifmaschinen ist ein relativ hoher Automatisierungsgrad. Fortschrittliche Verfahrensvarianten wie das Hochgeschwindigkeits-Schleifen erfordern spezielle Maschinenmerkmale, zum Beispiel eine besonders große Steifigkeit, eine hohe Antriebsleistung, eine hoch präzise Spindellagerung, eine leistungsfähige Kühlschmierung sowie Sicherheitssysteme. 

Ein aktueller Trend ist die Integration des Schleifens in andere Maschinenkonzepte, sodass etwa aus Bearbeitungszentren Multifunktionszentren werden, die auch Schleifen können.

Die Werkzeuge

Ein Schleifwerkzeug besteht aus dem Schleifmittel, also den Hartstoffkörnern, und einem Bindemittel. Das Schleifmittel muss hart genug sein, um die Späne aus dem Werkstück herauslösen zu können. Andererseits ist es wichtig, dass die Körner ausreichend spröde sind, damit sie nach dem Abstumpfen splittern und neue scharfe Schneidkanten bilden. Das Schleifmittel muss thermisch und chemisch widerstandsfähig sein und ein ausreichendes Haftvermögen in der Bindung aufweisen.
Natürliche Kornwerkstoffe sind Quarz, Granat, Naturkorund, Schmirgel und Naturdiamant. Zu den synthetischen Kornwerkstoffen gehören Normalkorund, Halbedel- und Edelkorund, Siliziumkarbid, Borkarbid, kubisches Bornitrid (CBN) sowie künstlicher Diamant (PKD). 

Die Körnung (Größe der Körner) wird je nach Schleifaufgabe gewählt. Größere Körner bevorzugt man für grobes Schruppen, eher kleine Körner für feines Schlichten. Eingebettet sind die Körner in anorganische keramische oder mineralische Bindungen oder in organische harzartige beziehungsweise Gummi-Bindungen. Das Bindemittel muss ausreichend fest sein sowie robust gegenüber Temperaturwechseln und dem Einfluss von Kühlschmiermittel.

Schleifwerkzeuge sind in der Mehrzahl kompakte Schleifkörper aus einem scheiben-, topfteller-, ring- oder walzenförmigen Grundkörper mit Aufnahmebohrung oder -schaft. Das Betriebsverhalten dieser als Schleifscheiben bekannten Werkzeuge bestimmen außer Schleif- und Bindemittel sowie Körnung auch die Schleifkörperhärte, also der Widerstand des Korns gegenüber Ausbrechen, sowie das Schleifkörpergefüge, das die räumliche Verteilung von Schleifmittel, Bindemittel und Poren darstellt. 

Weil die Schleifkörper infolge des Ausbrechens der Körner aus der Bindung verschleißen oder sich zusetzen, müssen sie nach einer gewissen Zeit abgerichtet, also nachgeschärft werden. Abgerichtet wird mit profilierten Diamantwerkzeugen, die ein gezieltes Absplittern und Herausbrechen von Körnern herbeiführen. So erhält die Schleifscheibe wieder ihre Soll-Geometrie und wird wieder „schnittig“.

Eine andere Gruppe der Schleifwerkzeuge bilden jene zum Bandschleifen. Hier verwendet man endlose Schleifbänder aus Papier, Gewebe, Leder oder synthetischem Trägermaterial, die man überwiegend einschichtig mit Schleifmittel beklebt.

Leistungsbetrachtung

Geschliffen wird mit vergleichsweise großem Energiebedarf im Normalfall mit einer Schnittgeschwindigkeit von 25 bis 200 m/s. Weil die entstehende Wärme nicht mit den Spänen abgeführt wird, ist meist eine intensive Kühlschmierung nötig. Die Schnitt- und die Vorschubbewegungen vollziehen sich gleichzeitig bei veränderlichem Vorschubrichtungswinkel und stetigem Werkzeugeingriff. 

Will man das Schleifen physikalisch beschreiben oder mathematisch modellieren, muss man die Wirkmechanismen an einer der zahlreichen Einzelschneiden betrachten und zu deren Verallgemeinerung statistische Gesetzmäßigkeiten heranziehen. Lineare Verläufe der Prozesskenngrößen wie beim Fräsen oder Drehen sind wegen des geometrisch unbestimmten Charakters der Schneiden kaum möglich. 

Verwertbare Berechnungsergebnisse lassen sich aber doch erzielen, indem man je nach Schleifverfahren spezielle Korrekturfaktoren setzt, zum Beispiel für die Schnittkraftberechnung. Die Schnittbewegung wird von der Schleifscheiben-Umfangsgeschwindigkeit bestimmt.

Aktuelle Trends

Anders als noch in den 90er-Jahren vermutet, wurde das Schleifen nicht durch Verfahren der Zerspanung mit geometrisch bestimmter Schneide wie das Fräsen oder das Bohren ersetzt. Die Notwendigkeit einer Kühlschmierung in Schleifgeräten und Schleifmaschinen, verbunden mit Argumenten der Ressourcenschonung und der fachgerechten Entsorgung, sprachen zwar für eine Substitution. Doch die Vorteile des Schleifens in puncto Präzision und Prozesssicherheit, verbunden mit stetiger Leistungsverbesserung, festigten die Position des Schleifens nicht nur, sondern stärkten sie sogar. 

Auch wenn eine Minimalmengenschmierung (MMS) oder gar eine Trockenbearbeitung beim Schleifen nach wie vor wirtschaftlich nicht möglich ist, erfüllt das Schleifen aktuelle Anforderungen einer nachhaltigen Fertigung. Kühlschmierroutinen werden zunehmend umweltfreundlicher, die Entsorgung wird perfektioniert.

Das Schleifen folgt und befördert den Trend zu Automation, maschinellem Lernen und Industrie 4.0, indem zum Beispiel die Schleifscheiben sensorisch ausgestattet werden oder eine personalarme Bedienung der zunehmend kompakten Schleifgeräte und Schleifmaschinen mithilfe intelligenter Steuerungen, Antriebe und Handhabungssysteme ermöglicht wird. 

Die Werkzeugcharakteristik wird dem Anwendungsfall immer exakter angepasst. Teilprozesse wie Rüsten, Produzieren, Überwachen, Abrichten und Wartung werden zunehmend ganzheitlich betrachtet und digital unterstützt. Auch das Abrichten entwickelt sich stetig weiter. Diese Entwicklung wird voranschreiten, schon allein aus dem Grund, dass manche der modernen hochfesten, aber schwer zerspanbaren Werkstoffe nur noch mittels Schleifen bearbeitbar sind.

Empfehlung

Die Fachzeitschrift WB Werkstatt + Betrieb, Zeitschrift für spanende Fertigung, befasst sich intensiv mit dem zentralen Fertigungsverfahren Schleifen. Sie informiert ihre Leser regelmäßig sowohl über grundsätzliche Zusammenhänge als auch Innovationen auf diesem Gebiet des Schleifen.

Hier gelangen Sie zu interessanten Print- und/oder digitalen Abo-Angeboten der WB Werkstatt + Betrieb und hier können Sie sich zu unserem kostenlosen wöchentlichen Newsletter anmelden.

Quellen

[1] Warnecke, H.-J.: Einführung in die Fertigungstechnik. 2. Auflage, ISBN 3-519-16323-9, Teubner Studienbücher: Maschinenbau, Teubner, Stuttgart (1993)

[2] Tönshoff H. K.: Spanen – Grundlagen. ISBN 3-540-587 42-X, Springer-Verlag, Berlin Heidelberg (1995)

[3] Conrad, K.-J.: Taschenbuch der Werkzeugmaschinen. ISBN-10 3-446-40641-7, Fachbuchverlag Leipzig im Carl Hanser Verlag, München (2006)

[4] Degner, W., Lutze, H. und Smejkal, E.: Spanende Formung: Theorie, Berechnung, Richtwerte. ISBN 3-17131-2, Carl Hanser Verlag, München (1993)

[5] Müller, G.: Lexikon Technologie. Verlag Technik, Berlin (1985)

[6] Lochmann, K.: Formelsammlung Fertigungstechnik, Formeln – Richtwerte – Diagramme. Fachbuchverlag Leipzig im Carl Hanser Verlag, München (2012)

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