Bearbeitungszugabe 101:Berechnung und Anwendung präziser Toleranzen

Was ist Bearbeitungszugabe?

Wir beginnen mit der Definition der Bearbeitungszugabe. Bei der Bearbeitungszugabe handelt es sich um das zusätzliche Material, das Hersteller absichtlich auf einem Werkstück hinterlassen und das bei nachfolgenden Bearbeitungsvorgängen in einer kontrollierten Umgebung entfernt werden soll.

Durch das Belassen bearbeiteter Aufmaße wird gewährleistet, dass genügend Material auf der Werkstückoberfläche verbleibt, um genaue und präzise Bearbeitungsmaße, Anforderungen an die Oberflächengüte und Teiletoleranzen zu erreichen.

Bearbeitungszugabe vs. Toleranz

Machen wir einen kleinen Umweg und sprechen wir über Bearbeitungszugabe vs. Toleranz.

Im vorherigen Abschnitt haben wir die Verwendung des Wortes „absichtlich“ hervorgehoben, da es das Hauptunterscheidungsmerkmal zwischen den oft verwirrenden Konzepten von Bearbeitungstoleranz und -aufmaß darstellt. Während es bei der Toleranz auch darum geht, wie viel zusätzliches/weniger Material sich auf einem Werkstück befindet, geschieht dies nicht absichtlich.

Es erklärt vielmehr das akzeptable Ausmaß unbeabsichtigter Abweichungen in den Werkstückabmessungen. Dies hängt mit der Tatsache zusammen, dass es unmöglich ist, die genauen Abmessungen eines Teils zu erreichen. Deshalb definieren Ingenieure CNC-Bearbeitungstoleranzen, um den Herstellern einen Zielbereich zu geben, innerhalb dessen sie bleiben müssen.

Warum ist die Bearbeitungszugabe wichtig?

Das Belassen von Bearbeitungszugaben an Teilen ist aus vielen praktischen Gründen wichtig. In diesem Abschnitt werden die Gründe erläutert, warum dies eine gängige technische Praxis ist.

• Maßgenauigkeit :Das Belassen von Bearbeitungszugaben an Teilen gibt Maschinisten einen Sicherheitsspielraum für die Durchführung von Endbearbeitungsvorgängen. Durch die Nutzung von Schnittparametern wie hohen Geschwindigkeiten und geringen Schnitttiefen können sie bei den endgültigen Schnitten eine hohe Maßgenauigkeit erreichen.
• Oberflächenbeschaffenheit :Wie bei der Maßgenauigkeit ermöglicht es dem Maschinisten, durch zusätzliches Material auf der Werkstückoberfläche die Oberflächenqualität während der Endschnitte zu steuern.
• Qualitätskontrolle :Bearbeitungszugaben fördern auch die Qualitätskontrolle während des Prozesses. Ingenieure haben die Möglichkeit, die Produktionsqualität zwischen Schrupp- und Schlichtzyklen zu überwachen und ihre Fertigungspläne entsprechend zu aktualisieren, was zu weniger Ausschussausschüssen führt.

Wie berechnet man die Bearbeitungszugabe?

Das Belassen von Bearbeitungsaufmaßen ist eine professionelle technische Praxis, aber wie viel Aufmaß sollte übrig bleiben? Die Antwort auf diese Frage ist eher erfahrungsorientiert als wissenschaftsorientiert. Ingenieure und Techniker berücksichtigen bei der Berechnung der geeigneten Bearbeitungszugaben für ein Teil mehrere Faktoren.

Die Hauptfaktoren sind wie folgt:

Herstellungsprozess

Der Herstellungsprozess, mit dem das Teil vor der Bearbeitung hergestellt wurde, gibt viele Informationen darüber, wie „rau“ es ist. Zwischen Guss und Schmieden sind beispielsweise Gussteile im Allgemeinen weniger maßhaltig und erfordern daher üblicherweise eine größere Bearbeitungszugabe von 2–5 mm. Beim Schmieden kann es aufgrund der endkonturnahen Ergebnisse 1–3 mm betragen.

Materialeigenschaften

Materialien, die während der Bearbeitung anfällig für Maßänderungen oder Unfälle sind, erfordern normalerweise größere Bearbeitungszugaben. Daher entscheiden sich Ingenieure für einen höheren Zuschlag für duktile Materialien. Aluminium ist beispielsweise duktiler als Edelstahl. Ihre jeweiligen Bearbeitungszugaben für die gleiche Geometrie können 1–2 mm bzw. 0,5–1 mm betragen.

Bearbeitungstyp

Schruppoperationen mit Massenabtrag erfordern größere Bearbeitungsaufmaße als Schlichtoperationen mit feineren Schnitten. Nehmen wir als Beispiel die Bearbeitung einer Turbinenschaufel. Bei den ersten Schruppschnitten am Werkstückrohling sind die Bearbeitungszugaben hoch (3–4 mm), aber wenn der Prozess voranschreitet und das Profil der Klinge Gestalt annimmt, können kleinere Bearbeitungszugaben im Bereich von 0,5–1 mm für Halbschlicht- und Schlichtschnitte verwendet werden.

Toleranz/Finish

Teile mit hohen Qualitätsanforderungen (enge Toleranz, feine Oberflächengüte) werden in der Regel mit mehr Aufmaßen geplant, um sicherzustellen, dass kleinere Abweichungen während der letzten Durchgänge korrigiert werden können.

Formel der Bearbeitungszugabe 

Obwohl es keine feste Formel zur Berechnung der Bearbeitungszugaben gibt, könnte eine allgemeine Richtlinie zur Berücksichtigung der Hauptfaktoren wie folgt lauten:

Bearbeitungszugabe =Oberflächenvariation + Werkzeugzugangsmarge + Puffer für Endbearbeitungsanforderungen

Betrachten wir den Fall der technischen Zeichnung unten und führen Sie eine grobe Berechnung der Bearbeitungszugabe durch. Unter der Annahme, dass das Teil aus Aluminium gefertigt werden soll, wäre eine konservative Maschinenzugabe von 0,5–1 mm in Ordnung, wenn man die einfache Geometrie berücksichtigt und keine Toleranzanforderungen an die Hauptabmessungen stellt.

Für die Positionierung des Lochs können jedoch größere Toleranzen erforderlich sein. Es gibt eine Positionstoleranz (±0,05 mm) und eine einseitige Toleranz des Lochdurchmessers (+0,1 – +0,3 mm); die Oberflächenabweichungszugabe kann 0,5 mm betragen. Es gibt kein Problem mit dem Werkzeugzugriff, so dass das Aufmaß vernachlässigt werden kann. Allerdings muss das Loch glatt sein und wir können Endbearbeitungen mit Reiben oder Polieren durchführen. Somit kann der Finish-Anforderungspuffer 0,1 mm betragen.

Daher wäre die Bearbeitungszugabe zum Positionieren und Bohren des Lochs:

Bearbeitungszugabe =Standard (0,5) + Oberflächenabweichung (0,5) + Oberflächenanforderungspuffer (0,1) =1,1 mm

Häufige Herausforderungen bei der Verwaltung von Bearbeitungszugaben

Bearbeitungszugaben sind ein wichtiger Zwischenprozess bei der Bearbeitung und ihre ordnungsgemäße Verwaltung ist entscheidend für eine erfolgreiche Produktion. Bei der Verwaltung der Bearbeitungszugaben können Maschinenwerkstätten mit folgenden Herausforderungen konfrontiert sein:

Übermäßiges Zulassen

Das Belassen von Bearbeitungszugaben ist ein sicherer technischer Ansatz, und es ist möglich, bei Konstruktionen mit hohem Risiko zu viel Spielraum für ein Teil zu lassen. Dieser zusätzliche Spielraum führt zu unnötiger Energie- und Materialverschwendung, Werkzeugverschleiß und längeren Produktionszeiten.

Unterberücksichtigung

In ähnlicher Weise kann es passieren, dass Ingenieure Teile nicht ausreichend kalkulieren, während sie versuchen, der betrieblichen Effizienz Priorität einzuräumen. Dies ist ebenfalls problematisch, da möglicherweise nicht genügend Material übrig bleibt, um die Toleranz oder Oberflächenbeschaffenheit ordnungsgemäß zu kontrollieren. Infolgedessen kann es zu Nacharbeit oder Ausschuss kommen.

Komplexe geometrische Merkmale

Die Bearbeitungszugabe lässt sich für einfache prismatische oder zylindrische Geometrien leicht definieren, bei Teilen mit komplexen Profilen oder Hinterschnitten ist sie jedoch recht schwierig. Für solche Merkmale müssen Ingenieure lokalisierte Bearbeitungszugaben zuweisen und fortschrittliche CAD/CAM-Lösungen verwenden.

Materialinkonsistenzen

Die Definition der Bearbeitungszugabe hängt stark vom Material ab, es kommt jedoch häufig zu geringfügigen Abweichungen der Materialeigenschaften bei verschiedenen Chargen, Marken und Richtungen. Die Inkonsistenzen machen die Verwaltung der Bearbeitungszugaben in Hochpräzisionsindustrien zu einer Herausforderung.

Werkzeugverschleiß

Schneidwerkzeuge verschlechtern sich mit der Zeit und dies kann sich auf die Menge des abgetragenen Materials auswirken. Dies kann beim Umgang mit Bearbeitungszugaben problematisch sein, da die Teileabmessungen variabel werden.

Zustand der Werkzeugmaschine

Die Genauigkeit von CNC-Maschinen lässt mit der Zeit nach. Dies macht sie bei der Einhaltung enger Toleranzen unberechenbar, was es schwierig macht, Bearbeitungszugaben in der Werkstatt zu verwalten.

Das Belassen von Bearbeitungszugaben ist eine Praxis, die dazu beiträgt, eine bessere Teilequalität zu erreichen, indem Maßgenauigkeit, eine bessere Kontrolle über die Oberflächengüte und eine bessere Steuerung des Schneidprozesses gewährleistet werden. Außerdem ist praktische Erfahrung erforderlich, um zu entscheiden, welche Bearbeitungszugaben verwendet werden sollen, da diese von Faktoren wie Materialeigenschaften, Geometrie und Qualitätsanforderungen abhängen.

Wie wirkt sich die Bearbeitungszugabe auf die Produktionskosten aus?

Die Bearbeitungszugabe hat direkten Einfluss auf die Produktionskosten. Präzise Bearbeitungsvorgänge mit engen Toleranzen erfordern besondere Sorgfalt und Zeit und bergen ein erhöhtes Risiko für Teileausschuss. Diese Anforderungen erhöhen die Produktionskosten.

Beeinflusst die Temperatur die Bearbeitungszugabe?

Temperaturunterschiede während der Bearbeitung können dazu führen, dass sich Materialien thermisch ausdehnen/kontrahieren, was sich wiederum negativ auf die Bearbeitungszugabe auswirken kann.

Hängt die Oberflächengüte von der Bearbeitungszugabe ab?

Im Allgemeinen weisen Bauteile mit hohen Anforderungen an die Oberflächengüte auch geringe Bearbeitungsaufmaße auf, da beide Eigenschaften mit einer hohen Präzision einhergehen. Beispielsweise weisen Lagersitze sowohl enge Toleranzen als auch eine feine Oberflächengüte auf.