Schleifscheibentheorie verstehen: Wichtige Zusammenhänge für Effizienz in der Metallbearbeitung

Grundlagen der Schleifscheibentheorie

Ziel der Schleiftheorie ist es, die Beziehungen zwischen dem radialen Vorschub, der Kraft auf einzelne Körner der Schleifscheibe, der Umfangsgeschwindigkeit der Schleifscheibe, der Werkstückgeschwindigkeit und deren Durchmessern herzustellen. Abbildung 20.5 zeigt einen vergrößerten Ausschnitt des Kontaktbereichs zwischen Schleifscheibe und Werkstück.

Schnittdickenverlauf im Kontaktbogen

Wenn ein Schleifkorn in das Material eindringt (Punkt A), beträgt die Schnitttiefe null. Sie nimmt allmählich zu, während sich Scheibe und Werkstück drehen, und erreicht ihr Maximum irgendwo entlang des Kontaktbogens. Da sich die Scheibe meist viel schneller dreht als das Werkstück, liegt der Punkt maximaler Schnitttiefe fast dort, wo die Scheibe das Werkstück verlässt. Diese maximale Tiefe wird als Korntiefe (bezeichnet mit t) bezeichnet.

Mathematische Zusammenhänge

Seien d und D die Durchmesser von Werkstück und Schleifscheibe, v und V ihre Umfangsgeschwindigkeiten. Die Zeit T, die ein Korn auf der Schleifscheibe benötigt, um von A nach B zu gelangen, ergibt den Bogen AB = V × T. In derselben Zeit legt ein Punkt auf dem Werkstück bei A nur die Strecke AC = v × T zurück. Der schraffierte Bereich ACB bildet den Span mit seiner maximalen Dicke CD.

Durch Regulierung der Korntiefe können Schleifscheiben weicher oder härter wirken – indem die Korntiefe erhöht oder verringert wird. CD lässt sich auch durch Variation der Werkstückgeschwindigkeit oder des radialen Vorschubs beeinflussen.

Da der Bogen AC sehr klein ist, kann er als Gerade behandelt werden:

CD = AC × sin(α + β) = v × T × sin(α + β)

(α und β sind die Winkel, die der Kontaktbogen im Mittelpunkt von Scheibe bzw. Werkstück einschließt.)

Maximale Spandicke pro Korn

Da nicht ein einzelnes Korn den Schnitt ausführt, sondern N Körner pro Einheitslänge des Scheibenumfangs wirken (messbar durch Abrollen der Scheibe auf Rauchglas und mikroskopisches Zählen der Spuren), ergibt sich die maximale Spandicke pro Korn bzw. die Korntiefe.

Aus Gleichung (1) folgt: Die Korntiefe wächst proportional zur Werkstückgeschwindigkeit, umgekehrt proportional zur Scheibengeschwindigkeit und proportional zu sin(α + β).

Praktische Konsequenzen für das Schleifverhalten

Die folgenden Aussagen gelten unter der Annahme, dass nur eine Variable geändert wird, während alle anderen konstant bleiben. In der Praxis müssen sie mit anderen Faktoren abgewogen werden.

Da der radiale Vorschub f im Vergleich zu D und d sehr klein ist, kann f² vernachlässigt werden. Aus der Gleichung geht hervor, dass eine Erhöhung der Scheibengeschwindigkeit V die mittlere Spandicke t verringert. Eine geringere Spandicke führt zu besserer Oberflächengüte, engeren Form- und Lagetoleranzen durch geringere Schleifkräfte, verbesserter Randschichtintegrität und niedrigeren Spannungen im Bauteil.

Daher strebt man in der Präzisionsschleiftechnik stets nach möglichst hohen Schleifgeschwindigkeiten.

Kraft auf einzelne Körner

Die Kraft auf einzelne Körner ist proportional zur Spänchenfläche, die wiederum proportional zum Quadrat der Korntiefe ist.

Aus Gleichung (3) lassen sich wichtige Schlussfolgerungen zum Schleifscheibenverhalten ziehen: Übersteigt die Kraft die Bindungsfestigkeit, brechen die Körner aus. Eine Erhöhung der Werkstückgeschwindigkeit bewirkt den Kornausbruch effektiver als eine Erhöhung des radialen Vorschubs.

Für weiche Scheiben sollte V hoch, für harte Scheiben v hoch sein. Bei annähernd gleichem Durchmesser von Werkzeug und Werkstück (Innenschleifen) ist [(D+d)/Dd] klein – weiche Scheiben sind erforderlich. Beim Außenschleifen ist dieser Term groß, die Kraft pro Korn hoch – harte Scheiben sind nötig, um die hohe Kraft pro Korn auszugleichen.

Produktivität und Materialabtrag

Für höhere Produktivität muss die Materialabtragsrate hoch sein. Die Schleifkörner müssen höhere Schleifkräfte aushalten, länger scharf bleiben und sich so brechen, dass neue Schneiden freigelegt werden.

Spanabmessungen beim Planschleifen

Undeformierte Spanlänge: l = √(D·d)

Undeformierte Spandicke: t = ...

C = Anzahl der Schneiden pro Flächeneinheit des Scheibenumfangs (ca. 0,1 bis 10 pro mm²)
r = Verhältnis von Spanbreite zu mittlerer undeformierter Spandicke (ca. 10 bis 20)