Zerspanen vs. Schleifen: Grundlegende Unterschiede in der Fertigung

Hintergrund

Komplexe Formen mit guter Oberfläche durch Gießen nicht immer machbar/ökonomisch. Sekundäroperationen an Gussteilen: Fügen (Schweißen), Materialabtrag/Zerspanen, Wärmebehandlung, Beschichten etc. Materialabtrag für Maß/Toleranz. Viele Verfahren für Materialvielfalt und Oberflächenniveaus. Konventionelles Zerspanen: altbewährt, zuverlässig; aber Schleifen und NTM bieten Alternativen.

Definitionen

Zerspanen (Metal Cutting): Sekundärer Fertigungsprozess, schichtweiser Materialabtrag als Späne vom vorgeformten Rohling für Form, Maß, Oberfläche. Verfahren: Drehen, Gewinden, Konisieren, Fasen, Spinnen, Gewindebohren, Einziehen, Abrunden, Planen, Nuten, Abstechen, Wälzfräsen, Bohren, Fräsen, Schlichten, Planen, Stoßen, Reiben, Hobeln, Wälzfräsen etc. Hohe Zerspanrate (MRR) → produktiv/ökonomisch für Volumenabtrag. Hartes, scharfes Schneidwerkzeug (Cutter) zwingend zum Scheren. Definierte Spezifikation und passender Werkstoff für unterbrechungsfreies Zerspanen. Die meisten Verfahren bearbeiten viele Werkstoffe; manche Werkstoffe schlechte Zerspanbarkeit → Schleifen/NTM empfohlen.

Schleifen: Art der Schleifbearbeitung. Nutzt Schleifscheibe statt Schneidwerkzeug. Scheibe aus kleinen, harten Abrasivkörnern (Korund, Siliziumdioxid, Diamant etc.) in geeignetem Bindemittel. Abrasive haben willkürliche Form → keine definierte Geometrie; Scheibe selbst hat Konfiguration. Materialabtrag als Späne, aber Mikrospäne. Nicht für Volumenabtrag; Finish im Mikronbereich (0,5–2,0 µm). Bearbeitet effizient harte/zähe Werkstoffe.

Vergleichstabelle: Zerspanen vs. Schleifen

Detaillierte Analyse

Volumenabtrag vs. Finish-Prozess

MRR = Volumenabtragsrate. Konventionelles Zerspanen (außer Wälzfräsen) für große Mengen → hohe MRR, produktiv. Kann halbfertigen (1–50 µm Rauheit). Schleifen: primär Finish auf hohem Niveau. Rauheit 0,5–2 µm leicht machbar → hohe Genauigkeit, enge Toleranz.

Schneidwerkzeug – Werkstoff und Geometrie

Konventionell: zwingend Schneidwerkzeug mit definierter Geometrie und Werkstoff. Eine/mehrere scharfe Schneiden. Werkstoffhärte >> Werkstückhärte. Von HSS, Hartmetall, Keramik bis cBN, Diamant. Schleifen: Rad statt Werkzeug; Abrasive entfernen Material. Im Gegensatz zum Werkzeug: Abrasive ohne definierte Geometrie (Winkel, Radien, Schneidenlänge willkürlich); Abrasivwerkstoff fest (Korund, Siliziumdioxid, Diamant).

Spanwinkel und Freiwinkel

Spanwinkel: Neigung Spanfläche von Referenzebene. Beeinflusst Scherverformung, Chipfluss, Spandicke, Kraft, Scherdehnung, Leistung. Konventionelle Werkzeuge: positiv/negativ/null, +15° bis –15°. Abrasive: abrupte Spanwinkel +60° bis –60°, teils mehr. Hohe Werte meist unerwünscht (Ungleichgewicht → hoher Leistungsbedarf bei stark positiv, Werkzeugversagen bei stark negativ). Freiwinkel: bei Werkzeug nie negativ/null (positiv zwingend). Qualität/Toleranz abhängig davon. Werkzeug: +3° bis +15°; Abrasive: willkürlich (null bis +90°).

Scheren und Schneidenbeteiligung

Werkzeug: ein/mehrere Schneiden → Einzelschneiden/Mehrschneiden. Jede Schneide beteiligt sich gleichmäßig. Materialabtrag durch Scheren unter Druck. Schleifscheibe: nur wenige exponierte Abrasive (teils < 1 %) schneiden aktiv. Rest berührt nicht (Einschnitt sehr gering, < 10 µm) oder verursacht Kratzen, Pflügen, Reiben statt Scheren. Nur Scheren entfernt Material; anderes erhöht Normalkraft unerwünscht.

Spezifischer Energieverbrauch

Spezifische Energie = Energie pro abgetragenem Volumen (J/mm³). Leistung / MRR. Zerspanen: hohe MRR → niedrige spezifische Energie. Schleifen: niedrige MRR, meiste Energie durch Reiben/Pflügen/Kratzen verloren → spezifische Energie 5–20× höher.

Oberflächenschädigung durch Wärme

Zerspanen: meiste Hitze in sekundärer Zone (Chip-Spanflächen-Reibung). Primäre Scherzone trägt bei. 70–80 % Hitze durch Chips abgeführt → geringer thermischer Schaden (mit Kühlschmierstoff). Schleifen: Hitze durch Kratzen, Pflügen, Reiben. Akkumuliert im Werkstück (Abrasive thermisch isolierend, Mikrospäne winzig). Extreme Hitze → thermische Schäden: Oberflächenbrennen, Eigenschaftsänderungen, Maßungenauigkeit durch thermische Ausdehnung.

Bearbeitung harter/zäher Werkstoffe

Konventionell: Herausforderungen (hoher Verschleiß, Splitterspäne → schlechte Zerspanbarkeit). Schleifen: vorteilhaft unabhängig von Zähigkeit/Härte.

Literaturhinweise

• Machining and Machine Tools von A. B. Chattopadhyay (1. Auflage, Wiley).
• Manufacturing Engineering and Technology: SI Edition von S. Kalpakjian und S. R. Schmid (7. Auflage, Pearson Ed Asia).
• Difference Between Machining and Grinding von difference.minaprem.com.