Unterschied zwischen Bearbeitung und Schleifen

Die Herstellung kompliziert geformter Produkte mit guter Oberflächenbeschaffenheit durch Gießen ist nicht immer durchführbar und wirtschaftlich. An den gegossenen Produkten können verschiedene Nachbearbeitungen durchgeführt werden, um schließlich das gewünschte Objekt herzustellen. Zu diesen Vorgängen gehören Verbinden (wie Schweißen), Materialentfernung oder -bearbeitung, Wärmebehandlung oder Eigenschaftsänderung, Färben und Beschichten usw. Materialentfernungsprozesse entfernen im Wesentlichen Material von der Werkstückoberfläche, um die beabsichtigte Abmessung und Toleranz bereitzustellen. Es gibt eine große Anzahl solcher Verfahren, um den Bedarf zu decken, eine Vielzahl von Materialien auf verschiedene Weise zu verarbeiten und ihre Oberflächen auf unterschiedlichen Ebenen zu bearbeiten. Darunter sind konventionelle Bearbeitungsverfahren uralt und gleichzeitig zuverlässig; jedoch können auch verschiedene abrasive Schneidverfahren und sogenannte nicht-traditionelle Bearbeitungsverfahren (NTM) ähnliche Möglichkeiten bieten.

Per Definition Bearbeitung oder Metallzerspanung ist einer der sekundären Fertigungsprozesse, bei dem Schicht für Schicht Material in Form von Spänen von einem vorgeformten Rohling entfernt wird, um die gewünschte Form, Größe und Oberflächenbeschaffenheit zu erhalten. Um diesen Bedarf zu decken, gibt es verschiedene Bearbeitungsverfahren wie Drehen, Gewindeschneiden, Verjüngen, Anfasen, Drehen, Gewindeschneiden, Einhalsen, Verrunden, Planen, Einstechen, Abstechen, Rändeln, Bohren, Fräsen, Formen, Hobeln, Schlitzen, Bohren, Wälzfräsen, Räumen usw. Solche Prozesse können eine höhere Materialentfernungsrate (MRR) bereitstellen und sind somit geeignet, produktiv und wirtschaftlich für die Massenentfernung von Arbeitsmaterial. Zum Entfernen von Material durch Scheren wird zwingend ein hartes und scharfes Schneidwerkzeug oder eine Schneide verwendet. Dieses Schneidwerkzeug sollte auch eine definierte Spezifikation und kompatibles Material für eine unterbrechungsfreie und effiziente Bearbeitung besitzen. Die meisten dieser herkömmlichen Prozesse können eine große Vielfalt von Materialien bearbeiten; bestimmte Arbeitsmaterialien bieten jedoch keine akzeptable Bearbeitbarkeit und daher werden in diesen Fällen andere Materialentfernungsverfahren (wie Trennschleifen oder NTM) empfohlen.

Schleifen , eine Art des abrasiven Schneidverfahrens, kann verschiedene Einschränkungen der herkömmlichen Bearbeitung erfüllen. Hier wird anstelle eines sogenannten Schneidwerkzeugs eine Schleifscheibe verwendet. Die Scheibe besteht im Wesentlichen aus kleinen und härteren Schleifpartikeln wie Aluminiumoxid, Siliziumdioxid, Diamant usw., die in einem geeigneten Medium gebunden sind. Solche Schleifmittel haben eine willkürliche Form und daher fehlt ihnen eine bestimmte Geometrie; obwohl das Rad selbst eine spezifische Konfiguration hat. Obwohl Material in Form von Spänen entfernt wird, sind die Späne hier in Mikrogröße. Dieses Verfahren ist nicht für die Massenentfernung von Materialien geeignet; Stattdessen wird es bevorzugt, um die Oberfläche im Mikrometerbereich (0,5 – 2,0 µm) zu veredeln. Es kann auch harte und zähe Materialien effizient schleifen. Nachfolgend sind verschiedene Unterschiede zwischen konventioneller Bearbeitung und Schleifen tabellarisch aufgeführt.

Tabelle:Unterschiede zwischen Zerspanen und Schleifen

Massenentfernung vs. Veredelungsprozess: Die Materialentfernungsrate (MRR) ist definiert als die Volumenrate des Arbeitsmaterials, das während eines beliebigen Schneidvorgangs von der Arbeitsfläche entfernt wird. Die meisten herkömmlichen Bearbeitungsverfahren (mit Ausnahme weniger wie Rändeln) werden zum Entfernen größerer Materialmengen verwendet, um eine grundlegende Form und Größe zu verleihen. Es bietet eine höhere MRR und ist somit produktiver. Je nach Betrieb und entsprechenden Prozessparametern kann die Produktoberfläche auch auf einem Niveau von 1 bis 50 µm halbfertig bearbeitet werden. Das Schleifen hingegen dient in erster Linie dazu, die Oberfläche wesentlich ebener zu machen. Durch Schleifen ist eine Oberflächenrauhigkeit in der Größenordnung von 0,5 – 2 µm problemlos realisierbar. So kann es eine hohe Maßgenauigkeit und enge Toleranzen bieten.

Schneidwerkzeug – Material und Geometrie: Jeder herkömmliche Bearbeitungsprozess verwendet zwangsläufig ein Schneidwerkzeug (auch Fräser genannt) mit einer bestimmten Geometrie und einem bestimmten Material. Dieser Schneider enthält eine oder mehrere scharfe Schneidkanten, um Material effizient von der Arbeitsfläche abzuscheren. Das Material dieses Fräsers ist auch ein wichtiger Faktor bei der Entscheidung über die Bearbeitungsleistung. Am wichtigsten ist, dass die Härte des Schneidmaterials deutlich höher sein muss als die des Arbeitsmaterials. Ausgehend von Schnellarbeitsstahl (HSS), Hartmetall und Keramik sind heutzutage kubisches Bornitrat (cBN) und Diamantschneider leicht verfügbar. Beim Schleifen wird die Scheibe anstelle des Schneidwerkzeugs verwendet, und die Schleifmittel auf der Scheibe entfernen tatsächlich Material. Anders als Fräser haben solche Schleifmittel keine definierte Geometrie (verschiedene Winkel, Kantenradius, Spitzenradius, Schneidenlänge usw. variieren beliebig); Schleifmittel wie Aluminiumoxid, Siliziumdioxid oder Diamant können jedoch fixiert werden.

Spanwinkel und Freiwinkel: Der Spanwinkel eines Schneidwerkzeugs gibt die Neigung der Spanfläche von der Referenzebene an. Dies ist ein wichtiger Faktor, der die Scherverformung, die Spanflussrichtung, die Spandicke, die Schnittkraft, die Scherspannung, den Energieverbrauch usw. beeinflusst. Fräser, die bei der konventionellen Bearbeitung verwendet werden, können einen positiven, negativen oder sogar keinen Spanwinkel haben, und sein Wert variiert normalerweise zwischen +15° bis –15°. Schleifmittel der Schleifscheibe haben einen abrupten Spanwinkel und können von +60° bis –60° variieren, manchmal sogar über diese Grenze hinaus. Ein solch hoher Spanwinkel ist normalerweise unerwünscht, da er eine Unwucht beim Schneiden verursacht und entweder den Schneidleistungsverbrauch (hoch positiv) oder den Werkzeugausfall (hoch negativ) erhöht. Im Gegensatz zum Spanwinkel kann der Freiwinkel eines Fräsers nicht negativ oder null sein – er sollte einen positiven Wert haben. Qualität und Toleranz der fertigen Oberfläche hängen von diesem Winkel ab. Bei Fräsern liegt der Freiwinkel in der Regel zwischen +3° bis +15°; während es für Schleifmittel willkürlich sein kann (es kann null oder so hoch wie +90° sein).

Scheren und Beteiligung von Schneidkanten: Ein Fräser kann aus einer oder mehreren Schneidkanten bestehen und kann dementsprechend entweder ein Einpunkt- oder Mehrpunkt-Fräser sein. Unabhängig von der Anzahl nehmen alle Schneidkanten gleichermaßen am Materialabtrag teil. Darüber hinaus wird beim maschinellen Bearbeiten Material durch Abscheren einer dünnen Materialschicht entfernt, wenn eine ausreichende Druckkraft durch das Schneidwerkzeug aufgebracht wird. Bei Schleifscheiben nehmen nur wenige freiliegende Schleifmittel (manchmal sogar unter 1 %) an der Materialabtragungswirkung teil. Der Rest der Schleifmittel berührt die Arbeitsfläche entweder nicht (beachten Sie, dass die Zustellung sehr gering ist, sogar unter 10 µm) oder sie verursachen Kratzen, Pflügen oder Reiben statt Scheren. Material wird jedoch nur durch Scheren entfernt; andere erhöhen nur die Normalkraft in unerwünschter Weise.

Spezifischer Energieverbrauch: Die zum Abtragen des Materialvolumens erforderliche Schneidenergie wird als spezifische Energie bezeichnet, gemessen in J/mm ³ . Mathematisch ergibt die Leistung dividiert durch MRR spezifische Energie. Die konventionelle Bearbeitung bietet eine hohe Materialabtragsrate (MRR) und damit eine vergleichsweise niedrige spezifische Energie. Andererseits ist beim Schleifen der MRR niedrig und die meiste Energie wird durch Kratzen, Pflügen oder Reiben anstatt durch Scheren verschwendet. Dementsprechend steigt die spezifische Energie stark an; sogar 5- bis 20-mal höher.

Oberflächenschäden durch Hitzeentwicklung: Bei der konventionellen Bearbeitung wird der Großteil der Schnittwärme in der sekundären Verformungszone erzeugt, wo ein intensives Reiben zwischen Span und Spanfläche stattfindet. Auch die primäre Scherzone trägt in gewissem Maße dazu bei. Der größte Teil der erzeugten Wärme (70 – 80 %) wird jedoch von den kontinuierlich fließenden Spänen abgeführt und nur ein winziger Teil gelangt in den Fräser oder das Werkstück. Daher ist eine thermische Schädigung von Werkstück und Schneide normalerweise unbedeutend, insbesondere wenn ein geeigneter Kühlschmierstoff verwendet wird. Beim Schleifen entsteht Wärme hauptsächlich durch Kratzen, Pflügen und Reiben. Diese Wärme sammelt sich innerhalb des Werkstücks an, da Schleifmittel thermisch isolierend sind und sehr kleine Mengen an Mikrospänen bilden. Ein extremer Wärmestau kann zu verschiedenen thermischen Schäden an der fertigen Oberfläche führen, einschließlich Oberflächenverbrennungen, Änderungen der mechanischen Eigenschaften, Maßungenauigkeiten aufgrund von Wärmeausdehnung usw.

Bearbeitung harter und zäher Materialien: Solche Materialien weisen viele Herausforderungen auf, wenn sie mit herkömmlichen Bearbeitungsverfahren verarbeitet werden, wie hoher Werkzeugverschleiß, fragmentierte Späne usw., die letztendlich zu einer schlechten Bearbeitbarkeit führen. Schleifen kann unabhängig von Zähigkeit und Härte des Arbeitsmaterials vorteilhaft angewendet werden.

In diesem Artikel wird ein wissenschaftlicher Vergleich zwischen konventioneller Bearbeitung und Schleifen vorgestellt. Der Autor empfiehlt Ihnen außerdem, die folgenden Referenzen durchzugehen, um das Thema besser zu verstehen.

• Bearbeitung und Werkzeugmaschinen von A. B. Chattopadhyay (1 ^st Auflage, Wiley).
• Manufacturing Engineering and Technology:SI Edition von S. Kalpakjian und S. R. Schmid (7 ^th Ausgabe, Pearson Ed Asia).
• Unterschied zwischen maschineller Bearbeitung und Schleifen von difference.minaprem.com.