Zentrisches Schleifen meistern: 8 Schlüsselprinzipien für Präzisionsbearbeitung

In der Zerspanungswelt sind Drehwerkzeuge wie Drehmaschinen und Fräsmaschinen die glamourösen Stars. Tatsächlich sind sie für die meisten Menschen das Zerspanen. Doch die Fähigkeit, präzises zentrloses Schleifen zusätzlich zur Bearbeitung durchzuführen, ist ein definitiver Vorteil.

Wie funktioniert zentrloses Schleifen?

Zentrloses Schleifen ist einer von mehreren Bearbeitungsprozessen, die abrasives Schneiden nutzen, um Material von einem Teil (Werkstück) abzutragen. Der Prozess beinhaltet, dass das Teil auf einer Werkstückauflage ruht, die zwischen zwei rotierenden Zylindern sitzt:

• Ein Regulierrad, das die Drehgeschwindigkeit und Vorschubgeschwindigkeit des Teils steuert (für Einstechschleifen) oder den Lineardurchlauf (für Durchlaufschleifen)
• Ein größeres abrasives Schleifrad

Die Schönheit des zentrlosen Schleifens: Das Werkstück wird durch den Druck der rotierenden Räder gehalten. Keine Spannvorrichtung nötig – Setup ist einfach, Rüstzeiten kurz. Und weil das Werkstück starr unterstützt wird, gibt es keine Durchbiegung während des Schleifens.

Trotz dieser und anderer Vorteile hat zentrloses Schleifen weniger Anwender als Zerspanen. Und obwohl die zentrlose Schleifmaschine seit fast einem Jahrhundert existiert, hadern viele mit den Grundlagen des Prozesses und seiner Funktionsweise.

Was sonst noch hilfreich ist über diesen etwas mysteriösen Prozess? Schauen wir uns 8 grundlegende Prinzipien des zentrlosen Schleifens an – Dinge, die hilfreich (und hoffentlich interessant) sind über diesen reifen, doch noch etwas unbekannten Prozess.

1. Zentrloses Schleifen setzt dort an, wo Zerspanen aufhört.

Ein Nachteil: Im Gegensatz zum Zerspanen können Sie nicht so viele Mehrachsen an den Werkstücken betreiben. Doch es gibt viele Teile, wo der zentrlose Prozess die Limitationen des Zerspanens in Bezug auf Dimensionen, Materialien und Oberflächenbeschaffenheiten adressiert.

Deshalb sagen wir gern: Wo Zerspanen endet, beginnt der zentrlose Schleifprozess. Beispiel: Wenn Sie ein Teil haben, das von einer Drehmaschine aus der Rundheit ist und der Durchmesser zu klein oder der Mittelpunkt unmöglich zu spannen ist, können Sie Rundheit durch zentrlose Schleiftechniken erreichen.

Zudem gibt es während des zentrlosen Prozesses keine Axialkraft auf Werkstücke. Das bedeutet, es kann zum Schleifen langer Stücke spröder Materialien und Teile eingesetzt werden, die sonst verzogen würden.

2. Der zentrlose Schleifprozess ist trügerisch einfach, doch präzise.

Da sie viel ihrer Funktionalität grundlegenden physikalischen Prinzipien verdanken, haben zentrlose Schleifmaschinen nicht viele bewegliche Teile. Das macht zentrloses Schleifen zu einem relativ einfachen Prozess, ideal für die Fertigung des Außendurchmessers kleiner zylindrischer Metallteile mit engen Toleranzen.

Zentrloses Schleifen ist praktisch kontinuierlich, da die Ladezeit im Vergleich zum Schleifen zwischen Spitzen gering ist. So können lange Längen kontinuierlich geschliffen werden. Selbst große Mengen kleiner Teile können durch diverse Zuführeinrichtungen automatisch geschliffen werden.

Zudem können zentrlose Schleifmaschinen konsistent bei hohen Geschwindigkeiten arbeiten. Das macht den Prozess ideal für Hochvolumenanwendungen in Luftfahrt, Automobil, Militär, Medizintechnik und anderen Branchen.

3. Schleifmethoden unterscheiden sich darin, wie Teile durch die Maschine geführt werden.

Der primäre Unterschied zwischen den zwei gängigsten Methoden des zentrlosen Schleifens liegt in der Art, wie Werkstücke durch die Maschine geführt werden.

Durchlaufschleifen wird typischerweise für Teile mit konsistenter Rundheit über die Teillänge verwendet. Hierbei durchläuft das Werkstück die Auflage zwischen den beiden Rädern.

Getrieben durch einen leichten Winkel am Regulierrad relativ zum Schleifrad "quetscht" die Durchlaufmethode das Werkstück im Wesentlichen über das Schleifrad und hinaus auf der anderen Seite.

Einstechschleifen – auch Tauchschleifen genannt – wird für zylindrische Teile mit Kerben oder komplexen Formen verwendet, wie Wellen. Hier muss die Werkstückauflage der Teileform angepasst werden, und Schleif- und Regulierrad müssen auf das gewünschte Profil abgestimmt sein.

Bei der Einstechmethode dreht das Regulierrad das Teil mit einer Geschwindigkeit, während es es zum schneller drehenden Schleifrad drückt. Je größer der Geschwindigkeitsunterschied, desto höher die Abtastrate.

4. Die Wahl des Schleifrads ist kritisch.

Ein weiterer Schlüsselfaktor beim zentrlosen Schleifen ist die Schleifradwahl. Es muss sowohl zum Metall der Teile als auch zur gewünschten Oberflächenbeschaffenheit passen.

Neben verschiedenen Durchmessern und Breiten/Dicken gibt es zentrlose Schleifräder in verschiedenen Korntypen und -größen, oft mit Superabrasives wie polykristallinem Diamant und kubischem Bornitrid.

Superabrasive und Siliziumkarbid-Radmaterialien sind vorteilhaft beim zentrlosen Schleifen extrem harter Metalle, aus mehreren Gründen:

• Die Räder sind langlebig und behalten ihre Schärfe länger.
• Sie haben hohe Wärmeleitfähigkeit, behalten Form bei hohen Kontaktemperaturen und Drehzahlen.
• Weniger Zeit für den Abrichtzyklus wird benötigt.
• Radstandzeit ist weit länger als bei Materialien wie Aluminiumoxid-Abrasives.

5. Winkel beeinflussen den Erfolg beim zentrlosen Schleifen.

Die Winkel, in denen die zentrlosen Schleifräder das Teil berühren, sind kritisch für korrekte Rundheit und Toleranz.

Generell sind die Mittelpunkte von Regulier- und Schleifrad auf gleicher Maschinenhöhe eingestellt, der Werkstückmittelpunkt höher. Steht das Werkstück zu hoch, kann es Rattern zeigen. Zu tief, kann es aus der Rundheit geraten.

Ziel: Das Teil (1) in Kontakt mit dem Regulierrad halten und (2) mit geringerer Drehzahl rotieren lassen, während das schnellere, größere Schleifrad die Kraft für die präzise Rundheit aufbringt. Korrekte Radwinkel stellen sicher, dass die gesamte Schleifradoberfläche genutzt wird.

Ist der Regulierradwinkel zu spitz, kann das Werkstück zu tief in die Schleifzone gelangen – ungleichmäßiger Verschleiß, Konizität, reduzierte Radstandzeit. Ist das Regulierrad zu parallel zum Schleifrad, können Teile zwischen den Rädern steckenbleiben – oder im Worst Case: Werkstück/Rad-Crash.

Der Winkel der Werkstückauflage ist ebenfalls kritisch. Beispiel: Beim Schleifen mit 4" (101,6 mm) breitem Superabrasivrad funktioniert die Auflage generell gut bei 30°.

Bei Radbreiten von 6" (152,4 mm) oder 8" (203,2 mm) kann derselbe Winkel zu viel Druck zum Schleifrad erzeugen und Rattern verursachen. Hier reduziert eine Änderung auf 20° oder 25° den Druck und eliminiert das Rattern.

6. Kühlung ist beim zentrlosen Schleifen Pflicht.

Kühlmittel dient beim zentrlosen Schleifen nicht nur der Kühlung des Schleifrads, sondern auch der Wärmeabfuhr aus der Zone, wo Werkstück und Schleifrad in Kontakt stehen.

Zentrloses Schleifen erfordert korrekt druckbeaufschlagtes Kühlmittel, um die Luftbarriere zu überwinden, die zwischen Schleifrad und Werkstück während des Schleifens entsteht. So kann das Kühlmittel in den Zwischenraum fließen.

Der Kühlmittelschritt ist kritisch, um zu verhindern, dass Wärme zum Werkstück oder Schleifrad zurückkehrt. Andernfalls wird es schwierig, Toleranzen für Rundheit und Geradheit zu halten, und thermische Schäden können das Schleifrad blasen und rissig machen.

7. Man kann einem "alten" Prozess neue Tricks beibringen.

Obwohl zentrloses Schleifen schon lange existiert, sind heutige Maschinen mit neuen Features ausgestattet, die die Leistung steigern.

Zur Steigerung von Prozesseffizienz und Produktivität machen CNC-programmierbare Steuerungen Setup und Umrüstung von Job zu Job noch einfacher. Weitere neue Technologien ermöglichen:

• Bisher unmögliche geschliffene Formen, Dimensionen und Toleranzen
• Reduzierte Rüstzeiten
• Beschleunigtes Be- und Entladen zur Verkürzung der Zykluszeiten

Beispielsweise entfernt die neueste Generation zentrloser Schleifmaschinen das Regulierrad und ersetzt es durch stationäre Drahtstützen mit Buchsenmodus-Option. Diese Option ermöglicht kunstvoll geschliffene Formen und exotische Dimensionsmerkmale, indem sie ähnlich wie Führungsbuchsen an schweizerischen Automatikdrehmaschinen funktioniert.

Zudem erlauben Fortschritte bei Software-Steuerungen, Direktantriebsmotoren und robotischem Be-/Entladen dem einfachen Konzept des zentrlosen Schleifens, komplexe Teile zu fertigen, die zuvor undenkbar waren.

8. Erfahrung ist Teil des zentrlosen Schleif-Skillsets.

Der zentrlose Prozess wird meist nicht gelehrt. Er ist eine Fertigkeit, die oft aus jahrelanger Arbeit in dem Industriezweig erworben wird, der zentrlose Schleifdienste an Kunden liefert.

Für beste Ergebnisse wollen Sie einen Partner, der:

• Zentrloses Schleifen wichtig genug findet, um trotz Nischennachfrage Expertise aufzubauen
• Mit der Branche gewachsen ist, statt auf Ur-Maschinen von vor Jahrzehnten zu setzen

Beispiel: Von Anfang an hat Metal Cutting unsere Schneidfähigkeiten mit zentrlosem Schleifen für Glas-Metall-Durchführungen ergänzt. Mehr als 50 Jahre später schleifen wirvirtuell täglich und bleiben durch modernste Ausrüstung am Puls von Branchentrends und Kundenbedarf.

Warum zentrloses Schleifen in Betracht ziehen?

In den richtigen Händen kann zentrloses Schleifen eine "bearbeitete Oberfläche" erzeugen, die ein Prozess wie Drehen schlicht nicht erreichen kann – sowohl als Ra-Wert als auch bei bestimmten Metallen, die mit Schneidwerkzeugen kaum drehbar sind.

Selbst wo Drehen möglich ist, würde es nie die präzise Materialabtragung und resultierende Oberflächenqualität erreichen, die ein Schleifrad liefert.

Fast 100 Jahre nach seiner Erfindung ist zentrloses Schleifen immer noch weniger verbreitet als andere Metallbearbeitungsmethoden. Doch die einzigartigen Qualitäten einer geschliffenen (vs. gedrehten) Oberfläche in Kombination mit Innovationen und Variationen beim zentrlosen Schleifen ermöglichen Metallteile, die für ihre Anwendungen unersetzlich sind.

Wie wählen Sie einen Präzisionsschleifprozess? Erfahren Sie mehr hier.