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Über dieses Buch

Band 2 des fünfbändigen Werks stellt die Verfahren mit geometrisch unbestimmten Schneiden vor. Das Buch wurde in dieser 6. Auflage umfassend überarbeitet, neu strukturiert und erweitert. Ausgehend von den Grundlagen des Schneideneingriffs beim Schleifen werden Aufbau, Eigenschaften und Herstellverfahren der Werkzeuge sowie der Kühlschmierstoffe vorgestellt. Die Schleifbarkeit unterschiedlicher Werkstoffe (Stahl-, Eisenguss-, Nickel-, Titan- und sprödharte Werkstoffe) wird behandelt. Für Kühlschmierstoffe werden neben den Grundlagen der Kühlschmierung beim Schleifen auch anwendungsbezogene Aspekte behandelt. Neben den gängigen Schleifverfahren werden auch spezielle Verfahrensvarianten, etwa zur Zahnradbearbeitung, dargestellt. Der zweite Teil des Buches behandelt die Grundlagen von Läpp-, Hon-, und Polierverfahren, dabei finden praxisbezogene Erkenntnisse Berücksichtigung. Erstmals wurden auch Sonderverfahren wie das ultraschallunterstützte Schwingläppen in die Betrachtung einbezogen.Das Buch ist ein Referenzwerk und zur spezialisierten Vertiefung des Wissens sehr geeignet.

Inhaltsverzeichnis

Frontmatter

1. Einleitung

Die Zukunft produzierender Unternehmen hängt maßgeblich von deren Fähigkeiten ab, sich an den beschleunigten Wandel der globalen Randbedingungen anzupassen. Diese sind durch den internationalen Wettbewerb, die schnell wachsende Vernetzung und den erhöhten Stellenwert von Umweltaspekten gekennzeichnet [KLOC98a, ENGE02]. Die Feinbearbeitung mit geometrisch unbestimmten Schneiden repräsentiert innerhalb der Fertigungstechnik eine Schlüsseltechnologie mit hoher Leistungsfähigkeit, Prozesssicherheit und Bearbeitungsqualität.
Die DIN-Norm 8589 fasst die spanenden Bearbeitungsverfahren Schleifen, Honen, Läppen, Polieren, Gleitschleifen und Strahlspanen in der Gruppe „Spanen mit geometrisch unbestimmten Schneiden“ zusammen. Die Materialzerspanung erfolgt bei diesen Fertigungsverfahren durch mehr oder weniger regellos geformte Körner aus Hartstoffen, die mit dem Werkstoff in Eingriff gebracht werden.
Fritz Klocke

2. Grundlagen zum Schneideneingriff

Bei der Bearbeitung mit geometrisch unbestimmter Schneide, setzt sich die Zerspanung aufgrund der großen Anzahl gleichzeitig in das Werkstück eingreifender Kornspitzen aus der Summe vieler unterschiedlicher Schneideneingriffe zusammen, wodurch einzelne Späne aus der Werkstückoberfläche herausgetrennt werden. Aufgrund von Verschleiß während der Zerspanung, verändern sich die Geometrie der Schneiden und die Anzahl der im Eingriff befindlichen Schneiden kontinuierlich. Zusätzlich zur Geometrie der einzelnen Schneiden ist die Art und Weise, wie die Hartstoffkörner in den Schneideneingriff gebracht werden, von Bedeutung. Dabei wird zwischen den vier Wirkprinzipien, energiegebunden, kraftgebunden, bahngebunden und raumgebunden unterschieden. Ein Großteil der beim Schneideneingriff in den Prozess eingebrachten mechanischen Energie wird in Wärme umgewandelt. Dabei verteilt sich der Wärmestrom in der Kontaktzone anteilig auf die Systemkomponenten Schleifscheibe, Werkstück, Späne, und Kühlschmierstoff. Hohe thermische und mechanische (Wechsel)-Belastung des Werkzeugs führt zu Mikroverschleiß an Korn und Bindung.
Fritz Klocke

3. Aufbau und Zusammensetzung von Schleifwerkzeugen

Der Aufbau und die Zusammensetzung von Schleifwerkzeugen bestimmen maßgeblich das Prozessverhalten und das Schleifergebnis. Somit haben die Hauptkomponenten von Schleifwerkzeugen, nämlich die Schleifkörner, die Bindung und die Poren eine große Bedeutung für die Auslegung eines Schleifprozesses. Folgend werden diese und weitere Komponenten von Schleifwerkzeugen im Detail betrachtet. Dabei stehen vor allem konventionelle und hochharte Kornwerkstoffe, sowie die verschiedenen Bindungstypen im Fokus. Neben den Eigenschaften und Einsatzgebieten der Einzelkomponenten werden die typischen und technisch realisierbaren Kombinationen der Schleifscheibenkomponenten diskutiert. Weiterhin sind Beispiele zu den Bezeichnungen verschiedener Schleifwerkzeuge aufgeführt. Im weiteren Verlauf des Kapitels werden die Herstellung von Schleifscheiben mit konventionellen Schleifmitteln und die Herstellung von Schleifscheiben mit hochharten Schleifmitteln betrachtet. Von entscheidender Bedeutung für einen erfolgreichen Einsatz der Werkzeuge ist die Werkzeugprüfung, welche im Anschluss diskutiert wird. Das letzte Unterkapitel ist dem Aufbau, der Zusammensetzung sowie der Herstellung von Schleifbändern gewidmet.
Fritz Klocke

4. Schleifbarkeit unterschiedlicher Werkstoffe

In dem vierten Kapitel werden der Aufbau, die Werkstoffeigenschaften und die Zerspanbarkeit unterschiedlicher Werkstoffe diskutiert. Dabei wird die Beeinflussung der Werkstoff- und somit auch Zerspaneigenschaften von Stahlwerkstoffen durch Kohlenstoffgehalt und Legierungselemente sowie verschiedene Wärmebehandlungen thematisiert. Im Rahmen dessen werden unterschiedliche Legierungselemente und Verfahren zur Wärmebehandlung vorgestellt. Des Weiteren stehen die Einflüsse verschiedener Gefügebestandteile bei Stählen auf die Zerspanbarkeit im Fokus des Kapitels. Neben einer Betrachtung von Stahlwerkstoffen werden außerdem der Aufbau und die Herausforderungen bei der Schleifbearbeitung von Titanwerkstoffen, Nickelbasiswerkstoffen, Keramiken, Glas und Silizium erläutert. Ein weiterer Schwerpunkt des Kapitels liegt somit im Unterschied des Zerspanverhaltens von duktilen und sprödharten Werkstoffen, bei denen die Zerspanung durch unterschiedliche Materialtrennmechanismen charakterisiert wird.
Fritz Klocke

5. Kühlschmierstoffe

Das vorliegende Kapitel widmet sich den Kühlschmierstoffen, die beim Schleifen eingesetzt werden. Zu Beginn werden zunächst die Grundlagen der Kühlschmierung beim Schleifen diskutiert. Insbesondere wird in diesem Abschnitt auf die primären und sekundären Aufgaben von Kühlschmierstoffen sowie Anforderungen an Kühlschmierstoffe eingegangen. Anschließend werden die Einteilung der Kühlschmierstoffe in wassermischbare und nicht wassermischbare Kühlschmierstoffe sowie deren Aufbau und Eigenschaften thematisiert. Im Anschluss wird der Einfluss des Kühlschmierstoffs auf Prozesszustands- und Prozessergebnisgrößen, wie z. B. die Schnittkraft, die Oberflächenqualität und der Schleifscheibenverschleiß, näher beschrieben. Ein weiterer Schwerpunkt des Kapitels liegt in der Präsentation von verschiedenen Konzepten zur Kühlschmierstoffzufuhr. Von entscheidender Bedeutung für einen erfolgreichen Einsatz von Kühlschmierstoffen ist darüber hinaus die Überwachung, Pflege und die sachgerechte Entsorgung des Kühlschmierstoffs. Dieses Thema wird im letzten Abschnitt dieses Kapitels adressiert.
Fritz Klocke

6. Schleifen

In Kap. 6 werden Kenntnisse zum Verständnis des Schleifprozesses vermittelt. Dies beinhaltet in Abschn. 6.1 zunächst die Einsatzvorbereitung von Schleifscheiben mit den unterschiedlichen Abrichtverfahren und -werkzeugen. Abschnitt 6.2 widmet sich den Kenngrößen des Schleifprozesses. Mit Hilfe von Kenngrößen lassen sich Schleifprozesse unabhängig vom eingesetzten Schleifverfahren beschreiben und bewerten. Weiterführend werden in Abschn. 6.3 die Verfahrensvarianten nach DIN 8589 behandelt. Hierzu gehören Außenrundschleifverfahren zwischen Spitzen sowie spitzenlos, Innenrundschleifverfahren und Planschleifverfahren. Diese Verfahren unterteilen sich je nach Zustellbewegung des Schleifwerkzeuges in Quer- und Längsschleifverfahren. Abschnitt 6.4 behandelt die Thematik der Hartfeinbearbeitung von Zahnflanken als spezielles Einsatzgebiet des Schleifens. Hierbei wird insbesondere auf die bedeutendsten Verfahrensvarianten des Zahnflankenschleifens und das Verzahnungshonen eingegangen. In Abschn. 6.5 wird auf die Prozessgestaltung eingegangen. Hierfür wird der Einfluss der Stell- und Prozesskenngrößen und der Einfluss des Werkzeugs auf das Schleifergebnis vorgestellt. In Abschn. 6.6 werden praxisrelevante Anwendungsbeispiele zu den zuvor erläuterten Verfahrensvarianten aus verschiedenen Bereichen der Industrie vorgestellt.
Fritz Klocke

7. Honen

Honen wird generell im Anschluss an eine vorangegangene Feinbearbeitung wie das Schleifen oder das Hartdrehen eingesetzt. Durch das Spanen mit einem vielschneidigen Werkzeug aus gebundenem Korn und unter ständiger Flächenberührung zwischen Werkstück und Werkzeug soll sich die Oberflächenqualität verbessern. Nach einer kurzen Einführung werden in Abschn. 7.1 zunächst die Verfahrensvarianten sowie die grundlegenden kinematischen Zusammenhänge der Hontechnologie thematisiert. Hier wird besonders auf die einzelnen Bewegungsgrößen und deren -verhältnisse sowie die Herleitung der daraus resultierenden Schnittgeschwindigkeit eingegangen. Abschnitt 7.2 widmet sich anschließend den eingesetzten Honwerkzeugen. Dabei wird zwischen Honleisten mit konventionellen Kornwerkstoffen und Werkzeugen mit hochharten Kornwerkstoffen unterschieden. Die grundlegenden Zusammenhänge zwischen den Prozessstellgrößen, den Werkzeugspezifikationen und dem Ausgangszustand der Werkstückbeschaffenheit werden in Abschn. 7.3 näher betrachtet und auch der Einfluss von Hilfsmitteln wie Schneidölen beleuchtet. Abschließend stellt Abschn. 7.4 einige Anwendungsbeispiele wie das Plateauhonen und die kombinierte Bearbeitung durch Hochpräzisionshartdrehen und Außenrundhonen vor.
Fritz Klocke

8. Läppen

Das Läppen ist ein Feinstbearbeitungsverfahren, mit dem sich höchste Maß- und Formtoleranzen erzielen lassen. Grundsätzlich können fast alle Werkstoffe, die ein homogenes Werkstoffgefüge aufweisen und sich nicht durch das Eigengewicht oder Belastung elastisch oder plastisch verformen, durch das Läppen bearbeitet werden. Kapitel 8 stellt die Grundlagen der Zerspanmechanismen am Beispiel der bekanntesten Läppverfahren – dem Planläppen – vor. Bei diesem Verfahren werden Funktionsflächen mit höchster Präzision erzeugt, die sich besonders durch hohe Formgenauigkeit in den Bereichen Ebenheit und Planparallelität auszeichnen. Die maschinellen Einflussgrößen, die die Zerspanleistung maßgeblich beeinflussen, sind – ähnlich wie beim Polieren – die Relativgeschwindigkeit und der Läppdruck. Der zu bearbeitende Werkstoff und die gewünschte Oberflächenqualität bestimmen das Läppsystem, das sich aus Kornart und -größe sowie der Läppflüssigkeit und dem Werkstoff der Läppscheibe zusammensetzt. Abschließend werden in diesem Kapitel verschiedene Prozessstellgrößen vorgestellt, die Einfluss auf die Zerspanleistung nehmen, und anhand eines Anwendungsbespiels die Einflüsse der Kornkonzentration beim Läppen von SiSiC aufgezeigt.
Fritz Klocke

9. Polieren

Das Polieren ist kein eigenständiges Fertigungsverfahren, sondern wird je nach Anwendung unterschiedlich definiert. Mit Blick auf unterschiedliche Poliersysteme und Wirkungsweisen stellt Kap. 8 deshalb unterschiedliche Abtraghypothesen vor. Die Namensgebung der Polierverfahren bezeichnet hier bereits den jeweils vorherrschenden Materialabtragmechanismus – mechanisch, mechano-chemisch oder chemo-mechanisch. Das bekannteste Abtragmodell, das den Polierabtrag als Produkt aus Druck, Realativgeschwindigkeit und der Preston-Konstante (K) beschreibt, wurde 1927 von Preston entwickelt. Der Faktor K beschreibt dabei alle weiteren Einflussgrößen wie Suspension und Werkstoffe. Im weiteren Verlauf des Kapitels werden unterschiedliche Erweiterungen der Preston-Gleichung vorgestellt, die einen quantifizierbaren Materialabtrag, abhängig vom jeweiligen Poliersystem, beschreiben. Die Polierverfahren lassen sich in flächiges und zonales Polieren unterscheiden. Am Beispiel der Hebelkinematik und der Synchro-Speed-Kinematik werden die Wirkungsweisen und Besonderheiten der flächigen Polierverfahren erläutert. Neben dem zu bearbeitenden Werkstoff besteht ein Poliersystem aus Poliermittelträger, Poliermittel und Polierflüssigkeit. Die jeweiligen Arten und Eigenschaften der Systemkomponenten sowie der Hilfsmittel werden in Abschn. 9.1.2 vorgestellt und diskutiert. Abschließend werden einige Stellgrößen vorgestellt und es wird deutlich, dass die Vielzahl voneinander abhängiger Einflussgrößen es erschwert, das Polierergebnis präzise vorherzusehen.
Fritz Klocke

10. Sonderverfahren

Im Kap. 10 werden verschiedene Sonderverfahren aus der Gruppe Spanen mit geometrisch unbestimmter Schneide nach DIN 8589 vorgestellt. Im Rahmen dessen werden die beteiligten Systemkomponenten, die Verfahrenskinematik und –varianten, sowie die Art der Materialzerspanung der einzelnen Technologien erläutert. Darüber hinaus wird auf typische Anwendungsbereiche sowie auf Vor- und Nachteile gegenüber konkurrierenden Verfahren eingegangen. Der erste Teil behandelt die beiden Fertigungsverfahren Strahlspanen und Gleitschleifen. Dabei handelt es sich um Prozesse, die zur Bearbeitung von Werkstückoberflächen eingesetzt werden. Eine gezielte Verbesserung von Form und Maß am Werkstück ist dabei nur eingeschränkt möglich. Im zweiten Abschnitt werden die Verfahren Trennschleifen, Multi-Wire-Slicing und Innenlochsägen erläutert. Diese Verfahren dienen dem Trennen von Werkstoffen. Außerdem werden die Grundlagen und die Technologie des Ultraschallschwingläppens erklärt und die Anforderungen an moderne Ultraschallschwingläppanlagen erläutert
Fritz Klocke

11. Prozessüberwachung

Der Schleifprozess ist aufgrund der Interaktion von unregelmäßig geformter und stochastisch verteilter Schleifkörner mit einem Werkstück, und den hohen Geschwindigkeiten von Schleifscheibe und Werkstück ein hochdynamischer Prozess mit periodischen und stochastischen Störgrößen. Diese führen zu unkalkulierbaren Schwankungen in der Prozessstabilität, sodass zur wirtschaftlichen Nutzung automatisierter Schleifprozesse eine intelligente Prozessüberwachung erforderlich ist. Einleitend in die Thematik der Prozessüberwachung in der Schleifbearbeitung werden zunächst die Sensoren vorgestellt und diskutiert, wie sie nach aktuellem Stand der Technik in Schleifmaschinen zur Prozessüberwachung zum Einsatz kommen. Aufbauend auf den Grundlagen zur relevanten Sensorik werden die typischen Überwachungskonzepte in der automatisierten Schleifbearbeitung, wie z. B. Anfunkkontrolle und Standzeitüberwachung, erläutert. Abschließend werden in einem Ausblick die aktuellen Entwicklungstrends der intelligenten Prozessüberwachung mit künstlicher Intelligenz sowie ihre Übertragung auf den Schleifprozess thematisiert.
Fritz Klocke

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