Schleifen (Fertigungsverfahren)

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Geometrisch unbestimmte Schneide
Schleifscheibe im Eingriff

Schleifen ist ein seit dem Altertum bekanntes spanendes Fertigungsverfahren zur Fein- und Fertigbearbeitung von Werkstücken. Es lässt sich manuell oder auf Schleifmaschinen anwenden. Wie bei allen spanenden Verfahren wird dabei überschüssiges Material in Form von Spänen abgetrennt. Als Schneiden fungieren dabei die Kanten der mikroskopisch kleinen, harten, mineralischen Kristalle im Schleifwerkzeug. Schleifwerkzeuge bestanden im Altertum aus geeigneten Steinsorten wie z.B. Mühlsandstein. Heute werden Schleifwerkzeuge in der Regel industriell hergestellt indem mineralisches Schüttgut wie z.B. Korund mit einem Bindemittel zu Schleifscheiben, -steinen oder -bändern gefügt wird.
Schleifen zählt gemeinsam mit dem Honen zum Spanen mit gebundenem Korn, während beim Läppen und Gleitspanen das Korn lose vorliegt. Da die Anzahl der im Eingriff befindlichen Körner ebenso wenig bekannt ist wie ihre Geometrie oder Lage zum Werkstück, zählt das Schleifen, wie auch das Honen und Läppen zum Spanen mit geometrisch unbestimmter Schneide. Es ist jedoch bekannt dass die meisten Körner einen negativen Spanwinkel aufweisen.[1] Die beim Schleifen als Neben- bzw. Abfallprodukt entstehenden Späne werden als Schleifstaub bezeichnet.

Das Schleifen eignet sich auch für harte Werkstoffe wie gehärteten Stahl oder Keramik die bis zum Ende des 20. Jahrhunderts durch Spanen mit geometrisch bestimmter Schneide wie das Drehen, Fräsen oder Bohren nicht zu bearbeiten waren. Daher wurde und wird üblicherweise die gewünschte Form der Werkstücke zunächst im weichen Zustand durch diese Verfahren grob herausgearbeitet, um nach dem Härten durch Schleifen die Endform und Oberflächenqualität zu erreichen. Seit dem Hartzerspanen einerseits und immer Leistungsfähigeren Schleifprozessen andererseits verschwimmt diese Grenze zusehends.

Geschichte[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Das Schleifen und Schleifmaschinen sind seit dem Altertum bekannt. In der griechischen Antike sind auch Schleifsteine die mit Öl oder Wasser gekühlt wurden bekannt. In der Gegend um Solingen lagen im Mittelalter an Nebenläufen der Wupper zahlreiche Hammerwerke, die durch Wassermühlen getrieben wurden, um Klingen zu schmieden. Die Schleifmühlen für die Fertigbearbeitung lagen direkt an der Wupper, da sie mehr Energie benötigten, die an den Nebenläufen nicht vorhanden war. Daher wurden die geschmiedeten Klingen dorthin weitertransportiert.[2]

Erreichbare Genauigkeiten[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Das Schleifen ist genauer als spanende Verfahren mit geometrisch bestimmter Schneide. Erzielbare Maß- und Formgenauigkeiten liegen bei Toleranzklasse von IT6 bis IT8 für das Flachschleifen, IT4 bis IT5 für das Profilschleifen und IT4 bis IT6 für das spiztenlos Schleifen. Die erreichbaren Oberflächenqualitäten liegen bei Oberflächenrautiefen von Rz 1 µm bis 6,3 µm für das Flachschleifen, 2,25 µm bis 4 µm für das Profilschleifen und Spitzenlosschleifen.[3]

Kategorisierung und Definition nach DIN 8589[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

In der DIN 8580 werden die Fertigungsverfahren in Hauptgruppen eingeteilt. Die Hauptgruppe des Trennens wird in der DIN 8589 näher definiert. Sie wird eingeteilt in Zerteilen, Spanen mit geometrisch bestimmter Schneide, Spanen mit geometrisch unbestimmter Schneide, Abtragen, Zerlegen, Reinigen und Evakuieren. Dem Spanen mit geometrisch unbestimmten Schneiden sind, neben dem Honen und Läppen, drei Schleifverfahren zugeordnet:[4]

Schleifen mit rotierendem Werkzeug ist Spanen mit vielschneidigen Werkzeugen, deren geometrisch unbestimmte Schneiden von einer Vielzahl gebundener Körner aus natürlichem oder synthetischem Schleifmittel gebildet werden und mit hoher Geschwindigkeit, meist unter nicht ständiger Berührung zwischen Werkstücke und Schleifkorn den Werkstoff abtrennen.
Bandschleifen ist Spanen mit einem vielschneidigen Werkzeug aus Schleifkörnern auf Unterlage (Schleifband), welches über mindestens zwei rotierenden Rollen umläuft und in der Kontaktfläche durch eine dieser Rollen, ein anderes zusätzliches Stützelement oder auch ohne ein Stützelement an das zu schleifende Werkstück angegepresst wird und dessen geometrisch unbestimmte Schneiden mit hoher Geschwindigkeit unter nicht ständiger Berührung zwischen Werkstück und Schleifkorn, den Werkstoff abtrennen.
Hubschleifen ist Spanen mit einem nicht rotierenden Werkzeug, dessen geometrisch unbestimmte Schneide unter einer Vielzahl gebundener Schleifkörner gebildet werden und die durch eine hin- und hergehende im Wesentlichen geradlinige Schnittbewegung (Hub) den Werkstoff vom Werkstück abtrennen.

Alle Schleifenden Verfahren zählen demnach zum Spanen mit gebundenem Korn. Das Wirkprinzip wird als "bahngebunden" bezeichnet da sich die einzelnen Körner auf einer durch das Werkzeug vorgegebenen Bahnt bewegen. Im Gegensatz dazu zählt das Honen zu den "kraftgebundenen" Verfahren da die Bahn der Werkzeuge durch die Anpresskraft auf das Werkstück erzeugt wird.[5]

Schleifverfahren[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Beispiele diverser Schleifverfahren: 1. Umfangs-Planschleifen 2. Seiten-Längsschleifen 3. Längs-Rundschleifen 4. Quer-Rundschleifen (Einstichschleifen) 5. Spitzenloses Rundschleifen
Einteilung der Schleifverfahren
Merkmale[6] Schleifverfahren
Vorschubrichtung Längsschleifen, Querschleifen
Wirkfläche des Schleifkörpers Umfangsschleifen, Stirnschleifen
Zu erzeugende Fläche Lage: Außenschleifen, Innenschleifen
Art: Profilschleifen, Formschleifen
0000Planschleifen, Rundschleifen
Schnittgeschwindigkeit Herkömmliches Schleifen, Hochgeschwindigkeitsschleifen
Zustellung Pendelschleifen, Tiefschleifen
Rauheit Schrupp- (Grob-), Schlicht-, Feinschleifen
Einspannung des Werkstücks Schraubstock, zwischen Spitzen, spitzenlos

Prozess[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Beim Schleifen wird bedingt durch die große Reibung sehr viel Wärme frei. Sie kann grundsätzlich zu Wärmeausdehnungen am Werkstück führen oder zu Temperaturschäden. Daher wird das Schleifen fast immer mit Kühlschmiermittel eingesetzt.[7] Die Schnittgeschwindigkeit beim Schleifen liegt bei etwa 25 bis 45 m/s in Ausnähmefällen auch bis 120 m/s. Sie liegt im Schnitt etwa 20-mal höher als beim Drehen. daraus resultieren auch sehr nieriege Schnittkräfte.

Werkzeuge[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Hauptartikel: Schleifscheibe, Schleifband und Schleifstein

Schleifmittel[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Hauptartikel: Schleifmittel

Schleifkörner sollen eine große Härte sowie eine ausreichende Kornzähigkeit und Wärmebeständigkeit besitzen.[8]

Die meisten Schleifscheiben enthalten Schleifkörner aus Korund (Aluminiumoxid) oder Siliciumcarbid. Die Kornzähigkeit nimmt mit steigender Härte des Schleifkornes ab. Eine ausreichende Zähigkeit verhindert bei großer Kornbelastung den vorzeitigen Kornbruch.

Ein weiteres geeignetes Material für Schleifkörner ist Bornitrid (BN), speziell Kubisch kristallines Bornitrid (CBN) mit Diamant­struktur.[9] Außerdem werden Borkarbid und Diamant als Schleifmittel eingesetzt.[10]

Bindung[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Die Bindung hat die Aufgabe, die einzelnen Körner so lange festzuhalten, bis sie stumpf geworden sind. Art und Menge des verwendeten Bindemittels beeinflussen die Härte und die Schleifeigenschaften der Schleifkörper.[11]

Bindungsarten:

Schleifmittelkenngrößen[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Das Gefüge beschreibt das Verhältnis von Schleifkörnern (Körnung), Bindung und Porenraum (Spanraum) im Schleifkörper. Die Poren wirken als Span- und Kühlschmiermittel­kammern und fördern die Kühlung und den Abtransport der Späne beim Schleifen. Sind die Poren zu klein, setzen sie sich zunehmend zu, sodass zusätzliche Reibung entsteht und dadurch Druck und Temperatur beim Schleifen zunehmen. Dabei wird der Spanvorgang beziehungsweise das Spanvolumen oder die Spanleistung verringert und die Gefahr steigt, dass der Schleifkörper Schaden nimmt. Bei einem Schleifbrand wird hauptsächlich die Bindung in Mitleidenschaft gezogen.

Schleifkorngröße[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Die Körnungsnummer entspricht der Maschenzahl eines Siebes aus einem genormten Siebgewebe auf einem Zoll Länge, durch welches das bezeichnete Korn gerade noch hindurchfällt, während es auf dem nächst engeren Sieb liegen bleibt. Die sehr feinen Körner werden im Schlämmverfahren getrennt. Die Körnung von Diamant und Bornitrid wird entsprechend der Siebmaschenweite in μm angegeben: Diamantkorn D150 hat eine Korngröße zwischen 125 und 150 μm.

Das Ausbrechen der Schleifkörner bezeichnet man als Selbstschärfung.

Härte einer Schleifscheibe[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Unter Härte einer Schleifscheibe versteht man nicht die Härte der Schleifkörner, sondern den Widerstand der Bindung gegen das Ausbrechen der Schleifkörner.

Einsatzgebiete[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Es lassen sich drei große Einsatzgebiete unterschieden: Das Werkzeugschleifen zum Schärfen von spanenden Werkzeugen oder Klingen wie Messer und Scheren, die Feinbearbeitung von Werkstücken um die gewünschte Form und Oberfläche herauszuarbeiten und die Grobbearbeitung durch Putzen, Säubern und Trennschleifen. Die letzte Gruppe hat gemessen am wertmäßigen Verbrauch der Schleifscheiben den größten Anteil.[13]

Zur Feinbearbeitung von Maschinenteilen wird es beispielsweise eingesetzt für Kugellagerlaufflächen, Lagerringe, Lagersitze, Fräser, Gewinde, Turbinenschaufeln, Zylinderköpfe, Nockenwellen, Ventilstößel, Dichtugsflächen an Gehäusen und Getriebewellen.[14]

Dekorations-Schliffe[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Im Bereich der Dekorations-Schleiftechnik gibt es unterschiedliche Methoden und durch sie entstehende Schliffbilder der Oberfläche.

  • Der Längsschliff oder Querschliff ist ein gängiger Schliff, der auf einer Metalloberfläche gerade Linien zieht.
  • Der Kreuzschliff ist ein Designschliff, bei dem schräg verlaufende Linien übereinander auf das Material geschliffen werden.
  • Beim Hair-Line-Schliff zieht sich ein durchgängiger Strich über das gesamte Bauteil.
  • Rotationsschliffe bewirken kreisförmig angerissene Linien, z.B. die Schleiftechnik Perlieren ergibt das Schliffbild Perlschliff.
  • Die Schleiftechnik Metalldekorieren erzeugt Dekor-Schliffe, etwa in Form von Logos.

Bilder verschiedener Schleifmaschinen[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Siehe auch[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Literatur[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Einzelnachweise[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

  1. Tönshoff: Spanen, Springer, 1995, S.139.
  2. Günter Spur: Vom Wandel der industriellen Welt durch Werkzeugmaschinen, Carl Hanser Verlag, München, Wien, 1991, S. 46, 53, 76.
  3. Koether, Rau: Fertigungstechnik für Wirtschaftsingenieure, Hanser, 4. Auflage, S. 166.
  4. Uwe Heisel, Fritz Klocke, Eckart Uhlmann, Günter Spur: Handbuch Spanen, Hanser, 2014, S. 24.
  5. Fritz, Schulze: Fertigungstechnik, 11. Auflage, Springer, S. 338.
  6. Heinz Tschätsch: Praxis der Zerspantechnik, Vieweg, 7. Auflage, 2005, S. 226
  7. Denkena, Tönshoff: Spanen - Grundlagen, Springer, 3. Auflage, 2011, S. 291.
  8. Hans-Dieter Dobler: Fachkunde Metall, 54. Auflage, Europa-Lehrmittel 2003.
  9. Eintrag zu Bornitrid. In: Römpp Online. Georg Thieme Verlag, abgerufen am 21. Dezember 2011.
  10. Tschätsch: Heinz Tschätsch: Praxis der Zerspantechnik, Vieweg, 7. Auflage, 2005, S. 249f.
  11. Heinz Tschätsch: Praxis der Zerspantechnik, Vieweg, 7. Auflage, 2005, S. 252
  12. Heinz Tschätsch: Praxis der Zerspantechnik, Vieweg, 7. Auflage, 2005, S. 252f.
  13. Pauksch: Zerspantechnik, Vieweg,, 12. Auflage, S. 278.
  14. Schönherr: Spanende Fertigung, Oldenbourg, 2002, S. 364.