Klaus Lindenau Wirtschaftliche Fertigung mit Schleifen Kostensenkung durch Prozesssicherheit und gezielte Maschinenbeschaffung Kostengünstig Produzieren
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Klaus Lindenau Wirtschaftliche Fertigung mit Schleifen Kostensenkung durch Prozesssicherheit und gezielte Maschinenbeschaffung
Der Autor: Dipl.-Ing. (FH) Klaus Lindenau arbeitet als Unternehmensberater für spanende Fertigung. Bibliografische Information Der Deutschen Bibliothek Die Deutsche Bibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über http://dnb.ddb.de abrufbar. Dieses Werk ist urheberrechtlich geschützt. Alle Rechte, auch die der Übersetzung, des Nachdrucks und der Vervielfältigung des Buches oder Teilen daraus, sind vorbehalten. Kein Teil des Werkes darf ohne schriftliche Genehmigung des Verlages in irgendeiner Form (Fotokopie, Mikrofilm oder ein anderes Verfahren), auch nicht für Zwecke der Unterrichtsgestaltung, reproduziert oder unter Verwendung elektronischer Systeme verarbeitet, vervielfältigt oder verbreitet werden. ISBN-10: 3-446-40648-4 ISBN-13: 978-3-446-40648-3 2006 Carl Hanser Verlag München Wien Internet: http://www.hanser.de Gesamtlektorat: Dipl.-Ing. Volker Herzberg Coverkonzept: Marc Müller-Bremer. Rebranding, München, Germany Titelillustration: Atelier Frank Wohlgemuth, Bremen Umschlaggestaltung: MCP Susanne Kraus GbR, Holzkirchen Herstellung: Der Buchmacher, Arthur Lenner, München Gesamtherstellung: Druckhaus Thomas Müntzer GmbH, Bad Langensalza Printed in Germany
V Inhaltsverzeichnis Einleitung....................................................... IX Verwendete Zeichen............................................... XI 1 Schleifbrand, Schleifrisse.................................... 1 Wo liegt die Grenze für einen optimalen Schleifprozess? 1.1 Ursache........................................................ 1 1.2 Ergebnis....................................................... 2 1.3 Kontrolle....................................................... 3 1.4 Gegenmaßnahmen.............................................. 5 2 Maschinenbeschaffung...................................... 7 Wesentliche Voraussetzungen für einen sicheren Schleifprozess Was ist alles zu berücksichtigen? 2.1 Vorbereitungen, Maßnahmen..................................... 7 2.2 Schleifscheibe................................................. 13 2.2.1 Sicherheitskennzeichnung....................................... 13 2.2.2 Bezeichnung................................................... 14 2.2.3 Kornarten..................................................... 16 2.3 Kühlschmierstoffe (KSS)......................................... 19 2.4 KSS-Zufuhr.................................................... 22 2.5 Abrichten..................................................... 23 2.5.1 Einzeldiamant, Fliese, Vielkorn-Abrichter.......................... 25 2.5.2 Formrolle..................................................... 30 2.5.3 Profilrolle..................................................... 34 2.5.4 Crushierrolle.................................................. 39 2.5.5 Turbine....................................................... 39 2.6 Auswuchten................................................... 39 2.7 Luftspalt-Überbrückung......................................... 40 2.8 Maschinen- und Prozessüberwachung............................. 40 2.9 Messsteuerung................................................ 41 2.10 Organisation/Programmierung................................... 42 2.11 DNC-Betrieb................................................... 43
VI Inhaltsverzeichnis 3 Basiswerte................................................ 45 Wie kann eine Prozesssicherheit erreicht werden? Welche Parameter beeinflussen den Schleifprozess? Wie können Erfahrungswerte gebildet werden? 3.1 Schleifscheiben-Umfangsgeschwindigkeit V S....................... 45 3.2 Werkstück-Umfangsgeschwindigkeit V W........................... 45 3.3 Zustellung a bzw. (Einstech-) Vorschub s x......................... 46 3.4 (Längs-) Vorschubfaktor X....................................... 47 3.5 Anzahl der Ausfunk-Umdrehungen i a bzw. -Hübe i a Hub.............. 51 3.6 Abricht-Überdeckungsgrad u d................................... 51 4 Kennwerte................................................ 53 Wie kann ein Prozess beurteilt werden? 4.1 Bezogenes Zeitspanungsvolumen Q.............................. 53 4.2 Äquivalente Spanungsdicke h eq.................................. 55 4.3 Spezifischer Spanungsquerschnitt Q spez........................... 55 4.4 Kontaktlänge.................................................. 56 4.4.1 Geometrische Kontaktlänge l g................................... 56 4.4.2 Kinematische Kontaktlänge l k................................... 57 4.5 Kontaktzeit eines Schleifkorns t KS mit dem Werkstück............... 58 4.6 Kontaktzeit eines Werkstoffelements t KW mit der Schleifscheibe....... 58 5 Gegenlauf, Gleichlauf....................................... 59 Gibt es Chancen für eine Steigerung der Schleifleistung? Ist dieses Thema für die Praxis von Bedeutung oder kann es vernachlässigt werden? 6 Schleifen zwischen Spitzen oder im Futter...................... 65 Was ist zu beachten? Wie können optimale Einstell-Werte ermittelt werden? 6.1 Schleifablauf................................................... 65 6.2 Aufnahmen.................................................... 67 6.2.1 Aufnahmen werkstückseitig..................................... 67 6.2.2 Aufnahmen maschinenseitig..................................... 67 6.2.2.1 Spitzen....................................................... 67 6.2.2.2 Lünette....................................................... 68 6.2.2.3 Futter, Spanndorn.............................................. 69
Inhaltsverzeichnis VII 6.3 Außen-Rundschleifen........................................... 70 6.4 Innen-Rundschleifen............................................ 73 6.4.1 Hinweise zur Auswahl und dem Einsatz der Schleifspindel und der Schleifscheibe................................................. 74 7 Spitzenloses Schleifen...................................... 81 Muss dieses Verfahren weiterhin so besonders geheimnisvoll bleiben? 7.1 Außen-Rundschleifen, Einstich................................... 81 7.1.1 Maschinenbauarten............................................. 82 7.1.1.1 Maschine mit verfahrbarer Auflageschiene......................... 82 7.1.1.2 Maschine mit feststehender Auflageschiene........................ 84 7.1.2 Verhältnisse während des Schleifens und beim Abrichten............ 84 7.1.3 Geometrische Stabilität, Grundeinstellung der Maschine............. 91 7.1.4 Dynamische Stabilität........................................... 95 7.1.5 Auflageschiene................................................ 96 7.1.6 Einflüsse auf das Prozessergebnis............................... 101 7.1.7 Schlupf...................................................... 106 7.1.8 Lagebestimmung in der z-achse................................. 111 7.1.9 Abrichten der Regel- und Schleifscheibe.......................... 112 7.2 Außen-Rundschleifen, Durchlauf................................. 121 7.2.1 Geometrische und dynamische Stabilität.......................... 122 7.2.2 Schleifspalteinstellung......................................... 125 7.2.3 Abrichten der Regelscheibe..................................... 128 7.2.4 Radiale Werkstückführung durch die Regelscheibe................. 130 7.2.5 Basiswerte, Kennwerte......................................... 135 7.3 Schuh-Schleifen............................................... 139 7.3.1 Außen-Rundschleifen.......................................... 139 7.3.2 Innen-Rundschleifen........................................... 142 7.3.2.1 Schuhschleifen................................................ 142 7.3.2.2 Rollen-Schuhschleifen.......................................... 144 Schlusswort.................................................... 145 Literatur........................................................ 147 Stichwortverzeichnis............................................. 151
IX Einleitung Seit über 35 Jahren stelle ich, und immer wieder mit ungläubigem Staunen, fest, dass die Werkzeugmaschinen-Hersteller sich anscheinend nicht in das Fertigungsverfahren, für das sie Maschinen bauen, genügend hineingedacht haben. Ich könnte hierfür viele Beispiele anführen. Besonders scheint diese Aussage auf die Schleifmaschinen-Hersteller zuzutreffen. So konnte ich z. B. bisher keine plausible Antwort auf die einfachen Fragen erhalten: Warum wird beim Schleifen zwischen Spitzen immer im Gegenlauf geschliffen? ; Ist beim spitzenlosen Schleifen das Schleifen im Gleichlauf ein verfahrensbedingter Vor- oder Nachteil? Schleifen ist nach wie vor noch eine Geheimwissenschaft und die Maschinenhersteller tun wenig, dies zu ändern. So verliert denn das Schleifen immer mehr im Wettbewerb der einzelnen Fertigungsverfahren; und dies nicht zuletzt wegen der mangelnden Transparenz und der daraus resultierenden Probleme. Die schleiftechnischen Belange werden bei der Maschinenauslegung wenig beachtet. Als Folge ergeben sich ungleichmäßige Arbeitsergebnisse. Die Prozesssicherheit ist daher unbefriedigend. Während z. B. beim Drehen bei funktionierendem Prozess die eingestellten Werte direkt (oder bei nur geringer Umrechnung) zur Erfahrungsbildung dienen können, ist dies beim Schleifen nicht der Fall. Was besagt schon eine Vorschubgeschwindigkeit mit dem Skalenwert 3 oder von 3,6 mm/min, eine Abrichtgeschwindigkeit von 2 m/min bei konstanter Scheiben-Umfangsgeschwindigkeit, ein bezogenes Zeitspanungsvolumen von 3 mm 3 /mm s oder eine Ausfunkzeit von 5 s? Erstaunlich ist, dass selbst an den Technischen Hochschulen nicht auf Angabe von Basiswerten geachtet wird. So sind Versuchsergebnisse in vielen Dissertationen nicht nachvollziehbar und damit für eine Erfahrungsbildung wenig geeignet. Mit Basiswert bezeichne ich jeden Wert, der auf den Prozess direkt einwirkt und diesen dadurch nachvollziehbar bestimmt. Dieser Wert sollte auch direkt zur Programmierung der Maschine benutzt werden. Bei Verwendung geeigneter Hilfsmittel, wie z. B. PC und der hier vorgeschlagenen Datenblätter, können sofort bei der Eingabe der Basiswerte die Zusammenhänge mit den davon abgeleiteten Kennwerten ausgewiesen werden. Korrekturen sind dann leicht möglich. Diese Kennwerte dienen zur Beurteilung des Prozesses.
X Einleitung Eine Auswertung der in der Praxis erreichten Werte führt dann zu Erfahrungswerten für das jeweilige Produktspektrum. Die Werte für schlanke zwischen Spitzen geschliffenen Wellen werden sich von denen für im Futter gespannten massiven Teilen unterscheiden. Eine Übertragbarkeit auf andere Schleifverfahren ist anzustreben. Bereits vor dem Kauf einer neuen Maschine sollten mit deren technischen Daten die Einstellungen für repräsentative Werkstücke durchgerechnet werden. Nicht selten wird man feststellen, dass die angebotenen Drehzahlen, Beschleunigungen, Vorschübe usw. nicht ausreichen. Dieses Buch entstand durch den hartnäckigen Druck einer meiner Söhne, meine Ansichten und Erfahrungen niederzuschreiben. Ich habe mich lange dagegen gesträubt: Solche Banalitäten und Selbstverständlichkeiten kann man doch nicht schreiben. Dezember 2005 Klaus Lindenau
XI Verwendete Zeichen α dr Grad Neigungswinkel der Regelscheiben-Abrichteinheit um die x-achse α R Grad Neigungswinkel der Regelscheibe um die x-achse = a-achse α Rd Grad Wenn α dr nicht eingestellt werden kann: Neigungswinkel der Regelscheibe beim Abrichten um die x-achse = a-achse β Grad Winkel der Auflageschiene γ Grad Tangentenwinkel des Schleifspaltes δ R Grad Schwenkwinkel der Regelscheibe um die y-achse = b-achse Δm Abweichung von der (absoluten) nächst größeren ganzen Zahl n Rolle /n S μ, μ 0 Reibwert bei Gleitreibung, Reibwert bei Haftreibung a μm Zustellung (auf den Radius bezogen) μm/u W Schnitt-Tiefe, Abnahme des Werkstück-Radiusses pro U W μm/hub Zustellung am Ende eines Hubes a pd mm Wirk-Breite des Abrichtwerkzeuges A R mm horizontaler Abstand eines Regelscheiben-Abschnittes vom Neigungspunkt der Regelscheibe b m/s 2 Beschleunigung b d mm Eintauch-Breite des Abrichtwerkzeuges, Diamantbreite B R mm Breite der Regelscheibe B S mm Breite der Schleifscheiben d A mm Dicke der Auflageschiene D mm Durchmesser D eq mm äquivalenter Schleifscheiben-Durchmesser D R mm Durchmesser der Regelscheibe im Neigungspunkt E N/mm 2 E-Modul f Funktion von ( ) F n N Normalkraft F t N Tangentialkraft G Verhältnis abgetragenes Materialvolumen zu Scheiben- Verschleißvolumen h mm Höhe h eq μm äquivalente Spanungsdicke h dr mm Abrichthöhe über M S M R für das Abrichten der Regelscheibe
XII Verwendete Zeichen h W mm Höhe der Werkstückmitte M W über der Linie M S M R i U Anzahl Umdrehungen i Hub Anzahl Hübe Index a ausfunken bzw. ausrollen Index A Auflage, Auflageschiene Index d Diamant oder allgemein Abrichtwerkzeug bzw. abrichten Index n Zählwert Index R Regelscheibe Index Rolle Abrichtrolle Index S Schleifscheibe bzw. schleifen Index W Werkstück Index x in Richtung x-achse Index y in Richtung y-achse Index z in Richtung z-achse l g mm geometrische Kontaktlänge l k mm kinematische Kontaktlänge L mm Schleiflänge lt. Zeichnung L effektiv mm Verfahrweg der Schleifscheibe unter Berücksichtigung von B S und Überlauf L W mm Werkstück-Länge M Mittelpunkt n U/min Anzahl der Umdrehungen pro Minute q S Verhältnis V S /V W q d Verhältnis V Rolle /V S Q mm 3 /s Zeitspanungsvolumen Q mm 3 /mm s bezogenes Zeitspanungsvolumen (Volumen des Materialabtrags pro mm Schleifscheiben- Breite und Sekunde) Q spez mm 2 /mm 2 spezifischer Spanungsquerschnitt R mm Radius R Rk mm Radius des kleinsten Durchmessers der Regelscheibe (Kehlkreis-Radius) R Profil Rolle mm Profilradius der Formrolle R theor μm theoretische Rauhtiefe der Schleifscheiben-Oberfläche nach dem Abrichten (mittels Formrolle) bei sonst als glatt angenommener Oberfläche und u d 1 s μm/u Vorschub pro Umdrehung mm/u
Verwendete Zeichen XIII s mm/min Vorschubgeschwindigkeit S Stabilitätsgrad t s Zeit t KS s Kontaktzeit eines Schleifkorns mit dem Werkstück t KW s Kontaktzeit eines Werkstoffelementes mit der Schleifscheibe u Überdeckungsgrad Überschliffzahl U Umdrehung V R m/min Regelscheiben-Umfangsgeschwindigkeit V Rolle m/s Abrichtrollen-Umfangsgeschwindigkeit V S m/s Schleifscheiben-Umfangsgeschwindigkeit V W m/min Werkstück-Umfangsgeschwindigkeit X Vorschubfaktor s = X B S z Anzahl der Ecken (Wellen) am Werkstück-Umfang