Der Einfluss des Bearbeitungszugabe auf die Bearbeitungsgenauigkeit!
Mit den stetig steigenden Qualitätsanforderungen an mechanisch bearbeitete Produkte haben viele Menschen viel Zeit und Energie in die Entwicklung von Methoden und Maßnahmen zur Qualitätsverbesserung investiert. Dabei wurde jedoch der Einfluss des Bearbeitungszugabe auf die Produktqualität während des Bearbeitungsprozesses vernachlässigt. Man ging fälschlicherweise davon aus, dass ein gewisser Spielraum bei der Bearbeitung keine wesentlichen Auswirkungen auf die Produktqualität hat. In der Praxis der Bearbeitung mechanischer Produkte hat sich jedoch gezeigt, dass die Größe der Bearbeitungszugabe die Produktqualität direkt beeinflusst. Ist die Bearbeitungszugabe zu gering, lassen sich Restfehler in Form und Lage sowie Oberflächenfehler aus dem vorherigen Bearbeitungsprozess nur schwer beseitigen. Ist sie hingegen zu groß, erhöht sich nicht nur der Arbeitsaufwand bei der Bearbeitung, sondern auch der Verbrauch von Material, Werkzeugen und Energie. Noch gravierender ist, dass die beim Abtragen großer Bearbeitungszugaben entstehende Wärme zu Verformungen der Teile führt, die Bearbeitung erschwert und die Produktqualität beeinträchtigt. Daher ist es unerlässlich, die Bearbeitungszugabe von Teilen streng zu kontrollieren.
1. Konzept des Bearbeitungszugabe
Die Bearbeitungszugabe bezeichnet die Dicke der Metallschicht, die beim Bearbeiten von der Oberfläche abgetragen wird. Sie lässt sich in Prozessbearbeitungszugabe und Gesamtbearbeitungszugabe unterteilen. Die Prozessbearbeitungszugabe beschreibt die Dicke der Metallschicht, die in einem Bearbeitungsprozess von einer bestimmten Oberfläche abgetragen wird und von der Differenz der Bearbeitungsmaße vor und nach den angrenzenden Bearbeitungsschritten abhängt. Die Gesamtbearbeitungszugabe hingegen bezeichnet die gesamte Dicke der Metallschicht, die während des gesamten Bearbeitungsprozesses vom Rohling bis zum fertigen Produkt von einer bestimmten Oberfläche abgetragen wird. Sie entspricht der Differenz zwischen Rohlings- und Werkstückgröße auf derselben Werkstückoberfläche. Die Gesamtbearbeitungszugabe ist die Summe der Bearbeitungszugaben der einzelnen Bearbeitungsschritte. Da Fertigungsfehler beim Rohling und bei den einzelnen Bearbeitungsschritten unvermeidlich sind, sind sowohl die Gesamtbearbeitungszugabe als auch die Prozessbearbeitungszugabe variable Werte. Es ergeben sich minimale und maximale Bearbeitungszugaben. Bearbeitungszugabe und Toleranzen sind in Abbildung 1 dargestellt. Die minimale Bearbeitungszugabe in der Abbildung entspricht der Differenz zwischen dem minimalen Bearbeitungsmaß des vorherigen Bearbeitungsschritts und dem maximalen Bearbeitungsmaß des aktuellen Bearbeitungsschritts. Die maximale Bearbeitungszugabe bezeichnet die Differenz zwischen der maximalen und der minimalen Bearbeitungsgröße des vorherigen Bearbeitungsprozesses. Die Toleranzzone der Bearbeitungszugabe (Differenz zwischen maximaler und minimaler Bearbeitungszugabe) entspricht der Summe der Maßtoleranzen des vorherigen und des aktuellen Bearbeitungsprozesses. Die Toleranzzone der Bearbeitungsmaße wird üblicherweise in Richtung des Werkstückeintritts angegeben. Bei Wellen ist die maximale Bearbeitungsgröße, bei Bohrungen die minimale Bearbeitungsgröße die Bezugsgröße.
2. Analyse des Einflusses der Bearbeitungszugabe auf die Bearbeitungsgenauigkeit
2.1 Der Einfluss übermäßiger Bearbeitungszugabe auf die Bearbeitungsgenauigkeit
Beim Zerspanen von Werkstücken entsteht zwangsläufig Wärme. Ein Teil dieser Wärme wird von den Spänen und dem Kühlschmierstoff abgeführt, ein weiterer Teil wird an das Werkzeug und schließlich an das Werkstück abgegeben, wodurch dessen Temperatur ansteigt. Die Temperatur hängt eng mit der Größe des Aufmaßes zusammen. Ist das Aufmaß groß, verlängert sich zwangsläufig die Schruppbearbeitungszeit, und der Abtrag muss entsprechend erhöht werden, was wiederum zu mehr Wärme und einer höheren Werkstücktemperatur führt. Der größte Nachteil der erhöhten Werkstücktemperatur ist die Verformung des Werkstücks, insbesondere bei temperaturempfindlichen Werkstoffen (wie z. B. Edelstahl). Diese thermische Verformung wirkt sich zudem auf den gesamten Bearbeitungsprozess aus, erschwert die Bearbeitung und beeinträchtigt die Produktqualität. Beispielsweise ist bei der Bearbeitung schlanker Wellenteile wie Gewindestangen durch die Verwendung des Einspannverfahrens mit einem Auflagepunkt der Bearbeitungsspielraum in Längsrichtung eingeschränkt. Ist die Werkstücktemperatur in diesem Fall zu hoch, kommt es zu einer thermischen Ausdehnung. Wird die Längsdehnung blockiert, verbiegt und verformt sich das Werkstück aufgrund von Spannungen zwangsläufig, was die weitere Bearbeitung erheblich erschwert. Das Werkstück verbiegt und verformt sich nach dem Erhitzen. Wird die Bearbeitung in diesem Stadium fortgesetzt, wird der überstehende Teil so lange bearbeitet, bis das Endprodukt entsteht. Nach dem Abkühlen auf Raumtemperatur verformt sich das Teil unter Spannung, was zu Form- und Lagefehlern führt und die Qualität beeinträchtigt. Das Werkstück verbiegt und verformt sich auch bei Raumtemperatur. Nach der Durchmesserausdehnung wird der vergrößerte Teil abgeschnitten, und nach dem Abkühlen des Werkstücks treten Zylinder- und Maßfehler auf. Beim Schleifen von Präzisionsschrauben verursacht die thermische Verformung des Werkstücks ebenfalls Steigungsfehler.
2.2 Der Einfluss zu geringer Bearbeitungszugabe auf die Bearbeitungsgenauigkeit
Die Bearbeitungszugabe von Teilen darf weder zu groß noch zu klein sein. Ist sie zu klein, können verbleibende geometrische Toleranzen und Oberflächenfehler aus dem vorherigen Bearbeitungsprozess nicht beseitigt werden, was die Produktqualität beeinträchtigt. Um die Bearbeitungsqualität der Teile zu gewährleisten, muss die in jedem Bearbeitungsschritt verbleibende Mindestbearbeitungszugabe die grundlegenden Anforderungen der Mindestbearbeitungszugabe des vorherigen Bearbeitungsschritts erfüllen. Die Mindestbearbeitungszugabe für die Innenbohrung eines Teils setzt sich aus den Werten des zu bearbeitenden Teils zusammen. Weicht die Achse der Bohrung von der Referenzachse ab und liegt im vorherigen Bearbeitungsschritt ein Positionsfehler n vor, weist die Innenbohrung einen zylindrischen Fehler p (z. B. Kegel, Ellipse usw.) und einen Oberflächenrauheitsfehler h auf, so muss die einseitige Mindestbearbeitungszugabe des Bohrprozesses die Werte der genannten Fehler und Defekte berücksichtigen, um die geometrische Toleranz vor dem Bohren zu eliminieren. Unter Berücksichtigung der Tatsache, dass das Werkstück bei diesem Bohrprozess zwangsläufig Montagefehler aufweist, d. h. den Fehler e zwischen der ursprünglichen Bohrungsachse und der Rotationsachse des Werkstücks nach der Montage, sowie der Maßtoleranz T während des Bohrprozesses, kann das minimale Bearbeitungszugabe z dieses Prozesses durch die folgende Formel ausgedrückt werden: z ≥ T/2 + h + p + n + e (einseitiges Zugabe)
Für verschiedene Bauteile und Prozesse unterscheiden sich die Werte und Auswirkungen der oben genannten Fehler. Daher sind bei der Bestimmung des Bearbeitungszuschlags unterschiedliche Vorgehensweisen erforderlich. Beispielsweise neigen schlanke Wellen zu Biegung und Verformung, und der Geradlinigkeitsfehler der Mantellinie überschreitet den Toleranzbereich des Durchmessers. In diesem Fall sollte der Bearbeitungszuschlag entsprechend erhöht werden. Bei Prozessen, bei denen Werkzeuge wie schwimmende Fräser die Bearbeitungsfläche selbst positionieren, kann der Einfluss des Montagefehlers e vernachlässigt und der Bearbeitungszuschlag entsprechend reduziert werden. Bei einigen Schlichtprozessen, die hauptsächlich der Reduzierung der Oberflächenrauheit dienen, hängt die Größe des Bearbeitungszuschlags ausschließlich von der Oberflächenrauheit h ab.
3. Angemessene Wahl des Bearbeitungszugabewerts
Die Wahl des Bearbeitungszuschlags für Bauteile hängt eng mit dem Material, der Größe, dem Genauigkeitsniveau und dem verwendeten Bearbeitungsverfahren zusammen und sollte situationsspezifisch erfolgen. Bei der Bestimmung des Bearbeitungszuschlags sind folgende Grundsätze zu beachten:
(1) Die Mindestbearbeitungszugabe sollte verwendet werden, um die Bearbeitungszeit zu verkürzen und die Bearbeitungskosten der Teile zu senken.
(2) Insbesondere für den letzten Bearbeitungsschritt ist ein ausreichendes Bearbeitungszugabe vorzusehen. Die Bearbeitungszugabe muss die in der Zeichnung spezifizierte Genauigkeit und Oberflächenrauheit gewährleisten.
(3) Bei der Bestimmung des Bearbeitungszuschlags ist die durch die Wärmebehandlung der Teile verursachte Verformung zu berücksichtigen, da sonst Ausschuss entstehen kann.
(4) Bei der Bestimmung des Bearbeitungszuschlags sind das Bearbeitungsverfahren und die Bearbeitungsausrüstung sowie mögliche Verformungen während des Bearbeitungsprozesses zu berücksichtigen.
(5) Bei der Bestimmung des Bearbeitungszuschlags ist die Größe des zu bearbeitenden Teils zu berücksichtigen. Je größer das Teil, desto größer der Bearbeitungszuschlag. Denn mit zunehmender Teilegröße steigt auch die Wahrscheinlichkeit von Verformungen durch Schnittkräfte, innere Spannungen usw.