Wie Schleifdorne die Schleifleistung beeinflussen

Aug 21, 2023

Präzisionsschleifoperationen decken alle Anwendungen ab, die Abmessungen mit engen Toleranzen und Anforderungen an eine niedrige Ra-Oberflächengüte erfordern, einschließlich zylindrischem Außenschleifen (OD), Innenschleifen (ID), Flachschleifen und Tiefgangschleifen. Bei den Scheiben für diese Vorgänge handelt es sich in der Regel um herkömmliche Schleifscheiben aus Aluminiumoxid oder Keramik unterschiedlicher Form und Größe, aber je nach Anwendung können auch superabrasive Diamant- und cBN-Schleifscheiben verwendet werden.

Bei diesen Anwendungen kann auch eine Schleifpinole oder ein Schleifdorn als Verlängerung der Spindel erforderlich sein. Schleifdorne ermöglichen eine größere Flexibilität bei der Maschineneinrichtung und erhöhen häufig die Fähigkeit der Schleifscheiben, verschiedene Merkmale des Werkstücks zu erreichen. Sie sind hochgradig anpassbar und weisen enge Toleranzen auf, daher sollten gut konstruierte Raddorne steif und gut ausbalanciert sein. Dorne sind eine der grundlegendsten Komponenten beim Aufbau von Präzisionsschleifmaschinen und können sich bei richtiger Konstruktion als kostengünstige Lösung zur Verbesserung der Präzisionsschleifleistung erweisen.

Während die meisten Ingenieure ihre Bedeutung verstehen, sind sich nur wenige der Auswirkungen bewusst, die ein Schleifdorn auf die Optimierung des Schleifprozesses haben kann. Wenn sie versuchen, einen fehlerhaften Schleifprozess zu korrigieren oder einfach nur die Ergebnisse zu verbessern, werden die meisten Ingenieure Geschwindigkeiten, Durchsatz, Scheiben und Materialien neu bewerten. In vielen neueren Anwendungen ist der Schleifdorn eine häufig übersehene Vibrationsquelle, die zu einer schlechten Werkstückqualität führen kann. In diesem Artikel wird erläutert, wie sich Schleifdorne auf die Leistung einer Präzisionsschleifmaschine auswirken können und welche Maßnahmen zur Verbesserung ergriffen werden können.

Bei Präzisionsschleifanwendungen ist die Steifigkeit der Maschine für optimale Leistung und Ergebnisse von entscheidender Bedeutung. Eine unzureichende Steifigkeit kann zu Rattermarken auf der Oberfläche der zu schleifenden Materialien führen. Eine steifere Maschine ermöglicht höhere Vorschubgeschwindigkeiten, was zu kürzeren Zykluszeiten und einer verbesserten Stabilität in der Schleifzone führt. Dies kann zu einer längeren Lebensdauer, Genauigkeit und Produktivität der Scheibe führen.

Es gibt zwei Arten der Steifigkeit einer Maschinenkomponente. Die statische Steifigkeit wird in N/mm berechnet und beschreibt die Steifigkeit des Bauteils unter nahezu statischen Belastungen. Die dynamische Steifigkeit, ebenfalls in N/mm berechnet, setzt die Steifigkeit in Beziehung zu den Auswirkungen von Dämpfung und Masse und ist typischerweise bei der Eigenfrequenz oder dem schwächsten Schwingungsmodus minimal. Dieses Ergebnis beträgt typischerweise ¼-½ der statischen Steifigkeit.

Die Hauptkomponenten, die die Steifigkeit des Schleifsystems bestimmen, sind die Maschine, das Teil, die Vorrichtung und die Scheibe. Aber das System ist nur so steif wie seine schwächste Komponente, und da bei manchen Schleifprozessen der Schleifdorn länger sein muss, um die Werkstückmerkmale zu erreichen, ist er tendenziell das schwächste Glied. Es gibt drei Hauptleistungsfaktoren für Raddorne: Material, Durchmesser und Länge.

Raddorne werden je nach Anwendung in der Regel aus einem von drei Materialien hergestellt:

Beim Innenschleifen werden oft lange Schleifdorne verwendet, aber bei einigen Außen- und Tiefschleifprozessen werden mittlerweile verlängerte Schleifdorne verwendet, um Spielprobleme zu lösen. Beim Innenschleifen ist in der Regel das größte Verhältnis von Länge zu Durchmesser erforderlich. Abhängig von den Bauteilabständen ermöglicht die Verwendung von Superabrasivscheiben mit kleinerem Durchmesser die Verwendung von Dornen mit größerem Durchmesser. Und da die Verschleißraten und die Lebensdauer von Superabrasiv-Scheiben tendenziell die von herkömmlichen Schleifmitteln übertreffen, kann die Gesamtlebensdauer der Scheiben pro Teil ähnlich bleiben. Wenn die Kühlmittelanwendung die optimierte Dornlänge und/oder den Außendurchmesser einschränkt, kann die Kühlmittelzufuhr durch die Spindel oder die Teilvorrichtung hilfreich sein.

Erfahrene Bediener und Fertigungsingenieure wissen, dass der Mahlgrad umso besser ist, je kürzer die Welle ist, aber sie werden vielleicht überrascht sein, wenn sie erfahren, wie viel besser. Während man meinen könnte, dass ein 50 mm langer Dorn doppelt so steif ist wie ein 100 mm langer Dorn, ändert sich die Steifigkeit des Raddorns tatsächlich exponentiell mit der Länge oder dem Außendurchmesser. Eine Vergrößerung des Außendurchmessers des Dorns um 10 Prozent erhöht die statische Steifigkeit um 46 Prozent und eine Verringerung der Länge um 10 Prozent erhöht die statische Steifigkeit um 37 Prozent. Ein Stahldorn mit einem 100 mm langen Schaft mit 25 mm Durchmesser hat eine statische Steifigkeit von 12.000 N/mm, ein 50 mm langer Schaft = 96.000 N/mm – das heißt, der kürzere Dorn ist achtmal steifer.

Es gibt drei Möglichkeiten, die Probleme der Raddornsteifigkeit und des damit verbundenen Ratterns zu reduzieren. Die einfachste und kostengünstigste Möglichkeit besteht darin, zu versuchen, die Raddorne zu kürzen. Möglicherweise ist eine Umgehung möglich, und gelegentlich gibt es Fälle, in denen aus Bequemlichkeitsgründen eine vorhandene Welle verwendet wird, obwohl kürzere besser geeignet wären. Durch die Berechnung der erforderlichen Dornsteifigkeit und -länge kann sichergestellt werden, dass Dorne mit der richtigen Größe verwendet werden.

Das maximal empfohlene Verhältnis von Länge zu Durchmesser für einen Dorn beträgt 5:1; Bei einem größeren Verhältnis besteht die Gefahr, dass die Eigenfrequenz des Dorns erreicht wird, bevor die Betriebsradgeschwindigkeiten erreicht werden. Die erhöhte Steifigkeit eines kürzeren Dorns verringert die Wahrscheinlichkeit, dass die Eigenfrequenz der Maschine der Spindeldrehzahl nahe kommt, wodurch die Wahrscheinlichkeit geringer ist, dass Eigenfrequenzschwingungen erzeugt werden, die sich als Rattern am Werkstück bemerkbar machen.

Durch die Reduzierung des Dorngewichts ändert sich auch die Frequenz der dynamischen Steifigkeit, dies kann jedoch problematischer sein. Wenn das Ziel darin besteht, die Eigenfrequenz zu ändern, ohne die äußere Größe zu verändern, kann das Bohren eines Lochs in der Mitte der Welle, das 50 Prozent des Außendurchmessers beträgt, die dynamische Steifigkeit erhöhen. Dies wird durch eine Gewichtsreduzierung um 25 Prozent erreicht, wodurch die statische Steifigkeit nur um 10 Prozent sinkt.

Als letzten Ausweg kann ein Wechsel des Dornmaterials die Steifigkeit verbessern. Dies kann jedoch teuer sein und möglicherweise nicht die gewünschten Ergebnisse erzielen. Beispielsweise erhöht die Umstellung der Raddorne von Stahl auf Hartmetall die statische Steifigkeit um das bis zu Dreifache; Das erhöhte Gewicht und die verringerten Dämpfungseigenschaften von Hartmetall können jedoch die dynamische Steifigkeit so weit verringern, dass im Vergleich zum Stahldorn nur noch ein geringer Nettogewinn erzielt wird. Ein neues, leichteres Material wie Kohlefaser/Stahl könnte eine bessere Option sein, da es sowohl die statische als auch die dynamische Steifigkeit erhöht, allerdings ist diese Lösung mit höheren Kosten verbunden. Wenn die Dornlänge auf das maximal empfohlene Verhältnis von 5:1 zunimmt, nimmt die erhöhte Steifigkeit des exotischen Materials ab.

Die Optimierung des Verhältnisses von Länge zu Durchmesser des Schleifdorns ist eine der wenigen Änderungen, die ein Endbenutzer an einer Schleifmaschine vornehmen kann, um die statische und dynamische Steifigkeit zu erhöhen und die Schleifleistung bei relativ geringen Kosten zu verbessern.

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