Präzisionsschleifen: eine «Geheimwissenschaft»?

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Einflussgrössen und ihre Zusammenhänge

Ein Blick ins Vademecum des Schleifens zeigt noch wesentlich mehr Abhängigkeiten auf, die von einer modernen Schleifmaschinensteuerung beherrschbar wären. Allein im Kapitel «Einflussgrössen und ihre Zusammenhänge» findet man eine Menge Formeln, welche sich steuerungstechnisch direkt zum Gebrauch anbieten. Den Schleiftechnologen ist bekannt, dass die Steilheit des Eindringens einer Kornschneide (Eindringwinkel a_ec in Abb.1) besonders dann von grösster Bedeutung ist, wenn es um die Bearbeitung duktiler Werkstoffe (Nickel, Nickelbasislegierungen, Nickel-Chrom-Legierungen, Titan, Aluminium usw.) geht. Je steiler die Kornschneide eingreift, desto schneller kommt es zur effektiven Spanbildung. Also weniger Reibungswärme und mehr Effizienz! Eine weitere, damit kombinierbare Optimierungsmöglichkeit besteht in der Steuerung oder Überwachung der Schneiden-Eindringgeschwindigkeit v_{fw in}. Einigen Lesern ist diese vielleicht als MNIR bereits bekannt. Es ist die Abkürzung für «The maximum normal infeed rate», publiziert von [1,4,6] (siehe Abb. 2).

In Abbildung 1 wird beispielhaft gezeigt, was bezüglich der Eingriffs- und Spanbildungsbedingungen an einer Kornschneide aufgrund der Prozessvorgaben geschieht. Ohne einen bestimmten, wenn auch oft minimalen, Eindringwinkel a_ec ist eine Spanbildung undenkbar. Ein enormer Schleifdruck (Normalkraft Fn) wäre die Folge. Gleichzeitig muss aber auch auffallen, dass mit zunehmender Steilheit von a_ec – diese wird üblicherweise nicht mit dem absoluten Winkel in Grad, sondern mit der Winkelfunktion Tangens oder Sinus (beide sind bis 6° in etwa gleich gross) ausgedrückt – sich der Kornschneideneingriff über unterschiedlichste Grössen (Vorgabe- und/oder Prozess-Ausgangsgrössen) optimieren lässt. Das ergibt ideale Möglichkeiten, die Maschinensteuerung hier unterstützend einzusetzen.

Wärmeentwicklung lässt sich drastisch minimieren

Obwohl der Leistungsaufwand mit grösser werdendem Eindringwinkel ansteigt, lässt sich die Wärmeentwicklung drastisch minimieren. Logisch, denn weniger Reibung und schnellere Spanbildung führen zu einer deutlich verbesserten Wärmeabfuhr über die Späne. Schaut man sich die verschiedenen Prozessgrössen an – mit Ausnahme des Scheibendurchmessers d_s bzw. d_se –, handelt es sich durchwegs um Stellgrössen, also um konkret zu wählende Vorgaben. Weil ganz besonders schwerzerspanbare und schmierende Werkstoffe (Nickelbasislegierungen, Titan usw.) mit den grösstmöglichen Eindringwinkeln geschliffen werden sollten, damit sich eine rasche Spanbildung mit verhältnismässig wenig Wärmeentwicklung ergibt. Die beeinflussenden Stellgrössen sind dahingehend zu prüfen, ob sie über oder unter den jeweiligen Bruchstrichen stehen. Eine Optimierung würde bedeuten: Die Werte oberhalb des Bruchstrichs sollten grösser werden und jene unterhalb kleiner. Was da angeboten wird, ist nahezu unglaublich.

Nun die Frage: Was könnte man davon sinnvollerweise dem Operateur und was der Steuerungssoftware überlassen? Die Frage muss hier unbeantwortet bleiben, weil im Endeffekt sowohl das Wissen und Können des Operateurs als auch die vom Steuerungshersteller eingebaute «schleiftechnische Intelligenz» die dominanten Rollen spielen. Das Angebot an Eingriffs- und Optimierungsgrössen kann keinesfalls ein Hindernis sein. In den meisten Fällen wäre, wenn man von Nebenbedingungen einmal absieht, die zulässige höchste Schnittgeschwindigkeit v_c und die Zustelltiefe a_e vorzugeben. Die Steuerung sucht dann mit ihrer «Intelligenz», aufgrund von hinterlegten Grenzwert- und Optimierungsalgorithmen, selbst den bestmöglichen Prozessverlauf. Klar, die Maschine muss dazu in der Lage sein und die Prozesskühlung ebenfalls, d. h. geeigneter Kühlschmierstoff, ausreichende Menge und genügender Systemdruck.

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