Schleifbrandprobleme lösen

Schleifbrand ist in der Fertigungstechnik ein ernstzunehmendes und weit verbreitetes Problem, mit dessen Lösung sich viele Fertigungsbetriebe, Werkzeugmaschinenhersteller, Dienstleister und Forscher befassen. Dabei ist besonders problematisch, dass Schleifbrand nicht alleinig aufgrund eines ganz bestimmten Auslösers, z.B. eines einzelnen falsch gewählten Prozessparameters an der Werkzeugmaschine entsteht. Vielmehr  entsteht Schleifbrand durch komplexe Zusammenhänge zwischen den verschiedensten Einflussgrößen beim Schleifen. Daher ist die Lösung des „Schleifbrandproblems“ keinesfalls eine triviale Aufgabe.

Warum Schleifbrand problematisch ist

Schleifbrand ist ein Problem, da durch zu hohen Temperatureintrag in das Bauteil während des Schleifens, die Randzone des Werkstückes thermisch überbeansprucht wird - sie „verbrennt“. Dabei findet im weitesten Sinne eine lokale Überhitzung des Randzonengefüges auf Austenitisierungstemperatur mit anschließender Abschreckhärtung statt, durch die die Randzone des Werkstückes zwar an Härte gewinnt, allerdings deutlich versprödet und an Zähigkeit verliert. Auch ändern sich die Spannungszustände im Bauteil. Es entstehen lokale Zugspannungen. Oft sind vom Schleifbrand betroffene Stellen des Werkstücks durch eine deutliche Dunkelfärbung (thermisch bedingte Kohlenstoffanreicherung der Randzone) erkennbar, in vielen Fällen ist Schleifbrand allerdings mit bloßem Auge nur schwer erkennbar.

Unabhängig von der optischen Erkennbarkeit können Bauteile, die Schleifbrand aufweisen Ihre konstruktiv vorgesehenen Aufgaben nicht mehr zuverlässig erfüllen. Anforderungen, beispielsweise an die Dauerfestigkeit werden deutlich schlechter erfüllt, sodass es zu früherem Bauteilversagen kommt. Ein Umstand, der sich mit keinem Qualitätsanspruch vereinbaren lässt.

Der erste Schritt zur Schleifbrandvermeidung - Die Schleifbranderkennung

Fertigungsbetriebe, die eine Schleifbearbeitung verwenden, implementieren in die Qualitätssicherung eine Schleifbrandprüfung um sicher ausschließen zu können, dass mangelhafte Teile ausgeliefert werden. Zur Schleifbrandprüfung sind verschiedene Verfahren möglich, die sich grob in zerstörende, eher für Stichproben geeignete und zerstörungsfreie Prüfverfahren untergliedern lassen.

Eine Übersicht über die Schleifbrandprüfverfahren finden Sie hier.

Schleifbranderkennung verhindert zwar die Verwendung fehlerhafter Bauteile, jedoch haben die Bauteile bei der Schleifbearbeitung schon einen wesentlichen Teil der Fertigung durchlaufen und müssen dann kurz vor der Fertigstellung ausgesondert werden. Das verursacht hohe Kosten und ist nicht wirtschaftlich!

Schleifbrand vermeiden - Ausschuss reduzieren!

Eine hohe Bauteilqualität bzw. eine geringe Ausschussrate sind selbstverständlich die angestrebten Merkmale einer wirtschaftlichen Schleifbearbeitung. Im Folgenden skizzieren wir, wie die ganzheitliche Optimierung eines schleifbrandanfälligen Prozesses aussehen kann:

Den Überblick bekommen – Das Coolant Audit

Wie bereits beschrieben handelt es sich bei Schleifbrand um ein komplexes Problem, dass in mehreren Parametern begründet sein kann. Zur ganzheitlichen Lösung des Problems „Schleifbrand“ ist es daher unabdingbar zunächst den IST-Zustand der KSS-Zuführungstechnik zu erheben, der an der Maschine vorliegt. Genau das tun die KSS-Profis von Grindaix bei einem Coolant-Audit an Ihrer Werkzeugmaschine. Neben Größen wie den zu bearbeitenden Bauteilkonturen, der jeweiligen Zustellung, der verwendeten Schleifscheibe und den Schleifzyklen sind dabei auch Kühlschmierstoffgrößen wie Druck, Volumenstrom und Austrittsgeschwindigkeit aus der KSS-Düse von vorrangigem Interesse. Auch sollte erhoben werden, wie die KSS-Versorgung und –Zuführung gestaltet ist (möglicher Abfluss durch Bypäße, Druckverluste in Rohrleitungen, etc.).

Aus den erhobenen Daten kann dann eine Gesamtversorgungssituation abgeleitet werden. Diese vollständige Erfassung ermöglicht eine genaue Eingrenzung der Schleifbrandursache, die dann optimal gelöst werden kann. Im Rahmen eines Coolant Audits erhalten Sie im Anschluss an die Vor-Ort-Analyse einen Audit-Bericht, der den erhobenen IST-Zustand darlegt und daraus abgeleitete Lösungsvorschläge (Umbaupläne, Zeichnungen, Bauteilspezifikationen, Stücklisten) beinhaltet.

Kühlung verbessern – Schleifbrandrisiko minimieren

Da es sich bei Schleifbrand neben der mechanisch bedingten Restaustenitumwandlung in den meisten Fällen um ein thermisches Problem handelt, kann eine erste Maßnahme zur Schleifbrandvermeidung die Verbesserung der Prozesskühlung sein. Am weitesten verbreitet ist der Einsatz von Schleif-Ölen und –Emulsionen, die zum einen die Reibung zwischen des Schleifscheibe und dem Bauteil reduzieren sollen, zum anderen durch ihr Wärmebindungsvermögen die Prozesswärme teilweise aufnehmen. Je besser eine Bearbeitungsaufgabe gekühlt wird, umso weniger Prozesswärme kann das Bauteil schädigen in dem sie Schleifbrand hervorruft.

Bei der Prozesskühlung gilt das oft angewendete Motto „viel hilft viel“ jedoch nicht. Selbst bei einer Überflutungskühlung mit immensem Kühlschmierstoffaufwand kann Schleifbrand entstehen. Es kommt vielmehr auf eine genaue und dosierte Kühlung an, bei der der Schleifspalt über die Porenräume der Schleifscheibenbindung optimal und ausreichend mit Kühlschmierstoff versorgt wird. Bei der KSS-Zuführung muss ebenfalls beachtet werden, dass der Kühlschmierstoff-Strahl eine gewisse Austrittsgeschwindigkeit, die sich nach der Schleifscheibenumfangsgeschwindigkeit richtet, erreichen muss. Die notwendige Austrittsgeschwindigkeit ist mit geeigneten Düsen realisierbar.

Für eine optimale Kühlung empfehlen die KSS-Spezialisten, der Grindaix GmbH, auf den Bearbeitungsfall zugeschnittene Düsen-Sonderkonstruktionen. Dies können beispielsweise Nadeldüsen aber auch Schlitzdüsen, Modulardüsen oder auch 3D-gedruckte Düsen sein. Grundsätzlich wählen wir die für den Anwendungsfall geeigneteste und wirtschaftlichste Düsenform aus. Alle Grindaix-Düsen verfügen über eine spezifische Düsenkennlinie. Diese ermöglicht eine exakte Einstellung der KSS-Austrittsgeschwindigkeit  mithilfe des KSS-Volumenstroms und –drucks.

Neben den Standard-Formaten der Nadeldüsen bilden profilierte und gebogene Nadeldüsen als Sonderkonstruktion die Möglichkeit, die Kühlschmierstoffdüse exakt an die vorliegende Bearbeitungsaufgabe (bzw. Schleifkontur) anzupassen. Hieraus kann nochmals eine Verbesserung der Kühlwirkung resultieren.

Schleifscheibenreinigung optimieren

Durch Bearbeitungsrückstände beim Schleifen kann es zu einer Zusetzung der Schleifscheibe kommen. Eine starke Zusetzung der Schleifscheibe bringt allerdings große Probleme für den Fertigungsprozess mit sich. Eine zugesetzte Schleifscheibe verliert an Schnittfähigkeit, was die Reibung erhöht und Schleifbrand begünstigt. Zudem kann in den zugesetzten Schleifscheibenporen kein Kühlschmierstoff in den Schleifspalt transportiert werden, was die Kühlung zudem maßgeblich beeinträchtigt.

Eine wirksame Gegenmaßnahme ist der Einsatz von Grindaix-Reinigungsdüsen. Diese entfernen Bearbeitungsrückstände in den Schleifscheibenporen  mithilfe von Kühlschmierstoff, wodurch sich die o.g. negativen Einflüsse verringern. Positive Nebeneffekte der Schleifscheibenreinigung können eine verbesserte Oberflächengüte der geschliffenen Bauteile, Vermeidung von Schleifbrand sowie eine Verlängerung der Lebensdauer der Schleifscheibe sein. Weitere Details zu den Grindaix-Reinigungsdüsen finden Sie hier.

Alle Prozessparameter im Blick behalten – Qualität sichern!

Bearbeitungsprozesse auf Werkzeugmaschinen unterliegen mit der Zeit gewissen Veränderungen. Verschleiß der Schleifscheibe, Bearbeitungsrückstände im Bearbeitungsraum oder Zusetzung von KSS-Rohrleitungen sind hier nur einige Beispiele. Veränderungen an den Stellgrößen der Bearbeitungsaufgabe haben meist negative Folgen, da hierdurch die gewünschten Ergebnisgrößen nicht mehr eingehalten werden. Im schlimmsten Fall ist das Resultat Schleifbrand, der zum Bauteilausschuss führt! Die laufende Kontrolle der Stellgrößen ist folglich ein zusätzlich wirksames Mittel zur Wahrung der Qualität.

Zur Umsetzung einer „Schleifbrand-Überwachung“ und Auswertung der KSS-Zuführparameter stehen verschiedene technische Lösungen zur Verfügung:

Coolant Display

Die düsenindividuelle Überwachung der kühlschmierstoffbezogenen Stellgrößen „Druck“, „Volumenstrom“ und „Austrittsgeschwindigkeit“ kann vollständig über das Grindaix Coolant-Display realisiert werden. Mithilfe der entsprechenden Düsenkennlinie und einer düsennahen Druckmessstelle können alle relevanten Düsendaten in Echtzeit gemessen, errechnet und angezeigt werden.

Mehr zum Coolant Display

Coolant Data Logger

Die Möglichkeit einer vollständigen KSS-Systemüberwachung bietet der Coolant Data Logger. Dieser verfügt über vielfältige Anschlussmöglichkeiten für Sensoren, die individuell belegbar sind. Im Gegensatz zum Coolant Display werden beim Coolant Data Logger die gewonnenen Daten auf einem internen Speicher hinterlegt und können z.B. per WLAN abgerufen werden. Dies erlaubt eine langfristige Überwachung (Grindaix Coolant Monitoring System) der Fertigungsqualität und bietet eine solide Datenbasis für die Fehlererkennung bzw. –vermeidung.

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Prozessparameter anpassen

Die thermische Bauteilbelastung kann auch durch Veränderung der Prozessparameter reduziert werden. Dies kann auch bei Beibehaltung der bestehenden Kühlung erfolgen, sodass dies eine sehr kurzfristig durchführbare Maßnahme zur Schleifbrandreduktion darstellt. Um die thermische Belastung zu reduzieren muss die Zerspanleistung verringert werden. Dies geschieht durch Reduktion der Zustellung. Ein großer Nachteil dieser Herangehensweise stellt die gleichzeitige Reduktion der Wirtschaftlichkeit dar, da die Taktzeit durch die gesunkene Zerspanleistung ansteigt.

Maßnahmenübersicht zur Schleifbrandvermeidung

Zusammenfassung

Lösungsstrategien für Schleifbrand sind so komplex wie das Problem selbst. Daher ist die Vermeidung von Schleifbrand keine einfache Aufgabe. Eine wirtschaftliche und zuverlässige Lösung muss daher viele Faktoren und Einflussgrößen berücksichtigen. Eine Verbesserung der kühlschmierstoffbasierten Prozesskühlung bzw. der Schleifscheibenreinigung kann bereits eine wirksame Gegenmaßnahme sein. Auch die Kontrolle und Überwachung der Prozessparameter kann problematische Betriebszustände frühzeitig aufdecken und Gegenmaßnahmen ermöglichen.

Bei allen Lösungsansätzen steht Ihnen die Grindaix GmbH als erfahrener KSS-Systemdienstleister zur Verfügung. Besonders empfehlen wir als Erstmaßnahme für die Schleifbrandvermeidung unser Coolant-Audit, bei dem wir die Verbesserungspotenziale identifizieren und geeignete Abhilfemaßnahmen erarbeiten.