Schleifbrand-Prüfung

Beim Schleifen von Bauteilen auf CNC-Schleifmaschinen besteht das Risiko der Entstehung von Schleifbrand. Darunter versteht man eine Randzonenschädigung der Gefügestruktur des geschliffenen Bauteils, durch einen lokal zu großen Temperatureintrag. Schleifbrand stellt in der Fertigungstechnik gleich in mehrerlei Hinsicht ein Problem dar. Schleifbrand limitiert die mögliche Produktivität der Bearbeitungsaufgabe (z.B. Zustellung, Zerspanvolumen) und gefährdet weiterhin die Qualität der bearbeiteten Bauteile und deren Zuverlässigkeit erheblich, da sie oftmals den Belastungen im späteren Anwendungsfall nicht mehr widerstehen können und versagen.

Ein Bauteil das Schleifbrand aufweist, ist für seinen Einsatzzweck folglich nicht mehr geeignet, es muss ausgesondert werden. Durch Schleifbrand verändert sich der Eigenspannungszustand im Bauteil. Während es in Anlasszonen zu Zugspannungen kommt, weisen Neuhärtungszonen Druckspannungen in Folge des Schleifbrands auf. In Kombination beider Einflüsse führt das Auftreten von Schleifbrand zu einem unvorhersehbaren, vorzeitigen Versagen des geschliffenen Bauteils.

Qualitätsverlust und hohe Kosten sind die Folgen des Schleifbrands

Zur Wahrung der Qualität ist eine Überprüfung geschliffener Bauteile im Rahmen der Qualitätskontrolle unerlässlich, um die geforderten Bauteileigenschaften sicher einhalten zu können. Nicht selten ist Schleifbrand an einem geschliffenen Bauteile mit bloßem Auge nicht zu erkennen. Daher haben sich verschiedene Schleifbrand-Prüfverfahren etabliert, die eine zuverlässige Schleifbranderkennung umsetzbar machen.

Schleifbrand-Prüfverfahren

Grundsätzlich lässt sich die Schleifbrandprüfung in zwei wesentliche Bereiche untergliedern:

  • Die zerstörungsfreie Schleifbrandprüfung, bei der das Bauteil nach der Prüfung noch intakt ist.
    Mit zerstörungsfreien Prüfmethoden ist eine vollständige Qualitätssicherung der produzierten Teile möglich, ohne dabei Teile zu Prüfzwecken zerstören zu müssen. Zerstörungsfreie Schleifbrand-Prüfverfahren helfen sicherzustellen, dass nur Bauteile ohne Schleifbrand die Produktionsstätte verlassen.
  • Die zerstörende Schleifbrandprüfung beschreibt eine Analyse, bei der das Bauteil zur genauen Untersuchung zerstört werden muss. Eine zerstörende Schleifbrandprüfung ist genau und eindeutig, allerdings ungeeignet um kosteneffizient im Serienbetrieb die Schleifbranderkennung sicherzustellen. Zerstörende Schleifbrandprüfung ist eher zur genauen Schadensfallanalyse und als Schleifbrandnachweis im Einzelfall verwendbar.

Zerstörungsfreie Schleifbrand-Prüfverfahren

Barkhausen-Rauschen

Beim Barkhausen-Rauschen handelt es sich um ein magnetinduktives Prüfverfahren, dass sich die elektromagnetischen Eigenschaften metallischer Werkstoffe zu Nutze macht um Schleifbrand zu erkennen. Bei der elektrischen Magnetisierung folgt der zu untersuchende Werkstoff einer bestimmten Hystereseschleife. Der Verlauf dieser Hystereschleife bzw. die auftretenden Amplituden können mit einer sog. Differenzsonde im Bauteil erzeugt und im selben Arbeitsgang gemessen werden. Grundsätzlich zeigen hierbei große gemessene Amplituden Zugspannungen im Bauteil an, wohingegen kleine Amplituden Druckspannungen anzeigen. Die erhobenen Messwerte müssen allerdings auf die Amplituden eines vorab gemessenen, schleifbrandfreien Bauteils bezogen (kalibriert) werden.  Dieses Referenzbauteil muss von seinen Eigenschaften dem gemessenen Bauteil (Werkstoff/Abmessungen) gleichen. Auf Grundlage der gemessenen Amplituden des schleifbrandfreien Bauteils wird dann ein Toleranzband festgelegt. Liegen die gemessenen Amplituden innerhalb dieses Toleranzbandes wird das Bauteil als schleifbrandfrei erkannt, wohingegen Bauteile deren Amplituden ober- bzw. unterhalb der Toleranzgrenze liegen, ausgesondert werden.

Das Barkhausen-Verfahren ist sehr flexibel und im Bedarfsfall auch kurzfristig zwischen Bearbeitungsschritten einsetzbar. Die Schleifbrandprüfung ist ohne subjektive Einflüsse des Prüfers durchführbar. Nachteil des Barkhausen-Verfahrens ist der Chargeneinfluss auf die Messergebnisse. Da sich die Chargen des verwendeten Werkstoffes oftmals nicht gleichen, kann sich die Gültigkeit der Referenzmessung ändern. Daher kann es dazu kommen, dass auch schleifbrandfreie Bauteile als Ausschuss deklariert werden. Ebenso kann es vorkommen, dass Schleifbrandzonen nicht zuverlässig detektiert werden können, da sich die Amplituden überlagern und Schleifbrand daher nicht erkannt wird. Je nach Anzahl der zu prüfenden Flächen (z.B. geschliffene Flanken eines Zahnrades) kann die Prüfungsdauer mit dem Barkhausen-Verfahren zeitlich entsprechend lang ausfallen.     

Nitalätzen

Das Nitalätzen stellt eine chemische Prüfmethode für Schleifbrand an metallischen Bauteilen dar. Dabei wird der Prüfling in ein Bad meist aus Salpetersäure (HNO3) getaucht, abgespült und anschließend optisch auf Verfärbungen der Oberfläche hin untersucht. Bei Bauteilen die Schleifbrand aufweisen verfärbt sich die Oberfläche (Kohlenstoff) infolge einer Reaktion mit der Säure in verschiedenen Graustufen, die auch die Intensität des Schleifbrandeinflusses sichtbar machen. Anschließend kann das Bauteil anhand einer optischen Grauskala manuell bewertet werden. Bauteile können sowohl manuell, als auch in automatischen Durchlaufanlagen geätzt werden.

Das Nitalätzen ist das bisher einzige international genormte Schleifbrand-Prüfverfahren. Es ist bei allen denkbaren Bauteil-Geometrien einsetzbar. Allerdings unterliegt es einem großen subjektiven Einfluss durch den Prüfer, der die optische Bewertung durchführt. Das Personal muss für das Nitalätzen speziell geschult sein, da es einige Fehlerquellen gibt, die das Messergebnis verfälschen könnten. Weiterhin werden hohe Anforderungen an Arbeits- und Umweltschutz im Umgang mit der notwendigen Säure gestellt. Das Nitalätzen hat je nach Bauteil einen höheren Zeitaufwand bei der Schleifbrandprüfung zur Folge, als es beim Barkhausen-Verfahren der Fall wäre. Bei unsachgemäß angesetzten Säurebädern kann es auch beim Nitalätzen zu fehlerhaften Messungen kommen. Ein Spezialist bei der Prüfung von Schleifbrand ist die Firma IMQ in Crimmitschau. Sie bietet Gerätschaften zur Vermeidung der Willkür in der Schleifbrandbewertung (Graustufen) an (http://imq-gmbh.com/).

Zerstörende Schleifbrand-Prüfverfahren

Mikrohärteprüfung

Zur Werkstückprüfung mithilfe der Mikrohärte-Prüfung muss das Bauteil zerstört werden. Ein Gefügeschliff durch das Bauteil, der anschließend poliert wird, dient hierbei als Prüffläche. Auf der vorbereiteten Prüffläche werden mehrere Härteprüfungen mit dem Prüfverfahren nach Vickers (HV) durchgeführt. Anhand der gemessenen Härten und der Verteilung der auftretenden Härtegrade kann dann sicher bestimmt werden, ob am untersuchten Bauteil Schleifbrand vorliegt. Die Wahrscheinlichkeit eines Falschbefundes ist bei der zerstörenden Mikrohärteprüfung sehr gering, das Verfahren gilt als sehr sicher. Allerdings ist dieses Prüfverfahren sehr aufwändig, da viele einzelne Härtemessungen, deren Auswertung und die Zerstörung und Vorbereitung eines Prüfbauteils erforderlich sind.

Zusammenfassung

Schleifbrand mindert die Qualität der geschliffenen Bauteile erheblich, macht diese für den Einsatzzweck unbrauchbar. Damit Bauteile mit Schleifbrand zuverlässig ausgesondert werden können, bieten sich verschiedene Prüfverfahren an, die entsprechend der vorliegenden Fertigungssituation ausgewählt und in die Qualitätssicherung etabliert werden müssen. Dabei weisen die vorgestellten Verfahren Vor- und Nachteile auf. Bei den zerstörungsfreien Verfahren besteht ein Restrisiko eines Gutbefundes an Bauteilen die Schleifbrand aufweisen. Durch Schleifbrand unbrauchbar gewordene Teile haben vor dem Schleifprozess bereits den größten Teil der Wertschöpfungskette durchlaufen und somit einen nicht unerheblichen Wert. Daher generiert Schleifbrand erhebliche Ausschusskosten in Ihrer Fertigung. Aus diesem Grund sollten Schleifbrandprüfung und Schleifbrand-Vermeidung gleichermaßen priorisiert werden.

Die Schleifbrand-Vermeidung ist die Kernkompetenz der Grindaix GmbH. Schon viele erfolgreiche Projekte zur Schleifbrand-Vermeidung und die daraus gewonnenen Erfahrungen machen uns zum kompetenten KSS-Systemdienstleister rund um die Schleifbrand-Vermeidung und KSS-Anlagenoptimierung. Durch unsere umfassende, standardisierte Prozess- und Maschinenanalyse finden wir die Ursachen für die Schleifbrand-Entstehung in Ihrer Werkzeugmaschine und liefern Ihnen einen konkreten Umrüstvorschlag zur Schleifbrand-Vermeidung. Mehr Informationen hierzu finden Sie bei unseren Coolant Audits für Maschinen.

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Tagungsleitung: Dr.-Ing. D. Friedrich

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