Schleifen verspricht mehr Präzision, Hartdrehen lockt mit Wirtschaftlichkeit

Von unserem Redaktionsmitglied Ralf Dunker

Wenn es um das Bearbeiten rotationssymmetrischer Teile geht, buhlen Hartdreher und Schleifer mit Vehemenz um die Gunst des Kunden. Aggressiv rühren die Hartdreher die Werbetrommel und versprechen, mit geometrisch bestimmter Schneide wirtschaftlich Einsatz- und Wälzlagerstähle sowie Vergütungs- und Werkzeugstähle zu zerspanen und dabei die Genauigkeit des Schleifens – zumindest annähernd – zu erreichen. Die Schleifergilde hält dagegen: Das rotierende Werkzeug besitze insbesondere in bezug auf Präzision und Standzeit Vorteile gegenüber dem stehenden, sei daher verfahrenstechnisch überlegen. Welches Verfahren ist nun besser, vielseitiger und wirtschaftlicher?

„Eine generelle Antwort auf diese Frage kann es nicht geben“, sagt Prof. Dr.-Ing. Hans Kurt Tönshoff, Direktor des Instituts für Fertigungstechnik und Spanende Werkzeugmaschinen IFW der Universität Hannover. Zumal es bei der Wirtschaftlichkeitsbetrachtung nicht um die Endbearbeitung alleine gehe, sondern um den Gesamtprozeß.

Hartdrehen kann die Bearbeitungskette deutlich verkürzen, wenn zum Beispiel das Anfertigen mehrerer Funktionsflächen oder von Innen- und Außenkonturen in einer Maschine erfolgt. Um mitzuhalten, sind beim Schleifen endkontur-nahe Technologien Voraussetzung, denn sie ermöglichen einen Materialabtrag ohne weitere Zwischenschritte.

„Wer unter Berücksichtigung dieser Umstände zwischen den beiden Fertigungsarten abwägen möchte, muß eine Vielzahl von Kriterien beachten und nach eigenen Bedürfnissen gewichten“, stellt Tönshoff fest. Definitive Ausschlußkriterien können

der zu bearbeitende Werkstoff,

die Werkstückgeometrie und

die Oberflächengüte sein.

„Einige Werkstoffe lassen sich gar nicht durch Hartdrehen bearbeiten“, erklärt Tönshoff. Bei Hartmetallen, Superlegierungen, Halbleiterwerkstoffen oder technischen Keramiken muß die Schneide meist aufgeben, aber bei gehärteten Stählen bis zu einer Härte von 70 HRC lassen sich durchaus gute Ergebnisse erzielen. Solche Werkstoffe finden beispielsweise in der Automobilindustrie, bei Herstellern von Hydraulik- und Pneumatik-Komponenten oder im Werkzeugbau Anwendung.

Diese Zielgruppe, die Automobil- und Fluidtechnikindustrie, beliefert beispielsweise die 125 Mitarbeiter beschäftigende Lohndreherei Christian Weber GmbH in Gosheim. Ein Unternehmen, das schon seit einiger Zeit mit dem Hartdrehen experimentiert, um es für seine hochpräzisen Produkte einzusetzen. Aber bislang wären die Ergebnisse nicht zufriedenstellend gewesen, berichtet Betriebsleiter Uwe Schweizer. Der Grund: Bei den Präzisionsteilen handelt es sich vorzugsweise um wellenförmige Teile. „Um bei denen das letzte My rauszuholen, ist Schleifen immer noch das beste.“

Hartdrehen kann hier nicht mithalten, weil sich die schlanken Werkstücke während des Zerspanens zu stark durchbiegen. Nicht so, wenn sie im wahrsten Sinne des Wortes den letzten Schliff erfahren. „Beim Ausfunken geht die Zerspanleistung gegen Null, die auftretenden Kräfte sind minimal“, erläutert Roland Schmitz, Leiter Konstruktion Verfahren und Software bei der Schaudt Maschinenbau GmbH in Stuttgart. Einen weiteren Vorzug verbucht das Schleifen bei extrem dünnen Teilen. Mit ihm lassen sich sogar Durchmesser von nur wenigen Millimetern fertigen. „Hartdrehen kommt für solch geringe Durchmesser selbst auf hochtourigen Drehmaschinen nicht in Frage, denn die Schnittgeschwindigkeit reicht nicht aus“, stellt Praktiker Schweizer fest.

Eine Rolle spielt – zumindest bei manchen Teilen – die beim Bearbeiten eingebrachte Spirale auf der Oberfläche. Sie könne beispielsweise an Dichtsitzen zu Leckagen führen, weil sie Flüssigkeit herausfördere, erklärt Schleifspezialist Schmitz. Ein Effekt übrigens, der auch beim schnellen Schälschleifen in Kauf genommen werden muß, beim Einstechschleifen jedoch keine Rolle spielt. Dreher vermeiden diese unerwünschten Riefen, indem sie Dichtflächen durch Einstechdrehen fertigen. Beseitigen läßt sich die Spirale außerdem durch Rollieren oder Hartglattwalzen.

Entscheidend ist für die Verfahrenswahl nicht allein die Endgeometrie des Teils. Ebenso wichtig ist das abzutragende Zerspanvolumen. Schweizer: „Das Aufmaß fällt meist unterschiedlich aus, was beim Schleifen kein Problem darstellt.“ Ist mehr abzutragen, dauert das Bearbeiten auf den in-prozeß-geregelten Studer-Maschinen im Hause Weber halt ein wenig länger. Die resultierende Genauigkeit ist im Endeffekt gleich. „Hartdrehen hingegen steckt Aufmaßdifferenzen nicht so leicht weg.“ Toleranz beweist das Schleifen auch in anderer Hinsicht: Härteunterschiede spielen praktisch keine Rolle, beim Drehen hingegen wirken sie sich in Form von Geometrieabweichungen aus.

Weniger Vorzüge kann das Schleifen bei nabenförmigen Produkten für sich in Anspruch nehmen. Kriterien wie Durchbiegung spielen hier keine Rolle. Daher würden beispielsweise Synchronringe für Automobilgetriebe heutzutage vermehrt auf Drehautomaten gefertigt, erklärt Schaudts Verfahrens-Experte Schmitz. Auch Wälzlager- oder Dichtringsitze, Gleitlagerlaufflächen, Kolben- und Zylinderwandungen, Freistiche und Einstiche lassen sich ins gehärtete Material drehen. Möglich machen dies vor allem zeitgemäße Schneidstoffe wie Keramiken und polykristalline Bornitride. „Mit ihnen lassen sich die Anforderungen an die geforderte Genauigkeit erfüllen“, weiß IFW-Chef Tönshoff – die Synchronringe beispielsweise haben einen Mittelrauhwert Ra = 0,4 µm.

Zu realisieren sind mittels Hartdrehen sogar Werte von Ra bis 0,1 µm, die gemittelte Rauhtiefe Rz erreicht 1 µm, wenn Schnittparameter, Werkzeuggeometrie und Maschinenkonzept entsprechend ausgelegt sind. Damit dringen die Dreher in Dimensionen vor, die dem Schleifen sehr nahe kommen (Einstechschleifen erreicht Ra 0,1 µm). Nur höchst präzise zu fertigende Werkstücke – etwa mit Dichtungsflächen, Führungsbahnen für hydraulische oder pneumatische Antriebe oder Antriebsteile mit Funktionsflächen – sind noch eine Domäne des Schleifens.

Eignen sich Werkstoff und Teilegeometrie jedoch zum Hartdrehen, und reicht die erzielbare Oberflächengüte aus, spricht eines ganz klar für dieses Verfahren: Es erfolgt in der Regel trocken. „Die Ersparnis bei den Kühlschmiermitteln ist sicherlich das beste Argument, das Hartdreher in die Diskussion einbringen können“, ist Schleifexperte Schmitz überzeugt. Allerdings führt der Verzicht auf Kühlung zu thermischen Formfehlern, die es bei Präzisionsteilen zu kompensieren gilt.

Schleifer gehen eher großzügig mit dem teuren Naß um. Die Betriebskosten sind deswegen erheblich höher – die Minimalmengenkühlschmierung steckt noch in den Kinderschuhen, Trockenbearbeitung ist derzeit nur bei erheblicher Reduktion der Zerspanleistung möglich.

Geringere Unterschiede zeigen sich bei der Investitionskostenrechnung. „Genauigkeiten der Klasse IT 7 lassen sich noch mit preiswerteren, konventionellen Drehmaschinen bewältigen. Bei höheren Anforderungen – etwa IT 6 oder 5 – ist jedoch eine Steifigkeit erforderlich, die eine aufwendigere und somit teure Maschinenauslegung bedingt“, erklärt Tönshoff. So müsse die Spindellagerung genauer sein, die Achslagerung besser und eine hohe Präzision erfordere auch exakte Meßsysteme, erklärt er. Zudem muß die Maschine kleine Schrittweiten realisieren können.

„Ein solcher aparativer Aufwand bringt die Drehmaschinen in Preiskategorien, wie sie bei adäquaten Schleifmaschinen üblich sind“, bestätigt Weber-Betriebsleiter Schweizer. „Außerdem ist der gesamte Prozeß viel schwieriger in den Griff zu bekommen.“ Maschine, Werkzeug und Werkstück müssen optimal aufeinander abgestimmt sein. Ein Aufwand, der sich bei der Massenfertigung lohnen kann, bei relativ kleinen Losgrößen und einfachen Werkstückgeometrien aber indiskutabel ist, wie er betont. „In diesem Fall halten wir Schleifmaschinen für flexibler.“ Geht es um die realisierbare Formenvielfalt, hat das Hartdrehen meist die Nase vorn. Wenn zum Beispiel kleine Serien von Teilen mit vielen Funktionsflächen und kurzen Bearbeitungslängen zur Fertigung anstehen, sind Drehmaschinen vielseitiger einzusetzen.

Daß Schweizer seinen Studer-Schleifmaschinen dennoch eine hohe Flexibilität zuspricht, liegt nicht zuletzt daran, daß sie den Bediener in vieler Hinsicht unterstützen – das Schleifen verlangt heute nicht mehr so viel „Feeling“ für den Prozeß wie früher. Trotzdem ließe sich noch einiges verbessern, räumt Schmitz, Konstruktionsleiter Verfahren und Software, ein, denn Steuerungs- und Regelungstechnik wären bei den meisten Anbietern noch nicht voll ausgeschöpft. Funktionalitäten wie das Bestimmen des Abrichtzeitpunktes, Anschnitterkennung, Optimieren des Vorschubs in instationären Phasen oder das Verarbeiten von Kraft- und Leistungsdaten könnten unter einer Steuerung wie der Siemens 840 D zusammengeführt werden. „Der Bediener hätte dann an einem einzigen Bedienterminal alle Parameter im Griff, was die Handhabung gegenüber heute vereinfachen würde.“ Zudem soll die Elektronik den Werker bei möglichst vielen Aufgaben entlasten.

Entwicklungspotentiale beim Schleifen sieht auch IFW-Direktor Tönshoff, unter anderem bei den Schleifscheiben: „Neue Bindungssysteme würden den kalten Schnitt ermöglichen und somit die Kühlschmiermittelkosten eindämmen.” Zudem könnten innovative Abrichtsysteme, etwa das kontakterosive In-Prozeß-Abrichten oder Varianten mit monokristallinen Diamanten, dem Schleifen neue Impulse verleihen. Ebenso, ergänzt Tönshoff, werde das Formlängsschleifen, das Schleifhärten oder die Anwendung von Linearantrieben die Attraktivität des Verfahrens steigern.

„Mit Sicherheit wird das Schleifen über einige Jahre hinweg das am Markt dominierende Verfahren bleiben”, prognostiziet der Instituts-Direktor. Dennoch erwartet er ein Fortsetzen des Wachstumstrends beim Hartdrehen, denn Entwickler arbeiten an leistungsfähigeren CBN-Sorten und Beschichtungen sowie Feinstkornkeramiken, die höhere Schnittqualitäten bringen sollen. Hinsichtlich des Maschinenbaus bewertet er Ideen wie den Einsatz angetriebener Werkzeuge als vielversprechend. Mit ihnen wäre eine Komplett-Hartbearbeitung möglich, etwa das Hartdrehen, -bohren und -fräsen in einer Maschine. Beide Technologien werden sich also weiterentwickeln.

Vielversprechend sind auch Ansätze, Hartdrehen und Schleifen zu kombinieren. Das Fertigen von Fasen, Einstichen oder Nuten an wellenförmigen Teilen könnte durch Drehen geschehen, den Rest erledigt die Schleifscheibe. Erste Erfahrungen mit einer solchen Kombimaschine sammelt derzeit die Fachhochschule für Technik und Wirtschaft in Berlin. Seit 1996 laufen dort praktische Versuche.

Bevor die Universal-Dreh-Schleifmaschine reif für den Markt ist, müssen die Konstrukteure jedoch noch einige Probleme in den Griff bekommen. Beispielsweise verlangen Drehen und Schleifen nach einer grundsätzlich anders ausgelegten Späneabfuhr. Zu untersuchen ist zudem, ob Trockenbearbeitung beim Hartdrehen das Non-plus-Ultra ist, oder der Einsatz von Kühlschmiermitteln hier Vorteile verspricht.

Allen großen Werkzeugherstellern bieten Schneidstoffe für die Hartbearbeitung. Überwiegend sind es Standardgeometrien aus polykristallin-kubischem Bornitrid, CBN mit Titancarbid oder Mischkeramik aus Aluminiumoxid und TiC an. Sie sind warmhart, kantenstabil und lassen sich auch im unterbrochenen Schnitt einsetzen bei

Einsatz- und Vergütungsstählen

Wälzlagerstählen sowie

Schnellarbeitsstählen

mit Härten bis 70 Grad Rockwell, Verfahren C. Diamant ist für Eisenwerkstoffe nicht geeignet.

Hartdrehen lassen sich die Werkstücke prinzipiell auf jeder Maschine. Nach einer gewissen Zeit setzt jedoch rapider Verschleiß ein. Um Toleranzen bis ISO-Klasse 5 langfristig garantiert sind, sollte das System folgendes bieten:

eine schwingungsdämpfende Konstruktion

spielfreie Achsantriebe

thermische und mechanische Stabilität

präzise Führungen, rundlaufgenaue Pinolen- und Spindellager

hochauflösende Meßsysteme

minimale Spantiefen 0,05 mm

Drehzahlen und Vorschubwerte sind für Hart- und Weichdrehen identisch, ebenso die Werkstückaufnahmen. Deren Rundlauf sollte jedoch besser als 2 µm sein – das Verfahren konkurriert immerhin mit dem Präzisions-Feinschliff. Von Vorteil sind Aufnahmen, die bei der Zerspanung frei werdende Materialspannungen ausgleichen, etwa Magnetspannfutter oder Futter mit automatischer Druckreduzierung. Auch Werkstückmitnehmer sollten mit geringer Kraft arbeiten.

Vorbedingung beim Werkstück ist die gleichmäßige Verteilung der Härte in der Randzone nebst einer Vorbearbeitung mit konstanten Aufmaßen zwischen 0,15 und 0,3 mm. Von wenigen Ausnahmen abgesehen wird trocken bearbeitet. Durch die mechanische Flächenpressung steigt die Härte in der Randschicht an. Ihre Tiefe liegt zwischen 0,1 und 0,2 mm. fi

Neben dem Feinschleifen bearbeitet die Xaver Fendt GmbH, Marktoberdorf, gehärtete Bauteile zunehmend auf Drehmaschinen. Die Erfahrungen – vor allem bei mittleren Losen – sind gut: Beim Hartdrehen von Hinterachswellen wurden bei der Hauptzeit gegenüber dem Schleifen bis zu 30 Prozent eingespart, bei den Rüst- und Einrichtezeiten waren es zwischen 80 und 90 Prozent. Die Bearbeitung von Hohlwellen brachte sogar bessere Ergebnisse. Kühlschmierstoffe wurden nicht verwendet.

Futterteile dreht der Wohnmobil- und Landmaschinenbauer auf Hängespindel-Systemen der Emag GmbH, Salach, Wellen auf horizontalen Drehmaschinen der Mönchengladbacher Monforts GmbH. Beide Arten arbeiten schon über ein Jahr problemlos im Dreischichtbetrieb. Fendt rechnet mit einer Amortisation binnen zwei Jahren.

Während Emag die VSC-Reihe ohne Modifikation für die Hartbearbeitung freigibt, empfiehlt Monforts für RNC-Maschinen ein sogenanntes Genauigkeitspaket. Es macht sie gegenüber dem Standard knapp zehn Prozent teuerer, aber es bietet

eine Rundlaufgarantie von 1 µ für Spindel- und Reitstock sowie

ein auf 0,5 µ auflösendes Meßsystem für die X-Achse und

ein Kompensations- und Steuersystem

Letzteres kontrolliert die Wärmeentwicklung. Hitze geht ins Werkzeug, nicht ins Gestell.

Teile lassen sich in einer Aufspannung und ohne Wechsel zu anderen Systemen komplettbearbeiten.

Ein typischer Nachteil des Drehens – der trotz gerínger Rauhtiefe um Ra 0,1 µm merkliche Drall zerfranst auf Dauer jede Dichtlippe – wird mit einem Kunstgriff wettgemacht: Zum Ende der Hartbearbeitung rolliert Fendt die Oberfläche mit einer hydrostatisch gelagerten Kugel und glättet so die Rillen. Als Schneidstoff für das Schlichtdrehen wird CBN eingesetzt, dessen Standzeit der Sicherheit wegen jedoch nicht voll ausgeschöpft wird. fi

Hauptzeit Rüstzeit Durchlauf

Schleifen (min pro Jahr) 50719 5300 56019

Hartdrehen (min pro Jahr) 40569 390 40959

Einsparung (%) -20 -92,6 -26,9