Erreichen und Messen von Oberflächenqualität bei der CNC-Bearbeitung

Was das Thema ist: Eigenschaften, die bei der Bearbeitung wichtig sind

Oberflächenqualität beschreibt die geometrischen und physikalischen Eigenschaften einer bearbeiteten Werkstückoberfläche, die Funktionsfähigkeit, Haltbarkeit und Ästhetik bestimmen. Bei der CNC-Bearbeitung hängt sie vor allem von zwei Kernparametern ab: Vorschub (f, Einheit: mm/Umdrehung oder mm/Zahn) und Werkzeugnassenradius (rε, Einheit: mm). Der Vorschub gibt an, wie weit das Werkzeug pro Umdrehung des Spindels oder pro Schneide in Vorschubrichtung bewegt wird; der Nassenradius ist der abgerundete Übergang zwischen der Hauptschneide und der Nebenschneide des Werkzeugs.

Zwei Messgrößen dominieren die Beurteilung:

• Ra (Mittlere Rauheit): Der arithmetische Mittelwert der Abweichungen der Oberfläche von einer mittleren Referenzlinie über eine definierte Messstrecke. Ra ist die weltweit am häufigsten verwendete Größe, da sie einfach zu messen und zu vergleichen ist.
• Rz (Mittlere Rauheitstiefe): Der Mittelwert der Differenz zwischen den fünf höchsten Gipfeln und den fünf tiefsten Tälern der Oberfläche über die Messstrecke. Rz gibt Auskunft über die maximale Tiefe von Vertiefungen, die für Dichtheit, Verschleiß oder Haftung von Beschichtungen entscheidend sind.

Zusätzlich zur Rauheit beeinflussen weitere Eigenschaften die Oberflächenqualität: Welligkeit (periodische Abweichungen mit größerer Wellenlänge als die Rauheit), Rissbildung oder Verfestigung der Oberflächenschicht.

Wie sich die Oberfläche unter dem Werkzeug verhält

Bei der spanenden Bearbeitung entsteht die Oberfläche durch die Trennung von Werkstoff durch das Werkzeug. Die Wechselwirkung zwischen Werkzeug und Werkstoff bestimmt die Qualität der resultierenden Oberfläche:

• Schnittkräfte: Vorschub und Nassenradius beeinflussen die Schnittkräfte direkt. Ein größerer Vorschub erhöht die Schnitttiefe pro Schneide und damit die Kräfte; ein größerer Nassenradius reduziert die spezifische Schnittkraft, da die Last auf eine größere Schneidfläche verteilt wird. Hohe Schnittkräfte können zu Werkzeugverformung, Werkstückverformung oder Vibrationen führen, die die Oberfläche verschlechtern.
• Wärmeentwicklung: Die bei der Schnittkraftumwandlung entstehende Wärme kann die Werkstoffhärte verändern, Werkzeugverschleiß beschleunigen oder thermische Verformungen von Werkzeug und Werkstück verursachen. Bei hohen Spindeldrehzahlen und kleinen Vorschüben kann die Wärmeentwicklung lokal sehr hoch sein, ohne dass sie durch Kühlmittel abgeführt werden kann.
• Spanbildung: Die Art der Spanbildung (kontinuierlich, diskontinuierlich, verfestigt) hängt von Werkstoff, Vorschub und Schnittgeschwindigkeit ab. Bei weichen Werkstoffen wie Aluminium entstehen oft lange, kontinuierliche Späne, die die Oberfläche zerkratzen können, wenn sie nicht richtig abgeführt werden. Bei harten Werkstoffen wie gehärtetem Stahl entstehen kurze, brechende Späne, die weniger Kratzer verursachen.
• Werkzeugverschleiß: Der Verschleißmechanismus hängt von den Bearbeitungsparametern ab. Abriebverschleiß entsteht durch harte Partikel im Werkstoff; Diffusionsverschleiß entsteht bei hohen Temperaturen, bei denen Werkstoffatome zwischen Werkzeug und Werkstoff austauschen. Verschleiß verändert den Nassenradius und die Schneidkante des Werkzeugs, was die Oberflächenqualität kontinuierlich verschlechtert.

Praktische Parameter: Vorschub, Nassenradius und ihre Abhängigkeiten

Die Wahl von Vorschub und Nassenradius hängt von der gewünschten Oberflächenqualität, dem Werkstoff und der verfügbaren Maschine ab. Die folgenden Bereiche gelten für die meisten gängigen Werkstoffe (Aluminium, Stahl, Edelstahl) bei der Fräsbearbeitung:

Grundregel für die Oberflächenqualität

Die theoretische Rauheit Ra wird durch die Formel bestimmt:
Ra ≈ (f² / (32 * rε))
Diese Formel zeigt, dass Ra proportional zum Quadrat des Vorschubs und umgekehrt proportional zum Nassenradius ist. Das bedeutet: Eine Verdoppelung des Vorschubs führt zu einer Vervierfachung der Ra-Werte; eine Verdoppelung des Nassenradius halbiert die Ra-Werte.

Parameterbereiche und Kompromisse

Maschinenabhängige Einschränkungen bei der Parameterwahl

Die oben genannten Bereiche gelten nur, wenn die Maschine die erforderliche Stabilität und Genauigkeit bietet:

• Für feine Oberflächen (Ra < 0,4 µm) eignen sich Maschinen mit hoher Positioniergenauigkeit und Wiederholgenauigkeit, wie das GA-DV750 (Positioniergenauigkeit 0,003 mm, Wiederholgenauigkeit 0,0024 mm) oder das GA-UHD500 (Positioniergenauigkeit 0,006 mm, Wiederholgenauigkeit 0,004 mm). Diese Maschinen können die kleinen Vorschübe präzise einhalten, ohne Vibrationen zu verursachen.
• Für mittlere und grobe Oberflächen eignen sich Maschinen wie das GA-MV856 (Positioniergenauigkeit 0,010 mm) oder das GA-MVD2560 (Positioniergenauigkeit 0,015 mm für die X-Achse), die höhere Vorschübe und größere Werkstücke verarbeiten können.
• Bei der Wahl des Nassenradius ist auch die Spindelstabilität zu berücksichtigen: Große Nassenradien erfordern höhere Schnittkräfte, die nur von Maschinen mit ausreichendem Spindeldrehmoment bewältigt werden können. Das GA-MV856 hat ein maximales Spindeldrehmoment von 95,5 Nm, das GA-MVD2560 von 120 Nm, während das GA-DV750 nur 12,15 Nm erreicht.

Was schiefgeht: Fehlerarten, Erkennung und Behebung

Häufige Fehler bei der Erreichung der gewünschten Oberflächenqualität und ihre Lösungen:

1. Zu hohe Ra- oder Rz-Werte

   • Erkennung: Messung mit einem Rauheitsmessgerät ergibt Werte über dem Sollwert.
   • Ursachen: Zu großer Vorschub, zu kleiner Nassenradius, Werkzeugverschleiß, Vibrationen, falsche Kühlmittelzufuhr.
   • Behebung: Reduzieren des Vorschubs, Erhöhen des Nassenradius, Austauschen des abgenutzten Werkzeugs, Anpassen der Schnittgeschwindigkeit zur Reduzierung von Vibrationen, Verbessern der Kühlmittelzufuhr.

2. Oberflächenkratzer

   • Erkennung: Sichtbare Linien oder Vertiefungen auf der Oberfläche.
   • Ursachen: Nicht abgeführte Späne, abgenutzte Werkzeugschneiden, Verunreinigungen im Kühlmittel.
   • Behebung: Anpassen der Spanabfuhr (z. B. durch Änderung der Schnittgeschwindigkeit oder Verwendung von Hochdruckkühlung), Austauschen des Werkzeugs, Filtern des Kühlmittels.

3. Welligkeit der Oberfläche

   • Erkennung: Regelmäßige Abweichungen der Oberfläche, die mit einem Rauheitsmessgerät als Welligkeit erkannt werden.
   • Ursachen: Vibrationen der Maschine oder des Werkzeugs, ungenaue Werkstückspannung, falsche Schnittgeschwindigkeit.
   • Behebung: Erhöhen der Werkstückspannung, Anpassen der Schnittgeschwindigkeit zur Vermeidung von Resonanzen, Überprüfen der Maschinengenauigkeit.

4. Thermische Verformung

   • Erkennung: Ungenaue Abmessungen des Werkstücks und unregelmäßige Oberflächenqualität.
   • Ursachen: Hohe Wärmeentwicklung bei der Bearbeitung, unzureichende Kühlung.
   • Behebung: Reduzieren der Schnittgeschwindigkeit, Verbessern der Kühlmittelzufuhr, Warten der Maschine vor der Bearbeitung, um thermische Stabilität zu erreichen.

Ehrliche Einschränkungen: Wo die Erreichung von Oberflächenqualität schwierig ist

Es gibt Fälle, in denen die gewünschte Oberflächenqualität nur mit hohem Aufwand oder gar nicht erreicht werden kann:

1. Kleine Werkstücke oder enge Bereiche

   • Bei der Bearbeitung von kleinen Werkstücken oder engen Bereichen (z. B. Bohrungen mit kleinem Durchmesser) können nur kleine Werkzeuge mit kleinen Nassenradien verwendet werden. Dadurch ist die Erreichung von feinen Oberflächen (Ra < 0,4 µm) sehr schwierig, da die theoretische Rauheit stark ansteigt.

2. Harte oder spröde Werkstoffe

   • Bei der Bearbeitung von harten oder spröden Werkstoffen (z. B. gehärtetem Stahl, Keramik) ist die Spanbildung oft diskontinuierlich, was zu unregelmäßigen Oberflächen führt. Zusätzlich ist der Werkzeugverschleiß sehr hoch, was die Oberflächenqualität schnell verschlechtert.

3. Maschinen mit geringer Genauigkeit

   • Maschinen mit geringer Positioniergenauigkeit (z. B. Positioniergenauigkeit > 0,015 mm) können kleine Vorschübe nicht präzise einhalten. Dadurch ist die Erreichung von feinen Oberflächen nicht möglich.

4. Hohe Produktivitätsanforderungen

   • Feine Oberflächen erfordern kleine Vorschübe, die die Bearbeitungszeit stark erhöhen. Wenn hohe Produktivitätsanforderungen bestehen, ist die Erreichung von feinen Oberflächen nur mit hohen Kosten (z. B. mehr Maschinen, spezielle Werkzeuge) möglich.

Parameter- und Fehlerbehebungstabelle

Praktische Checkliste für die Einrichtung des Arbeitsgangs

1. Definieren der Anforderungen: Festlegen der gewünschten Ra- oder Rz-Werte und der Toleranzen.
2. Auswahl des Werkstoffs: Bestimmen der Werkstoffeigenschaften (Härte, Zähigkeit) zur Anpassung der Parameter.
3. Auswahl der Maschine: Überprüfen der Positioniergenauigkeit, Wiederholgenauigkeit und Spindeldrehmoment der Maschine. Für feine Oberflächen eignet sich das GA-DV750; für große Werkstücke mit mittleren Anforderungen das GA-MVD2560.
4. Auswahl des Werkzeugs: Wählen eines Werkzeugs mit geeignetem Nassenradius. Für feine Oberflächen: rε = 0,8 – 2,0 mm; für mittlere Oberflächen: rε = 0,4 – 1,2 mm.
5. Einstellung der Parameter: Berechnen des Vorschubs anhand der gewünschten Ra-Werte und des Nassenradius. Einstellen der Schnittgeschwindigkeit entsprechend dem Werkstoff.
6. Testlauf: Durchführen eines Testlaufs mit reduzierter Vorschubgeschwindigkeit, um die Oberflächenqualität zu überprüfen.
7. Messung: Messen der Oberflächenqualität mit einem Rauheitsmessgerät. Anpassen der Parameter bei Abweichungen.
8. Überwachung: Regelmäßiges Überprüfen des Werkzeugverschleißes und der Oberflächenqualität während der Produktion.

FAQ

1. Was ist der Unterschied zwischen Ra und Rz und wann sollte ich welche Größe verwenden? Ra ist der arithmetische Mittelwert der Oberflächenabweichungen und eignet sich für die allgemeine Beurteilung der Oberflächenqualität. Rz gibt die mittlere Tiefe der höchsten Gipfel und tiefsten Täler an und ist besser geeignet für Anwendungen, bei denen die maximale Tiefe von Vertiefungen wichtig ist (z. B. Dichtflächen, Beschichtungen).

2. Kann ich mit jedem Werkzeug jede Oberflächenqualität erreichen? Nein. Die Erreichung von feinen Oberflächen erfordert Werkzeuge mit großen Nassenradien und scharfen Schneiden. Kleine Werkzeuge mit kleinen Nassenradien können nur grobe bis mittlere Oberflächen erreichen. Zusätzlich muss die Maschine die erforderliche Genauigkeit und Stabilität bieten.

3. Wie oft sollte ich das Werkzeug austauschen, um die Oberflächenqualität zu gewährleisten? Der Austauschintervall hängt von dem Werkstoff, den Parametern und der gewünschten Qualität ab. Bei der Bearbeitung von harten Werkstoffen oder feinen Oberflächen sollte das Werkzeug regelmäßig überprüft und bei ersten Anzeichen von Verschleiß ausgetauscht werden. Eine Faustregel: Bei feinen Oberflächen sollte das Werkzeug nach 50 – 200 Bearbeitungszyklen überprüft werden.

4. Welche Maschine eignet sich am besten für die Bearbeitung von großen Werkstücken mit feinen Oberflächen? Für große Werkstücke mit feinen Oberflächen eignet sich das GA-UHD500, das eine hohe Positioniergenauigkeit (0,006 mm) und Wiederholgenauigkeit (0,004 mm) sowie einen großen Tisch (500 × 500 mm) und eine hohe Tischlast (800 kg) bietet.

5. Kann ich die Oberflächenqualität nachträglich verbessern? Ja. Nachträgliche Verfahren wie Polieren, Läppen oder Honen können die Oberflächenqualität verbessern. Diese Verfahren sind jedoch zeitaufwändig und erhöhen die Kosten. Es ist daher besser, die gewünschte Qualität bereits bei der Bearbeitung zu erreichen.

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