Glätten von Rauigkeitsspitzen erhöht den Traganteil funktioneller Oberflächen

Erhöhte Anforderungen an die Fertigungsqualität bei anhaltendem Kostendruck zwingen die Hersteller von Präzisionsteilen dazu, ständig innovativ zu sein. So gilt es im Motoren- und Getriebebau, den Traganteil von Bauteiloberflächen auf wirtschaftliche Weise zu erhöhen.

Dazu haben sich der US-amerikanische Oberflächenveredler REM Chemicals und die Rösler Oberflächentechnik GmbH, Untermerzbach, im Rahmen eines Entwicklungs- und Fertigungsprojekts zusammengetan. Das Ergebnis ist das Gleitschleif-Verfahren Isotropic Superfinish (ISF), für das Rösler in Zusammenarbeit mit REM die Anlagentechnik und Schleifkörper entwickelt und fertigt. REM ließ es sich weltweit patentieren.

Das Verfahren soll die Oberflächenbeschaffenheit von Zahnrädern verbessern und damit die Lebensdauer von Lagern in Getrieben verlängern. Dass es zwischen diesen Getriebeteilen einen Zusammenhang gibt, davon sind nicht nur die beiden Verfahrensanbieter überzeugt. Noch laufen wissenschaftliche Untersuchungen für die Beweisführung, jedoch geht man in der Praxis davon aus, dass die Rauigkeit einer Bauteiloberfläche Einfluss auf die Qualität und Lebensdauer des Gesamtprodukts hat.

Grund dafür ist, dass konventionelle Glättverfahren wie Schleifen, Läppen oder Honen eine mehr oder weniger raue Oberfläche mit Spitzen erzeugen. Diese Spitzen können den für eine zuverlässige Schmierung erforderlichen und bei Hochleistungsbauteilen von 0,2 bis 0,5 µm dicken Ölfilm durchbrechen.

Rauigkeitsspitzen können Schäden verursachen

Dadurch entstehen zum Beispiel an den Zahnflanken von Zahnrädern Graufleckigkeit (Gray Staining) und Micro Pitting. Außerdem kann Reibung zum Abbrechen der Spitzen führen, falls es zur Bildung von Partikeln kommt, die als so genannte Chips durch das Lager „wandern“ und Schäden verursachen können.

Das ISF-Verfahren ermöglicht, die bei der Werkstückbearbeitung entstandenen Spitzen abzutragen. Dabei können die Werkstücke aus Kohlenstoffstahl- oder Hochlegierungsstahl, Edelstahl, Zink oder Titan gefertigt sein.

Das Abtragen der Spitzen erfolgt in einer Gleitschliffanlage mit nicht abrasiven Schleifkörpern. Dazu wird während des Prozesses eine dünne Oxidschicht auf der Werkstückoberfläche gebildet.

Saure Compounds erzeugen beim Gleitschleifen abzutragende Oxidschicht

Verantwortlich dafür sind flüssige, auf den Werkstoff abgestimmte REM-Compounds im pH-Bereich von 1,6 bis 5,5. Die Schleifkörper tragen diese Schicht von der Oberfläche ab.

Dabei werden Rauigkeitsspitzen laut Rösler nach und nach abgetragen. Vertiefungen – so genannte Täler – blieben erhalten. Sie dienen später als Schmierstoff-Reservoir.

Der Glättungsprozess wird mit jeweils frisch zudosiertem Compound so lange wiederholt, bis die gewünschte Oberflächenrauigkeit erreicht ist. So lassen sich Rauigkeitswerte von weniger als Ra = 0,02 µm oder Rz = 0,2 µm erzielen.

Gleitschleifen für schonende Bearbeitung empfindlicher Massenteile

Voraussetzung dafür ist ein sanfter Werkstückabtrag. Dazu wurde das Umwälzverhalten des Werkstück-Schleifkörper-Gemischs laut Rösler so optimiert, dass sich sogar sehr empfindliche Teile als Massenteile beschädigungsfrei bearbeiten lassen. Eine Kantenverrundung sei aufgrund der nicht abrasiven Schleifkörper ausgeschlossen.

Der Prozessablauf bei Raumtemperatur verhindere eine thermische Belastung und somit Veränderung des Werkstoffs. Außerdem findet keine Wasserstoffversprödung statt. Das hätten Tests mit unterschiedlichen Werkstoffen bewiesen.

Nach dem Glätten findet noch eine Werkstückreinigung statt, um einerseits die restliche Oxidschicht zu entfernen. Anderseits wird je nach Anforderung eine seidenmatte bis hochglänzende Oberfläche erzeugt.

Kalkulierbarer Zeit- und Materialaufwand für das Gleitschleifen

Die erforderliche Behandlungsdauer für die „Herstellung“ der Oberflächenqualität lässt sich anhand von Versuchsreihen ermitteln. Auch der Compoundverbrauch wird experimentell bestimmt. Beides macht das ISF-Verfahren nach Angaben von Rösler zu einer kalkulierbaren Größe im Fertigungsprozess, die meist für mehr Wirtschaftlichkeit und bessere Oberflächeneigenschaften sorgt.

So wird aufgrund extrem glatter Oberflächen der Traganteil deutlich erhöht. Möglich ist eine Steigerung um 90 bis 100%, gemessen in einer Tiefe von 0,4 µm – je nach Ausgangsrautiefe. Nach der Oberflächenbearbeitung wurde bei Zahnrädern eine Verlängerung der Lebensdauer etwa um den Faktor vier bis fünf registriert.

Außerdem erzeugt das ISF-Verfahren auf der Werkstückoberfläche eine isotrope Struktur, was die Schmierung verbessert. Dadurch werden Reibung und Verschleiß verringert. Das sei mit einer erheblichen Geräuschreduzierung und weniger thermischer Belastung verbunden.

Darüber hinaus wird auf den Vorteil einer absolut gleichmäßigen, geometrieunabhängigen Oberflächenbearbeitung verwiesen. Das ermöglicht laut Rösler die Umsetzung von Produktideen, bei denen es auf ein sehr exaktes Oberflächenfinish ankommt.

Als Beispiel dafür wird die Fertigung einer hoch effizient arbeitenden Triebwerksschaufel angeführt. Sie konnte mittels konventioneller Verfahren nicht hergestellt werden.

Rundvibratoren zur Erhöhung der Füllmenge um bis zu 50%

Das ISF-Verfahren ist zur Bearbeitung unterschiedlicher Werkstücke geeignet. Die Werkstückgröße reicht vom Streichholzkopf – bei Werkstücken, die weniger als 1 g wiegen – bis zu großen Zahnrädern mit bis zu 5000 kg Gewicht. Je nach den zu bearbeitenden Werkstücken werden die Anlagen ausgelegt.

Dabei setzt Rösler unter anderem auf Rundvibratoren mit doppelt eingezogenem Arbeitsbehälter. Im Vergleich zu Standardmaschinen ermöglichten sie eine Erhöhung der Werkstückfüllmenge um bis zu 50%. Bei gleicher Füllmenge und Behandlungsdauer führen die Anlagen zu einer besseren Oberflächenqualität.

Dabei falle sehr wenig Abwasser und Abfall an. Beides könne in den meisten Fällen in einer konventionellen Abwasserbehandlungsanlage aufbereitet werden.