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Neue Oberflächen-Trends

Funktionale Oberflächen minimieren die Reibung und verbessern die Schmiereigenschaften
Neue Oberflächen-Trends

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Das Seminar „Moderne Schleiftechnologie und Feinstbearbeitung“, das zum zehnten Mal stattfand, ist laut dem Begründer Prof. Dr.-Ing. Taghi Tawakoli in den vergangenen 20 Jahren zu einem wichtigen Treffpunkt zwischen Forschung und Industrie geworden. Das Seminar beschäftigt sich mit den neuen Entwicklungen und Trends rund um die Themen Schleifen und Feinstbearbeitungen. In diesem Jahr standen die funktionalen Oberflächen im Fokus der Veranstaltung.

Auf dem Seminar berichten neben auf dem Gebiet herausragenden Forschern auch Vertreter aus der Industrie, als Anwender und Hersteller, über die aktuellen Trends und Innovationen. Die funktionalen Oberflächen waren in den Fachvorträgen eines der Hauptthemen. So definierte Prof. Dr. h. c. Dr.-Ing. Eckart Uhlmann, Institutsleiter des Fraunhofer-Instituts für Produktionsanlagen und Konstruktionstechnik (IPK) und Fachgebietsleiter am Institut für Werkzeugmaschinen und Fabrikbetrieb (IWF) der TU Berlin, zu allererst den Begriff: „Als funktionale Oberflächen werden Flächen an Bauteilen bezeichnet, die technologische Aufgaben erfüllen sollen und deren funktionale Eigenschaften über unterschiedlichste Fertigungsverfahren eingestellt werden können. Zu diesen Aufgaben zählen beispielsweise die Minimierung von Reibung an Kontaktstellen zwischen Bauteilen oder auch die Verbesserung der Schmiereigenschaften zwischen Reibpartnern sowie die Verschleißreduzierung.“

Ein Beispiel hierfür sind laut dem IPK-Leiter etwa Zahnradpaarungen, wobei die funktionalen Oberflächen auf den Wälzflächen liegen. Dort sollen die besonderen Oberflächeneigenschaften den Verschleiß reduzieren und die Belastbarkeit des Bauteils erhöhen. Dass hierfür, gerade in den Zeiten der Energiewende, ein gesteigerter Bedarf herrscht, macht der Institutsleiter am Beispiel der Getriebe für Windkraftanlagen deutlich. Gerade in diesem speziellen Fall, kam es in den letzten Jahren zu einer massiven Leistungssteigerung der Anlagen. Dieses Mehr an Leistung muss von den Zahnrädern in den Getrieben aufgenommen werden können. Zudem treten durch die verbesserten tribologischen Eigenschaften auch noch geringere Geräuschentwicklungen auf.
Weitere Einsatzfelder sind laut Uhlmann Gelenkprothesen, Dicht- und Regelscheiben, optische Bauteile und Fadenführer. Hergestellt werden solche funktionalen Oberflächen etwa durch Profilschleifen, Gleitschleifen, Strömungsschleifen, Bürsten, Läppen oder durch Doppelseitenplanschleifen mit Planetenkinematik.
Verbesserte Getriebewirkungsgrade
Diese und andere Bearbeitungsverfahren zur Erzeugung funktionaler Oberflächen sowie deren Analyse und Weiterentwicklung sind Bestandteil der aktuellen Forschungsarbeiten am IWF. Dazu gehört auch das diskontinuierliche Zahnflanken-Profilschleifen von Zahnrädern. Dies wird bei vielen industriellen Anwendern, wie beispielsweise in der Getriebeindustrie, im Energiesektor, in Bahn- und Bergbauindustrie sowie im Sondermaschinenbau, eingesetzt.
Aufgrund der Prozesskinematik beim diskontinuierlichen Zahnflanken-Profilschleifen kommt es zu variierenden Eingriffsbedingungen entlang der Profillinie, was zu unterschiedlichen Werkzeug- und Werkstückbelastungen während der Schleifbearbeitung führt. Die thermische Randzonenschädigung stellt dabei eine wesentliche Herausforderung aufgrund der großen Kontaktflächen sowie der schweren Zugänglichkeit für Kühlschmierstoff in die Kontaktzone dar.
Überlagerte Hubbewegung
Für die Charakterisierung des Verzahnungsschleifprozesses und anschließender Finishingprozesse werden am IWF Größen wie Spindelleistung und Schleifkräfte während der Bearbeitung gemessen und ausgewertet.
Kinematische Modulationen können beim Zahnflankenschleifen zur gezielten Oberflächenstrukturierung der Zahnflankenoberflächen genutzt werden, wobei eine zusätzliche überlagerte Hubbewegung zu der Hauptschnittrichtung bei Schleifprozessen zu multidirektionalen Schleifspuren auf der Funktionsoberfläche führt. Die strukturierte Oberfläche in Kombination mit einer reduzierten Oberflächenrauheit verspricht eine Erhöhung der Lebensdauer und Leistungsdichte von Zahnradpaarungen, da Feinstrukturen einen positiven Einfluss auf die Schmierfilmdicke haben und das ungewünschte Ausquetschen des Ölfilms erschweren, so Uhlmann. Im Bereich der Grundlagenforschung werden am IWF in einem Schwerpunktprogramm der Deutschen Forschungsgemeinschaft die funktionalen Zusammenhänge zwischen den Stellgrößen der kinematischen Modulation, den 3D-Oberflächenkennwerten, den Wirkmechanismen im Prozess sowie dem Einsatzverhalten systematisch untersucht.
Das kinematisch modulierte Verzahnungsschleifen birgt laut Uhlmann großes Potenzial, um Zahnflanken gezielt zu strukturieren und multidirektionale Schleifspuren an funktionalen Oberflächen zu erzeugen. Zusätzlich werden zurzeit geeignete Prozesskombinationen für die Zahnradbearbeitung entwickelt, um neben geeigneten Oberflächenstrukturen die Flächenmaterialanteile von Zahnflanken deutlich zu verbessern.“
Schleifscheiben mit elastischen Bindungssystemen
Einen anderen Forschungsansatz verfolgt Prof. Dr.-Ing. habil. Dr.-Ing. E. h. Ekkard Brinksmeier, der Direktor der Hauptabteilung Fertigungstechnik der Stiftung Institut für Werkstofftechnik (IWT) an der Universität Bremen. Er berichtete von seinen Forschungsergebnissen rund um das Feinschleifen von Verzahnungen: „Gegenwärtig ist festzustellen, dass die ohnehin schon hohen Anforderungen an Form- und Maßgenauigkeit sowie an die Oberflächengüte (Rauheit, Randzoneneigenschaften u. a.) von dynamisch hoch belasteten Bauteilen, wie Zahnrädern, Führungsbahnen und Wälzlagerringen, nochmals steigen werden. Dies ist die Folge der Bestrebungen, die Maschineneffizienz im Hinblick auf den Kraftstoff beziehungsweise Energieverbrauch sowie die Schadstoff- und Geräuschemission zu verbessern. Durch eine Erhöhung der Oberflächengüte werden tribologische Beanspruchungsbedingungen zwischen den wälzbeanspruchten Bauteilen begünstigt. Zusammen mit günstigen Randzoneneigenschaften, die gegebenenfalls durch den Fertigungsprozess eingestellt werden können, bewirkt dies eine Steigerung der Bauteillebensdauer. So wirkt zum Beispiel bei Zahnrädern eine geringe Rauheit der Zahnflanken sowohl dem Auftreten von Graufleckigkeit als auch den Geräuschemissionen entgegen.“
Ein neuer Ansatz am IWT sind daher Schleifscheiben mit elastischen Bindungssystemen auf Basis von geschäumtem Polyurethan und konventionellen Abrasivstoffen (z. B. Korund). Als Referenz zur maximal erreichbaren Oberflächengüte beim konventionellen Verzahnungsschleifen dient eine feinkörnige keramisch gebundene Schleifscheibe. Nach dem Schruppen und Schlichten mit keramisch gebundenen Schleifwerkzeugen, bei dem die notwendige Formgenauigkeit des Werkstücks erzielt wird, kommen die elastisch gebundenen Schleifwerkzeuge zur Finishbearbeitung der Zahnräder zwecks Steigerung der Oberflächengüte zum Einsatz. Dadurch können laut Brinksmeier höchste Oberflächengüten und Verzahnungsqualitäten beim konventionellen Verzahnungsschleifen mit elastischen Schleifscheiben erreicht werden. „Die Ergebnisse zeigen, dass hochfeine Oberflächen auf Zahnflanken mit einer gemittelten Rautiefe von Rz kleiner gleich 0,3 Mikrometer und einer Verzahnungsqualität von 3 nach DIN 3962 erzeugt werden konnten“, so Brinksmeier.
Kompetenzzentrum für Schleiftechnologie und Feinstbearbeitung, Hochschule Furtwangen www.hs-furtwangen.de
Institut für Werkzeugmaschinen und Fabrikbetrieb, TU Berlin www.iwf.tu-berlin.de
Stiftung Institut für Werkstofftechnik, Universität Bremen www.iwt-bremen.de

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