Aufrufe: 105 Autor: Site-Editor Veröffentlichungszeit: 26.11.2025 Herkunft: Website
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● Oberflächenrauheit und ihre direkten Auswirkungen
● Kernbearbeitungsparameter, die die Endbearbeitung steuern
● Materialspezifische Richtlinien
Oberflächenbeschaffenheit in Die CNC-Bearbeitung geht weit über das Aussehen hinaus. Bei Bauteilen, die zyklischer Belastung oder Gleitkontakt ausgesetzt sind, entscheidet oft die Qualität der bearbeiteten Oberfläche darüber, ob ein Teil jahrelang hält oder innerhalb weniger Wochen ausfällt. Rauheitsspitzen wirken als Spannungskonzentratoren, die Ermüdungsrisse auslösen, während tiefe Vorschubspuren und Schäden unter der Oberfläche den Verschleiß beschleunigen. In Branchen von der Luft- und Raumfahrt bis hin zur Schwermaschinenindustrie sind Ingenieure ständig auf der Suche nach Parameterkombinationen, die akzeptable Zykluszeiten liefern und gleichzeitig Oberflächen erzeugen, die den realen Betriebsbedingungen standhalten.
Im letzten Jahrzehnt haben Untersuchungen und Erfahrungen in der Werkstatt gezeigt, dass eine durchdachte Auswahl der Spindeldrehzahl, des Vorschubs pro Zahn, der Schnitttiefe, der Werkzeuggeometrie und der Schnittstrategie die durchschnittliche Rauheit (Ra) von mehreren Mikrometern auf deutlich unter einem Mikrometer reduzieren kann, wodurch die Ermüdungsfestigkeit häufig um 20–40 % erhöht und die Verschleißraten um ähnliche Werte gesenkt werden. Ziel dieses Artikels ist es, die praktischen Entscheidungen zu erläutern, die zu diesen Gewinnen führen, und zwar anhand von Beispielen aus Stählen, Titanlegierungen und Werkstoffen auf Nickelbasis, mit denen die meisten Geschäfte regelmäßig in Berührung kommen.
Oberflächenrauheitsparameter – Ra, Rz, Rq und andere – quantifizieren die Höhe und den Abstand der vom Schneidwerkzeug hinterlassenen Unregelmäßigkeiten. Beim Fräsen wird der theoretische Ra weitgehend durch den Vorschub pro Zahn und den Schneidenradius bestimmt. Beim Drehen dominieren Vorschubgeschwindigkeit und Nasenradius. Niedrigere Werte beider Variablen führen zu einer kleineren Höckerhöhe und damit zu einem niedrigeren Ra.
Ermüdungsrisse beginnen fast immer an Oberflächenfehlern. Eine bearbeitete Oberfläche mit Ra = 3,2 µm kann die Ermüdungsgrenze eines hochfesten Stahls im Vergleich zu einer polierten Referenz um 25–30 % senken. Wenn dieselbe Oberfläche gegen eine Dichtung oder ein anderes Metall gleitet, erfährt sie lokal einen höheren Kontaktdruck, was zu schnellem Adhäsionsverschleiß oder Oberflächenermüdung (Lochfraß) führt.
Mehrere Anlagenversuche an Getriebewellen haben bestätigt, dass die Senkung des Ra-Werts von 2,5 µm auf 0,8 µm die Zeit bis zum Lochfraß bei gleichen Drehmoment- und Schmierungsbedingungen um den Faktor drei verlängert. Der Mechanismus ist einfach: Glattere Oberflächen verteilen die Hertz'sche Kontaktspannung gleichmäßiger und halten Ölfilme besser zurück.
Höhere Spindelgeschwindigkeiten verbessern im Allgemeinen die Oberflächengüte, indem sie die Aufbauschneide und die Vibrationsamplitude reduzieren, sofern die Spanlast stabil bleibt. Beim Planfräsen von Aluminium 6061 wird Ra routinemäßig halbiert, wenn die Oberflächengeschwindigkeit von 300 m/min auf 600 m/min erhöht wird. Bei gehärtetem AISI 4340 (55 HRC) erzeugen Geschwindigkeiten um 140–180 m/min mit CBN-Wendeplatten einen Ra-Wert unter 0,6 µm und vermeiden die Bildung einer weißen Schicht, die die Ermüdungsleistung beeinträchtigt.
Der Vorschub pro Zahn ist der größte Hebel für die Rauheit beim Fräsen. Durch die Halbierung des Vorschubs von 0,15 mm/Zahn auf 0,075 mm/Zahn in einem 12-mm-Vierschneide-Schaftfräser sinkt der theoretische Ra von etwa 2,8 µm auf 0,7 µm. Praxistests an 4140 Kurbelwellen zeigten, dass allein diese Änderung die Ermüdungsgrenze bei rotierender Biegung von 520 MPa auf 680 MPa erhöhte.
Geringe Tiefen (0,2–0,5 mm) reduzieren die Schnittkräfte und die Werkzeugablenkung, was direkt zur Reduzierung von Rattermarken und Welligkeit führt. Bei dünnwandigen Luft- und Raumfahrthalterungen, die aus Ti-6Al-4V gefertigt wurden, verbesserte die Begrenzung der axialen Tiefe auf 0,3 mm bei Verwendung von Hochgeschwindigkeits-Trochoidbahnen den Ra-Wert von 2,4 µm auf 0,9 µm und erhöhte die Ermüdungslebensdauer bei niedrigen Lastwechselzyklen um 35 %.
Ein größerer Nasenradius glättet die Oberfläche, erhöht jedoch die Radialkräfte. Ein üblicher Kompromiss bei Schlichtdurchgängen ist die Verwendung von Wendeschneidplatten mit einem Radius von 0,8–1,2 mm für Stähle und einem Radius von 0,4 mm für Aluminium. Wiper-Flats oder Schaftfräser mit variabler Helix unterdrücken Vibrationen zusätzlich und hinterlassen spiegelähnliche Oberflächen auf den Formstählen.
Herkömmliche Zickzack-Pfade hinterlassen oft sichtbare Spitzenlinien. Der Wechsel zu Werkzeugwegen mit konstantem Eingriff (adaptives Freiräumen oder Spiralschlichten) mit 60–70 % Zustellung führt bei gleicher Vorschubgeschwindigkeit durchweg zu einer um 30–40 % geringeren Ra. Viele CAM-Pakete berechnen jetzt den genauen Bahnabstand, der erforderlich ist, um die Spitzenhöhe unter einem Zielwert zu halten.
Hochfeste Stähle (4340, 300M) reagieren gut auf mittlere Geschwindigkeiten (120–180 m/min) und niedrige Vorschübe (0,05–0,08 mm/Zahn) mit CBN oder beschichtetem Hartmetall. Vermeiden Sie übermäßige Hitze, die zur Bildung spröder, wieder ausgehärteter Schichten führt.
Titanlegierungen erfordern scharfe Werkzeuge mit positivem Spanwinkel, starkem Kühlmittel und Vorschüben unter 0,1 mm/Zahn, um Kaltverfestigung und Mikroausbrüche zu verhindern, die die Ermüdungsfestigkeit verschlechtern.
Nickellegierungen (Inconel 718) profitieren von keramik- oder whiskerverstärkten Werkzeugen bei 200–300 m/min und leichten Schlichtdurchgängen (0,1–0,2 mm Tiefe, 0,05 mm/U Vorschub), um die Druckeigenspannung und Ra unter 0,8 µm zu halten.
Aus geschmiedetem 4340 gefertigte Automobilpleuel wiesen nach dem Schruppen und Vorschlichten zunächst einen Ra ≈ 2,2 µm auf. Ein spezieller Endbearbeitungsvorgang bei 160 m/min, 0,06 mm/U, 0,25 mm Tiefe mit einer Wiper-Wendeschneidplatte brachte Ra auf 0,65 µm. Die Ermüdungsversuche bei 650 MPa Wechselbeanspruchung stiegen von 280.000 Zyklen auf über 1,2 Millionen Zyklen.
Tannenbaumschlitze der Turbinenscheibe aus Inconel 718 wurden geräumt und dann mit einer Einpunkt-CNC-Bearbeitung fertiggestellt. Die ursprünglichen Parameter ergaben Ra = 3,1 µm und häufige Rissbildung in Spin-Pit-Tests. Der Wechsel zu runden Keramikeinsätzen, 220 m/min, 0,04 mm/U reduzierte Ra auf 0,7 µm und beseitigte Risse bis zu 10.000 Zyklen.
Hydraulikzylinderstangen aus 42CrMo4 wurden hartgedreht statt geschliffen. Optimierte Parameter (Vc = 180 m/min, f = 0,08 mm/U, ap = 0,15 mm) erzielten konstant Ra = 0,4 µm, passten zur Bodenqualität, verkürzten die Verarbeitungszeit um 60 % und verlängerten die Lebensdauer der Dichtung von 8.000 auf 24.000 Stunden.
Bei der Verbesserung der Oberflächengüte bei der CNC-Bearbeitung zur Verlängerung der Ermüdungslebensdauer und der Verschleißfestigkeit geht es nicht darum, um jeden Preis den niedrigstmöglichen Ra anzustreben. Es geht darum, den idealen Punkt zu finden, an dem Spindeldrehzahl, Vorschubgeschwindigkeit, Schnitttiefe, Werkzeugauswahl und Werkzeugwegstrategie innerhalb akzeptabler Zykluszeiten zusammenarbeiten. Erfahrungen und veröffentlichte Arbeiten bestätigen beide, dass eine Reduzierung der Rauheit von 3–4 µm auf unter 1 µm routinemäßig zu einer Steigerung der Ermüdungsfestigkeit um 25–50 % und einer ähnlichen Verringerung der Verschleißrate bei Stählen, Titan und Nickellegierungen führt.
Beginnen Sie mit der Messung der aktuellen Rauheit und Restspannung an einigen repräsentativen Teilen und passen Sie dann jeweils eine Variable an – normalerweise zuerst den Vorschub pro Zahn – und überwachen Sie dabei den Werkzeugverschleiß und die Zykluszeit. Kleine, bewusste Änderungen führen oft zu großen Vorteilen bei der Haltbarkeit der Komponenten und den Gesamtbetriebskosten. Wenn das nächste Mal ein Ermüdungs- oder Verschleißfehler auftritt, schauen Sie sich zunächst die Oberfläche an, die sich von der Maschine gelöst hat. Der Fix versteckt sich häufig in der Parameterliste.
