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Der Superfinish-Prozess zählt nach DIN 8589 T.14 zur Familie des Spanens mit geometrisch unbestimmter Schneide, auch Kurzhubhonen genannt (Abb. 1) [Denn 89]. Eine Besonderheit dieses Verfahrens liegt darin, dass durch sich überlagernde Bewegungen von Werkzeug und Werkstück ein Kreuzschliffmuster erzeugt wird, mit dem zum einen besonders ebene oder sphärisch exakte Oberflächen geschaffen, zum anderen hervorragende tribologische Eigenschaften erzielt werden können [Töns 87, Köni 86].


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Die erzielte Oberfläche entspricht den beim Honen und Läppen erreichbaren Werten. Die Grenzstruktur mit den größten Rautiefen bleibt erhalten, sodass eine optisch glänzende Fläche (in der Vergrößerung) Riefenstrukturen und damit die häufig gewünschten Schmiertaschen aufweist.

Autor: Bahman Azarhoushang, Taghi Tawakoli und Nima Jandaghi


Einleitung

Mit dem Superfinishgerät können fast nur Rauigkeitsspitzen abgetragen werden, dies bedeutet, dass am Werkstück keine Geometrieveränderungen erfolgen. Als Werkzeug wird heute üblicherweise für rotationssymmetrische bzw. zylindrische Werkstücke ein abrasives Band eingesetzt, welches mittels passgenauer Schalen unterschiedlicher Härte mit 10 – 40 N/cm2 auf die zu bearbeitende Werkstückoberfläche gepresst wird. Zur Bearbeitung von Planen oder sphärischen Flächen, Kugeln, Walzkörpern sowie Außen- und Innenringen von Lagern werden nach wie vor Steine oder Topfscheiben als Werkzeuge eingesetzt [Rudo 04]. Das Superfinish-Verfahren kommt als abschließender Prozess in der Oberflächenfeinstbearbeitung bei den verschiedensten Werkstücken zum Einsatz. Kurbelwellen, Nockenwellen, Kolbenbolzen, Kipphebelwellen, Ausgleichswellen und Dichtflächen des Einspritzsystems, Getriebewellen (Lagerstellen), Stirn- und Sonnenräder sind einige Beispielbauteile für die Superfinishbearbeitung.

Obwohl das Superfinishing in seiner bisherigen Form breite Anwendung gefunden und sich etabliert hat [Bruh 06, From 92, Jour 05, Wang 04], hat der Prozess einige wichtige Einschränkungen wie z. B. sehr kleine Abtragsraten, meist Bedarf an einem zusätzlichen Bearbeitungsschritt vor dem Superfinishing in der Produktionskette, um das abzutragende Ausmaß auf max. 5 µm zu reduzieren, fehlende Druckeigenspannungen an der Werkstückoberfläche nach dem Prozess, hoher Werkzeugverschleiß, schnelles Zusetzen des Superfinish-Steines, begrenzte bzw. keine Möglichkeit zur Erzeugung neuer Oberflächenstrukturen und Schwierigkeiten beim Superfinishing von sprödharten Werkstoffen. Systematische und wissenschaftliche Untersuchungen führen zu einem verbesserten Verständnis des Prozesses und erleichtern die optimierte Auswahl der Parameter. Daher kann die erforderliche Oberflächengüte schneller und einfacher erreicht werden.

Experimentelle Untersuchungen und Ergebnisse

Superfinish ist ein Bearbeitungsverfahren, das entwickelt wurde, um wiederholbare, spezifische und hohe Oberflächenqualitäten zu erreichen. Ziel ist es, die Oberflächenstruktur im Mikrometerbereich zu verbessern. Vorteil dieses Verfahrens ist das gleichmäßige, ansatzfreie Finish über die gesamte Oberfläche. Superfinish erhöht den Materialanteil (Traganteil) und damit die Verschleißfestigkeit. Der Materialabtrag bewegt sich in der Größenordnung von wenigen Tausendstel Millimetern. Je nach Werkstück, Material oder Bearbeitungsstelle wird Band oder Stein eingesetzt. Um den Aufwand für die Versuche in akzeptablen Grenzen zu halten, wurde auf eine statistische Versuchsplanung zurückgegriffen. Hierfür wurde die Methode nach Taguchi verwendet, wobei das Ziel der Untersuchungen die Minimierung der Oberflächenrauheit als auch der Prozesskräfte war. Die Versuchsergebnisse wurden dann in ein Signal-Stör-Verhältnis umgewandelt. Ferner wurde der Verschleiß und Abtrag beim Finishen mit Stein gemessen. Für die Durchführung sämtlicher Versuche hat die Fa. Supfina eine Superfinish-Maschine LCM 2000 zur Verfügung gestellt. Zur Vermessung und Begutachtung der Werkstücke und Werkzeuge wurde ein Rauheits- und Konturmessgerät (Hommel-Werke: T-8000) sowie ein digitales Mikroskop (Keyence VHX) verwendet. Für die Kraftmessung am Werkstück wurde ein rotierendes 4-Komponenten-Dynamometer der Fa. Kistler verwendet. Die Untersuchungen erfolgten an Werkstückproben (Kugellager-Außenring) aus Stahl 100Cr6 (Φ100x10 mm) mit einer Härte von 60 HRC.
Aus Messungen der geschliffenen Prüfkörper vor dem Finishen wurden die in Tabelle 1 gezeigten Durchschnittswerte ermittelt.

Zur Ermittlung der Effekte der Einflussparameter auf den Superfinishprozess wurden Versuche mit den in der Tabelle 2 dargestellten Werkzeugen durchgeführt.


Taguchi-Methode

Die Taguchi-Methode, benannt nach ihrem Erfinder Genichi Taguchi, ist eine Versuchsmethode, die vor allem auf die Minimierung der Streuung um einen Sollwert abzielt. Die Taguchi-Methode benutzt ein spezielles Planungssystem mit orthogonalen Bausteinen zur Untersuchung der gesamten Parameter mit nur einer kleinen Anzahl von Versuchen. Die Taguchi-Methode versucht, dieses Ziel dadurch zu erreichen, dass Produkte, Prozesse und Systeme möglichst robust gestaltet werden. Damit ist gemeint, dass sie möglichst unempfindlich gegenüber Störeinflüssen (engl. noise) sein sollen, denen sie in der Praxis ausgesetzt sein werden.

Die Vorteile der Taguchi Methode:

  • Verringerung des Kosten- und Zeitaufwandes für die Versuche
  • eine der flexibelsten Methoden für die Versuchsplanung
  • Planungsoptimierung für eine bessere Leistung und Qualität


Die Taguchi-Methode benutzt ein spezielles Planungssystem mit orthogonalen Bausteinen zur Untersuchung der gesamten Parameter mit nur einer kleinen Anzahl von Versuchen. Die Versuchsergebnisse werden dann in ein Signal-Stör-Verhältnis (Signal/Noise-Ratio S/N) umgewandelt. Dabei wird definiert:
Signal = gewünschter Wert der Ausgabe (Mittelwert)
Noise = ungewünschter Wert derselben Ausgabe (Normalabweichung)

Das (S/N)-Verhältnis ist ein messbarer Wert, der die Unterschiede in der Qualität der Ergebnisse festlegt. Die Bestimmung der (S/N)-Verhältnisse ist abhängig von dem Ziel einer Untersuchung. Das Ziel dieser Untersuchung war die Minimierung der Oberflächenrauheit und der Kräfte. Entsprechend dieser Strategie wurde die “je kleiner, desto besser”-Methode gewählt.

Superfinishing mit Band

Einer der größten Vorteile des Werkzeugs Band besteht darin, dass Band im Verlauf oder nach Abschluss eines Bearbeitungszykluses (kontinuierlicher oder diskontinuierlicher Bandvorschub) weitergefördert werden kann. Infolgedessen sind die Bearbeitungsergebnisse reproduzierbar und für jedes Bauteil werden identische Schneidbedingungen geschaffen. Ein weiterer wichtiger Vorteil des Werkzeugs Band liegt in der Möglichkeit, alle üblichen Kühlschmierstoffe, z. B. Emulsion, Öl oder Wasser einzusetzen. Zur Ermittlung des Einflusses der Einstellgrößen beim Superfinishing mit Band wurden folgende Untersuchungen durchgeführt:


Vorbereitung: Rauheitsmessung der geschliffenen Werkstücke (100Cr6 – 60 HRC Kugellager-Außenring), Kalibrierung des Kraftmesssystems, Rundlaufprüfung der Aufnahme.
Ausführung: Parameter einstellen, Finishen, mikroskopische Aufnahme der Werkstück- und Werkzeugoberfläche, Oberflächenrauheit messen, Messung von Abtrag am Werkstück.

Versuchsbedingungen:

Beim Superfinishing mit Band sind folgende Einstellgrößen und Werkzeugdaten (Faktoren laut Tabelle 3) ausschlaggebend: Hub, Oszillation, Anpressdruck, Schnittgeschwindigkeit, Zyklusdauer, Bandvorschub und Bandspezifikationen (Korntyp, Korngröße, Bindung und Unterlage). Zur Auswertung der Versuchsergebnisse wurde hier die Taguchi-Methode herangezogen. In Tabelle 3 sind die Versuchsfaktoren und -Ebenen dargestellt. Das modifizierte orthogonale Feld L32 von Taguchi (Taguchi-Versuchsplan) ist in diesen Experimenten verwendet geworden.

Versuchsergebnisse und Auswertung:

Folgende Parameter sollen als Resultat der Untersuchungen verbessert werden:
Ra arithmetischer Mittelrauwert
Rz gemittelte Rautiefe
Rk Kernrautiefe (Traganteil)
Fx Kraft (Tangentialkraft)
Fy Kraft (Normalkraft)

Bei der Auswertung der Versuchsresultate wurde, wie schon erwähnt, auf Methoden der statistischen Versuchsplanung nach Taguchi zurückgegriffen. Diese Methode gestattet es unter Verwendung dafür geeigneter Software (Minitab), aus relativ wenigen Versuchen eine optimale Konfiguration für die Eingangsparameter eines Prozesses zu finden, die für die Erreichung eines optimalen Ausgangsparameters notwendig ist. Mathematisch gesehen handelt es sich um eine sogenannte Delta-Statistik. Wie in Abb. 3 zu erkennen, ergeben sich für die verschiedenen Eingangsparameter wie Druck oder Hublänge verschiedene mittlere Signal-Rausch-Verhältnisse. Diejenigen Parameter, die hier die größte Differenz zwischen minimalem und maximalem mittleren Signal-Rausch-Verhältnis ergeben, haben auch den größten Einfluss auf den Ausgangsparameter. Nach der Auswertung der Versuchsergebnisse mit dem Programm „Minitab“ ergibt sich die in Abb. 3 gezeigte Statistik, aus der deutlich wird, dass die Zykluszeit einen wesentlichen Einfluss auf die Oberflächenrauigkeit der Werkstücke hat. Da diese Aussage wieder nach der Taguchi-Methode abgeleitet wurde, gilt sie nicht nur für die durchgeführten Versuche, sondern beschreibt den Prozess allgemein.

Durch den höheren Anteil an Körnern und ihre kleinere Abmessung auf dem 1000er Band wird die zu bearbeitende Oberfläche feiner, da mehr Körner in Eingriff sind und durch ihre Korngröße kleinere Späne abtragen. Die besten Werte für die Oberflächenrauheit können aus den Versuchswerten extrahiert werden (Tabelle 4). Hierbei sei ausdrücklich darauf hingewiesen, dass dies nicht das absolute Optimum dieses Ausgangsparameters für den Prozess darstellt. Es sind lediglich die Bestwerte der durchgeführten Versuche. Abb. 4 zeigt noch deutlicher die Rangfolge des Einflusses der Parameter zum Erreichen einer besseren Oberflächenqualität.

Die Kraft bei der Zerspanung mit unbestimmten Schneiden entsteht allgemein größtenteils durch Reibung und Pflügen. Daher ist die Kraft bei dem Einsatz vom 400er Band geringer als beim 1000er Band, da weniger und gröbere Körner im Einsatz sind (weniger elastische und plastische Verformung oder Reibung und Pflügen und mehr Abtrag). Die analoge Vorgehensweise liefert die Statistik für die Prozesskräfte, dargestellt in Abb. 5.

 

Der weit überwiegende Einfluss des Druckes ist hier zu erkennen. Das Band hat auch einen großen Einfluss auf die KraftAbb. ung, was im Abb. 6 graphisch dargestellt wurde. Hier stimmen die Ergebnisse mit den theoretischen Vorüberlegungen und den Erfahrungswerten sehr gut überein.

Superfinishing mit Stein

 

Die Versuchsdurchführung erfolgte analog zu der beim Superfinishing mit Band. Beim Superfinishing mit Stein sind folgende Einstellgrößen und Werkzeugdaten (Faktoren laut Tabelle 5) ausschlaggebend: Hub, Oszillation, Anpressdruck, Schnittgeschwindigkeit, Zyklusdauer und Steinspezifikationen (Korntyp, Korngröße, Bindung, Härte und Tränkundsart). Zur Auswertung der Versuchsergebnisse wurde auch hier die Taguchi-Methode herangezogen. In Tabelle 5 sind die Versuchsfaktoren und -ebenen dargestellt. Das modifizierte orthogonale Feld L32 von Taguchi (Taguchi-Versuchsplan) ist auch in diesen Experimenten verwendet worden. Auf Basis der Literaturrecherchen wurden die in Tabelle 5 dargestellten Einstellgrößen zur Untersuchung des Superfinishing-Prozesses mit Stein verwendet.

Auswertung der Resultate nach der Taguchi-Methode:

Nach der Auswertung der Versuchsergebnisse ergibt sich die in Abb. 7 gezeigte Statistik, aus der deutlich wird, dass die Zykluszeit wiederum einen wesentlichen Einfluss auf die Oberflächenrauigkeit der Werkstücke hat. Aus den Diagrammen in Abb. 7 lässt sich so unmittelbar auch die optimale Parameterkombination für die besten Rauheitswerte bei der Steinbearbeitung, die gewünschte Benchmark des Prozesses, ablesen.

 

Der Einfluss der Eingangsparameter lässt sich noch übersichtlicher darstellen, nämlich in der in Abb. 8 gezeigten Grafik. Daraus ist klar ersichtlich, dass der Steinwerkstoff (hier Siliziumkarbid) den größten Einfluss hat, gefolgt von der Zyklusdauer. Die anderen Parameter haben geringere Auswirkungen auf das Prozessergebnis (Rauheitsprofil). Dies kann auch als eine Art Rangfolge unter den Parametern aufgefasst werden.

In Tabelle 6 sind die aus den 32 Versuchen ermittelten Bestwerte für die Oberflächenrauheit dargestellt. Auch hier gilt wie bereits erwähnt, dass diese in Tabelle 6 dargestellten Werte nicht das Optimum für den ganzen Prozess darstellen. Diese Werte sind lediglich als lokales Optimum anzusehen.

Die Ermittlung des absoluten oder globalen Optimums erfolgt durch die anschließend beschriebene Berechnungsmethode nach Taguchi. Analog zu der oben beschriebenen Vorgehensweise erfolgte die Ermittlung des Optimums für die Prozesskräfte. Wieder wurden die mittleren Signal-Rausch-Verhältnisse errechnet und daraus eine Rangfolge der Parameter abgeleitet. Aus Abb. 9 und Abb. 10 kann sehr deutlich der überragende Einfluss des Druckes abgelesen werden. Je stärker das Werkzeug an das Werkstück gedrückt wird, desto höher sind auch die Prozesskräfte.

Vergleich des Superfinishing-Prozesses mit Band und Stein


– Allgemeines
Im Folgenden wird ein Vergleich der Superfinishing-Prozesse mit Band und Stein beschrieben. Bei den Untersuchungen der beiden Prozesse ergaben sich signifikante Unterschiede bei der Oberflächenbeschaffenheit der bearbeiteten Teile. Diese Untersuchung sollte zeigen, mit welchem Werkzeug die erforderliche Oberflächenbeschaffenheit schneller erreicht werden kann.
Oberflächenprofile für die verschiedenen Prozesse:

In Abb. 11 ist ein Oberflächenprofil (quasi ein Schnitt durch die Oberfläche) für ein geschliffenes Versuchsteil dargestellt. Der Rauheitswert Ra entspricht mit 0,39 µm fast ideal dem in der Anforderungsliste definierten Ausgangszustand vor dem Finishen (Ra = 0,45 µm). Die nachstehenden Abbildungen 12 und 13 zeigen die Oberflächenbeschaffenheit der Teile nach dem Superfinish mit Stein und Band. Sehr deutlich ist beim Finishing eine Verfeinerung der Oberfläche erkennbar. Bemerkenswert ist aber vor allem die Gleichmäßigkeit des Oberflächenprofils nach dem Finishing mit Stein. Der Wert von Ra (Abb. 12) sinkt auf 0,02 µm. Es sind keine tiefen „Gräben“ erkennbar. Durch den Stein wurde eine neue Oberfläche erzeugt und die Schleifspuren entfernt. Das Superfinish mit Band führt zu einem anderen Oberflächenprofil.

 

Hierbei wird keine neue Oberfläche erzeugt, sondern nur wie aus Abb. 13 ersichtlich die Erhebungen des vorhandenen Profils entfernt. Dies ergibt auch einen deutlich höheren Ra-Wert von 0,05 µm. Die Oberfläche des gefinishten Werkstücks mit Band erhält eine Plateaustruktur. Die plateauartige Superfinish-Oberfläche verbessert die tribologischen Eigenschaften des Werkstücks. Die Riefen nehmen das Schmiermittel (beim Einsatz des Werkstücks) auf und sorgen für eine optimale Passgenauigkeit verschiedener Komponenten.

Die Abbildungen 14 und 15 zeigen mikroskopische Bilder von der Oberfläche der Versuchsteile nach dem Finish mit Band und Stein. Die Oberflächen der Werkstücke erhalten eine Plateaustruktur mit sich überkreuzenden Riefen. Die Oberflächenspitzen sind gezielt reduziert und Traganteil und Rauheit der Oberfläche sind deutlich verbessert.

 

 


Zusammenfassung

Das Superfinishing ist ein sehr komplexer Prozess mit verschiedenen Einflussgrößen. Die wichtigsten Input-Parameter für diesen Prozess sind Werkzeug, Kühlschmierstoff, Maschine, Drehzahl, Vorschub, Anpressdruck, Oszillation, Hublänge und Prozesszeit. Im Falle der Verwendung von Band als Werkzeug hat die Prozesszeit den größten Einfluss auf die induzierte Oberflächenrauigkeit. Jedoch im Falle der Verwendung von Stein ist der Abrasivstoff der wichtigste Parameter für die Oberflächenrauheit. In Bezug auf die Schnittkräfte und damit den Werkzeugverschleiß ist der Anpressdruck der wichtigste Parameter für sowohl Stein als auch Band. Durch den Stein wurde eine neue Oberfläche erzeugt und die Schleifspuren entfernt. Es sind keine tiefen „Gräben“ erkennbar. Bemerkenswert ist aber vor allem die Gleichmäßigkeit des Oberflächenprofils nach dem Finishing mit Stein. Das Superfinish mit Band führt zu einem anderen Oberflächenprofil.

Hierbei wird keine neue Oberfläche erzeugt, sondern nur die Erhebungen des vorhandenen Profils entfernt. Die Oberfläche des gefinishten Werkstücks mit Band erhält eine Plateaustruktur.


Danksagung

Dieses Forschungsvorhaben wurde aus Haushaltsmitteln des Bundesministeriums für Wirtschaft und Technologie (BMWi) im Rahmen des Programms „Förderung von innovativen Netzwerken“ (InnoNet) unter dem Förderkennzeichen 16IN0540 gefördert. Für diese Förderung sei gedankt. Dem projektbegleitenden Ausschuss sei für seine Unterstützung und die Hinweise aus den zahlreichen Diskussionen gedankt.