Schleifbrand vermeiden

« Materialschädigung vorbeugen und verhindern »

Wer einmal eine Schweißnaht mit dem Winkelschleifer bearbeitet oder ein Werkzeug am Schleifbock geschärft hat, kennt den beeindruckenden Funkenregen, den die entstehende Wärme auslöst. Unter ungünstigen Bedingungen kann sich die Wärme beim Schleifen anstauen. Dann sind schnell Temperaturen erreicht, die den Luftsauerstoff angriffslustig machen. Es entsteht Schleifbrand. Diese Materialschädigung lässt sich durch technische Vorkehrungen vermeiden. Misslingt das, ist das Teil in der Regel Ausschuss. In manchen Fällen kann das betroffene Material mechanisch oder chemisch abgetragen und das Teil gerettet werden.

Einflussfaktoren auf das Schleifergebnis – Das Zusammenspiel von Material und Wärme

Schleifen ist in den meisten Fällen der letzte Schritt in einem aufwändigen Fertigungsprozess. Deshalb ist es besonders uneffektiv, wenn das schief geht. Passendes Schleifwerkzeug ist auf den Werkstoff, die zu erzielende Oberflächenbeschaffenheit und die geforderte Maßhaltigkeit abgestimmt.

Große Sorgfalt erfordert außerdem die Wahl der dynamischen Kenngrößen wie

• Schnittgeschwindigkeit der Schleifscheibe
• Umfangsgeschwindigkeit des Werkstücks
• Vorschub
• Zustellung

Einen weiteren Schwerpunkt bildet die Ableitung der Wärme, die durch Reibung und Verformung entsteht. Dabei wird zwischen Nass- und Trockenschleifen unterschieden. Beim Trockenschleifen nehmen die wegfliegenden Späne den größten Teil der Wärme mit. Der Rest verteilt sich durch Wärmeleitung im Material.

Beim Nassschleifen übernimmt der Kühlschmierstoff diese Aufgabe. Schleifbrand entsteht, wenn sich das Material örtlich über die stoffabhängige Anlasstemperatur erwärmt. Die Ursache wird dann häufig in unzureichender Kühlung vermutet. Kommen aber ungünstige Einflussfaktoren zusammen, entsteht mehr Wärme, als die Kühlung bewältigen kann.

Wärmeentwicklung beim Schleifen

Der Materialabtrag auf der Werkstückoberfläche erfolgt durch harte Schleifkörner mit unregelmäßig angeordneten Schneiden. Die Schleifkörner werden durch die Bindung zusammengehalten, die aus keramischen Werkstoffen, Kunstharzen oder mineralischen Verbindungen besteht. Zwischen Körnern und Bindung sind luftgefüllte Poren verteilt, durch die der Kühlschmierstoff in die Schleifzone gelangt.

Die Schneide dringt in die Oberfläche des Werkstücks ein und verformt das Material solange, bis sich ein kleiner Span löst. Dabei entscheidet das Spannungs-Dehnungs-Verhalten des Werkstoffs, ob der Span schnell abbricht oder erst nach längerer Verformung abreißt. Je länger eine Schneide an einem Span im Eingriff ist, desto mehr Wärme entsteht. Außerdem bleibt in der Umgebung der Abrissstelle (anders als bei einer Abbruchstelle) dauerhaft verformtes Material zurück. Dadurch kommt es zu mechanischen Spannungen, die Risse verursachen können.

Schleifbrand ist sowohl die Folge von hohen Temperaturen als auch von bleibenden Dehnungen

Zu hohe Temperaturen verraten sich durch Anlauffarben, die nach dem Abkühlen auf der Oberfläche sichtbar sind. Gefährlicher sind feine Risse. Dynamisch beanspruchte Konstruktionsteile wie Wellen und Spindeln werden deshalb nach dem Schleifen häufig einer Rissprüfung unterzogen.

Die Gefahr des Schleifbrandes tritt vor allem bei zähen Werkstoffen auf. Um Schleifbrand zu vermeiden, werden für zähe Werkstoffe Schleifkörper mit einer großporigen Struktur eingesetzt, die eine geringere Wärmeentwicklung verursachen. Bei harten Werkstoffen verschließen diese Schleifkörper zu schnell. Deshalb werden dort kleinporige Strukturen verwendet. Die thermische Schädigung des Werkstoffs wird mit dem geeigneten Schleifkörper allerdings nur dann vermieden, wenn die oben genannten dynamischen Kenngrößen passend eingestellt und die Maschinen sorgfältig eingerichtet werden.

Reibung durch Verschleiß des Schleifkörpers und Zusetzen der Poren

Im Betrieb nutzen sich die Körner im Schleifkörper ab. Sie werden stumpf. Dadurch erhöht sich der Druck, den sie für den Abtrag der Späne aufbringen müssen. Im Idealfall lockern sie sich dann aus der Bindung, fallen aus dem Gefüge und geben darunterliegenden frischen Körnern den Weg frei.

Es gehört zu den Aufgaben der Bindung, diese Körner festzuhalten, solange sie scharf sind und freizugeben, sobald sie verschlissen wurden. Das wird als “Selbstschärfung” des Schleifkörpers bezeichnet. Wurde für den vorliegenden Einsatzfall eine ungeeignete Bindung gewählt, bleiben die stumpfen Körner im Verbund. Die dann auftretende verstärkte Reibung produziert Wärmemengen, die Schleifbrand verursachen können.

Für die Funktion des Kühlschmierstoffs sind offene Poren erforderlich. Setzen sich diese mit dem Schleifabrieb zu, gelangt das Kühlmittel nicht in die Schleifzone und läuft wirkungslos ab.

Die Folge ist ein Wärmestau, der zur Materialschädigung führen kann. Beide Vorgänge lassen sich durch rechtzeitiges Abrichten der Schleifscheibe unterbinden. Dabei wird die äußere Schicht mit einem Abrichtdiamanten gleichmäßig abgetragen. Dieser Vorgang wird auch als “Abziehen” bezeichnet. Er ist immer dann erforderlich, wenn die Temperatur in der Schleifzone zu sehr anwächst und das Schleifbild schlecht wird.

Bei konventionellen Schleifmaschinen liegt es an der Erfahrung des Bedieners, den richtigen Zeitpunkt zu erkennen. Diese Erfahrung ist unbezahlbar. CNC-gesteuerte Maschinen sind zu diesem Zweck in der Regel mit Temperaturfühlern ausgestattet, die Einfluss auf die dynamischen Parameter des Schleifprozesses nehmen. Dadurch werden häufig zwar Symptome unterdrückt aber keine Ursachen beseitigt.

Zufällige Ursachen für Schleifbrand

Unregelmäßigkeiten in der Oberfläche, die aus Fehlern vorangegangener Bearbeitungsschritte resultieren, können sich beim Schleifen als Ursache für die thermische Schädigung des Materials auswirken. Werden zum Beispiel dünnwandige Bauteile beim Drehen falsch gespannt, entstehen statt kreisrunden Querschnitten Ellipsen oder Dreiecke mit “runden Ecken”. Bei der Wärmebehandlung können sich Teile verziehen. Eine gerade Welle ist dann leicht gebogen, ein flaches Bauteil etwas aufgewölbt. Geringe Formabweichungen, die dem bloßen Auge verborgen bleiben, verzeiht der Schleifkörper nicht. In diesen Fällen kann man Schleifbrand vermeiden, indem man die Formgenauigkeit prüft und die Teile bei Bedarf richtet.

Beseitigung von Schleifbrand

Um die Bearbeitungszeit möglichst kurz zu halten, sind Schleifzugaben oft knapp bemessen. Schleifzugaben sind die Werkstoffbereiche, die vom Fertigmaß abweichen und für den Schleifprozess zur Verfügung stehen. Wenn für die Fertigmaße nur wenige hundertstel Millimeter Toleranz vorgesehen sind, bleibt wenig Spielraum für die Korrektur von Fehlern. Das Vermeiden hat grundsätzlich Vorrang vor dem Beseitigen. Leichte Spuren von Schleifbrand lassen sich wegschleifen oder durch Beizen beseitigen. Beim Beizen werden dünne Schichten der Oberfläche mit sauren oder alkalischen Beizmitteln aufgelöst und abgespült. Das ist allerdings riskant. Es können immer noch feine Risse im Material vorhanden sein, die vor allem bei wechselnder mechanischer Beanspruchung wachsen und schließlich zum Versagen des Bauteils führen. Eine abschließende Rissprüfung sollte nach dem Entfernen von Schleifbrand unbedingt durchgeführt werden.