Die Bearbeitungsgenauigkeit bezeichnet den Grad der Übereinstimmung zwischen den tatsächlichen geometrischen Parametern (Abmessungen, Form und Lage) eines bearbeiteten Teils und seinen idealen geometrischen Parametern. In der mechanischen Zerspanung sind Fehler unvermeidlich, doch müssen sie innerhalb zulässiger Grenzen gehalten werden. Durch die Fehleranalyse lassen sich die grundlegenden Muster der Fehlerentwicklung erfassen und entsprechende Maßnahmen ergreifen, um die Bearbeitungsfehler zu verringern und die Bearbeitungsgenauigkeit zu verbessern.
I. Hauptursachen für Fehler in der mechanischen Zerspanung
(i) Spindeldrehfehler
Der Spindeldrehfehler bezeichnet die Abweichung zwischen der tatsächlichen momentanen Drehachse der Spindel und ihrer mittleren Drehachse. Die Hauptursachen für radiale Spindeldrehfehler sind unter anderem: Koaxialitätsfehler der Lagerzapfen der Spindel, verschiedene Fehler der Lager selbst, Koaxialitätsfehler zwischen den Lagern, Spindelverbiegung usw. Eine angemessene Verbesserung der Fertigungsgenauigkeit der Spindel und ihres Gehäuses, die Auswahl hochpräziser Lager, die Erhöhung der Montagegenauigkeit der Spindelkomponenten, das Auswuchten von Hochgeschwindigkeits-Spindelkomponenten sowie die Vorspannung der Wälzlager können alle die Drehgenauigkeit der Werkzeugmaschinenspindel verbessern.
(ii) Führungsfehler
Führungsbahnen dienen als Referenz zur Bestimmung der relativen Lagebeziehungen verschiedener Werkzeugmaschinenkomponenten und zugleich als Maßstab für die Bewegung der Werkzeugmaschine. Die Genauigkeitsanforderungen an die Führungsbahnen von Drehmaschinen betreffen hauptsächlich drei Aspekte: Geradheit in der Horizontalen; Geradheit in der Vertikalen; sowie Parallelität (Verdrehung) der vorderen und hinteren Führungsbahnen. Neben Fertigungsfehlern der Führungsbahnen selbst sind auch ungleichmäßiger Verschleiß und die Installationsqualität der Führungsbahnen wichtige Faktoren, die Führungsbahnfehler verursachen.
(iii) Getriebekettenfehler
Übertragungsfehler in einer Übertragungskette bezeichnen die relativen Bewegungsfehler zwischen dem ersten und dem letzten Übertragungselement in einer intern verbundenen Übertragungskette. Übertragungsfehler entstehen durch Fertigungs- und Montagefehler der verschiedenen Komponenten in der Übertragungskette sowie durch Verschleiß während des Gebrauchs.
(iv) Werkzeuggeometriefehler
Jedes Werkzeug unterliegt im Schneidprozess zwangsläufig einem Verschleiß, der wiederum Veränderungen an Abmessungen und Form des Werkstücks bewirkt. Durch die richtige Auswahl von Werkzeugmaterialien, die Einführung neuer verschleißfester Werkzeugmaterialien, eine sinnvolle Wahl der geometrischen Parameter und Schnittparameter sowie den sachgemäßen Einsatz von Kühlschmierstoffen lässt sich der dimensionsmäßige Werkzeugverschleiß auf ein Minimum reduzieren. Bei Bedarf können auch Kompensationsvorrichtungen eingesetzt werden, um den dimensionsmäßigen Werkzeugverschleiß automatisch auszugleichen.
(v) Positionierfehler
a) Datumsinkongruenzfehler: Auf einer Teilezeichnung wird das Datum, das zur Festlegung der Abmessungen und Position einer Fläche dient, als Konstruktionsdatum bezeichnet. Auf einem Prozessplan wird das Datum, das zur Festlegung der Abmessungen und Position der bearbeiteten Fläche nach der Bearbeitung dient, als Prozessdatum bezeichnet. Beim Bearbeiten eines Werkstücks auf einer Werkzeugmaschine müssen bestimmte geometrische Merkmale des Werkstücks als Positionierdaten ausgewählt werden. Stimmt das gewählte Positionierdatum nicht mit dem Konstruktionsdatum überein, so entsteht ein Datumsinkongruenzfehler.
b) Ungenaue Fertigungsfehler von Positioniermerkmalspaaren: Die Positionierelemente auf einer Spannvorrichtung können nicht absolut genau gemäß den Nennmaßen gefertigt werden; ihre tatsächlichen Abmessungen (oder Positionen) dürfen innerhalb festgelegter Toleranzbereiche schwanken. Die Werkstückpositionierfläche und die Positionierelemente der Spannvorrichtung bilden zusammen ein Positioniermerkmalpaar. Die maximale Positionsabweichung des Werkstücks, die durch die ungenaue Fertigung des Positioniermerkmalpaares und den Spielpass zwischen ihnen verursacht wird, wird als ungenauer Fertigungsfehler des Positioniermerkmalpaares bezeichnet.
(vi) Fehler, die durch Verformung des technologischen Systems unter Belastung verursacht werden
a) Werkstücksteifigkeit: Im technologischen System hat eine geringe Steifigkeit des Werkstücks im Vergleich zu der der Werkzeugmaschine, des Werkzeugs und der Spannvorrichtung einen relativ großen Einfluss auf die Bearbeitungsgenauigkeit, wenn das Werkstück aufgrund unzureichender Steifigkeit unter der Wirkung der Schneidkräfte verformt wird.
b) Werkzeugsteifigkeit: Ein Außendrehwerkzeug weist in der zur bearbeiteten Oberfläche normalen Richtung (y) eine hohe Steifigkeit auf, sodass seine Verformung vernachlässigt werden kann. Beim Bohren eines Innenlochs mit kleinem Durchmesser ist die Steifigkeit des Bohrstabes sehr gering, und seine unter Belastung auftretende Verformung beeinflusst die Bearbeitungsgenauigkeit des Lochs erheblich.
c) Steifigkeit von Werkzeugmaschinenkomponenten: Werkzeugmaschinenkomponenten bestehen aus zahlreichen Teilen. Bis heute gibt es keine einfache und geeignete Berechnungsmethode für die Steifigkeit von Werkzeugmaschinenkomponenten; derzeit werden hauptsächlich experimentelle Methoden eingesetzt, um die Steifigkeit dieser Komponenten zu messen. Die Verformung steht nicht linear im Verhältnis zur Belastung; die Belastungs- und Entlastungskurve stimmen nicht überein, wobei die Entlastungskurve hinter der Belastungskurve zurückbleibt. Die zwischen den beiden Kurven eingeschlossene Fläche repräsentiert die während des Belastungs- und Entlastungszyklus dissipierte Energie, die durch Reibungsarbeit und Kontaktverformungsarbeit verbraucht wird. Nach der ersten Entlastung kehrt die Verformung nicht zum Ausgangspunkt der ersten Belastung zurück, was auf das Vorhandensein einer Restverformung hinweist. Nach mehreren Belastungs-Entlastungszyklen fällt der Ausgangspunkt der Belastungskurve mit dem Endpunkt der Entlastungskurve zusammen, und die Restverformung nimmt allmählich auf Null ab.
(vii) Fehler, die durch thermische Verformung des technologischen Systems verursacht werden
Die thermische Verformung des technologischen Systems hat einen relativ großen Einfluss auf die Bearbeitungsgenauigkeit. Insbesondere bei Präzisionsbearbeitung und der Bearbeitung großer Bauteile können Bearbeitungsfehler, die durch thermische Verformung verursacht werden, mitunter 50% des gesamten Werkstückfehlers ausmachen. Werkzeugmaschinen, Werkzeuge und Werkstücke sind verschiedenen Wärmequellen ausgesetzt, wodurch ihre Temperaturen allmählich ansteigen. Gleichzeitig geben sie Wärme über verschiedene Wärmeübertragungsmechanismen an die umgebenden Materialien und den Raum ab.
(viii) Einstellfehler
In jedem Schritt der mechanischen Bearbeitung muss eine gewisse Anpassungsarbeit am technologischen System vorgenommen werden. Da diese Anpassung nicht absolut präzise sein kann, entstehen Anpassungsfehler. Im technologischen System wird die gegenseitige Positionsgenauigkeit von Werkstück und Werkzeug auf der Werkzeugmaschine durch Anpassung der Werkzeugmaschine, des Werkzeugs, der Spannvorrichtung oder des Werkstücks sichergestellt. Wenn die ursprünglichen Genauigkeiten von Werkzeugmaschine, Werkzeug, Spannvorrichtung und Werkstückrohling alle den Prozessanforderungen entsprechen und dynamische Faktoren nicht berücksichtigt werden, spielt der Einfluss von Anpassungsfehlern eine entscheidende Rolle für die Bearbeitungsgenauigkeit.
(ix) Messfehler
Wenn Bauteile während oder nach der Bearbeitung gemessen werden, beeinflussen die Messmethode, die Genauigkeit des Messwerkzeugs, die Bedingungen des Werkstücks sowie subjektive und objektive Faktoren direkt die Messgenauigkeit.
II. Maßnahmen zur Verbesserung der mechanischen Bearbeitungsgenauigkeit
(i) Reduzierung der ursprünglichen Fehler
Zur direkten Reduzierung der ursprünglichen Fehler gehören die Verbesserung der geometrischen Genauigkeit der für die Bauteilbearbeitung eingesetzten Werkzeugmaschinen, die Erhöhung der Genauigkeit von Spannvorrichtungen, Messwerkzeugen und Schneidwerkzeugen selbst sowie die Kontrolle von Verformungen des technologischen Systems unter Belastung und Hitze, von Werkzeugverschleiß, von Verformungen aufgrund innerer Spannungen und von Messfehlern. Um die Bearbeitungsgenauigkeit zu verbessern, ist es notwendig, die verschiedenen ursprünglichen Fehler, die Bearbeitungsfehler verursachen, zu analysieren und je nach Situation unterschiedliche Maßnahmen zu ergreifen, um die Hauptursachen dieser Bearbeitungsfehler zu beseitigen. Bei der Präzisionsbearbeitung von Bauteilen sollten die geometrische Genauigkeit, die Steifigkeit und die Kontrolle der thermischen Verformung der eingesetzten Präzisionswerkzeugmaschinen so weit wie möglich verbessert werden. Bei der Bearbeitung von Bauteilen mit Formoberflächen liegt der Schwerpunkt hingegen auf der Verringerung des Formfehlers des Formwerkzeugs sowie des Montagefehlers des Werkzeugs.
(ii) Fehlerkompensationsmethode
Für einige ursprüngliche Fehler im technologischen System können Fehlerkompensationsmethoden angewendet werden, um ihren Einfluss auf die Bauteilbearbeitungsfehler zu kontrollieren.
a) Fehlerkompensationsmethode: Diese Methode erzeugt künstlich einen neuen ursprünglichen Fehler, um die inhärenten ursprünglichen Fehler im ursprünglichen technologischen System auszugleichen oder aufzuheben, wodurch die Bearbeitungsfehler reduziert und die Bearbeitungsgenauigkeit verbessert wird.
b) Fehleraufhebungsmethode: Diese Methode nutzt eine Art von ursprünglichem Fehler, um einen anderen ursprünglichen Fehler teilweise oder vollständig aufzuheben.
(iii) Differenzierung oder Ausgleich ursprünglicher Fehler
Um die Bearbeitungsgenauigkeit einer Charge von Teilen zu verbessern, können Methoden zur Differenzierung bestimmter ursprünglicher Fehler angewendet werden. Für Teileoberflächen, die eine hohe Bearbeitungsgenauigkeit erfordern, kann zudem das Verfahren des schrittweisen Ausgleichs ursprünglicher Fehler durch aufeinanderfolgende Probesschneidprozesse eingesetzt werden.
a) Differenzierungs-(Gruppierungs-)Methode für ursprüngliche Fehler: Basierend auf dem Gesetz der Fehlerreflexion werden die Abmessungen der Rohlinge oder Werkstücke aus dem vorherigen Arbeitsgang gemessen und entsprechend ihrer Größe in n Gruppen eingeteilt, wodurch der Abmessungsbereich jeder Gruppe auf 1/n des ursprünglichen Wertes reduziert wird. Anschließend wird gemäß dem Fehlerbereich jeder Gruppe die genaue Position des Werkzeugs relativ zum Werkstück jeweils separat eingestellt, sodass sich der Mittelpunkt des Abmessungsstreuungsbereichs jeder Werkstückgruppe im Wesentlichen gleicht und dadurch der gesamte Abmessungsstreuungsbereich der gesamten Werkstückcharge erheblich verringert wird.
b) Ausgleichsmethode für ursprüngliche Fehler: Bei diesem Verfahren werden die ursprünglichen Fehler auf der bearbeiteten Oberfläche durch die Bearbeitung kontinuierlich reduziert und gemittelt. Das Prinzip des Ausgleichs besteht darin, Unterschiede zwischen eng miteinander verbundenen Werkstück- oder Werkzeugoberflächen durch gegenseitigen Vergleich und Inspektion zu identifizieren und anschließend gegenseitige Korrekturbearbeitung oder Referenzbearbeitung durchzuführen.
(iv) Übertragung der ursprünglichen Fehler
Das Wesentliche dieser Methode besteht darin, ursprüngliche Fehler aus der fehlerempfindlichen Richtung in die fehlerunempfindliche Richtung zu verlagern. Der Grad, in dem verschiedene ursprüngliche Fehler sich in Bearbeitungsfehlern der Teile niederschlagen, hängt unmittelbar davon ab, ob sie in der fehlerempfindlichen Richtung liegen. Wenn während der Bearbeitung Maßnahmen ergriffen werden, um sie in die fehlerunempfindliche Richtung zu verlagern, kann die Bearbeitungsgenauigkeit erheblich verbessert werden. Ursprüngliche Fehler sollten in andere Aspekte übertragen werden, die die Bearbeitungsgenauigkeit nicht beeinflussen.
III. Schlussfolgerung
In der mechanischen Bearbeitung sind Fehler unvermeidlich. Nur durch eine detaillierte Analyse der Fehlerursachen können geeignete Präventionsmaßnahmen ergriffen werden, um Bearbeitungsfehler zu reduzieren und die mechanische Bearbeitungsgenauigkeit zu verbessern.
