Das Verziehen von Teilen nach der zerspanenden Bearbeitung kann ein erhebliches Problem darstellen. Das Bauteil verlässt die Maschine maßgenau, doch nach einiger Zeit stellt sich heraus, dass es seine Geometrie verändert hat und nicht mehr innerhalb der Toleranzen liegt. Somit können Verformungen nach der CNC-Bearbeitung selbst den bestkonzipierten Fertigungsprozess zunichte machen. Dieses Phänomen ist besonders kritisch in der Serienfertigung, wo die Wiederholbarkeit und Stabilität des Prozesses von entscheidender Bedeutung sind. Wie lassen sich also innere Spannungen verhindern?
In diesem Artikel erfahren Sie:
Innere Spannungen sind verborgene Kräfte, die im Inneren eines Werkstoffs wirken und mit bloßem Auge nicht sichtbar sind, aber einen enormen Einfluss auf die geometrische Stabilität von Bauteilen haben. Sie können bei der Herstellung von Halbzeugen, bei der Wärmebehandlung, beim Walzen, beim Schmieden sowie während des Zerspanungsprozesses selbst entstehen.
Krzysztof Piwowarczyk von der Firma RADMOT erklärt dies wie folgt:
„In dem Moment, in dem Material entfernt wird, kommt es zu einer Störung des Kräftegleichgewichts, was zu einer Verformung des Werkstücks führt. Daher wird das Management der inneren Spannungen zu einem der Schlüsselelemente – aber auch zu einer der Herausforderungen – bei der Serienfertigung hochpräziser Werkstücke.“
In der industriellen Praxis unterscheidet man zwei grundlegende Arten von Spannungen: Eigenspannungen und Restspannungen. Eigenspannungen entstehen im Werkstoff bereits in der Phase der Halbzeugfertigung – z. B. beim Walzen oder Gießen. Sie sind gewissermaßen in die Struktur des Werkstoffs „eingebaut“ und können sich erst während der Bearbeitung zeigen.
Restspannungen hingegen entstehen infolge technologischer Prozesse wie z. B. der spanenden Bearbeitung oder der Wärmebehandlung. Ihr charakteristisches Merkmal ist, dass sie auch nach dem Wegfall äußerer Kräfte im Werkstoff verbleiben. Infolgedessen kann sich die Geometrie des Werkstücks noch lange nach Abschluss des Fertigungsprozesses verändern.
Während der Zerspanung ist das Material sehr starken mechanischen Kräften und hohen Temperaturen ausgesetzt. Die Zerspanungsschicht wird lokal erhitzt, plastisch verformt und schnell abgekühlt. Diese Veränderungen führen zur Entstehung neuer Spannungen, die sich mit den bereits im Material vorhandenen Spannungen überlagern.
Bei der Fertigung von Teilen, die eine hohe Genauigkeit erfordern – z. B. bei der Präzisions-CNC-Bearbeitung mit einer Toleranz von IT6/IT7 – ist die Kontrolle dieser Phänomene entscheidend für die Aufrechterhaltung der Maßhaltigkeit.
Das Verziehen von Bauteilen ist in der Regel das Ergebnis des Zusammenwirkens mehrerer Faktoren. In der täglichen Produktionspraxis sind dafür meist die Art des Materialabtrags, die entstehende Wärme sowie die Qualität des Ausgangsmaterials verantwortlich.
Das einseitige Abtragen großer Materialmengen führt zu einem Ungleichgewicht der Spannungen. Das Material „setzt“ die gespeicherte Energie frei und verformt sich, um das Gleichgewicht wiederherzustellen.
Je asymmetrischer der Zerspanungsprozess ist, desto größer ist das Risiko:
Der Zerspanungsprozess erzeugt eine beträchtliche Menge an Wärme, die eine lokale Ausdehnung des Werkstoffs bewirkt. Nach Beendigung der Bearbeitung und Abkühlung des Werkstücks kommt es zu einer ungleichmäßigen Schrumpfung, was zu Verformungen führt.
Die Qualität des Halbzeugs ist von großer Bedeutung. Gewalzte oder gegossene Werkstoffe weisen häufig ungleichmäßige Spannungen auf, die sich erst bei der Bearbeitung zeigen.
Man muss sich bewusst sein, dass manche Materialien deutlich empfindlicher auf Spannungsrelaxation reagieren als andere. Sie erfordern eine besonders strenge Kontrolle des gesamten Produktionsprozesses:
Bereits in der Konstruktionsphase lässt sich das Risiko von Verformungen der Werkstücke erheblich verringern. Durch geeignete konstruktive Entscheidungen lassen sich Spannungen reduzieren und die geometrische Stabilität der Teile erhöhen.
Die Symmetrie der Konstruktion trägt dazu bei, die Spannungen im Material gleichmäßig zu verteilen. Dadurch gleichen sich die inneren Kräfte beim Entfernen des Aufmaßes gegenseitig aus, anstatt Verformungen zu verursachen.
Die Konstruktion symmetrischer Querschnitte:
Eine zu große Zugabe erhöht das Risiko der Spannungsrelaxation, während eine zu kleine Zugabe das Erreichen der erforderlichen Oberflächenqualität erschwert. Die optimale Wahl der Zugabe ermöglicht es, einen Kompromiss zwischen Stabilität und Produktionsleistung zu finden.
Die Wahl der richtigen technologischen Strategie ist von entscheidender Bedeutung für die Begrenzung von Werkstückverformungen. In der Serienfertigung entscheidet die Planung des Bearbeitungsprozesses oft über den Erfolg des gesamten Projekts.
In der industriellen Praxis wird häufig eine zweistufige Bearbeitung angewendet: Grob- und Feinbearbeitung. Nach der ersten Stufe lässt man das Material für eine bestimmte Zeit ruhen, damit die Spannungen teilweise abklingen können. Dadurch erfolgt die Endbearbeitung bereits an einem stabileren Werkstück, was die Chance auf die Einhaltung der Toleranzen deutlich erhöht.
Durch den gleichmäßigen Abtrag von Material auf beiden Seiten des Werkstücks wird das Spannungsgleichgewicht gewahrt. Dies ist eine der wirksamsten Methoden zur Verringerung von Verformungen in der Serienfertigung.
Die Reihenfolge der Bearbeitungsschritte ist von großer Bedeutung. Zunächst werden die größten Materialmengen abgetragen, erst danach erfolgen die Endbearbeitungsschritte. Diese Strategie minimiert das Risiko einer Verformung der endgültigen Geometrie.
In vielen Fällen ist der Einsatz zusätzlicher technologischer Verfahren erforderlich, um die Spannungen vor der Endbearbeitung zu reduzieren.
Beim Spannungsarmglühen wird das Material auf eine geeignete Temperatur erhitzt und anschließend langsam abgekühlt. Dieser Prozess ermöglicht es, Restspannungen zu reduzieren und die Maßhaltigkeit der Bauteile zu erhöhen.
Zu den modernen Methoden der Spannungsentlastung gehören auch die Vibrations- und Kryogenbehandlung. Sie ermöglichen eine effektive Verringerung der Spannungen, ohne dass eine langwierige Wärmebehandlung erforderlich ist.
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Wie lässt sich vorhersagen, dass sich ein Bauteil nach der Bearbeitung verformt?
Das größte Risiko besteht bei schlanken und dünnwandigen Bauteilen. Es empfiehlt sich, bereits in der Entwurfsphase eine Technologie- und Materialanalyse durchzuführen.
Lässt sich eine Verformung nach der Bearbeitung korrigieren?
In vielen Fällen ist ein Nacharbeiten oder Schleifen möglich. Die beste Strategie ist jedoch, Verformungen von vornherein zu vermeiden.
Welche Toleranzen sind hinsichtlich Verformungen zu berücksichtigen?
Das hängt vom Werkstoff und der Geometrie des Werkstücks ab. In der Präzisionsfertigung ist es notwendig, den Prozess unter Berücksichtigung der Spannungsrelaxation zu planen.
Wie lange sollte das Material nach der Grobbearbeitung ruhen?
Die Dauer hängt vom Werkstoff und der Größe des Werkstücks ab. In der industriellen Praxis kann dies zwischen einigen Stunden und mehreren Tagen liegen.
Führt das Härten immer zu Verformungen?
Nicht immer, aber es erhöht das Risiko der Entstehung von Restspannungen erheblich. Daher wird vor der Endbearbeitung häufig ein Spannungsarmglühen durchgeführt.