Die geometrischen Eigenschaften einer bearbeiteten Oberfläche umfassen mehrere Aspekte: Oberflächenrauheit, Oberflächenwelligkeit und Oberflächentextur. Die Oberflächenrauheit ist das grundlegende Element dieser geometrischen Merkmale. Wenn eine Werkstückoberfläche mit Metallschneidwerkzeugen bearbeitet wird, wird die resultierende Oberflächenrauheit hauptsächlich durch das Zusammenspiel und den Einfluss von drei Kategorien von Faktoren bestimmt: geometrische Faktoren, physikalische Faktoren und Bearbeitungsprozessfaktoren.
1. Geometrische Faktoren
Aus geometrischer Sicht haben die Form und die geometrischen Winkel des Schneidwerkzeugs-insbesondere der Eckenradius, der Hauptschneidkantenwinkel, der Nebenschneidkantenwinkel und Bearbeitungsparameter wie die Vorschubgeschwindigkeit-einen erheblichen Einfluss auf die Oberflächenrauheit.
2. Physikalische Faktoren
In Anbetracht der zugrunde liegenden Physik des Schneidprozesses führt die Abrundung der Schneidkante des Werkzeugs -zusammen mit der anschließenden Quetschung und Reibung-zu einer plastischen Verformung des Metallmaterials, wodurch die Oberflächenrauheit erheblich beeinträchtigt wird. Bei der Bearbeitung von duktilen Materialien, die kontinuierliche (bandartige) Späne erzeugen, bildet sich häufig eine sehr harte „Aufbaukante“ (BUE) auf der Spanfläche des Werkzeugs. Dieses BUE fungiert effektiv als Ersatz für die eigentliche Spanfläche und Schneidkante und verändert die effektiven geometrischen Winkel und die Schnitttiefe des Werkzeugs. Die Kontur des BUE ist sehr unregelmäßig; Infolgedessen hinterlässt es Werkzeugspuren auf der Werkstückoberfläche, die sowohl in der Tiefe als auch in der Breite kontinuierlich variieren. In einigen Fällen werden Fragmente des BUE in die Werkstückoberfläche eingebettet, was die Oberflächenrauheit noch verstärkt.
Auch beim Schneidvorgang auftretende Vibrationen tragen zu einer Erhöhung der mit der Oberflächenrauheit des Werkstücks verbundenen Parameterwerte bei.
3. Prozessfaktoren
Aus prozessorientierter Sicht gehören zu den Faktoren, die die Rauheit der Werkstückoberfläche beeinflussen, in erster Linie solche, die mit dem Schneidwerkzeug selbst, mit den Materialeigenschaften des Werkstücks und mit den spezifischen Bearbeitungsbedingungen zusammenhängen.
Die Oberflächenqualität eines bearbeiteten Werkstücks hat großen Einfluss auf die Funktionsleistung des fertigen Teils. Zu den wichtigsten Kennzahlen zur Bewertung der Oberflächenqualität eines bearbeiteten Werkstücks gehören die Oberflächenrauheit, die Oberflächeneigenspannung und der Grad der Oberflächenverfestigung. Unter diesen drei Indikatoren für die Oberflächenqualität ist die Oberflächenrauheit der kritischste Faktor, der die Gesamtleistungseigenschaften des Bauteils beeinflusst.
Die Oberflächenrauheit eines Bauteils wirkt sich direkt und erheblich auf Reibung und Verschleiß aus; Konkret gilt: Je rauer die Oberfläche, desto stärker der Verschleiß. In der Anfangsphase des Verschleißes werden die mikroskopischen Unebenheiten auf der Oberfläche schnell abgeflacht, was zu einem starken Anstieg der Materialverlustrate führt. Nach einer gewissen Betriebszeit vergrößert sich jedoch die tatsächliche Kontaktfläche zwischen den beweglichen Oberflächen, wodurch sich der Verschleiß verlangsamt. Wenn eine Oberfläche glatt und dicht ist, sind Höhe und Schärfe ihrer mikroskopischen Unebenheiten relativ gering; Folglich weisen glatte und dichte Oberflächen eine höhere Verschleißfestigkeit auf als raue Oberflächen.
Umgekehrt behindert eine zu glatte Oberfläche die Rückhaltung des Schmieröls; Dies kann tatsächlich zu einem erhöhten Reibungskoeffizienten führen, was zu einer Überhitzung der Metalloberfläche und möglicherweise zu einem „Fressen“- oder „Abrieb“-Phänomen führen kann. Während der Schneidvorgänge, die auf einem vertikalen Bearbeitungszentrum durchgeführt werden, haben Prozessparameter -wie Schnittgeschwindigkeit, Vorschubgeschwindigkeit und Schnitttiefe-direkten Einfluss auf die Schnittkraft. Schnittkraft und Schnitttemperatur sind zwei voneinander abhängige Faktoren: Im Allgemeinen entspricht eine höhere Schnittkraft einer höheren Schnitttemperatur und gleichzeitig stärkeren Vibrationen innerhalb des vertikalen Bearbeitungszentrums.
Unterschiedliche Schnittgeschwindigkeiten erzeugen entsprechend unterschiedliche externe Anregungsfrequenzen. Je näher diese Anregungsfrequenz der natürlichen Schwingungsfrequenz des vertikalen Bearbeitungszentrums kommt, desto wahrscheinlicher ist es, dass sie die Schwingungen der mechanischen Ausrüstung verstärkt.
Um bei Schneidvorgängen optimale Oberflächenrauheitswerte an Werkstücken zu erreichen, wurde ein Erkennungssystem zur Überwachung von Schnittkraft und Schnitttemperatur entwickelt. Ziel dieses Systems ist es, die Zusammenhänge zwischen Schnittkraft, Schnitttemperatur und der daraus resultierenden Oberflächenrauheit des Werkstücks zu untersuchen. Durch die sorgfältige Auswahl von Prozessparametern-wie Schnittgeschwindigkeit, Vorschubgeschwindigkeit und Schnitttiefe-während des Bearbeitungsprozesses wird es möglich, die Schnittkraft, die Schnitttemperatur und die mechanischen Vibrationen zu steuern und so das Erreichen der gewünschten Werkstückoberflächenrauheit sicherzustellen.