Das Räumen ist ein Verfahren, das sich aus dem traditionellen Hobeln entwickelt hat und in einem einzigen Arbeitsgang Präzision und eine glatte Oberfläche ermöglicht. Dieser Artikel dient Ingenieuren als umfassender Leitfaden zum Verständnis dieses Prozesses.
Was ist Räumen?
Räumen kann als Weiterentwicklung des Hobelns betrachtet werden. Dabei wird mit einem mehrzahnigen Schneidwerkzeug, der sogenannten Räumnadel, schichtweise dünne Metallschichten von der Werkstückoberfläche abgetragen. Dies ermöglicht eine hohe Präzision und eine feine Oberflächengüte. Wird die Schnittkraft auf das Werkzeug als Druck- statt als Zugkraft ausgeübt, spricht man von Druckräumen, und das Werkzeug wird als Druckräumnadel bezeichnet. Die Werkzeugmaschine für das Zugräumen heißt Räummaschine, während Druckräumen häufig auf einer Hydraulikpresse durchgeführt wird. Zum Räumen großer Flächen kann eine Folgeverbundräumnadel eingesetzt werden, um die Gesamträumkraft zu reduzieren.
Räumbearbeitungsprozess
Vor dem eigentlichen Räumvorgang ist eine sorgfältige Vorbereitung unerlässlich. Eine Vorrichtung an der Räummaschine fixiert das Werkstück sicher in Position. Die korrekte Ausrichtung ist entscheidend für die Genauigkeit des Endprodukts.
Die Auswahl der passenden Räumnadel ist entscheidend. Räumnadeln unterscheiden sich stark in Form und Größe, und die richtige Wahl hängt von den erforderlichen geometrischen Merkmalen und dem Werkstückmaterial ab. Die Räumnadel wird dann sorgfältig durch oder über das Werkstück geführt und trägt mit jeder Bewegung Material ab. Dieser Vorgang wird in einem einzigen Arbeitsgang abgeschlossen. Die Schnittbewegung kann linear oder rotierend sein, abhängig von der Räummaschine und dem verwendeten Räumnadeltyp.
Nach dem Räumen wird das Werkstück einer gründlichen Prüfung unterzogen, um sicherzustellen, dass alle Anforderungen und Maßtoleranzen erfüllt sind. Gegebenenfalls notwendige Nachbearbeitungen werden zu diesem Zeitpunkt durchgeführt.
Arten der Räumbearbeitung
Räumen ist ein Bearbeitungsverfahren, bei dem die Räumnadel als Schneidwerkzeug dient. Während sich die Räumnadel linear relativ zum Werkstück bewegt, wird das Aufmaß durch die sich in der Größe verändernden Schneidzähne sukzessive abgetragen. Da die gewünschte Form üblicherweise in einem einzigen Arbeitsgang erreicht wird, ist Räumen ein hocheffizientes Verfahren zur Feinbearbeitung. Aufgrund der komplexen Struktur, der hohen Herstellungskosten und der speziellen Anforderungen an die Räumnadel wird dieses Verfahren jedoch hauptsächlich in der Serienfertigung eingesetzt.
Das Räumen wird nach dem zu bearbeitenden Oberflächenmerkmal klassifiziert: Innenräumen und Außenräumen.
Innenräumen
Dieses Verfahren dient zur Bearbeitung von Durchgangsbohrungen und Innenprofilen mit verschiedenen Querschnitten, wie z. B. runden, quadratischen, polygonalen und Keilwellenbohrungen, Keilnuten und Innenverzahnungen. Für das Einsetzen der Räumnadel ist eine vorgebohrte Pilotbohrung erforderlich. Der typische Bohrungsdurchmesser liegt zwischen 8 und 125 mm, die Tiefe beträgt üblicherweise maximal das Fünffache des Durchmessers. In Sonderfällen sind Durchmesser von 3 bis 300 mm und Tiefen bis zu 10 mm möglich.
Außenräumen
Dieses Verfahren dient zur Bearbeitung nicht umschlossener Flächen, wie z. B. ebener Flächen, Konturflächen, Nuten, Schwalbenschwanzverbindungen, Turbinenschaufelfüße und Außenverzahnungen. Es eignet sich besonders für die Serienfertigung großer ebener Flächen und komplexer Konturflächen. Geräumte Oberflächen erreichen Maßgenauigkeiten der Toleranzklassen IT8 bis IT6 und Oberflächenrauheiten von 2.5 bis 0.04 µm.
Zu den Arten der Bearbeitungszugaben am Werkstück gehören:
Umformen. Erzielt hohe Genauigkeit und geringe Oberflächenrauheit, hat aber eine geringere Effizienz. Es erfordert eine längere Räumnadel und wird hauptsächlich für kleine bis mittelgroße runde Löcher und hochpräzise Konturflächen eingesetzt.
Scher-/Progressivverfahren. Geeignet zum Grobräumen komplexer Konturen wie quadratischer, polygonaler und Keilwellenbohrungen. Die Räumwerkzeuge sind einfacher herzustellen, die Oberflächenqualität ist jedoch geringer.
Ringschnitt/Überlappung. Hohe Schnittleistung, wodurch die Räumnadellänge reduziert wird, jedoch eine geringere Oberflächenqualität erzielt wird. Vorwiegend wird dieses Verfahren für größere Bohrungen mit großzügigen Bearbeitungszugaben und geringeren Präzisionsanforderungen eingesetzt.
Integrierter Ring. Nutzt das Konturschneidverfahren zum Schruppen und das Formschneidverfahren zum Schlichten und vereint so die Vorteile beider Verfahren. Er findet breite Anwendung beim Räumen von Rundlöchern.
Vorteile des Räumens
Hohe Produktivität. Obwohl die Schnittgeschwindigkeit beim Räumen generell gering ist, sorgt die Mehrzahnung der Räumnadel dafür, dass viele Zähne und eine lange Schneide gleichzeitig im Eingriff sind. Darüber hinaus wird der gesamte Bearbeitungsprozess – Schruppen, Vorschlichten und Schlichten – in einem einzigen Durchgang abgeschlossen, wodurch die Bearbeitungszeit und die Nebenzeiten deutlich reduziert werden.
Hohe Präzision und feine Oberflächengüte. Die Räumnadel verfügt über einen Kalibrierabschnitt, der die Abmessungen kalibriert und die Oberfläche glättet. Die Kalibrierzähne arbeiten mit minimaler Schnittkraft und reduzieren lediglich die elastische Rückstellkraft des Materials. Die niedrige, konstante Schnittgeschwindigkeit trägt zudem zur Vermeidung von Aufbauschneiden bei.
Einfache Maschinenstruktur und Funktionsweise. Beim Räumen erfolgt eine einzige Hauptbewegung, der lineare Vorschub des Räumwerkzeugs. Die Vorschubbewegung ist durch den inkrementellen Höhenunterschied zwischen benachbarten Zähnen, den sogenannten Zahnhub, im Werkzeug integriert.
Nachteile des Räumens
Hohe Kosten für Räumwerkzeuge. Aufgrund der komplexen Struktur, Form und der hohen Anforderungen an Genauigkeit und Oberflächenqualität sind die Herstellungskosten von Räumwerkzeugen hoch. Die geringe Schnittgeschwindigkeit führt jedoch zu geringem Werkzeugverschleiß und langer Standzeit. Ein einzelnes Räumwerkzeug kann mehrfach nachgeschärft werden und ermöglicht die Bearbeitung Tausender Teile pro Schärfung. Die hohe Produktionsmenge führt zu niedrigen Werkzeugkosten pro Stück.
Positionsfehler können nicht korrigiert werden. Durch Räumen lassen sich Positionsfehler, wie beispielsweise die Achsenfehlausrichtung des vorgebohrten Lochs, nicht beheben.
Beschränkung auf Kleinserienfertigung. Die hohen Kosten und langen Lieferzeiten für die Räumnadelherstellung machen das Verfahren unwirtschaftlich für Kleinserienfertigungwas eine sorgfältige Abwägung von Kosten und Lieferzeit erfordert.
Einschränkungen bei der Bearbeitung von Sacklöchern. Die zunehmende Größe der Räumzahnzähne erfordert eine bestimmte Länge, um die endgültige Form zu erreichen, und das Werkzeug muss das Werkstück vollständig durchdringen. Daher ist es für die Bearbeitung von Sacklöchern ungeeignet. Für Sacklöcher werden typischerweise Nutfräser oder Druckräumwerkzeuge verwendet.
Anwendungen der Räumbearbeitung
Obwohl Innenräumwerkzeuge fest dimensioniert und für bestimmte Innenflächenabmessungen und -formen ausgelegt sind, können verschiedene Innenräumwerkzeuge diverse Durchgangsbohrungen bearbeiten, darunter runde, quadratische, polygonale und Keilwellenbohrungen sowie Innenverzahnungen. Sie werden auch für verschiedene Nutformen eingesetzt, beispielsweise für Keilnuten, T-Nuten, Schwalbenschwanznuten und Tannenzapfennuten an Turbinenscheiben. Außenräumen ermöglicht die Bearbeitung von ebenen und konturierten Oberflächen, Außenverzahnungen und Schaufelfußformen.
Die vorgebohrte Bohrung erfordert keine präzise Oberflächenbearbeitung, und das Werkstück benötigt keine aufwendige Spannvorrichtung; es wird lediglich an seiner Stirnfläche gehalten. Dies setzt eine Rechtwinkligkeit zwischen der ursprünglichen Bohrungsachse und der Stirnfläche voraus. Ist die Bohrungsachse nicht rechtwinklig zur Stirnfläche, muss die Stirnfläche des Werkstücks auf einer Kugelscheibe aufliegen. Unter dem Einfluss der Räumkraft können sich Werkstück und Scheibe leicht drehen, wodurch sich die Bohrungsachse automatisch an die Achse des Räumwerkzeugs anpasst.
Das Räumen ist hauptsächlich anwendbar auf Serien- und MassenproduktionEs eignet sich besonders für die Bearbeitung großer, komplexer Profile in hohen Stückzahlen, wie beispielsweise Zylinderblöcke für Motoren. Allerdings wird es auch in der Einzel- oder Kleinserienfertigung für bestimmte hochpräzise, speziell geformte Oberflächen eingesetzt, die mit anderen Verfahren schwer zu bearbeiten sind.
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Überlegungen zur Räumbearbeitung
Materialhärte
Die optimale Materialhärte für das Räumen liegt typischerweise zwischen 170 und 240 HB. Härtere Werkstoffe führen im Allgemeinen zu einer besseren Oberflächenqualität als weichere, da weiche Werkstoffe zum Fressen an den Schneidkanten der Räumnadel neigen und dadurch Kratzer verursachen. Umgekehrt führen zu harte Werkstoffe zu schnellem Verschleiß der Räumnadel und verkürzt deren Standzeit.
Vorbohrung
Die Größe und Qualität der Pilotbohrung für eine Rundräumnadel beeinflussen maßgeblich die Oberflächenqualität, die Werkzeugstandzeit und die Genauigkeit. Daher muss die Pilotbohrung korrekt gefertigt sein.
Rechtwinkligkeit: Die Pilotbohrung muss senkrecht zur Montagefläche verlaufen. Abweichungen von der Rechtwinkligkeit können zu Verformungen der Räumnadel und damit zu unzureichender Genauigkeit und Oberflächenqualität führen.
Dimensionierung: Ist das Vorbohrloch zu klein oder verbogen, kann der vordere Führungszapfen der Räumnadel nicht eingeführt werden. Ist das Loch zu groß, kann die Räumnadel einseitig exzentrisch anliegen.
Verunreinigungen: Das Vorhandensein von abgelösten Bohrkanten oder anderen harten Fremdkörpern im Pilotbohrloch ist ein Faktor, der die Standzeit der Räumnadel verringert.
Schneidgeschwindigkeit
Die Schnittgeschwindigkeit beeinflusst die Oberflächenqualität, die Bearbeitungsgenauigkeit und die Standzeit des Räumwerkzeugs. Die Wahl der Schnittgeschwindigkeit ist entscheidend und richtet sich nach der Zerspanbarkeit des Materials. Die Räumgeschwindigkeit liegt üblicherweise zwischen 2 und 8 m/min.
Wandstärke
Die Wandstärke des Werkstücks beeinflusst die Bearbeitungsgenauigkeit von Bohrungsdurchmesser und Rundheit geringfügig. Beim Räumen wirkt auf das Werkstück eine Radialkraft, die durch elastische und plastische Verformung eine Ausdehnung verursacht. Nach dem Schnitt stellt die elastische Rückstellung weitgehend die ursprüngliche Form wieder her. Bei zu starker Verformung während der Bearbeitung bleibt jedoch eine gewisse plastische Verformung bestehen, was bedeutet, dass die elastische Rückstellung stark von der Werkstückwandstärke abhängt.
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