Entgraten

Die nachfolgenden Definitionen dienen keinesfalls als Basis für eine wissenschaftliche Abhandlung. Wir nehmen uns auch nicht heraus zu behaupten, dass alle Facetten des Entgratens, des Grates und aller anderen, angesprochenen Punkte eingehend betrachtet und vollständig erfasst sind. Wir möchten unseren Kunden und Interessenten einen groben Überblick verschaffen, damit Sie verstehen, wofür wir Anlagen bauen.

Was ist entgraten?

Um diese Frage beantworten zu können, wollen wir zunächst klären, was gemeinhin unter dem Begriff „Grat“ zu verstehen ist.

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Ein Grat ist eine Materialausformung, welche durch unterschiedliche Herstellungs- und / oder Bearbeitungsverfahren erzeugt werden kann. Sie ist fest mit dem eigentlichen Bauteil verbunden, ohne tatsächlich gemäß Bauteilzeichnung ein Teil davon zu sein.

Beim Gießen beispielsweise wird das überschüssige Material, welches zwischen den zwei Formhälften herausdrückt, als Teilungsgrat bezeichnet.

Ein Bearbeitungszentrum erzeugt beim Abtragen einer Oberfläche an der Auslaufkante des Werkzeugs einen sogenannten Auslaufgrat.

Auch beim Bohren, Stanzen oder Drehen können Grate entstehen.

Das Spektrum der Grate geht dabei von mikroskopisch klein bis zu mehreren Millimeter dick. Ihre Ausprägung hängt von unterschiedlichen Faktoren ab. Beim Gießprozess wird die Ausprägung zum Beispiel durch Alter und Material der Gießform beeinflusst, aber auch durch die Eigenschaften des Gießmaterials selbst.

Bei einer mechanischen Bearbeitung kann der Grat je nach Prozessparametern der Bearbeitung, Standzeit des Werkzeugs und Materialeigenschaften des Werkstücks stärker oder schwächer ausgebildet sein.

In der Regel scharfkantig sind Grate bei Folgeprozessen, wie beispielsweise nachfolgenden Fertigungsschritten, oder Montagen unerwünscht und müssen entfernt werden.

Der Prozess des „Entgratens“ beschreibt die Entfernung von Grat unter Zuhilfenahme unterschiedlicher Verfahren, welche grob in mechanische, chemische und thermische Entgratung unterteilt werden können. Dabei werden weder Ein- noch Ausgangsgrößen näher spezifiziert.

Jeder Nutzer von Entgrat-Applikationen muss hier selbst definieren, was erreicht werden soll. In der Regel werden hierzu Entgrat-Spezifikationen erstellt. Durch sie ist für den Innen- und Außenbereich von Werkstücken klar geregelt, welche Zielwerte mit entsprechenden Toleranzbereichen zulässig sind. Zudem werden auf Zeichnungen entsprechende Maßangaben gemacht.

Zur Bestimmung des richtigen Entgratprozesses um das gewünschte Ergebnis erzielen zu können, muss zunächst die Art des Grates bestimmt werden.

Grat ist nicht gleich grat

Weißt ein Bauteil einen Grat auf, der entfernt werden soll, muss zunächst die Art des Grates bestimmt werden. Dies erfolgt indem man sowohl die Materialeigenschaften des Werkstoffs, als auch den Entstehungsprozess des Grates betrachtet.

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Grundvoraussetzungen für die Entstehung eines Grates sind:

  • Die Verwendung eines plastisch verformbaren Werkstoffs
  • Eine Krafteinwirkung auf den Werkstoff, meist in Form einer Zerspan- oder Vorschubkraft im Rahmen eines gratbildenden Fertigungsverfahrens

Gratbildende Fertigungsverfahren sind:

  • Urformen (Gießen, Pressen, Sintern)
  • Umformen (Walzen, Formen, Eindrücken)
  • Trennen (Drehen, Fräsen, Schneiden, Sägen, Räumen, …)
  • Fügen (Schweißen, Gießen, …)

Betrachtet man die unterschiedlichen Verfahren, kann man feststellen, dass durch sie verschiedene Gratformen ausgebildet werden. Diese Ausbildung beruht auf den verschiedenen Kräften, welche abhängig vom Fertigungsprozess auf das Bauteil wirken.

Betrachten wir die Gratbildung am Beispiel einer Bohrung näher. Beim Bohren entstehen 2 unterschiedliche Grate, zum einen im Bereich des Bohrungseintritts, zum anderen im Bereich des Bohrungsaustritts.

Der, beim Bohrungseintritt entstehende Grat beruht auf der Eingriffsart des Bohrers. Dieser wird zu Beginn der Bohrlocherzeugung in das Werkstück eingedrückt und verdrängt somit das Material an der Werkstückoberfläche.

Für Bohrungen werden sehr häufig Spiralbohrer eingesetzt, deren Schnittgeschwindigkeit in der Werkzeugmitte nahezu 0 ist. Der Bohrer schiebt folglich im Bereich der Bohrlochmitte das Material mehr vor sich her, als dass es aus dem Vollmaterial herausgeschnitten wird. Vor dem Bohrlochaustritt wird das überschüssige Material zunächst im Bauteilinneren am Bohrungsboden aufgewölbt. Durchbricht der Bohrer den Boden, wird das Restmaterial über die Kante gebogen und verbleibt als Grat am der Bohrlochaußenseite.

Neben der aufgebrachten Kraft durch den Fertigungsprozess hat auch der Werkstoff selbst Einfluss auf die Gratausbildung. Zum besseren Verständnis zunächst einige Definitionen unterschiedlicher Begrifflichkeiten:

Gitter / Kristall:
Betrachtet man einen metallischen Werkstoff auf Atom-Ebene, kann man feststellen, dass die Atome regelmäßig im Raum angeordnet sind. Zwischen diesen Atomen herrschen große Bindungskräfte. Man spricht bei diesem Atomverbund auch von Kristallen. Abhängig von der Packungsdichte und Anzahl der Atome innerhalb einer Elementarzelle spricht man von unterschiedlichen Gittertypen. Insgesamt gibt es 7 verschiedene Haupt-Gittertypen (siehe Tabelle 1), wobei die meisten Metalle kubisch oder hexagonal kristallisieren. Einige Metalle können zudem in unterschiedlichen Temperaturbereichen verschiedene Gittertypen ausbilden.

GittertypGestalt der Elementarzelle (Beispielhaft)
TriklinAllseitig schiefer Ziegelstein
MonoklinIn einer Richtung schiefer Ziegelstein
OrthorhombischNormaler Ziegelstein
TetragonalIn einer Richtung gestreckter Würfel
RhomboedrischAllseitig schiefer Würfel
HexagonalEin Stück Sechskantmaterial gerade geschnitten
KubischWürfel

Elementarzelle:
Der Begriff der Elementarzelle beschreibt die kleinste Volumeneinheit eines Raumgitters in dem alle Symmetriemerkmal eines Kristallsystems vertreten sind. Durch periodische Verschiebung der Kanten kann die Entstehung eines Raumgitters simuliert werden.

Mit den vorgenannten Definitionen wird ein Idealkristall beschrieben. Der Realkristall berücksichtig neben der Tatsache, dass Atome in der Wirklichkeit keine Kugelgestalt haben und sich nicht in Ruhelage befinden auch:

  • Die endliche Begrenzung (gemeint ist die Oberfläche des Metalls)
  • Die Existenz gestörter Bereiche (Leerstellen, Fremdatome, Versetzungen)

Versetzungen:
Versetzungen sind Liniendefekte, welche in großer Dichte im Gitter vorkommen. Sie beeinflussen die Werkstoffeigenschaften in hohem Maß und zeichnen sich durch folgende Eigenschaften aus:

  • Sie haben einen Richtungssinn, das heißt, sie ziehen sich an, oder stoßen sich ab.
  • Sie können sich bewegen, das heißt, sie bewirken eine Deformation des Materials durch massenhaftes Wandern innerhalb des Gitters
  • Sie bilden die Ursache für Eigenspannungen und Verfestigungen

Plastisch Verformung:
Bei einer plastischen Verformung spricht man auch von einem „fließen“ des Werkstoffs. Durch eine von außen aufgebrachte Kraft definierter Größe wird die Grenzspannung im Werkstoff überschritten, wodurch es zu einem Wandern der Versetzungen und somit zu einer Umformung des betreffenden Werkstoffs kommt. Entsprechend der Gittergeometrie erfolgt dies in bevorzugten Ebenen und Richtungen.

Die physikalischen und technischen Eigenschaften eines Werkstoffs werden folglich sowohl vom Grundgitter des Kristalls, als auch von der Art, Anzahl und Anordnung von Gitterfehlern und gitterfremden Bausteinen bestimmt.

Für jeden das Richtige

So, wie es unterschiedliche Arten von Grat gibt, können zur Entfernung des Selben auch unterschiedlichste Verfahren zum Einsatz kommen. Nachfolgend werden die Gängigsten von ihnen kurz erläutert. Wir erheben keinen Anspruch auf Vollständigkeit und bitten deshalb zu entschuldigen, sollte das ein, oder andere Verfahren unerwähnt bleiben.

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Gleitschleifen / Trowalisieren:
Das Gleitschleifen ist eines der gängigsten Entgratverfahren. Die Methode haben sich die Menschen, wie so vieles andere auch, von der Natur abgeschaut, wo Sand und Wasser grobe Felsen zu glatten Kieselsteinen schleifen.

Die richtige Kombination aus Maschine, Schleifkörper, Compound und Wasser ermöglicht in der modernen Fertigungstechnik die Bearbeitung fast jeder Oberfläche. Die Werkstücke werden dabei als Schüttgut zusammen mit dem Schleifmedium in einen Behälter gegeben. Durch rotieren und oszillieren des Behälters wird eine Relativbewegung zwischen Werkstück und Schleifmedium erzeugt, welche zum Materialabtrag führt.

Je nach Anforderung können Werkstücke auf diese Art entgratet, poliert, gleitgeschliffen, entzundert, gereinigt, geglättet oder die Kanten verrundet werden.

+ Vorteile

  • Bauteile können als Schüttgut angeliefert werden
  • Geringerer Platzbedarf als andere Verfahren
  • Keine Vorrichtungen erforderlich
  • Hohe Ausbringungsmenge
  • Kantenverrundung

– Nachteile

  • Komplexe Bauteil-Geometrien oder Vertiefungen können nicht vollständig bearbeitet werden
  • Grate können in die Bohrungen geboten werden
  • Nicht für schlagempfindliche oder hochpolierte Bauteile geeignet.
  • Kein definierter Materialabtrag möglich
  • Ist nicht zur Verkettung in einer Fertigungslinie für Stückgut geeignet
  • Ist nicht für große Bauteile geeignet

Elektrochemisches Entgraten:
Mit dem Verfahren der „elektrochemischen Metallbearbeitung“ kurz ECM lassen sich alle leitenden Materialen berührungsfrei, ohne thermische, chemische, oder mechanische Einflüsse entgraten. Dabei wird das Werkstück als Anode (positiv) gepolt, das Werkzeug ist die Kathode. Eine elektrisch leitende Flüssigkeit (Elektrolylösung) schließt den Stromkreis.

Vereinfacht erklärt funktioniert eine ECM-Entgratung wie folgt:
Das Werkstück wird in einer Vorrichtung gespannt und mittels Generator positiv geladen. Die Werkzeugelektrode / Katode wird nun im Abstand von 0,5 – 2mm an der zu entgratenden Stelle an das Werkstück herangeführt. Zwischen Werkstück und Werkzeug entsteht ein sogenannter Wirk- oder Arbeitsspalt. Durch ihn wird die Elektrolyt-Lösung geleitet. Wird nun an Werkstück und Elektrode ein Gleichspannung angelegt, fließt ein elektrischer Strom über den Arbeitsspalt und bewirkt einen Ladungsaustausch, bzw. einen Auflösungsprozess. Die Intensität der Entgratwirkung kann bei diesem Verfahren folglich über die Bearbeitungsspannung, sowie die Zeit gesteuert werden.

+ Vorteile

  • Gezielte Formentgratung ausgewählter Stellen möglich
  • Mechanische Eigenschaften haben keinen Einfluss auf Bearbeitbarkeit
  • Arbeitet berührungslos
  • Werkzeug ist verfahrenstechnisch Verschleißfrei
  • Das Bauteil unterliegt keiner Wärmebeanspruchung
  • Kein Sekundärgrat
  • Z.T. kurze Entgratzeiten

– Nachteile

  • Bauteil muss metallisch sein
  • Herkömmliche Materialien und Konstruktionsprinzipien können nicht verwendet werden
  • Bauteile müssen Späne- und Fettfrei sein
  • Nach der ECM-Entgratung müssen die Bauteile in Klarwasser gereinigt werden
  • Bauteile müssen u.U. konserviert werden
  • Abhängig von der Bauteilgeometrie können zusätzliche Konturen nicht ohne Weiteres implementiert werden

Thermisches Entgraten:
Das thermische Entgraten, oder korrekt thermisch-chemisches Entgraten gehört zu den ungezielt wirkenden Bearbeitungsverfahren. Einzig der Abtrag des Grates ist gewährleistet. Entgratet werden können nahezu alle oxidierenden Werkstoffe.

Beim thermischen Entgraten befindet sich das Werkstück in einer Entgratkammer. Diese wird mit einem Sauerstoff-Brenngasgemisch gefüllt und durch einen Zündfunken, bzw. eine Glühstrecke gezündet. Dabei werden je nach Gemisch und Gasmenge bis zu 3.000°C erreicht. Das Werkstück selbst erwärmt sich hingegen nur unwesentlich (ca. 100 – 190°C, abhängig von dessen Wärmekapazität).

Durch den abrupten Temperaturanstieg werden all die Werkstückbereiche überhitzt, deren Oberflächen im Verhältnis zu Ihrem Volumen sehr groß ist. In der Regel sind dies Grate, die auf Grund des entstehenden Wärmestaus bei diesem Vorgang zunächst angezündet und dann verbrannt werden.

+ Vorteile

  • Entfernung von Grat an unzugänglichen Stellen
  • Absolute Gratfreiheit
  • Universelles Verfahren ohne Werkstückbindung
  • Sehr geringe Taktzeit

– Nachteile

  • Keine definierte Kantenverrundung
  • Nur für oxidierende Werkstoffe
  • Nicht für gehärtete Bauteile geeignet
  • Werkstücke mit einem größeren Volumen können nur bedingt entgratet werden
  • Müssen frei von losen Spänen und Fetten sein
  • Evtl. Tauchen in ein stark verdünntes Säuregemisch als Nachbehandlung erforderlich

Hochdruckwasserstrahlentgraten:
Beim Hochdruckwasserstrahlentgraten wird der Grat an seiner dünnsten zur Verfügung stehenden Stelle abgebrochen. Häufig wird dem Wasser ein abrasives Medium beigefügt um die Abtragswirkung zu verbessern. Besonders gut geeignet ist dieses Entgratverfahren für Werkstücke aus Leichtmetall. Eine Lanze leitet den Wasserstrahl zu der zu entgratenden Stelle. Hier wird er über Düsen auf das Werkstück aufgebracht. Das Wasser hat in der Regel zwischen 600 und 1.000 bar Vorteil: gezieltes Entfernen der Grate, für große Serien geeignet, Entgraten, Entspanen und Reinigen in einem Arbeitsgang Nachteil: Großer Programmieraufwand der CNC-gesteuerten Maschine, lange Durchlaufzeiten, großer Handling-Aufwand, nur programmierte Stellen werden entgratet.

+ Vorteile

  • Auch komplizierte Werkstücke können bearbeitet werden
  • Gezielte Grat-Entfernung
  • Für Großserien sehr gut geeignet
  • Entgraten, Entspanen und Reinigen in einem Arbeitsgang

– Nachteile

  • Großer Programmieraufwand der CNC-gesteuerten Maschine
  • Durchlaufzeiten relativ lang
  • Hoher Handlingaufwand
  • Entgraten nur an programmierten Stellen
  • Durch abrasives Medium Veränderung der Oberflächenstruktur

Mechanisches Entgraten (mittels Roboter):
Zum mechanischen Entgraten wird jeder Materialabtrag bzw. jede Zerspanarbeit gezählt, welcher mittels angetriebenen Werkzeugen erfolgt und die Entfernung des Grates am Bauteil zum Ziel hat. Hierzu zählen ebenfalls alle Handentgratoperationen. Der Materialabtrag erfolgt mittels einer Schneide, welche geometrisch bestimmt (z. B. Fräser, Feiler) oder unbestimmt (z. B. Schleifband, Bürste) sein kann.

Früher fast ausschließlich über Handentgratarbeitsplätze gelöst, übernehmen heute immer häufiger Roboter die Aufgabe der mechanischen Entgratung. Dies bedingen vor allem nachfolgend aufgeführte Anforderungen an Bauteil und Fertigungsprozess einer modernen Industrie:

  • Von Sorgfalt und Leistungsvermögen des Mitarbeiters unabhängiges Entgratergebnis
  • Prozesssicherheit
  • Senkung der Produktionskosten durch Rationalisierung
  • Belastungen des Werkers durch Schmutz, Geräusche, schwere Gewichte, etc. reduzieren
  • Erhöhung der Produktivität
  • Verringerung des Platzbedarfs

Die mechanische Entgratung mittels Roboter eignet sich für eine Vielzahl unterschiedlicher Entgrataufgaben und kann als Automatisierungslösung gut in bestehende Fertigungslinien integriert werden. Auch die direkte Anbindung an ein Bearbeitungszentrum zur zusätzlichen Be- und Entladung ist gängige Praxis.

Zur robotergestützten Entgratung gibt es zwei unterschiedliche Varianten. Bei Variante 1 wird das Bauteil mittels Roboter an die unterschiedlichen Bearbeitungswerkzeuge herangeführt. Dieses Verfahren eignet sich für kleine bis mittlere Bauteilgewichte und -dimensionen.

WMS Werkstückgeführte Entgratung

Abbildung: Werkstückgeführte Entgratung

Variante 2 wird häufig bei großen Werkstückgewichten eingesetzt. Dabei wird das Werkstück an einer definierten Position fixiert und der Roboter führt die Werkzeuge an die zu entgratenden Konturen.

 

WMS Werkzeuggeführte Entgratung

Abbildung: Werkzeuggeführte Entgratung

In beiden Fällen kann unter Berücksichtigung von Schneidengeometrie, Anstellwinkel, Vorschubgeschwindigkeit, Verweildauer und Materialeigenschaften für eine Vielzahl von Konturen eine definierte Phase erzeugt werden.

+ Vorteile

  • Flexible Bearbeitung
  • Unterschiedliche Werkzeuge einsetzbar
  • Erweiterbar um vorbereitende oder nachfolgende Prozesse (Gussputzen, Polieren, …)
  • Entfernen starker Grataufwürfe
  • Gut geeignet für Großserienteile
  • Kann für unterschiedliche Bauteildimensionen und -gewichte genutzt werden
  • Alle erreichbaren, zu entgratenden Konturen werden erfasst
  • Kann ohne Zusätze direkt mit BAZ verbunden werden

– Nachteile

  • Großer Programmieraufwand
  • Z.T. hohe Investitionskosten
  • In Bohrungsverschneidungen bleibt ein Wurzelgrat zurück
  • Auf Grund der Zugänglichkeit kann nicht jede Kontur uneingeschränkt bearbeitet werden

 

Das Steckenpferd der WMS

Seit 1986 beschäftigt man sich mit der mechanischen Präzisionsentgratung unterschiedlicher Bauteile. Zunächst als Teil der SIG Schweiz für ein eigenes Produkt entwickelt, lieferte man roboterbasierte Entgratanwendungen schon bald auch an Kunden außerhalb des Konzerns.

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1994 gründete man ein eigenes Unternehmen und übernahm Kunden, Technologie und Patente der SIG. Seit dieser Zeit konstruiert, baut und programmiert die WMS-engineering Werkzeuge – Maschinen – Systeme GmbH zuverlässige, prozesssichere Entgratapplikationen im Bereich der robotergeführten, mechanischen Entgratung.


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