Schleifen

Abrichtstrategie und Prozessführung beeinflussen die Qualität des Schleifens

30.05.2007 | Autor / Redakteur: Tjark Lierse / Bernhard Kuttkat

Für ein optimales Ergebnis beim Verzahnungsschleifen ist, außer der Optimierung des Schleifprozesses an sich, vor allem auch die Abrichtstrategie und deren Prozessführung zu berücksichtigen. Das Abrichten von Schleifscheiben kann einerseits durch Form- und Profilabrichten, andererseits mit stehendem oder rotierendem Abrichtwerkzeug erfolgen.

Zum Abrichten von Schleifscheiben wird Diamant in seinen unterschiedlichen Modifikationen eingesetzt. Die uneingeschränkte Überlegenheit des Diamanten gegenüber den Schleifstoffen ist seine Härte. Weil oberhalb von 900 °C eine Graphitisierung des Diamanten einsetzt, sind höhere Temperaturen jedoch zu vermeiden. Nur dann kann Diamant wirkungsvoll als Abrichter für Schleifscheiben eingesetzt werden.

Eine Unterteilung der möglichen Verfahren zum Abrichten von Schleifscheiben kann einerseits in Form- und Profilabrichten erfolgen, andererseits kann das Abrichten mit stehenden oder rotierenden Abrichtwerkzeugen durchgeführt werden. Beim Form-Abrichten erzeugt das Werkzeug durch bahngesteuertes Abfahren entlang eines vorgegebenen Weges die Schleifscheibenkontur. Das Werkzeug kann stehend oder rotierend als Formrolle ausgeführt sein. Beim Profilabrichten ist die Geometrieinformation des Werkstücks bereits im Abrichtwerkzeug enthalten. Auch hier gibt es die stehende Ausführung (Block) und die rotierende Profilrolle.

Vielfältige Einflussgrößen auf den Schleifprozess

Aus diesen verfahrensbedingten Unterschieden ergeben sich für den Abrichtprozess wesentliche Einflussgrößen, die das Abrichtergebnis in weiten Grenzen beeinflussen können. Für das Form-Abrichten sind dies die Geometrie des Abrichters (in der Regel der Radius des Werkzeugs) sowie der Überdeckungsgrad Ud. Bei Profil-Abrichtern ist vor allem die Diamantierung für das Abrichtergebnis entscheidend.

Rotierende Werkzeuge können beim Abrichten die gleiche oder entgegensetzte Drehrichtung zur Schleifscheibe aufweisen. Das Geschwindigkeitsverhältnis zwischen Schleifscheibe und Abrichter ist bei rotierenden Abrichtwerkzeugen eine weitere Stellgröße, die das Abrichtergebnis beeinflusst.

Schleifprofil per Bahnsteuerung erzeugt

Mit scheibenförmigen Werkzeugen lassen sich die Evolventen von Stirnrädern nur diskontinuierlich erzeugen, das heißt die Bearbeitung erfolgt Zahnlücke für Zahnlücke. Die beiden wichtigsten nach diesem Prinzip arbeitenden Verfahren sind das Teilwälzschleifen und Profilschleifen. Aufgrund ihrer sehr unterschiedlichen Kinematik können sie jedoch nur bedingt miteinander verglichen werden.

Auf neueren Maschinen kommen heutzutage, wegen der besseren Reproduzierbarkeit der Abrichtergebnisse, fast ausschließlich Formrollen zum Einsatz. Diese sind gekennzeichnet durch eine Wirkbreite, die kleiner als die Schleifscheibenbreite ist. Das zu erzeugende Profil wird zumeist per Bahnsteuerung erzeugt.

Diese Werkzeuge sind damit außerordentlich flexibel. Allerdings ist für den Einsatz einer Formrolle eine zusätzliche Investition – die Spindel – notwendig. Durch geeignete Wahl der Formrollenausführung lassen sich Schleifprozesse sehr prozesssicher einstellen.

Schleifwerkzeuge mit hohen Standzeiten

Die hohe Anzahl an Abrichtdiamanten führt zu einer guten Maß- und Formkonstanz des Werkzeugs und damit zu hohen Standzeiten. Ein weiterer Vorteil ist – je nach Ausführungsart – die Möglichkeit der mehrfachen Instandsetzung, ohne eine grundlegende Veränderung des Abrichtverhaltens in Kauf nehmen zu müssen.

Die Ausführungsarten von Formrollen unterscheiden sich in erster Linie durch die Art der Diamantierung (Bild 1). Formrollen mit Radien R > 0,4 mm können in gestreuter Naturdiamantkörnung hergestellt werden. Der überwiegende Teil von Formrollen dieser Diamantierungsart liegt im Radienbereich von R = 1,5 bis 5 mm. Die gestreute Ausführung liefert gutes Abrichtverhalten.

Nachschleifen eingeschränkt

Diese Art der Werkzeuge sind jedoch nicht (oder nur eingeschränkt) nachschleifbar. Ein Nachschleifen ist nur sinnvoll, wenn die Diamantierung noch weitgehend intakt und der Radius nicht stark durch Anflächungen verschlissen ist. Nach dem Erreichen des Standzeitendes, das zumeist durch Formverlust des Radius oder durch einen hohen Anteil an herausgebrochenen Diamanten gegeben ist, haben diese Werkzeuge nur noch einen Restdiamantwert.

Kleinere Formrollen-Radien im Bereich von R = 0,3 bis 0,5 mm werden durch den Einsatz von Diamant-Nadeln hergestellt. Die dichteste Diamantierung wird durch die Anordnung im „Reißverschluss“ erzielt. Die länglich geformten Steine liegen abwechselnd auf den Profilflanken und treffen im Radiusbereich dicht anliegend zusammen. Die tiefe Einbettung der Diamanten in der Matrix verleiht ihnen einen ausgezeichneten Halt, der erforderlich ist, um den hohen Belastungen beim starken Anschliff des Radius und später beim Abrichten standhalten zu können [1].

Einen enormen Vorteil im Hinblick auf die Gesamtlebenszeit einer Formrolle bietet die Diamantierung mit synthetischen Diamanten. Monokristalliner Diamant hat sich wegen des enormen Preises nicht durchsetzen können. Dagegen bietet CVD-Diamant eine gute Alternative. Am häufigsten finden stäbchenförmigen Diamanten Verwendung. Durch ihre Länge weisen sie eine sehr gute Einbindung in der Matrix auf und sind damit gegen Kornausbruch gut geschützt. Mit dieser Technik lassen sich Formrollen mit Radien bis R = 0,03 mm herstellen. Die eingeschlossenen Winkeln können minimal W = 10° betragen.

Abrichter mit Formplatten sind häufig nachschleifbar

Die neueste Entwicklung sind CVD-Diamant-Formplatten, die – entsprechend der geometrischen Anforderung – mittels Lasertechnik sehr genau an die Geometrie des Werkzeugs angepasst werden können. Damit lassen sich komplexe, „fräserartige“ Abrichtwerkzeuge herstellen, die allen bisherigen Werkzeugkonzepten bei weitem überlegen sind.

Durch unterschiedliche CVD-Diamant-Materialien, verschiedenen Plattenstärken und eines für die Abrichtaufgabe angepassten Setzmusters kann auf den Abrichtprozess sehr differenziert Einfluss genommen werden. Der größte Vorteil dieser Technik besteht in der Möglichkeit diese Werkzeuge häufig nachschleifen zu können, ohne das grundsätzliche Abrichtverhalten zu ändern.

Das wichtigste Verfahren zur Hartbearbeitung von Kegelrädern ist das Schleifen. Aufgrund der komplexen geometrischen Verhältnisse kann die Bearbeitung nur im diskontinuierlichen Betrieb „Zahnlücke für Zahnlücke“ erfolgen. Zum Einsatz kommen für diese Bearbeitung topfförmige Schleifscheiben. Für das Abrichten wird die CNC der Schleifmaschine genutzt. Dadurch ist das Abrichtwerkzeug nahezu unabhängig von der Geometrie der Verzahnung und kann flexibel für ein weites Spektrum an Verzahnungen eingesetzt werden, ohne Rüstaufwand zu verursachen.

Abrichten von Topfscheiben

Durchgesetzt haben sich zwei prinzipiell unterschiedliche Verfahren, die sich in der Anordnung der Achsen zwischen Abrichter und Schleifscheibe unterschieden. Bild 2 stellt die beiden Varianten gegenüber. Beide Verfahren arbeiten nach dem gleichen Prinzip und nutzen die Bahnsteuerung der Maschine zum Übertragen des Profils auf die Schleifscheibe.

Das kontinuierliche Wälzschleifen ist das wichtigste Verfahren zur Feinbearbeitung von Verzahnungen in der Serienproduktion. Gerade in den letzten Jahren hat sich dieses Verfahren durch verbesserte Antriebstechnik und die Entwicklung leistungsfähigerer Schleifscheiben enorm weiterentwickelt. Ein wesentliches Merkmal für das Wälzschleifen sind die erreichbaren hohen Teilungs- und Rundlaufgenauigkeiten. zusätzlich zu allen vorkommenden Profil- und Flankenmodifikationen können auch die Zahnfußausrundung und der Zahnkopf (Kopfkantenbruch) problemlos bearbeitet werden.

Schnelles Abrichtverfahren schränkt Flexibilität ein

In Bild 3 sind die möglichen Verfahren zum Abrichten einer Schleifschnecke dargestellt. Von links nach rechts steigt die Produktivität durch die Schnelligkeit des Abrichtverfahrens, andererseits sinkt jedoch die Flexibilität. Jedes der Verfahren hat damit eine Berechtigung durch seine spezifischen Vorzüge, wobei das Profilieren mit Abrichtscheibensätzen und Profilrollen am häufigsten eingesetzt wird.

Ein bereits seit Jahren in den USA verbreitetes Verfahren ist das zeilenförmige Abrichten einer Schleifschnecke. Zeile für Zeile werden durch ein 180°-Radienwerkzeug (NC10) die Profilmodifikationen auf die Schleifschnecke übertragen. Die Überdeckung der Zeilen bestimmt die Genauigkeit der Verzahnungsausbildung. Durch die geometrieunabhängige Formrolle lassen sich die Profilmodifikationen individuell anpassen.

Mit dem Einzug der Lineartechnik, veränderten Abrichtergeometrien zur Erzielung einer besseren Überdeckung sowie neuesten Softwareentwicklungen sind die Abrichtzeiten deutlich reduziert worden. Interessant ist dieses Verfahren für Kleinserien und die Prototypenfertigung.

Verfahren mit Abrichtscheibensätzen am weitesten verbreitet

Das am weitesten verbreitete Verfahren ist das Abrichten mit Abrichtscheibensätzen. Die Kombination zwischen Flexibilität und Schnelligkeit sind die Vorzüge dieses Verfahrens. Durch Profilrollen lassen sich enorme Einsparungen im Bereich der Serienfertigung erzielen. Beim Liebherr-Abrichten erlaubt eine zusätzliche NC-Achse Winkel- und Zahnweitenkorrekturen während des Abrichtvorganges. Damit ermöglicht das Verfahren eine verschränkungsfreie Bearbeitung durch Diagonalschleifen.

Gerade im Bereich der hochautomatisierten Serienfertigung zählt jede Sekunde. Dort stellt sich das mehrgängige, galvanisch negativ hergestellte Werkzeug als Alternative dar, sehr schnell mehrgängige Schleifscheiben abzurichten. Jedoch können bei diesen Werkzeugen keine Profiländerungen, zum Beispiels fHα-Korrekturen, vorgenommen werden, fehlerhafte oder verschlissene Werkzeuge sind nicht änder- oder regenerierbar.

Das Verfahren „Abrichten mit einem diamantbelegten Zahnrad“ ist aus dem Bereich des kontinuierlichen Profilschleifens oder Verzahnungshonen bekannt. Neuerdings kommt es auch beim kontinuierlichen Schleifen zum Einsatz. Inwieweit sich dieses Verfahren jedoch durchsetzen wird, bleibt abzuwarten - der Fertigungsaufwand ist beträchtlich und das Verschleißverhalten noch nicht ausreichend untersucht.

Zeilenförmiges Abrichten

Weil das kontinuierliche Wälzschleifen ein generierendes Schleifverfahren ist und durch die Wälzbewegung die Schleifscheibengeometrie nicht direkt auf dem Zahnrad abgebildet wird, ist eine aufwändige Simulationstechnik zur Werkzeugherstellung erforderlich. Die durch den Konstrukteur festgelegten Anforderungen an die Verzahnung wie Makrogeometrie, Profil- und Flankenmodifikationen oder die Zahnfußgestaltung, müssen entsprechend berücksichtigt und für die Bearbeitung umgesetzt werden. Nur im Falle des zeilenförmigen Abrichtens ist der Endanwender frei in der Gestaltung, sofern die Maschinensoftware die notwendige Werkzeuggeometrie kennt oder simulieren kann.

In jedem Fall sind durch diese flexible Generierung des Schleifscheibenprofils unmittelbar Änderungen an der Verzahnung realisierbar – allerdings zum Preis eines langsamen und zweitaufwändigen Profiliervorgangs. Geometriegebundene Werkzeuge sind dagegen weitaus schneller und damit für die Produktion hoher Stückzahlen geeignet.

Die Miniaturisierung technischer Komponenten hält auch im Bereich der Zahnradbearbeitung Einzug. Bei Formrollen für das Abrichten von Profilschleifscheiben ist diese Tendenz durch die Forderung kleiner Radien am Abrichtwerkzeug zu erkennen. Im Bereich des kontinuierlichen Wälzschleifens gibt es ebenfalls den Wunsch sehr kleinmodulige Verzahnungen zu bearbeiten. Aufgrund der sehr kleinen Breiten im Schneckengrund stößt das normale Abrichtwerkzeug an seine Grenzen. Kopfbreiten von unter 0,3 mm lassen sich mit einer gesinterten Doppelkegel-Variante mit handgesetzter Diamantierung realisieren.

Profilrolle für kleine Module

Bild 4 zeigt die Ausführungsart, die durch geometrisch bestimmte Diamanten geprägt ist. In einem regelmäßigen Abstand arbeiten die CVD-Diamanten ähnlich einem Fräswerkzeug. Zum Einsatz kommt diese Herstellungsvariante seit einigen Jahren im Bereich der hochgenauen Kleinverzahnungen im Modulbereich 0,3 bis 0,8 mm. Diese Werkzeuge sind äußerste flexibel über einen Modulbereich einsetzbar, sofern die Profilmodifikationen nicht einschränken. Dem Nachteil, dass eine mehrgängige Schleifschnecke durch entsprechend längere Abrichtzeiten „Gang für Gang“ profiliert werden muss, steht der Vorteil einer Änderbarkeit durch Um- und Nachschleifen gegenüber.

Dr.-Ing. Tjark Lierse Geschäftsführer der Dr. Kaiser Diamantwerkzeuge GmbH & Co. KG in 29223 Celle

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