Feinbearbeitung Drehen und Schleifen von Getriebewellen und Zahnrädern in einer Aufspannung

Autor / Redakteur: Heinrich Mushardt und Peter Manger / Bernhard Kuttkat

Verfahrenskombinationen wie Hartdrehen/Schleifen sind für ein breites Spektrum von Getriebewellen und -rädern vorteilhaft anzuwenden. Die Stärke des Drehens sind hohe Flexibilität und Schnelligkeit bei kurzen Schnitten. Das Schleifen zeichnet sich durch hohe Genauigkeit und Schnelligkeit bei kleinen Aufmaßen aus.

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Für Getriebewellen kommen die Vorteile multifunktionaler Maschinen vor allem dann zur Geltung, wenn hohe Flexibilität gefordert ist und eine Kombination von Drehen und Schleifen die Komplettbearbeitung in einer Aufspannung ermöglicht. Bild: Schleifring
Für Getriebewellen kommen die Vorteile multifunktionaler Maschinen vor allem dann zur Geltung, wenn hohe Flexibilität gefordert ist und eine Kombination von Drehen und Schleifen die Komplettbearbeitung in einer Aufspannung ermöglicht. Bild: Schleifring
( Archiv: Vogel Business Media )

Für Getrieberäder und andere im Spannfutter aufzunehmende Teile haben sich Kombinationen von Dreh- und Schleifverfahren bereits vielfach in der Praxis bewährt. Für die flexible Fertigung von Getriebewellen sind Verfahrenskombinationen ebenfalls eine interessante Alternative.

Multifunktionale Feinbearbeitungsmaschinen (Bilder 1 und 2) sind dafür ein richtungsweisendes Beispiel: Maschinenkonzept und Ausführung wie bei der Combi Grind V werden gleichermaßen dem Drehen und Schleifen gerecht. Die Vertikalspindel ist günstig für den Spänefall beim Drehen und ermöglicht das Pick-up-Verfahren zum schnellen Werkstückwechsel.

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Die Werkstückspindel nimmt die Rohteile beispielsweise von einem Zuführband auf und bringt sie nacheinander zu den Bearbeitungsstationen. Eine schnelle Vorschubachse mit Linearmotorantrieb sorgt für kurze Nebenzeiten.

Anzahl der Werkzeuge und Spindeln können beim Schleifen und Drehen variieren

Arbeitsspindel, Führungen und Messsysteme entsprechen den hohen Genauigkeitsanforderungen des Schleifens. Zum Abrichten der Schleifscheiben sind feste Diamantwerkzeuge und Diamantformrollen vorgesehen. Abdeckungen und Arbeitsraumverkleidung sind für intensiven Kühlmitteleinsatz ausgelegt und auch für Schleiföl geeignet.

Anzahl, Typen und Positionen der Werkzeuge und Arbeitsspindeln können in weiten Grenzen variiert und der Bearbeitungsaufgabe entsprechend flexibel eingerichtet werden. Optional wäre es zum Beispiel möglich, außer Schleifspindeln und Drehwerkzeugen auch Honvorrichtungen, Rollier- und Bürstwerkzeuge oder andere Aggregate einzusetzen.

Für Getriebewellen kommen die Vorteile multifunktionaler Maschinen vor allem zur Geltung, wenn hohe Flexibilität gefordert ist und eine Kombination von Drehen und Schleifen die Komplettbearbeitung in einer Aufspannung ermöglicht. Für solche Aufgaben wurde die neuentwickelte Combi Grind H konzipiert (Bild 3). Ihre Schrägbettbauweise mit obenliegenden Bearbeitungseinheiten begünstigt den Spänefall.

Auf einem gemeinsamen Längsschlitten Z werden optional zwei oder drei Querschlitten X nebeneinander angeordnet. Sie können aufgabenspezifisch Schleifspindeln mit gerader oder schräger Achse oder – anstelle einer Schleifspindel – einen Drehwerkzeugrevolver tragen.

Formelemente des Teils bestimmen Verfahrensauswahl

Als Basis für einen Verfahrensvergleich können für definierte Bearbeitungsaufgaben die Hauptzeiten für einzelne Operationen und für die gesamte Bearbeitung eines Werkstücks ermittelt werden [1]. Dabei müssen, falls mehrere Formelemente an einem Werkstück zu bearbeiten sind, die Fähigkeiten und technologischen Grenzen der einzelnen Verfahren für jedes Formelement individuell abgewogen werden. Grundsätzlich existieren dann die Alternativen, die unterschiedlichen Formelemente entweder komplett zu drehen oder zu schleifen oder sie vorzudrehen und fertig zu schleifen [2 und 3]. Kann man für jede Operation die optimalen Werkzeuge oder Bearbeitungsverfahren wählen, lassen sich deren Stärken gezielt nutzen und Schwächen meiden. Dadurch verbessern sich die Produktivität und die Genauigkeit.

Der Zeitbedarf für eine Drehoperation ist dem Produkt aus Werkstückdurchmesser und -länge direkt proportional. Bleibt das Aufmass in den üblichen Grenzen, kann es in einem Schnitt abgenommen werden und ist dann nicht von großem Einfluss auf die Drehzeit. Dagegen ist beim Einstechschleifen der Zeitbedarf sehr vom Aufmaß abhängig, aber im Unterschied zum Drehen ist die Breite des bearbeiteten Formelementes nur von nachrangiger Bedeutung.

Schleifverfahren können mit Hartfeindrehen konkurrieren

Wenn breite Scheibensätze zum Einsatz kommen, um mehrere Formelemente in einem Einstich zu schleifen, brauchen die sehr leistungsfähigen Außenrundschleifverfahren den Vergleich mit dem Hartfeindrehen nicht zu scheuen. Für die Serienproduktion von Getriebewellen sind sie dem Drehen hinsichtlich der Produktivität überlegen. Muss man häufig auf andere Werkstücke umrüsten, ergeben sich dagegen durch die Scheibenwechselzeiten Nachteile zum Drehen.

Höhere Flexibilität bieten in diesen Fällen das Mehrfacheinstechen mit einer Standardscheibe oder das Schälschleifen. Beim Schälschleifen nimmt eine schmale, nicht formgebundene Schleifscheibe, die mit seitlichem Vorschub an der Werkstückkontur entlanggeführt wird, das gesamte Aufmaß in einem Überlauf ab. Bevorzugt werden für dieses Verfahren CBN-Scheiben eingesetzt, deren Achsen parallel, geneigt oder schräg zur Werkstückachse liegen können.

Der Zeitbedarf ist – wie beim Drehen – proportional den Werkstückabmessungen D × L. Sofern es die Werkstückgeometrie zulässt, der Schruppzone der Schleifscheibe ein kegeliges Profil zu geben, kann man die Schruppbeanspruchung auf eine breitere Zone verteilen. Dies kann dazu genutzt werden, den axialen Vorschub zu erhöhen. Dann lassen sich die beim Hartfeindrehen üblichen Vorschübe zum Teil weit übertreffen [4 bis 7].

Einstelldaten von vielen Bedingungen abhängig

In konkreten Fällen sind die optimalen Einstelldaten von vielen Bedingungen abhängig, unter anderem von der Steifigkeit des Werkstücks, seiner Einspannung sowie von den vorgegebenen Toleranzen. Eine tendenzielle, qualitative Bewertung kann in Abhängigkeit von den Abmessungen D × L der zu bearbeitenden Formelemente aufgezeigt werden (Bilder 4 und 5): Zur Bearbeitung schmaler Formelemente, beispielsweise dem Einstechen von Nuten und dem Plandrehen von Anlageschultern, ist das Hartdrehen in der Regel zeitlich im Vorteil.

Ab einer bestimmten Breite sind das Schälschleifen und das Einstechschleifen schneller. Der Einsatz von CBN-Scheiben zum Einstechschleifen ist, bedingt durch die Scheibenherstellung und das Abrichten des CBN-Belages, nur bis zu einer begrenzten Breite sinnvoll.

Nur minimales Aufmaß zum Schlichtschleifen

Aus dem Zeitbedarf können optimale Arbeitsfelder für Hartdrehen und Schleifen abgeleitet werden. Dazwischen kann ein optimaler Bereich existieren, in dem die Bearbeitung in zwei Schritten durch Vordrehen und Fertigschleifen günstig ist. Wenn die geforderte Endqualität im nachfolgenden Schleifprozess gewährleistet wird, kann der Vorschub beim Vordrehen erhöht werden. Dadurch wird die Zykluszeit verkürzt, falls sich beim Drehen mehr Zeit einsparen lässt, als man für die Schlichtschleifoperation benötigt [8].

Zum Schlichtschleifen sollte nur ein minimales Aufmaß verbleiben, das gerade ausreicht, die beim Vordrehen erzeugte Qualität auf die Endqualität zu heben. Neben den Maß- und Formabweichungen und der Rauheit sind dabei auch thermisch geschädigte Randzonen zu beachten, die als Folge stumpfer Schneidkanten entstehen können.

Weil die Werkstücke nicht umgespannt werden, liegen günstige Voraussetzungen vor, beim Fertigschleifen hohe Maß- und Formgenauigkeiten schnell und sicher zu erreichen. Außerdem können Schleifscheiben ausgewählt werden, die unter reinen Schlichtkonditionen reproduzierbar gute Oberflächen erzielen.

Das geringe Schleifaufmaß beim Fertigschleifen lässt relativ große Abrichtintervalle zu. Damit reduzieren sich die Stillstandszeiten für Scheibenwechsel und die Schleifscheibenkosten. Die Verfahrensfolge „Vordrehen und Fertigschleifen“ bietet zusätzlich den Vorteil, dass die Drehwerkzeuge länger genutzt werden können. Etwaige Schäden bei unerwartetem Versagen sind ggf. im Fertigschleifprozess noch auszugleichen.

Geometrische Kriterien bestimmen Teilespektrum

Das für die Anwendung des Hartdrehens und der Verfahrenskombination geeignete Werkstückspektrum lässt sich nach geometrischen Kriterien selektieren, unter anderem nach der Anzahl und den Abmessungen der zu bearbeitenden Formelemente, den Anforderungen an Genauigkeit und Oberflächengüte sowie den Spannmöglichkeiten. Weitere Kriterien leiten sich aus den Produktionsvorgaben ab. Beispielsweise sind Zykluszeiten und Umrüstzeiten im Falle einer Großserienfertigung anders zu gewichten als im Falle einer flexiblen Kleinserienfertigung.

Bild 6 zeigt die Komplettbearbeitung eines Schaltrades in vier Drehoperationen und zwei Schleifoperationen. In diesem Beispiel verkürzt sich die Bearbeitungszeit im Vergleich zum konventionellen Schleifen um etwa 25%. Zugleich reduzieren sich die Kosten durch geringeren Werkzeugverschleiß. Die Bearbeitungsfolge zeichnet sich durch hohe Werkstückgenauigkeit und Prozessfähigkeit aus. Im dargestellten Bei-spiel blieb die Streuung der Bohrungsmaße innerhalb eines Bandes von 4 μm.

Drehen und Schleifen lassen sich bei mehreren Flächen gut kombinieren

Zur Feinbearbeitung von Getriebewellen lassen sich Dreh- und Schleifprozesse vorteilhaft kombinieren, wenn mehrere Flächen zu bearbeiten sind, beispielsweise Lagerstellen, Schultern und Einstiche (Bild 7). In Bild 8 ist ein Bearbeitungskonzept für Ritzelwellen von Zahnradpumpen dargestellt.

Für die Zylinderflächen und die gegenüberliegenden Planflächen gelten sehr enge Toleranzen, die den Einsatz des Schleifens und einer In-Prozess-Messung erfordern. Das Drehen ist dagegen für die Bearbeitung der Kegelzapfen ausreichend genau und für ihre unterschiedlichen Abmessungen innerhalb der Teilefamilie sehr flexibel einsetzbar.

Flexible Maschinenkonzepte unterstützen in weitem Umfang den Einsatz ergänzender Technologien. Erfolgreiche Beispiele sind Reibwerkzeuge mit Stützleisten zur Bearbeitung von Bohrungen und Honeinrichtungen zur Feinbearbeitung von Wälzlagerlaufflächen. Daneben werden vielfach Spezialwerkzeuge eingesetzt, um die steigenden Anforderungen an Präzision und Produktivität zu erfüllen. Beispielsweise können bei der Wellenbearbeitung nahezu drallfreie Oberflächen durch Werkzeuge mit Schleppschneiden und Tangentialdrehwerkzeuge erzeugt werden.

Literatur:

[1] Hartmann, G-J., W. Bahmann, und F. Fiebelkorn: Kompletthartfeinbearbeitung kurzer rotationssymmetrischer Werkstücke auf einer Werkzeugmaschine in einer Aufspannung. Forschungsbericht der FHTW Berlin 1993–1997.

[2] Mushardt, H., und P. Manger: Verfahrenskombination Hartdrehen und Schleifen für die Bearbeitung von Futterteilen. In: Zerspanen im modernen Produktionsprozess. Dortmund: Institut für Spanende Fertigung 2001.

[3] Weinert, K., und G. Johlen: Prozessoptimierung für die Kombinationsbearbeitung Drehen und Schleifen. Forschungsprojekt AiF 12960. Dortmund: Institut für Spanende Fertigungstechnik 2001/2003.

[4] Klocke, F., und T. Merbeck: Prozessauslegung des Hochleistungs-Außenrundschleifens beliebiger Werkstückkonturen. Forschungsprojekt AiF 12159. Aachen: RWTH Aachen 2000/2002.

[5] Hegener, G.: Technologische Grundlagen des Hochleistungs-Aussenrund-Formschleifens. Dissertation RWTH Aachen 1999.

[6] Finke, M.: Untersuchungen zur Auslegung und Optimierung des Innenrund-Längsschleifens von Futterteilen. Dissertation Universität Dortmund 2003.

[7] Weinert, K., und M. Finke: Flexibles Futterteilschleifen. Forschungsprojekt AiF 11823 N. Dortmund: Institut für Spanende Fertigungstechnik 1998/2000.

[8] Johlen, G.: Prozessoptimierung für die Hartfeinbearbeitung durch Kombination von Hartdrehen und Schleifen. Dissertation Universität Dortmund 2003.

Dr.-Ing. Heinrich Mushardt ist Leiter Strategische Entwicklung der Körber Schleifring GmbH in 20097 Hamburg; Dipl.-Ing. Peter Manger ist Mitarbeiter der Studer Schaudt GmbH in 70329 Stuttgart

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