Schleifen von Großverzahnungen: Profilschleifen oder Teilwälzschleifen?

Um leichter eine Anwort auf die Frage zu finden, ob Großverzahnungen optimal durch Profilschleifen oder durch Teilwälzschleifen feinzubearbeiten sind, werden im nachfolgenden Beitrag die Möglichkeiten beider Verfahren gegenübergestellt.

Autoren: Dr.-Ing. Frank Reichel Sieghart Lenz

Anforderungen an das Feinbearbeitungsverfahren

Nach wie vor wird als Feinbearbeitungsverfahren für gehärtete Zahnräder mit hohen Anforderungen an Verzahnungsgenauigkeit und Oberflächengüte der Flankenflächen das Zahnradschleifen eingesetzt. Es ist die Tendenz zu verzeichnen, dass immer größere Zahnräder gehärtet und geschliffen werden. Die Geometrie und die Zahnflankenmodifikationen der Zahnräder werden in zunehmendem Maße durch Berechnungsprogramme für die jeweilige Anwendung optimiert. Das hat zur Folge, dass die Losgrößen immer kleiner werden, d. h., der Fertigungscharakter tendiert mit größeren Zahnradparametern zur Kleinserien- und Einzelstückfertigung. Das erfordert eine hohe Flexibilität der Bearbeitungsverfahren. Da außerdem das Zahnradschleifen ein sehr zeit- und kostenintensiver Arbeitsgang ist, werden höchste Forderungen an seine Effektivität gestellt.

Zahnradschleifverfahren für Großverzahnungen

Als Zahnradschleifverfahren für mittlere und größere Verzahnungen sind das Teilwälzschleifen mit Doppelkegelschleifscheibe und das Profilschleifen im Einsatz. Mit weltweit über 5 000 nach dem Erzeugungsprinzip Teilwälzschleifen mit Doppelkegelschleifscheibe arbeitenden Maschinen dominiert dieses Verfahren beim Zahnradschleifen in der Einzelstück-, Klein- und Mittelserienfertigung. Verfahrens- und Maschinentechnik sind heute auf einem hohen Niveau optimiert und in ihren Weiterentwicklungsmöglichkeiten nahezu ausgeschöpft. Das Verfahren ist in den Betrieben bekannt und wird sicher beherrscht.

Das Erzeugungsprinzip Profilschleifen war zunächst der Großserien- und Massenfertigung vorbehalten, weil das Profilieren der Schleifscheiben mit komplizierten mechanischen Abrichtern, meistens unter Benutzung werkstückgebundener Schablonen, vorgenommen werden musste. Dieser Seriencharakter änderte sich auch nicht wesentlich, als seit den 70er Jahren galvanisch gebundene CBN-Schleifscheiben – ebenfalls werkstückgebundene Werkzeuge – eingesetzt wurden.

Als Ende der 80er Jahre CNC-Abrichter mit Diamant-Formrolle für ein flexibles Profilieren der Schleifscheiben zur Verfügung standen, war der Weg frei für den Einzug des Profilschleifens in die Einzelstück-, Klein- und Mittelserienfertigung.

Gleichzeitig begann die Entwicklung von Profilschleifmaschinen für immer größere Zahnräder. Heute können Werkstücke bis Durchmesser 4 000 mm durch Profilschleifen feinbearbeitet werden.

Wie alle Fertigungsverfahren weisen auch die hier genannten Zahnradschleifverfahren Teilwälzschleifen mit Doppelkegelschleifscheibe und Profilschleifen charakteristische Besonderheiten auf. Diese Besonderheiten und die Beherrschung ihrer Handhabung sind ausschlaggebend für einen effektiven Einsatz des Verfahrens. In Bild 4 werden Charakteristika und Effektivitätskriterien der beiden Verfahren gegenübergestellt.

Schrupp-Schleifversuche Profilschleifen

Hinsichtlich der Effektivität des Profilschleifens von Großverzahnungen bestanden und bestehen z. T. erhebliche Vorbehalte, insbesondere bezüglich der schadensfreien Durchführung des Schrupp-Schleifens. Mit den nachfolgend beschriebenen Schrupp-Schleifversuchen „Profilschleifen einer Großverzahnung mit Sinterkorundschleifscheibe“ können diese Vorbehalte im Wesentlichen entkräftet werden (Bild 2):

Versuchsmaschine: Niles Profilschleifmaschine ZP 12

Versuchswerkstück:

Normalmodul 24 mm

Zähnezahl 24

Schrägungswinkel 15 °

Eingriffswinkel 25 °

Kopfkreisdurchmesser 668,3 mm

Zahnbreite 508 mm

Werkstoff 17 Cr Ni Mo 6

Härte 58…60 HRC

Schleifaufmaß/Flanke(für das Schruppen) 0,325 mm

Sinterkorundschleifscheibe (83S 60 H 15VP601W)

Versuchsergebnis:

Die durchgeführten Versuche zeigen, dass gegenüber den in der industriellen Praxis beim Schrupp-Schleifen gebräuchlichen Werten

Q’w = 5 mm³/mm.s

V’w = 600 … 1000 mm³/mm

noch erhebliche Effektivitätsreserven für ein schadensfreies Schrupp-Schleifen vorhanden sind. Allerdings ist es dabei sehr wichtig, dem Prozess des Anschleifens besondere Aufmerksamkeit zu widmen: D. h. die Rohform der Verzahnung mit dem durch die Wärmebehandlung entstandenen Verzug ist zu messen, um mit Sicherheit an den höchsten Stellen der Flankenflächen mit dem Schleifen zu beginnen und so von Anfang an eine thermische Überlastung des Werkstückwerkstoffes zu vermeiden.

Fazit und Ausblick

Für das Zahnradschleifen von Großverzahnungen kann zusammenfassend festgestellt werden:

n Das Profilschleifen hat Vorteile bei der erreichbaren Produktivität und Genauigkeit.

n Bei gleicher Produktivität belastet das Profilschleifen das Werkstück thermisch weniger als das Teilwälzschleifen. Mit den vorliegenden Erkenntnissen ist beim Profilschleifen auch bei höherer Produktivität eine schadensfreie Prozessdurchführung möglich durch:

– Ermittlung der Rohform der Flankenflächen (Verzüge und Fehler)

– Technologie auf Basis sicherer Werte für Q’w und V’w

n Das Teilwälzschleifen besitzt aufgrund seiner Verfahrensspezifik bestimmte Vorteile beim Erzeugen von Flankenlinienmodifikationen

– Auf Niles-Profilschleifmaschinen ist mittels 4-Achsen-Kompensationsbewegungen jede praktische Forderung der Anwender verschränkungsarm erfüllbar

– Mit dem topologischen Schleifen sind auch extreme Forderungen realisierbar

n Das Profilschleifen hat deutliche Vorteile hinsichtlich technologischer Sonderlösungen:

– Schleifen von Sonderprofilen

– Schleifen von Innenprofilen

– Messen auf der Maschine

– Mitschleifen des Zahngrundes, Schleifen aus dem Vollen

– Einsatz von CBN-Schleifscheiben

n Durch seine Charakteristik und Effektivität wird das Profilschleifen zum dominierenden Feinbearbeitungsverfahren für Großverzahnungen werden.

– mav 225

www.kapp.de

Teilwälzschleifen

theoretisch punktförmige Berührung; relativ kleine Berührfläche; der annähernd dreieckförmige Spanquerschnitt und die Berührfläche nehmen vom Fuß zum Kopf zu; durch die kontinuierliche Wälzbewegung nehmen Spanquerschnitt und Berührfläche jeweils in Hubrichtung zu

Durch das Hüllschnittverfahren und die relativ kleinen Spanquerschnitte ist Pendelschleifen erforderlich; dadurch ist die Abtragsleistung begrenzt, trotz guter Kühlschmier-bedingungen und hoher Schleifscheibenantriebsleistung

Bei vergleichbarer Produktivität höher

Charakteristik des Schruppens:

Zeitspanungsvolumen

Q’w Schruppen = 20…60 mm³/mm.s Hubgeschwindigkeit

vh Schruppen , 60.000 mm/min

Überflutung des Eingriffspunktes mit Schleiföl

Prozesssicherheit: Vermeidung thermomechanischer Schädendurch Technologievorgaben auf der Basis jahrzehntelanger technologischer Erfahrungen

Abrichtbare (Edelkorund- und) Sinterkorundschleifscheiben

Die kinematische Erzeugung der Flankengestalt durch die Wälzbewegung und die hoch-dynamische Hubbewegung (Hüllschnitte) bewirken eine begrenzt hohe Genauigkeit trotz ausgereifter Kompensations-Software

Nur wälzbare Profile sind erzeugbar

Ohne Profilverzerrungen erzeugbar

Durch Teilwälzschleifen optimal erzeugbar

Durch zusätzliches topologisches Schleifen in gewissen Grenzen erzeugbar (z. Zt. nicht realisiert)

Nicht erzeugbar

Durch Teilwälzschleifen optimal erzeugbar (Maschinen mit neigbarem Werkzeugträger)

Nicht erzeugbar

Durch Teilwälzschleifen sehr begrenzt möglich

Nicht möglich

Maschinen geeignet

Profilschleifen

Theoretische Berührung entlang einer räumlichen Berührlinie; relativ große Berührfläche; der Spanquerschnitt wird gebildet aus Evolvente und Abtrag senkrecht zu ihr

Durch das Schleifen der Kontur in einem Zug im (quasi) Tiefschleifen lässt sich eine hohe Abtragsleistung realisieren, wenn entsprechende Kühlschmierbedingungen und Schleifscheibenantriebsleistung zur Verfügung stehen

Bei vergleichbarer Produktivität geringer

Charakteristik des Schruppens:

Zeitspanungsvolumen

Q’w Schruppen = 5…15 mm³/mm.s Hubgeschwindigkeit

vh Schruppen , 3.000 mm/min

Überflutung der Berührlinie mit Schleiföl

Prozesssicherheit: Vermeidung thermomechanischer Schäden durch Technologievorgaben unter Nutzung aktueller Forschungsergebnisse der FVA und von Untersuchungsergebnissen bei Kapp und Niles

Abrichtbare Sinterkorundschleifscheiben oder abrichtfreie CBN-Schleifscheiben

Quasistatische Bewegungen zur Erzeugung der Schraubenlinie und ausgereifte Kompensations-Software ermöglichen eine sehr hohe Genauigkeit

Alle schleifbaren Profile sind erzeugbar (auch Sonderprofile, z. B. Keilnuten, Plannuten, [Hirth]-Planverzahnungen)

Mittels 4-Achsen-Kompensationsbewegungen verschränkungsarm (ohne nennenswerte Profilverzerrungen) erzeugbar

Durch zusätzliches topologisches Schleifen erzeugbar

Durch Profilschleifen optimal erzeugbar

Nur durch topologisches Schleifen erzeugbar

Nur durch Profilschleifen erzeugbar

Durch Profilschleifen gut möglich

Sehr gut möglich

Durch Profilschleifen möglich

Maschinen sehr gut geeignet