Bei der Hartfeinbearbeitung von Lagersitzen und Planflächen an Getriebezahnrädern hat sich zunehmend der Einsatz von keramisch gebundenen CBN-Werkzeugen gegenüber Schleifscheiben mit konventionellem Korund durchgesetzt. Buderus Schleiftechnik setzt bei CBN-Schleifscheiben oft auf besonders kleine Durchmesser mit dem Ziel, die Prozessstabilität zu erhöhen und Taktzeiten als auch Werkzeugkosten zu reduzieren. Positiver Nebeneffekt: Die Maschinen-Anschaffungskosten werden um bis zu 12 % reduziert.
Seit CBN-Schleifscheiben am Markt durch höhere Standzeiten und kürzere Hauptzeiten eine höhere Teileausbringung erzeugen können, sind Anwender von Schleifmaschinen häufig bestrebt, bei erwiesenem Kostenvorteil konventionelle Schleifscheiben gegen CBN-Werkzeuge zu ersetzen. Auf Schleifmaschinen, die von vorne herein für einen CBN-gestützten Prozess konstruiert wurden, schöpft der Belag aus kubischem Bornitrid sein Potenzial noch effizienter aus. Neben den genannten Kostenvorteilen, kann mit einem CBN-Prozess beispielsweise ein homogeneres Oberflächenprofil erzeugt werden, denn durch die höheren Schnittgeschwindigkeiten wird der Traganteil tendenziell erhöht und die Rauigkeit – aufgrund der homogeneren Oberflächenstruktur – leicht reduziert.
Kleine CBN-Schleifscheiben (Ø 90 – 150 mm) sind leichter und somit einfacher zu wechseln. Zudem unterstützen sie die Stabilität des Schleifprozesses vor allem bei weiteren Oberflächenanforderungen, die über den reinen Rz-Wert hinausgehen (Rp, Rt oder Traganteile) und sorgen tendenziell für konstantere Ergebnisse. Ein Praxisbeispiel des mittelhessischen Maschinenbauers Buderus Schleiftechnik zeigt, dass der Einsatz von CBN-Schleifscheiben mit kleinen Durchmessern auch über Werkzeugkosten und Oberflächenanforderungen hinaus den entscheidenden Unterschied macht.
In einer großen deutschen Getriebeproduktion werden der Synchronkegel und die Planfläche eines Schaltrades konventionell mit einer Taktzeit von 39 Sekunden simultan geschliffen, die Hauptzeiten sind in der Tabelle dargestellt. Beim konventionellen Bearbeitungsprozess mit Korund-Schneidstoff werden die Planfläche in 15 Sekunden sowie der Synchronkegel in 12 Sekunden geschliffen. Durch die Simultanbearbeitung ist jedoch nur die längere der parallel ausgeführten Bearbeitungen mit 15 Sekunden taktzeitrelevant. Um beide Schleifscheiben gleichzeitig in den Prozesseingriff zu bringen, müssen die beiden Schleifspindeln nebeneinander angeordnet werden. Aufgrund der vorgegebenen Schleifspindeldurchmesser müssen als Folge vergleichsweise große Schleifscheiben zum Einsatz kommen.
Durch den Einsatz von CBN als Schneidmittel können im Vergleich direkt mehrere Potenziale ausgeschöpft werden: Aus dem Blickwinkel der Prozesstechnologie können die beiden Bearbeitungsaufgaben aufgrund der kürzeren CBN-Hauptzeiten sequenziell geschliffen werden. Das heißt, die Planbearbeitung erfolgt innerhalb von 6 Sekunden, der Konus wird anschließend innerhalb von 7 Sekunden bearbeitet. Im Gegensatz zur Simultanbearbeitung ist dabei jedoch auch die Positionierung der Schleifscheibe zwischen Plan- und Kegelbearbeitung von ca.1,5 Sekunden zu berücksichtigen, so dass in Summe eine zu Korund vergleichbare Bearbeitungszeit entsteht. Unter zusätzlicher Berücksichtigung eines deutlich höheren Abrichtintervalls bei CBN-Schleifscheiben kann somit eine höhere Teileausbringung erzielt werden.
Ein weiterer gewichtiger Vorteil: Durch die sequenzielle Bearbeitung können die zwei Schleifscheiben auf nur eine reduziert werden, so dass eine Werkzeugspindel respektive ein Frequenzumrichter entfallen können. Als Folge der sequenziellen Bearbeitung kann die Maschine sogar um zwei Linearachsen reduziert werden: Das Werkstück wird bei beiden Varianten durch einen Kreuzschlitten in einer Ebene bewegt, bei der ursprünglichen Simultanbearbeitung sind jedoch zwei weitere Werkzeugachsen erforderlich, um ein Werkzeug horizontal und eines vertikal zu bewegen. Nur so kann eine unabhängige Werkzeugführung beider Prozesse gewährleistet werden.
Diese beiden Achsbewegungen zur Entkopplung der Simultanprozesse sind bei der sequenziellen Bearbeitung nicht mehr erforderlich, da die Vorschubkinematik in einem singulären Prozess bereits über den werkstückseitigen Kreuzschlitten vollständig abgebildet wird. Ein zusätzlicher Vorteil entsteht durch den Einsatz einer einzigen, monolithischen CBN-Schleifscheibe, die aufgrund des kleinen Durchmessers keinen Auswuchtkopf mehr benötigt. Die technische Umsetzung und Handhabbarkeit wird somit bei der CBN-Bearbeitung insgesamt deutlich schlanker und einfacher.
12 Prozent günstigere Maschinen
Auf der betriebswirtschaftlichen Seite werden sowohl die Investitionskosten als auch die laufenden Kosten reduziert. Durch die beschriebenen Vereinfachungen der Maschine in punkto Entfall von Linearachsen und Schleifspindel werden die Kosten einer Maschine um insgesamt ca. 12% reduziert. In der beschriebenen Prozessoptimierung ist zudem entscheidend, dass die Umstellung auf Öl als Kühlschmierstoff, wie häufig im CBN-Prozess erforderlich, vermieden werden konnte. So können die häufig erforderlichen Zusatzinvestitionskosten bei der Einführung eines CBN-Prozesses vermieden werden, wie z. B. eine Feuerlöschanlage, Druckentlastungs- und Absperrklappen. Die laufenden Kosten werden weiterhin durch eine höhere Teileausbringung sowie geringere Werkzeug- und Werkzeugwechselkosten reduziert.
Unter Berücksichtigung einer anteiligen Abrichtzeit beim Korundprozess von zusätzlich circa 2,7 Sekunden je Werkstück gegenüber dem CBN-Prozess, kann mit CBN eine höhere Teileausbringung von ca. 7 Prozent erzielt werden. Unberücksichtigt bleibt dabei, dass der Werkzeugwechsel bei CBN aufgrund der hohen Standzeiten seltener stattfindet, und dabei nur eine statt wie bislang zwei Scheiben gewechselt werden müssen. Aufgrund der handlichen, kleinen CBN-Scheibe kann auch auf zusätzliche sonst notwendige Hebemittel verzichtet werden.
70 Prozent geringere Werkzeugkosten
Auch auf die Werkzeugkosten hat der CBN-Prozess einen positiven Effekt: Bei der konventionellen Bearbeitung fallen Werkzeugkosten von 2,16 Cent je Werkstück für die Planbearbeitung sowie 1,58 Cent für die Kegelbearbeitung an. Bei der CBN-Bearbeitung fallen bei der monolithischen Scheibe dagegen nur insgesamt 1,04 Cent je Werkstück an, dies entspricht einer Reduktion der Werkzeugkosten um über 70 % beim Einsatz von CBN statt Korund als Schneidstoff.
Die CBN-Prozesse zeigen auch im Produktionsfeld ihre gute Eignung. Im Bild 4 sind die Fähigkeitsmerkmale eines Kegelschleifprozesses mit kleiner CBN-Scheibe abgebildet. Die beispielhaften Merkmale Rundlauf, Konusdurchmesser wie auch der Konuswinkel werden im robusten CBN-Produktionsprozess mit guten Fähigkeitsmerkmalen erzielt, die teils deutlich über den Kundenanforderungen liegen. Mit dem CBN-Prozess können dabei insgesamt noch reproduzierbarer Ergebnisse erzielt werden.
Weitere Potenziale können bei der Kombination mit einer CBN-Bohrungsbearbeitung gehoben werden. Analog zu den Konus- und Planschleifprozessen wurde auch der Innenschleifprozess bei Buderus konsequent weiterentwickelt. Durch den Einsatz von CBN bei gleichbleibender Verwendung von Emulsion als Kühlschmierstoff kann die Prozesszeit am dargestellten Schaltrad von 16 s auf 9 s reduziert werden. Auch hier wirkt sich das höhere Abrichtintervall bei CBN erneut vorteilhaft auf die Taktzeit aus. Auf der Kostenseite stehen 5,17 Cent pro Werkstück, für die Korundbearbeitung 1,21 Cent für das CBN-Werkzeug je Werkstück gegenüber. Durch den Einsatz von CBN können die Werkzeugkosten auf nahezu ein Fünftel gegenüber der Korundbearbeitung reduziert werden.
Die diskutierten Schleifprozesse sind Resultat einer langjährigen Technologieentwicklung der Buderus Schleiftechnik und der Naxos-Diskus Schleifmittelwerke – beide Mitglieder der DVS Group. Durch tiefgehende Parameteruntersuchungen in der Buderus-Entwicklungsabteilung sowie zahlreichen Verifikationen in der Getriebeproduktion konnte somit systematisch Know-how im Bereich CBN-Bearbeitung aufgebaut werden. Die wesentlichen Harmonisierungen wie Geometrieauslegung der Schleifscheiben, Spülkonzept sowie Optimierung der Schnittgeschwindigkeit unter Abwägung der Ausbringung, der Rauheitswerte sowie Vermeidung von Schleifbrand sind Bestandteil des rundum abgestimmten Systems bei Buderus Schleiftechnik.
Eine einzige Maschinenplattform
Die beschriebenen Anwendungen können vollständig auf der gruppeneigenen Maschinenplattform DVS Moduline abgebildet werden (siehe Bild). Auf der rechten Seite ist der Arbeitsraum dargestellt, in welchem sämtliche der oben genannten Prozesse abgebildet werden können. Auf der linken Seite ist die Stapelzelle mit integrierter Multifunktionsplattform dargestellt, auf welcher zusätzliche Funktionen wie beispielsweise Post-Prozess-Messen, Buchsen einpressen oder entgraten angeordnet werden können. Die Bauteile werden mittels Scara-Roboter auf der Multifunktionsplattform bewegt sowie zur Beladung der Produktionszelle auf ein Shuttle abgelegt.
Die DVS Moduline Maschinenplattform ist ein wichtiger Bestandteil zur Systemintegration innerhalb der DVS Group. Mit dieser technologieübergreifenden Maschinen- und Automationslösung können fast alle Bearbeitungstechnologien auf einer einzigen Maschinenplattform umgesetzt und einheitlich verkettet werden. Aufgrund eines, wie der Name schon sagt, modularen Maschinenkonzepts werden viele Bearbeitungsprozesse auf kleinstem Raum kombiniert, so dass eine geringstmögliche Zahl von Umspannungen erfolgt.
Buderus Schleiftechnik GmbH www.buderus-schleiftechnik.de
Der Autor
Dr. Phillip Utsch, Geschäftsführer, Buderus Schleiftechnik GmbH
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