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Getriebeproduktion

Innovationen beim hochproduktiven Wälzschleifen

| Autor / Redakteur: Martin Witzsch / Victoria Sonnenberg

Wälzschleifen eines Zahnrades mit Störkontur, in diesem Beispiel ein benachbartes Zahnrad.
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Wälzschleifen eines Zahnrades mit Störkontur, in diesem Beispiel ein benachbartes Zahnrad. (Bild: Kapp Niles)

Im Vergleich zu der visionären Industrie 4.0-Welt wirkt der Werkzeugmaschinenbau geradezu bodenständig. Dabei überrascht selbst eine so ausgereifte Technik wie die Verzahnungsbearbeitung mit enormen Zuwächsen an Geschwindigkeit und Qualität.

Verzahnungszentren zum Wälzschleifen zielen auf die hohen Produktionsvolumina der Großserien- und Serienfertigung, welche für immer höhere Anforderungen in den Bereichen Kosten, Energie und Umwelt bekannt sind.

Maschinen- und Prozessentwickler reagieren darauf mit Lösungen, die über technologische Grenzen hinausgehen. Im Folgenden werden hier vier Entwicklungen der Unternehmensgruppe Kapp Niles vorgestellt, die der bewährten Technik neue Einsatzbereiche erschließen und sie noch effizienter machen.

Schnittgeschwindigkeiten zwischen 63 und 80 m/s sorgen beim Wälzschleifen für hohe Produktivität. Diese werden mit den gängigen Werkzeugen – Schleifschnecken mit einem typischen Durchmesser von 300 mm – bei rund 5000 bis 7500 min-1 erzielt. Der große Werkzeugdurchmesser schafft jedoch Probleme bei Störkonturen, denn das Werkzeug benötigt Platz für Ein- und Auslauf während des Schleifhubes.

Dynamische Anforderungen meistern

Typische Beispiele sind ein Lagersitz mit einem Fräserauslauf nach der Vorbearbeitung oder eine größere Verzahnung nahe an der zu bearbeitenden Stelle. Will man für derartige Werkstücke nicht auf das zeit- intensive Profilschleifen ausweichen, muss man die Schleifschnecken miniaturisieren. Diese müssen sich jedoch sehr viel schneller drehen, um die Schnittgeschwindigkeit eines normal großen Werkzeugs zu erreichen. Herkömmliche Verzahnungsschleifmaschinen sind den dabei auftretenden dynamischen Anforderungen an Werkzeug- und Werkstückantrieben nicht gewachsen. Mit Neuentwicklungen von Kapp Niles, den Verzahnungszentren KX 160 Twin und KX 260 Twin, ist dies nun möglich. Abrichtwerkzeug, Werkzeug und Maschine sind eigens aufeinander abgestimmt.

Verzahnungen wälzschleifen

Mithilfe von Hochgeschwindigkeits-Schleifspindeln können erstmals Verzahnungen wälzgeschliffen werden, die Werkzeugdurchmesser von nur 55 mm erfordern. In Verbindung mit der maximal möglichen Breite dieser Werkzeuge von 180 mm können damit – bei in der Serienfertigung bekannten Qualitätsanforderungen – Bearbeitungszeiten und -kosten realisiert werden, die bisher bei störkantenkritischen Verzahnungen unerreichbar waren. Die Werkzeugantriebe der Maschinen erreichen 25.000 min-1. Das Werkstück muss sich ebenfalls schneller mitdrehen. Dort hat Kapp Niles einen Startvorteil: Bereits bei den Standardmaschinen leistet der Werkstückantrieb 5000 min-1. Der Maschinenhersteller hat für das Werkstück eines Kunden die Bearbeitungszeiten durchkalkuliert. Das Ergebnis: Abrichtfreies Profilschleifen mit einer CBN-Scheibe benötigt eine Maschinenlaufzeit von 5,4 min. Beim abrichtbaren Wälzschleifen beträgt sie nur 2,9 min bei einem Abrichtintervall von 25 Teilen.

Qualität in der Microgeometrie – Feinschleifen

Ein Finish-Verfahren, wie Feinschleifen, kann die Betriebseigenschaften eines Werkstücks erheblich verbessern. Reduziert man zum Beispiel die Oberflächenrauheit von Zahnflanken, lassen sich niedrigviskose Getriebeöle einsetzen. Als Folge steigt der Wirkungsgrad des Getriebes, ohne dass dies mit Festigkeitsnachteilen erkauft werden muss. Die dafür benötigten 80 bis 90 % Traganteil einer Oberfläche erreicht man beim Feinschleifen durch mechanisches Abtragen der Rauheitsspitzen. Dem stand bisher ein Problem im Weg: Die nötigen Oberflächengüten erreichte man nur mittels zeitraubender Verfahren, wie dem Gleitschleifen. Dabei werden die Werkstücke zusammen mit kleinen Schleifkörpern, einer wässrigen Lösung und einem Zusatzmittel in eine Vibrationswanne gegeben. Das Verfahren liefert gute Resultate, benötigt aber je nach Werkstück unter Umständen mehrere Stunden. Zum Vergleich: In der Serienfertigung kalkuliert man mit einer Minute pro Zahnrad. Serienfertiger von Getrieben benötigen automatisierte Prozessketten, idealerweise im one-piece-flow. Das ist mit derartig unterschiedlichen Bearbeitungszeiten nicht machbar. Gleitschleifen erfordert zudem Additive, das heißt Chemikalien, die im Prozess, beim Recycling beziehungsweise der Entsorgung den Anwender mit vielen Vorschriften und Sicherheitsmaßnahmen konfrontieren. Aus Produktionsgründen wäre es dann zweckmäßig die vorhandenen Schleifmaschinen mit einem Feinschleifprozess in die Prozesskette zu integrieren. Dass dies machbar ist, hat die Forschungsvereinigung Antriebstechnik (FVA) im Projekt 654 I nachgewiesen: Beim Feinschleifen mit konventionellen Verzahnungsschleifmaschinen lassen sich Oberflächengüten von Rz ≤ 1 μm erzielen. Dafür hat Kapp Niles spezielle Kombi-Werkzeuge mit zwei Funktionsbereichen im Einsatz.

Mit diesen können in einer Aufspannung Verzahnungen mit Oberflächengüten im Bereich von Rz 0,5 bis 1 μm auf neuen Kapp Niles Wälzschleifmaschinen (KX- und ZX-Serie) hergestellt werden. Bei Schnittgeschwindigkeiten bis zu 63 m/s beträgt der zusätzliche Zeitaufwand im Regelfall weniger als 50 % der Bearbeitungszeit der konventionellen Schleifbearbeitung.

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