Wälzschleifen Abrichtbare CBN-Wälzschnecken steigern die Produktivität

Eine speziell an CBN-Wälzschnecken mit keramischer Bindung angepasste Abrichttechnik ermöglicht die Einstellung einer schleiffreudigen Belagstruktur. Ergebnisse zeigen, dass höhere Schnittgeschwindigkeiten beim kontinuierlichen Wälzschleifen eine Steigerung der axialen Vorschubgeschwindigkeit und somit des Zeitspanungsvolumens ermöglichen, ohne die Prozesssicherheit und Bauteilqualität zu beeinträchtigen.

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Leibniz Universität Inst. für Fertigungstechnik u. Werkzeugmaschinen (IFW)

Keramisch gebundene CBN-Wälzschnecken schließen die Lücke zwischen galvanisch einschichtigen CBN-Werkzeugen und keramisch gebundenen Korund-Schnecken, weil sie die Vorteile des härteren Schleifstoffes und der Abrichtbarkeit vereinigen [1].

Aufgrund maschinenseitiger Begrenzungen in der Vorschubachse hinsichtlich Geschwindigkeit und Beschleunigung ergeben sich beim Profilabrichten von CBN-Wälzschnecken mit keramischer Bindung jedoch üblicherweise Geschwindigkeitsverhältnisse im Bereich von qd = 10 bis 30 und somit hohe Relativgeschwindigkeiten zwischen dem Schleif- und dem Abrichtwerkzeug [2 bis 4]. Sie führen zu einer geschlossenen Topographie der Wälzschnecke sowie zu einem ausgeprägten Verschleiß des Abrichters, der sich in Profil- und Flankenabweichungen widerspiegelt.

Derartige Schneckentopographien erlauben nur geringe bezogene Zeitspanungsvolumina Qw und limitieren somit die Leistungsfähigkeit des Hartfeinbearbeitungsprozesses. Diese Einschränkung verhindert derzeit eine weitere Verbreitung dieser Werkzeuge im industriellen Einsatz.

Ziel der dargestellten Forschungsarbeiten war es, das Potenzial keramisch gebundener CBN-Wälzschnecken durch eine Weiterentwicklung des Profilabrichtprozesses zu erschließen, indem das Geschwindigkeitsverhältnis qd erheblich reduziert wird. Dies kann einerseits durch die Erhöhung der Abrichtgeschwindigkeit vcd erreicht werden, ist jedoch maschinenseitig aufgrund der elektronischen Kopplung der rotatorischen und der translatorischen Maschinenachsen beim Abrichten begrenzt. Andererseits kann das Abrichtgeschwindigkeitsverhältnis durch Reduzierung der Abrichterdrehzahl nR weiter verringert werden.

Dabei ist jedoch sicherzustellen, dass die eingesetzte Abrichtspindel das benötigte Moment bei niedrigen Drehzahlen liefern kann [2 und 5]. Die Wirkungen dieser Maßnahmen werden im Folgenden näher betrachtet. Bei den technologischen Untersuchungen zur Reduzierung des Geschwindigkeitsverhältnisses wurde eine keramisch gebundene, eingängige CBN-Wälzschnecke eingesetzt. Bei den geschliffenen Bauteilen handelt es sich um schrägverzahnte Stirnräder mit einem Normalmodul mn = 2 mm, einer Zähnezahl z = 37 und einem Schrägungswinkel ß = 20°.

Zahnnflankenaufmaß in einem Schleifhub abtragen

Das Geschwindigkeitsverhältnis qd beim Abrichten wurde im Rahmen der Untersuchungen durch eine Erhöhung der Abrichtgeschwindigkeit vcd von 0,565 bis 2,827 m/s stufenweise von 20 auf 4 reduziert. Die Drehzahl der Abrichtspindel wurde dabei konstant bei nR = 1500 min1, dem niedrigstmöglichen Wert, gehalten. Aufgrund der maschinenseitigen Begrenzung hinsichtlich der translatorischen Beschleunigung der Vorschubachse konnte das Geschwindigkeitsverhältnis nicht weiter reduziert werden.

Nach jeder Durchführung der Abrichtzyklen mit veränderten Parametern wurde die CBN-Wälzschnecke zum Schleifen einer Reihe von jeweils fünf Bauteilen eingesetzt, um das Einsatz- und Verschleißverhalten des Werkzeugs über die Zeit zu analysieren. Bei der Schleifbearbeitung wurde nur eine Schruppoperation ohne abschließendes Schlichten durchgeführt, das heißt, das gesamte Zahnflankenaufmaß von ?s = 0,1 mm wurde in einem einzelnen Schleifhub bei einer radialen Zustellung ae = 320 µm abgetragen. Bei den geschliffenen Bauteilen konnte mindestens die Verzahnungsqualität 7 für das Zahnflankenprofil erreicht werden. Diese wurde unabhängig von den jeweiligen Abrichtparametern erreicht und für alle fünf Zahnräder jeder Versuchsreihe eingehalten. Der angegebene Qualitätswert bezieht sich sowohl auf die Profilwinkelabweichung fHa als auch auf die Profilformabweichung ffa. Da es sich dabei um einen reinen Schruppprozess handelt, treten möglicherweise aufgrund des verhältnismäßig hohen bezogenen Zeitspanungsvolumens auch Systemdurchbiegungen auf. Deshalb sind die gewonnenen Ergebnisse hinsichtlich der Bauteilgeometrie sehr positiv zu bewerten.

Bild 1 zeigt die auf den Zahnflankenoberflächen gemessenen Rauheiten in Abhängigkeit vom Geschwindigkeitsverhältnis beim Abrichten. Dabei beziehen sich die Ergebnisse auf das jeweils erste Zahnrad jeder Versuchsreihe, das unmittelbar nach dem Abrichten geschliffen wurde. Die dargestellten Mittelwerte und Abweichungen entstehen aus fünf Wiederholmessungen in radialer Richtung (vom Zahnfuß zum Zahnkopf), die parallel zueinander auf einer Zahnflanke an jeweils drei Zähnen pro Bauteil durchgeführt wurden.

Geschwindigkeitsverhältnis beeinflusst Rauheitswerte

Die Rauheitswerte – im Besonderen die gemittelte Rautiefe Rz – steigen mit abnehmendem Geschwindigkeitsverhältnis. Das ist auf eine rauere Belagtopographie zurückzuführen, die durch die Verringerung des Geschwindigkeitsverhältnisses eingestellt wird. In einer solchen Belagstruktur verfügen die Schleifkörner über einen größeren Kornüberstand, der einerseits für niedrigere Schleifkräfte und andererseits für die Ausbildung einer raueren Oberflächenstruktur verantwortlich ist. Hier ist ein Vorteil keramisch gebundener und somit abrichtbarer CBN-Wälzschnecken gegenüber galvanisch einschichtig gebundenen zu sehen, bei denen eine Veränderung der Topographie nicht möglich ist.

Untersuchungen zum kontinuierlichen Wälzschleifen wurden anhand der keramisch gebundenen CBN-Wälzschnecke mit dem Ziel durchgeführt, die Leistungsgrenze dieses Werkzeugs aufzuzeigen sowie günstige Arbeitsbereiche hinsichtlich der erreichbaren Bauteilqualität zu ermitteln. Dabei wurden die Schnittgeschwindigkeit vc sowie die Vorschubgeschwindigkeit vft in axialer Richtung zum Zahnrad systematisch variiert. Die Schnittgeschwindigkeit vc wurde zwischen 30 und 50 m/s variiert. Bei jedem untersuchten Wert von vc wurde die Vorschubgeschwindigkeit vft in fünf Stufen zwischen 50 und 250 mm/min gesteigert. Diese Steigerung bewirkt eine Zunahme des Zeitspanungsvolumens und somit eine Steigerung der Prozessleistung. Darüber hinaus wird durch die gleichzeitige Variation der genannten Parameter verfahrensbedingt auch der Vorschub pro Werkstückumdrehung variiert, wodurch sich die Eingriffsverhältnisse beim Wälzschleifen maßgeblich ändern.

In Bild 2 sind die für unterschiedliche Kombinationen von Schnitt- und Vorschubgeschwindigkeit gemessenen Schleifkräfte in ihren X- und Y-Komponenten dokumentiert. Dabei wurde das gesamte Zahnflankenaufmaß in einem einzelnen Schruppvorgang abgetragen. Eine Erhöhung der Vorschubgeschwindigkeit verursacht erwartungsgemäß eine Steigerung der Prozesskräfte.

Dies ändert sich jedoch im oberen Vorschubbereich. Betrachtet man die Stellgrößenkombinationen vc = 30 m/s bei vft = 150 mm/min, vc = 40 m/s bei vft = 200 mm/min sowie vc = 50 m/s bei vft = 250 mm/min, sind sie hinsichtlich des axialen Vorschubs f pro Werkstückumdrehung gleich. Die Schleifkräfte bewegen sich auf ähnlichem Niveau. Dabei wird jedoch mit einer um zwei Drittel höheren Vorschubgeschwindigkeit gearbeitet. Dieses korreliert mit dem Zeitspanungsvolumen und hat eine Verkürzung der Bearbeitungszeit zur Folge.

Vielfältige Einflüsse auf das Schleifergebnis

Die Auswirkungen der unterschiedlichen Stellgrößen auf die Rauheit sind in Bild 3 dargestellt. Das Diagramm zeigt, dass die Rauheit mit zunehmender Vorschubgeschwindigkeit steigt. Der Abfall der Druckeigenspannungen durch Steigerung des Zeitspanungsvolumens über die Variation von Schnitt- und Vorschubgeschwindigkeit ist in Bild 4 dargestellt. Bei weiterer Steigerung von vft sind thermische Schädigungen zu erwarten, die mit Zugeigenspannungen einhergehen. Beim kontinuierlichen Wälzschleifen ermöglicht die Wahl einer höheren Schnittgeschwindigkeit eine Steigerung der axialen Vorschubgeschwindigkeit und somit des Zeitspanungsvolumens, ohne dass dabei die Bauteilqualität in Form von thermischen Schädigungen verschlechtert wird.

Zur Erzielung der geforderten Zahnradqualität erfolgt die Bearbeitung in der Regel mindestens zweistufig durch Schruppen und Schlichten. Deshalb wurden unterschiedliche Prozessstrategien untersucht, indem die Aufteilung des abzutragenden Zahnflankenaufmaßes zwischen der Schruppbearbeitung und dem anschließend durchgeführten Schlichtvorgang geändert wurde. Bei jeder Parameterkombination wurden zehn Bauteile in Folge geschliffen.

Entscheidendes Kriterium für die Auslegung des Prozesses ist die geometrische Qualität des Bauteils. Diese wird anhand der Profilwinkel- und Profilformabweichung betrachtet (Bild 5). Während die Profilformabweichung nur eine geringe Abhängigkeit von der gewählten Bearbeitungsstrategie zeigt, ist bei der Profilwinkelabweichung ein deutlicher Unterschied zwischen den drei untersuchten Bearbeitungsstrategien festzustellen. Bei der Strategie mit dem höchsten Schlichtbetrag wurden die höchsten Profilabweichungen erzeugt.

Dies kann dadurch erklärt werden, dass beim Schlichten mit dieser Strategie ein relativ hoher Anteil an Zahnflankenmaterial abgetragen wird. Die daraus resultierenden höheren Bearbeitungskräfte führen zu Systemdurchbiegungen. Aus einer Verringerung des Schlichtaufmaßes, das eine Erhöhung der Schruppzustellung erfordert, ergibt sich eine Verbesserung der Bauteilqualität. Sie steht im engen Zusammenhang mit den geringeren Prozesskräften beim Schlichten.

Ein geringer Schlichtbetrag sollte bevorzugt werden

Die Qualitäten, die bei der jeweiligen Strategie erzielt wurden, konnten über die gesamte Versuchsreihe konstant gehalten werden und bestätigen den stabilen Prozessverlauf. Anhand der erzielten Qualitäten kann die Aussage getroffen werden, dass eine Auslegung des Prozesses mit einem geringeren Schlichtbetrag zu bevorzugen ist. Um diese Erkenntnisse in der Praxis prozesssicher und wirtschaftlich umzusetzen, ist ein zweistufiger Schleifprozess notwendig, anhand dessen das Aufmaß möglicherweise in nur einem Schruppvorgang abgetragen werden kann. Dies erfordert die Anwendung leistungsfähiger Schleifwerkzeuge, die hohe Abtragsraten und gleichzeitig stabile Prozessbedingungen gewährleisten.

Literatur:

[1] Reichstein, M. und F. Catoni: Grinding of Gears with Vitreous Bonded CBN-Worms. Annals of the CIRP (2006), S. 355358.

[2] Türich, A.: Werkzeug-Profilerzeugung für das Verzahnungsschleifen. Dissertation Universität Hannover 2002.

[3] Denkena, B., J. C. Becker, F. Catoni und A. Türich: Kontinuierliches Wälzschleifen von Verzahnungen. Jahrbuch Schleifen, Honen, Läppen und Polieren, 61. Ausgabe. Essen: Vulkan Verlag 2004, S. 6577.

[4] Türich, A.: Abrichten zylindrischer Schleifschnecken mit diamantbelegten Abrichträdern. IDR 38/2004, Nr. II, S. 164170.

[5] Denkena, B., M. Reichstein und F. Catoni: Kontinuierliches Wälzschleifen von Verzahnungen mit abrichtbaren CBN-Werkzeugen. wt Werkstattstechnik online. 6/2005, S. 453458.

Prof. Dr.-Ing. Berend Denkena ist Leiter des Instituts für Fertigungstechnik und Werkzeugmaschinen (IFW) der Leibniz Universität Hannover, Dipl.-Ing. Frank Stimpel ist, Dipl.-Ing. Fausto Catoni war wissenschaftlicher Mitarbeiter am Institut. Weitere Informationen: Dipl.-Ing. Frank Stimpel, Tel. (05 11) 7 62-39 30, stimpel@ifw.uni-hannover.de

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