Verzahnungen Hartfeinbearbeitung von Verzahnungen mit Störkontur

Autor / Redakteur: Friedrich Wölfel / Bernhard Kuttkat

Die Hartfeinbearbeitung von Verzahnungen ist ein gängiges Fertigungsverfahren zur Herstellung qualitativ hochwertiger Verzahnungen mit deutlich höherer Prozesssicherheit im Vergleich zur Weichfeinbearbeitung. Drei Verfahren stehen dabei zur Auswahl. Das diskontinuierliche Profilschleifen dominiert.

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Eine typische Anwendung des diskontinuierlichen Profilschleifens in der Serie ist die Bearbeitung einer Sonnenradwelle. Bild: Kapp
Eine typische Anwendung des diskontinuierlichen Profilschleifens in der Serie ist die Bearbeitung einer Sonnenradwelle. Bild: Kapp
( Archiv: Vogel Business Media )

Eingesetzt werden für die Hartfeinbearbeitung von Verzahnungen heutzutage im Wesentlichen drei Verfahren, die entweder abrichtbare oder abrichtfreie Werkzeuge nutzen (Bild 1 a bis c – siehe Bildergalerie). Den breitesten Anwendungsbereich hat bis heute das diskontinuierliche Profilschleifen. Dieses Verfahren ist sowohl hinsichtlich der Größe der zu schleifenden Verzahnungen (Durchmesser, Modul) als auch des Typs der Anwendung (Prototypen, Kleinserie, Großserie, High-End-Anwendungen, beispielsweise Meister-/Prüfräder) sehr flexibel einsetzbar.

Kontinuierliches Wälzschleifen bietet hohe Produktivität

In der Serienbearbeitung (Mittel-/Großserie) von Verzahnungen bis zu einem maximalen Modul von etwa 6 mm kommt das kontinuierliche Wälzschleifen zum Einsatz. Die hohe Produktivität dieses Verfahrens ist insbesondere in den geringen Prozess-Nebenzeiten durch den kontinuierlichen Schleifprozess begründet.

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Die eingesetzten Schnittgeschwindigkeiten bei diesem Verfahren liegen bei 60 bis 75 m/s, die Werkzeugdurchmesser bei 160 bis 320 mm. Die damit möglichen Ratiopotenziale gegenüber dem diskontinuierlichen Profilschleifen forcieren aktuell die Entwicklung von Wälzschleifmaschinen für größere Module und Werkstückdurchmesser von bis zu 1200 mm.

Verzahnungshonen/Coronieren ausschließlich für Großserien

Das dritte Verfahren – das Verzahnungshonen/Coronieren – hat seinen Schwerpunkt in der Bearbeitung von Pkw-, teils auch Lkw-Verzahnungen im Modulbereich bis circa 3,5 mm. Aufgrund der relativ hohen Anfangsinvestition für die eingesetzten Abricht-/Honwerkzeuge ist dieses Verfahren nahezu ausschließlich in der Großserienfertigung beheimatet. Vornehmlich diese genannten Verfahren kommen heute auch für die Hartfeinbearbeitung störkonturbehafteter Verzahnungen zum Einsatz.

Bei der Bearbeitung störkonturbehafteter Verzahnungen wird heutzutage zum größten Teil auf das diskontinuierliche Profilschleifen zurückgegriffen. Eine typische Anwendung in der Serie ist das Bearbeiten einer Sonnenradwelle unter Verwendung abrichtfreier scheibenförmiger Kapp-CBN-Werkzeuge (2-rilliger Schruppsatz/1-rillige Schlichtscheibe).

Die minimalen Durchmesser solcher Schleifwerkzeuge liegen bei etwa 20 mm. Die erforderliche Schnittgeschwindigkeit von rund 40 m/s wird durch entsprechend schnelle Werkzeugantriebe beziehungsweise zusätzliche Übersetzungsstufen zwischen Schleifmotor und Schleifspindel erreicht.

Schleifscheibe und Spindelzapfen aus einem Grundkörper zur Bearbeitung einer Luftfahrt-Verzahnung

Den Grenzbereich für derartige Anwendungen zeigt Bild 2. Dort kommt ein abrichtfreies Schleifwerkzeug mit einem Durchmesser von circa 15 mm zur Bearbeitung einer Luftfahrt-Verzahnung mit eng angrenzender Störkontur zum Einsatz. Im Unterschied zum erwähnten Bearbeiten von Sonnenradwellen sind hier Schleifscheibe und Spindelzapfen aus einem Grundkörper gefertigt.

Wenn Bauteile solche Werkzeugdurchmesser nicht mehr zulassen, besteht noch die Möglichkeit, stiftförmige Schleifwerkzeuge einzusetzen (Bild 3). Aufgrund des geringen Durchmessers dieses Werkzeuges sind zur Realisierung eines entsprechenden Materialabtrages beim Schleifen extrem hohe Drehzahlen der Werkzeugspindeln erforderlich. Bei Kapp realisierte Lösungen nutzen sowohl direkt als auch indirekt angetriebene Spindeln mit Drehzahlen am Werkzeug bis 80 000 min—1.

Fehlender Axialhub beim kontinuierlichen Profilschleifen erfordert keine großen Überläufe

Eine Mischform des Profil- und Wälzschleifens ist das kontinuierliche Profilschleifen. Bei diesem Verfahren kommt ein globoides schneckenförmiges Werkzeug zum Einsatz (Bild 4). In einem solchen Schleifwerkzeug wird die gesamte Geometrie der Verzahnung (Profil- und Flankenform) vorgehalten. Das heißt, beim Schleifen der Verzahnung mit einem solchen Werkzeug ist kein Axialhub in Werkstück-Achsrichtung erforderlich.

Dies ist auch der wesentliche Vorteil des Verfahrens beim Schleifen störkonturbehafteter Bauteile gegenüber dem kontinuierlichen Wälzschleifen, das diesen Axialvorschub und entsprechend große Überläufe auf beiden Seiten der Verzahnung zum Ausbilden der kompletten Flankengeometrie benötigt.

Abrichtfreie Schleifwerkzeuge für das kontinuierliche Profilschleifen meist bevorzugt

In der Praxis wird dieses Verfahren vorrangig unter Verwendung abrichtfreier Schleifwerkzeuge (in der Regel Schrupp- und Schlichtwerkzeuge) zur Bearbeitung störkonturbehafteter Verzahnungen auf wellenförmigen Bauteilen eingesetzt. Typische Werkzeugdurchmesser liegen hier zwischen 120 und 160 mm.

Das seit Langem bekannte Verzahnungshonen/Coronieren mit innenverzahntem Werkzeug wurde durch die Weiterentwicklung der Maschinen und Werkzeuge in den letzten Jahren zu einem autarken Verfahren zur Hartfeinbearbeitung von Verzahnungen. Anders als bei allen Varianten des Verzahnungsschleifens wird der Materialabtrag beim Verzahnungshonen durch ein „Schaben“ des Werkzeugs auf der Oberfläche der Verzahnung realisiert.

Verzahnungshonen/Coronieren erreicht 5 bis 8 m/s Schnittgeschwindigkeit

Die erreichbaren Schnittgeschwindigkeiten zwischen Werkzeug und Werkstück liegen bei 5 bis 8 m/s und definieren auch die wichtigste Einschränkung des Verfahrens – den gegenüber dem Schleifen begrenzten Materialabtrag. Unter Einsatz abrichtbarer Werkzeuge (Bild 5) können Verzahnungen mit bis zu 2 mm Freiraum zur Störkante bearbeitet werden.

Wesentlich weiter reichen noch die Möglichkeiten beim Einsatz abrichtfreier Kapp-Coronier-Werkzeuge. Durch eine modifizierte Werkzeugauslegung kann auch eine Bearbeitung ohne Achskreuzwinkel zwischen Werkstück und Werkzeug realisiert werden. Die minimalen Abstände von der Verzahnung zur Störkante liegen dann bei etwa 0,5 mm (Bild 6).

Wälzschleifen von Verzahnungen mit Störkontur

Die neueste Entwicklung am Markt zur Hartfeinbearbeitung störkonturbehafteter Bauteile kommt ebenfalls aus dem Hause Kapp. Ziel dieser Entwicklung ist, die bekannten Produktivitätsvorteile des kontinuierlichen Wälzschleifens auch beim Schleifen solcher Verzahnungen nutzbar zu machen.

Die Herausforderungen auf diesem Weg bestehen insbesondere in der Bereitstellung hochdynamischer Antriebe für Werkstück und Werkzeug, die in Wälzkopplung Drehzahlen bis 5000 min—1 für das Werkstück beziehungsweise 22 000 min—1 für das Werkzeug ermöglichen müssen.

Kontinuierliches Wälzschleifen mit Werkzeugen von nur 60 mm Durchmesser angestrebt

Auf technologischer Seite werden neue Geometrien und Spezifikationen sowohl für abrichtbare (Bild 7) als auch abrichtfreie Werkzeuge entwickelt und erprobt. Diese Entwicklungen verfolgen das Ziel, das Verfahren kontinuierliches Wälzschleifen bis hin zu minimalen Werkzeugdurchmessern von circa 60 mm bei abrichtfreien Werkzeugen oder 80 mm bei abrichtbaren Werkzeugen – im Vergleich zu den heute üblichen Werkzeugdurchmessern von 160 bis 320 mm bei diesem Verfahren – einzusetzen.

Mit mindestens einem der genannten Verfahren kann heute nahezu jede störkonturbehaftete Verzahnung hartfeinbearbeitet werden. Zu berücksichtigen ist dabei allerdings, dass diese Bearbeitungsverfahren im Regelfall aufwendiger und teurer gegenüber der Bearbeitung einer störkantenunkritischen Verzahnung sind.

Diese Tatsache lässt sich meist dadurch reduzieren, dass bereits bei der Produktentwicklung wichtige Randbedingungen der geplanten und verfügbaren Fertigungsverfahren untersucht und möglichst auch bei der Bauteilgeometrie berücksichtigt werden. Einen wesentlichen Schritt in Hinblick auf Produktivität und Wirtschaftlichkeit könnte das kontinuierliche Wälzschleifen unter Verwendung kleiner Schleifschnecken ermöglichen.

Friedrich Wölfel ist Leiter Technologieentwicklung/Produktmanagement der Kapp GmbH & Co. KG in 96450 Coburg

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