Spanende Fertigung

Mehrere Eisen im Feuer

| Redakteur: Güney Dr.S.

Kombiniertes Hartdrehen, Schleifen und Hartwalzen von Wellen ermöglicht neue Prozess-Strategien.

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( Archiv: Vogel Business Media )

Ständige Weiterentwicklungen im Bereich der Schneidstoffe und Maschinenkonzepte haben die Leistungsfähigkeit der beiden Hartbearbeitungsverfahren Schleifen und Hartdrehen immer weiter gesteigert. Dabei treten die beiden Verfahren in einigen Anwendungsfällen zunehmend in Konkurrenz zueinander. Ansätze zur Reduzierung von Produktionskosten gehen oftmals in Richtung einer Vermeidung von Bearbeitungs- und Umspannvorgängen, das heißt einer Komplettbearbeitung gehärteter Bauteile in einer Aufspannung und einer Maschine.

Erfolgt das nur durch ein einziges Fertigungsverfahren, sind die Anforderungen an die Leistungsfähigkeit entsprechend hoch. Es muss sowohl hohe Zerspanraten zur Schruppbearbeitung gewährleisten als auch in einem anschließenden Schlichtprozess die erforderliche Oberflächenqualität erzeugen.

Verfahrenskombination reduziert Fertigungszeiten

Sowohl das Hartdrehen als auch das Schleifen kommen den Anforderungen an moderne Produktionsprozesse nach. Dennoch gibt es weiterhin verfahrensspezifische Vorteile, die je nach Art der zu erzeugenden Geometrie mehr oder weniger augenscheinlich zum Tragen kommen. Somit ist es durchaus sinnvoll, außer über eine Verfahrenssubstitution auch über eine Kombination verschiedener Fertigungsverfahren nachzudenken. So kann, obwohl theoretisch beide Verfahren die Fähigkeit besitzen würden, die Bearbeitungsaufgabe zu erfüllen, je nach Geometrieelement das jeweils technisch oder wirtschaftlich optimale Verfahren ausgewählt werden.

Wenn mehrere Verfahren auf einer Maschinenplattform zur Verfügung stehen, entfällt auch der Umspannvorgang auf eine andere Maschine. Mit einem Maschinenwechsel gehen dabei immer die dazugehörigen, unvermeidlichen Handhabungs- und Transportschritte einher, die bei der kombinierten Bearbeitung dann entsprechend entfallen. Durch die komplette Hartbearbeitung in einer Aufspannung werden darüber hinaus Umspannfehler vermieden, was zu einer Reduzierung von Ausschuss führt.

Voraussetzung für die Ausnutzung des Potenzials der kombinierten Bearbeitung durch Hartdrehen und Schleifen ist die genaue Kenntnis der technischen und wirtschaftlichen Leistungsfähigkeit der beiden Verfahren. Die Auswahl hat dementsprechend nach genau zu definierenden Kriterien und Kenngrößen zu erfolgen. Um zu entscheiden, welches Verfahren wann zum Einsatz kommt, müssen die damit erreichbaren Ergebnisse mess- und vergleichbar sein.

Hartdrehen ist flexibler als Schleifen.

Zum Vergleich von Hartdrehen und Schleifen beispielsweise gehört zunächst die technische Betrachtung der erzeugten Mikrogeometrie. Eine funktionale, technische Oberfläche, die durch Schleifen hergestellt wurde, hat ein völlig anderes Eigenschaftsprofil als eine durch Hartdrehen gefertigte, auch wenn beide eine identische gemittelte Rautiefe aufweisen.Oftmals reichen herkömmliche Beschreibungsmerkmale von Oberflächen nicht aus. Ziel muss es sein, die Mikrogeometrie der durch die Zerspanung entstandenen einzelnen Oberflächenstrukturen ebenso zu beschreiben wie die in der Randzone hervorgerufenen Veränderungen des Gefüges.

Aus wirtschaftlicher Sicht sind Unterscheidungsmerkmale zwischen Hartdrehen und Schleifen außer der Investition für die Maschine vor allem die Bearbeitungszeit sowie die Werkzeugkosten. Dabei ist das im Vergleich zum Schleifen flexiblere Hartdrehen oftmals dann produktiver, wenn kleine und kurze Zylinder mit geringen Rauheitsanforderungen sowie Freistiche oder Planflächen des unteren bis mittleren Durchmesserbereiches gefertigt werden müssen. Das Schleifen ist dann vorteilhafter, wenn die Bearbeitung langer, schlanker Bauteile oder aber solcher mit großem Durchmesser gefordert ist. Hier wird dann eine höhere Produktivität erzielt als beim Hartdrehen [1, 5].

Eine kombinierte Bearbeitung der Verfahren Hartdrehen und Schleifen bei so genannten Futterteilen, beispielsweise Zahnrädern, ist heutzutage bereits ein weitgehend beherrschtes und industriell eingesetztes Verfahren. Eine entsprechende Adaption für zwischen Spitzen gespannte Wellenteile hat in diesem Maße allerdings noch nicht stattgefunden [2].

Innerhalb des vom Bundesministeriums für Bildung und Forschung (BMBF) geförderten Projektes Flexible Hochleistungs-Hart-End-Bearbeitung (HHflex) wurde gemeinsam mit den Projektpartnern Daimler-Chrysler, Ecoroll, Saint-Gobain, Heidelberger Druckmaschinen, Oel-Held und Seco Tools ein neues Maschinenkonzept entwickelt. Diese Maschine ermöglicht die kombinierte Bearbeitung von Wellenteilen durch Hartdrehen und Schleifen und zusätzlich eine Nachbearbeitung durch das Verfahren Hartglattwalzen.

Das neue Konzept ermöglicht weitere Prozessvarianten

Außer der klassischen Kombination der einzelnen Verfahren werden durch das neue Konzept nun auch weitere Prozessvarianten möglich, wie beispielsweise eine Schrupp-Dreh-Bearbeitung mit einem anschließenden minimalen Finischen durch Schleifen. Das Schleifaufmaß kann dabei derart reduziert werden, sodass nur noch die Rauheitsspitzen und die durch das Vordrehen entstandene Randzonenschädigungen abgetragen werden. Bei einer Umspannung auf eine andere Maschine müsste das Schleifaufmaß weit größer gewählt werden, weil der Rundlauf nicht in dem Maße erhalten bliebe.

Außer den bisher auf dem Markt angebotenen Maschinenkonzepten ist darüber hinaus durch die spezielle Anordnung von Werkstück und Werkzeugen auch die simultane Bearbeitung möglich, also der zeitgleiche Einsatz mehrerer Verfahren. Dazu wurden die Werkstückspindel und der Reitstock parallel zwischen zwei Führungsbahnen angeordnet. Auf den Führungsbahnen befinden sich jeweils zwei Kreuzschlitten, die als Plattformen für die eingesetzten Werkzeuge dienen. Insgesamt befinden sich vier Werkzeuge in der Maschine, die alle zeitgleich an der Bearbeitung beteiligt sein können. Die dazu gewählte vertikale Bauweise der Maschine stellt eine Alternative zu den bisher weit vertretenen Horizontalbett- und Schrägbettvarianten dar und ermöglicht so eine bessere Zugänglichkeit (Bild 3). Eine manuelle Beladung von links oder rechts wie bei einer Horizontalbettmaschine wäre aufgrund der Führungsbahnen auf beiden Seiten der Werkstückspindel nicht möglich.

Das Maschinenbett besteht aus Naturgranit und gewährleistet außer einer hohen Dämpfung und Steifigkeit auch ein günstiges Wärmeausdehnungsverhalten [2]. Um die innerhalb des Projektes HHflex avisierten Ziele verwirklichen zu können, wurde die folgende Bestückung der werkzeugtragenden Kreuzschlitten gewählt:- Zwei Schleifspindeln, um 15° geschwenkt, zur Aufnahme von CBN-Schleifwerkzeugen und der Möglichkeit zur Hochgeschwindigkeitsbearbeitung (maximale Spindeldrehzahl 12000 min–1, Schnittgeschwindigkeit bis zu 180 m/s bei 23 kW Antriebsleistung, maximaler Schleifscheibendurchmesser 300 mm),- ein Werkzeugrevolver mit acht Plätzen für angetriebene Werkzeuge zur Aufnahme von Dreh- und Walzwerkzeugen sowie- ein freier Werkzeugplatz zum Einsatz einer Lünette oder eines weiteren Werkzeuges zum Drehen oder Walzen.

Die Steuerung und Programmierung der einzelnen Kreuzschlitten erfolgt jeweils separat, so dass diese unabhängig voneinander verfahren können. Positions- und Programmabfragen der beiden Schlitten auf einer Führungsbahn verhindern Kollisionen der Schlitten. Die Schleifbearbeitung erfolgt mit CBN-Schleifscheiben mit Schnittgeschwindigkeiten bis zu 180 m/s, um die Vorteile des Hochgeschwindigkeitsschleifens nutzen zu können. Vorzugsweise zum Einsatz kommt das Verfahren des Hochleistungsaußenrund-Formschleifens, das in Verbindung mit den vergleichsweise schmalen Schleifscheibengeometrien eine hohe Flexibilität der zu erzeugenden Werkstückkontur gewährleistet. Durch die Verwendung von zwei in unterschiedliche Richtungen geschwenkten Schleifspindeln wird die Bearbeitung aller Schultern möglich, ohne eine Umspannung des Werkstücks vornehmen zu müssen (Bild 4).

Kombinierte Bearbeitung von Wellen steigert Flexibilität

Der Werkzeugrevolver nimmt die links- und rechtsseitigen Drehwerkzeuge auf. Dabei werden aufgrund der zu bearbeitenden Werkstoffe Schneidplatten mit PCBN verwendet. Das Hartdrehen, das bereits sehr erfolgreich für die Bearbeitung von Futterteilen eingesetzt wird, kann bei der kombinierten Wellenbearbeitung seine Vorteile zum Beispiel bei Freistichen, kleinen Planflächen sowie anderer, variabel gestalteter Geometrien ausspielen.

Als Kühlschmierstoff wird ein angepasstes Schleiföl verwendet, das außer den Aufgaben des Kühlens und Schmierens beim Schleifprozess auch eine entsprechende Leistung im Hartdrehprozess erbringen muss. Generell ist eine Trockenbearbeitung beim Hartdrehen nicht zuletzt durch die vertikale Anordnung des Werkstückes zwar möglich und mit dem Maschinenkonzept auch industriell durchführbar, weil aber auf eine adäquate Kühlschmierung beim Schleifen nicht verzichtet werden kann, wird Kühlschmierstoff bei allen Verfahren eingesetzt. Dies erfolgt auch, um die Entstehung eines eventuell zündfähigen Gemisches durch zu geringe Kühlschmierstoffmengen zu vermeiden.

Zusätzlich zum Hartdrehen und Schleifen wurde als weiteres Verfahren noch das Hartglattwalzen in die Maschine integriert. Dabei handelt es sich um ein umformendes Fertigungsverfahren, das einerseits zur Verbesserung der Oberfläche durch Einebnung der Rauheitsspitzen genutzt wird, anderseits zur gezielten Einbringung von Druckeigenspannungen bei dynamisch belasteten Bauteilen verwendet werden kann. Hauptelement ist eine keramische Hartwalzkugel, die hydrostatisch auf einem Druckpolster im Werkzeug geführt und gegen das Bauteil gedrückt wird. Das Werkzeug selbst kann in jeden Drehrevolver eingesetzt werden und wird entlang der Werkstückkontur, ähnlich der Kinematik eines Drehprozesses, geführt.

Durch den geringen Durchmesser der Walzkugel kommt es schon bei geringen Walzkräften zu hohen Hertz’schen Pressungen, die zur Verbesserung der Oberflächenqualität sowie zum Einstellen eines gewünschten Eigenspannungsniveaus in der Randzone führen. Das Hartglattwalzen ist ein nachgeschalteter Fertigungsprozess, der zusätzlich zu einer Dreh- oder Schleifbearbeitung erfolgen kann. Änderungen der Form- und Lagetoleranzen des Werkstücks lassen sich damit nicht erzielen [3, 4]. Im Rahmen des Projektes wurde ein neues Walzwerkzeug entwickelt, das die Bearbeitung kleiner Radien, beispielsweise bei Freistichen zwischen Zylinderübergängen, ermöglicht.

Prozessauslegung sollte standardisiert sein

Eine kombinierte oder sogar simultane Bearbeitung bringt nur dann Vorteile, wenn eine Auswahl der Verfahren nicht nur intuitiv subjektiv oder aufgrund traditioneller Vorgaben erfolgt. Die Mehrinvestition in ein derartiges Maschinenkonzept rechnet sich dann, wenn ein standardisiertes und systematisiertes Prozessauslegungsverfahren zur Anwendung kommt. Eine Prozessfolge zur kompletten Hart-End-Bearbeitung eines Werkstücks mit verschiedenen Verfahren, sowohl in sequentieller als auch in simultaner Abfolge, bietet eine hohe Anzahl an Varianten und Alternativen.

Besonders die Optimierung der Abfolge birgt unter dem Aspekt der simultanen Bearbeitung noch ein großes Einsparungspotenzial. Eine Prozessfolge, die sequentiell in der Summe länger dauert als eine andere Variante, kann durch simultane Bearbeitung wieder interessant werden, wenn die zeitgleiche Durchführung bei anderen Fertigungsfolgen nicht möglich ist.Die Anforderungen an die Maschinenkonzepte, die mehrere Verfahren vereinen, sind hoch.

Es gilt, den Forderungen mehrerer Fertigungsverfahren gerecht zu werden, was zuweilen nur ein Kompromiss zulässt oder zu einer höheren Komplexität führt. Dennoch hat die Bearbeitung von Futterteilen gezeigt, dass durch die Kombination verschiedener Verfahren wie Hartdrehen und Schleifen noch ein erhebliches Einsparpotential zu erzielen ist [6]. Aus diesem Grund erscheint es logisch den nächsten Schritt zu gehen und diese Strategie ebenso bei Wellenteilen umzusetzen.

Literatur:[1] Bahmann, W., und G.-J. Hartmann: Hartdrehen und Schleifen – die optimale Hartfeinbearbeitung. Die Maschine 9/2000.[2] Müller, N., und A. Raab: Kombinations-/Simultanbearbeitung: Hartdrehen, Schleifen und Glattwalzen. Vortrag auf der 1st European Conference on Grinding in Aachen, 2003.[3] Liermann, J.: Hartdrehen wälzbelasteter Bauteile. Dissertation RWTH-Aachen 1998.[4] Röttger, K.: Walzen hartgedrehter Oberflächen, Dissertation RWTH-Aachen, 2003.[5] Weinert, K., und G. Johlen: Prozessoptimierung für die Kombinationsbearbeitung Drehen und Schleifen. AIF-Abschlußbericht (AIF 12960). Dortmund: VDW/FWF 2003.[6] Johlen, G.: Prozessoptimierung für die Hartfeinbearbeitung durch Drehen und Schleifen. Dissertation Universität Dortmund 2003.