Feinbearbeitung Schleifen von Großverzahnungen mit keramisch gebundenen Scheiben

Zum Erzielen der heutzutage bei Zahnrädern geforderten Genauigkeiten ist in vielen Fällen eine Hartfeinbearbeitung der Zahnflanken unumgänglich. Für Großverzahnungen sowie bei der Prototypenfertigung kommt häufig das Zahnflankenprofilschleifen mit keramisch gebundenen Scheiben zum Zuge.

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Zahnräder gehören zu den wichtigsten Maschinenelementen im Getriebe-, Fahrzeug- und Maschinenbau. Die Anforderungen an diese Produkte bezüglich Leistungsübertragung oder Laufruhe steigen ständig weiter an. Das Schleifen ist deshalb eines der wichtigsten Verfahren zur Erfüllung höchster Qualitätsansprüche. Für Großverzahnungen sowie bei der Prototypenfertigung kommt häufig das Zahnflankenprofilschleifen mit keramisch gebundenen Scheiben zum Zuge (Bilder 1 und 2).

Die Schleifscheibenabmessungen sind meist durch die eingesetzten Schleifmaschinensysteme oder die Arbeitsaufgabe vorgegeben. Die notwendige optimale Schleifwerkzeugauswahl sollte sich an folgenden Werkstoff- und Maschinenparametern orientieren: Maschinentyp, Zahnradgröße, Zähnezahl, Schleifscheibenabmessungen, Modul, Eingriffswinkel, Arbeitsgeschwindigkeit, Werkstoffqualität, Schleifaufmaß pro Zahnflanke sowie die zu erreichende Verzahnungs- beziehungsweise Oberflächenqualität.

Abrichten und Kühlsystem beeinflusst Schleifergebnis

Das Schleifergebnis wird auch vom Abrichten und dem Kühlsystem massiv beeinflusst. So bewirkt das Abrichten der Scheibe im Gleichlauf eine raue Oberfläche der Scheibe, wie es beispielsweise für das Schruppen erwünscht ist. Das Abrichten im Gegenlauf ergibt eine feinere Oberfläche der Scheibe und eignet sich zum Schlichten.

Die richtige Kühlschmierstoffzuführung, abgesehen von der Wahl des Kühlschmierstoffes, ist maßgeblich mit entscheidend für schleifbrandfreies Schleifen. Das Kühlschmiermittel muss in die Schleifzone gelangen. Bei jeder Veränderung des Schleifprozesses sind immer die Auswirkungen auf die Werkstück-Randzone zu bedenken:

• So bedeutet eine Erhöhung der Schleifscheiben-Umfangsgeschwindigkeit beim Profil- und Teilwälzschleifen keine Leistungssteigerung. Die Wärmebelastung des Werkstücks steigt ebenso wie die Wirk-Härte der Schleifscheibe. Dies bedeutet eine bessere Kantenfestigkeit und somit einen geringeren Scheibenverschleiß. Die Schleifkraft nimmt ab und die Werkstückoberflächen-Rauheit verringert sich.
• Bei einer Erhöhung der Zustellung steigt die Wärmebelastung des Werkstücks, erhöht sich die Werkstückoberflächen-Rauheit, steigt die Schleifkraft und der Schleifscheibenverschleiß. Die Schleifzeit verringert sich.
• Ein höherer Vorschub vergrößert die Wärmebelastung des Werkstücks; Werkstückoberflächen-Rauheit, Schleifkraft und Schleifscheibenverschleiß nehmen zu. Die Schleifzeit reduziert sich.

Korn, Bindung und Struktur beeinflussen Leistung

Maßgeblich verantwortlich für die Schleifzeit und somit die Wirtschaftlichkeit des Schleifprozesses sind das Zeitspanvolumen Q’w und das Zerspanungsvolumen V’w. Die Zustellung und die Vorschubgeschwindigkeit haben einen wesentlichen Einfluss auf das Zeitspanvolumen. Das Zerspanungsvolumen V’w ist abhängig vom Werkstückwerkstoff, der Werkstückgeometrie, vom Kühlmittel, vom Abrichtwerkzeug und der Schleifscheibe. Das Zerspanvolumen muss für jede Schleifscheibe und für jeden Werkstoff ermittelt oder festgelegt werden.

Bezüglich der Schleifleistung haben Schleifscheibenhersteller „nur“ Einfluss auf das Leistungsvermögen der Schleifscheibe. Durch Veränderung des Schleifmittels/Schleifkorns, des Bindungssystems und der Porosität/Struktur wird das Leistungsvermögen der Schleifscheibe massiv beeinflusst beziehungsweise gesteuert.

Höhere Leistung mit Sinterkorund-Schleifscheiben

Ganz grob unterscheidet man Schleifscheibenqualitäten mit Anteilen von Sinterkorunden und Schleifscheibenqualitäten mit Edelkorunden. Der Vorteil von Schleifscheiben mit Sinterkorundanteilen besteht in der Partikelgröße < 0,2 µm im Vergleich zu erschmolzenem Korund mit einer Kristallgröße von > 50 µm. Beim Bearbeitungsprozess mit Sinterkorundscheiben kommt es zum Bruch einzelner Partikel entlang der Gitterlinie, so dass sich das Korn selbst schärft. Das bedeutet eine Leistungssteigerung. Den Vergleich zwischen einer Standardscheibe und einer Sinterkorundscheibe von Burka-Kosmos beim Profilschleifen von Ritzeln und Planetenrädern zeigt die Tabelle.

Eine Gefahr beim Schleifen von Zahnrädern ist die thermische Schädigung der Zahnflankenoberflächen, der so genannte Schleifbrand (Bilder 3 und 4). Dabei können vier Arten der thermischen Schädigung auftreten:

• Oxidation durch Überhitzung,
• thermisches Erweichen,
• Zugeigenspannungen,
• Neuhärtung.

Zur Erkennung von Schleifbrand auf der Zahnflanke gibt es unterschiedliche Prüfverfahren:

• Standardverfahren ist die Nitalätzung nach ISO 14104 oder ISO 6336-5.
• Metallografie (Prüfung des Gefüges und des Härtetiefenverlaufs) und Röntgenografie (Prüfung des Eigenspannungs- und Restaustenittiefenverlaufs) sind zerstörende Prüfverfahren.
• Zerstörungsfreie Prüfverfahren sind Oberflächenhärtemessungen, mikromagnetische Prüfverfahren wie 3MA und Rollscan, photothermische Verfahren sowie eine visuelle Kontrolle der Bauteiloberfläche, die allerdings eine unzureichende Aussagekraft hat.

Durch Neuentwicklungen von Kornmaterialien in Zusammenhang mit neuen Bindungssystemen wird versucht, die Leistung immer weiter zu steigern. Die Schleifscheibe ist aber nur ein Glied in der Prozesskette.

Bei Versuchen muss immer die komplette Prozesskette betrachtet werden. Schleifmittelhersteller stehen mit ihrem Fachwissen bei Versuchen gerne zur Verfügung. Man kann eine Verbesserung des Schleifprozesses nur mit Ändern von Parametern erreichen. Das erfordert Mut.MM

Albin Könsgen ist Verkaufsleiter der Schleifmittelwerke Burka-Kosmos GmbH in 60487 Frankfurt, Tel. (0 69) 97 09 79-0, info@burka-kosmos.de

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