• Land: Deutschland
  • Artikel vom: 22 November 2013
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  • Kategorie(n): Schleifwerkzeuge, WERKZEUG ANWENDUNGEN, Schleifen, Produktionsschleifen, Verzahnungsschleifen
  • Schlüsselbegriffe: Superfinishing, Verzahnungsschleifen
  • Superfinishing beim Verzahnungsschleifen

    Gegenwärtig ist festzustellen, dass die ohnehin schon hohen Anforderungen an Form- und Maßgenauigkeiten sowie an die Oberflächengüte (Rauheit, Randzoneneigenschaften u. a.) von dynamisch hoch belasteten Bauteilen, wie Zahnrädern, Führungsbahnen und Wälzlagerringen, nochmals steigen werden. Dies ist die Folge der Bestrebungen, die Maschineneffizienz im Hinblick auf den Kraftstoff- bzw. Energieverbrauch sowie die Schadstoff und Geräuschemission zu verbessern.

    Durch eine Verbesserung der Oberflächenrauheit werden tribologische Beanspruchungsbedingungen zwischen den wälzbeanspruchten Bauteilen begünstigt. Zusammen mit günstigen Randzoneneigenschaften, die gegebenenfalls durch den Fertigungsprozess eingestellt werden können, bewirkt dies eine Steigerung der Bauteillebensdauer. So wirkt z. B. bei Zahnrädern eine geringe Rauheit der Zahnflanken sowohl dem Auftreten von Graufleckigkeit als auch den Geräuschemissionen entgegen [Töns00, Kran05, Baus06].

    Ein neuer Ansatz dies zu gewährleisten, sind Schleifscheiben mit elastischen Bindungssystemen auf Basis von geschäumtem Polyurethan und konventionellen Abrasivstoffen (z. B. Korund) [Hein07, Brin09]. Als Referenz zur maximal erreichbaren Oberflächengüte beim konventionellen Verzahnungsschleifen dient eine feinkörnige keramisch gebundene Schleifscheibe. Nach dem Schruppen (Rz = 3 - 4 μm) und Schlichten mit keramisch gebundenen Schleifwerkzeugen, bei dem die notwendige Formgenauigkeit des Werkstücks erzielt wird, kommen die elastisch gebundenen Schleifwerkzeuge zur Finishbearbeitung der Zahnräder zwecks Steigerung der Oberflächengüte zum Einsatz. Ziel der Untersuchungen war es, höchste Oberflächengüten und Verzahnungsqualitäten beim konventionellen Verzahnungsschleifen mit elastischen Schleifscheiben zu erreichen.


    Diskontinuierliches Zahnflankenprofilschleifen

    Das diskontinuierliche Zahnflankenprofilschleifen ist ein abbildendes Schleifverfahren, bei dem die Schleifscheibe das Profil der Zahnlücke erzeugt und dadurch eine werkstückgebundene Werkzeuggeometrie vorliegt. Das bedeutet, dass die Zahnflanken nicht wie bei wälzenden Verfahren mit Hüllschnitten geformt werden. Zusätzlich kommt es bei diesem Schleifverfahren zu einer Linienberührung in Zahnhöhenrichtung zwischen Werkstück und Werkzeug [Kloc05]. Somit liegt beim diskontinuierlichen Zahnflankenprofilschleifen eine vergleichsweise hohe Gefahr der thermischen Schädigung der Zahnflanke vor. Aufgrund des großen Anwendungsbereichs (Modul m = 1 – 35 mm) in der Einzelteilfertigung sowie Großserienfertigung ist das Profilschleifen das am häufigsten eingesetzte Schleifverfahren zur Hartfeinbearbeitung von Zahnrädern [Karp08].


    Schleifscheiben mit elastischer Bindung

    Bei der Hartfeinbearbeitung von Zahnrädern handelt es sich um einen Anwendungsbereich der elastisch gebundenen Schleifwerkzeuge, zu den bislang keine Untersuchungen bekannt sind. Daher waren zunächst Untersuchungennotwendig, bei denen die wesentlichen Merkmale der elastischen Abrasivwerkzeuge und ihre Auswirkungen auf den Prozessverlauf und das Arbeitsergebnis ermittelt werden. Zum Abrichten kann auf konventionelle Form- oder Profilabrichter zurückgegriffen werden. In diesen Untersuchungen wurde mit einer Formrolle abgerichtet, die mit polykristallinen Diamanten belegt ist. Auch die Anschnitterkennung mittels AE-Signal kann hierbei verwendet werden, sofern der AE-Sensor auf Seiten des Abrichters montiert ist. An der Schleifspindel montierte AE- Sensoren erkennen beim Abrichten keinen Pegel, da die elastische Bindung das Signal dämpft [Wagn12].

    Beim Verzahnungsschleifen mit elastisch gebundenen Schleifscheiben handelt es sich um einen weg- und kraftgesteuerten Prozess, der in erster Linie, wie das Polieren, eine Verbesserung der Oberflächenbeschaffenheit des Werkstücks zum Ziel hat. Da das Werkzeug ein elastisches Verhalten aufweist, muss zur Erzielung des Materialabtrags das System Werkzeug-Werkstück vorgespannt werden [Hein13]. Dies erfolgt im Wesentlichen über die Zustellung. Die Zustellung wird hierbei so eingestellt, dass der Materialabtrag im Bereich der Rautiefe nach der Vorbearbeitung liegt (2 - 8 μm). Die Auswahl der optimalen Zustellung hängt im Wesentlichen von der Schleifscheibenspezifikation (Bindungshärte, Körnung, Korndichte), der Werkstückgeometrie, der Beschaffenheit der Werkstückoberfläche nach der Vorbearbeitung sowie von der Prozessführung ab. Am Beispiel des Einflusses der Schleifscheibenspezifikation auf das Arbeitsergebnis wird die Komplexität des Prozesses deutlich (Abb. 1). Während man davon ausgeht, dass eine weiche Bindung zu einer niedrigen Oberflächenrauheit führt, gilt es allerdings zu berücksichtigen, dass sich eine weichere Bindung negativ auf die Formgenauigkeit des Werkstücks auswirkt. Die Verringerung der Korngröße und die damit erzeugbare höhere Oberflächengüte wirkt sich negativ auf die Schneidfreudigkeit der Schleifscheibe aus. Somit findet nur ein sehr geringer Materialabtrag statt. Dieser ist aber notwendig, um die Rauheitsspitzen der vorgeschliffenen Zahnflanke abzunehmen.


    Versuchsumgebung

    Die Profilschleifversuche erfolgten an vorverzahnten, einsatzgehärteten Werkstücken. Die Untersuchungen wurden an einem Verzahnungszentrum KX 500 FLEX der Firma Kapp Werkzeugmaschinen GmbH durchgeführt, das die Schleifbearbeitung von Zahnrädern bei einem Durchmesser bis zu 500 mm und einem Modul von maximal m = 10 mm mit konventionellen und hochharten Abrasivwerkzeugen ermöglicht. Zur Prozessüberwachung ist die Werkzeugmaschine mit einem Drei-Komponenten-Dynamometer und einem AE-Messsystem ausgerüstet. Darüber hinaus ist im Arbeitsraum der Werkzeugmaschine ein Verzahnungsmesssystem integriert, das eine Reduzierung des Zeitaufwands bei der Versuchsauswertung ermöglicht.

    Für die Profilschleifversuche wird eine Twin-Aufnahme verwendet, die es erlaubt, zwei Schleifscheiben auf einer Spindel zu führen (Abb. 2). Mit der konventionellen keramisch gebundenen Schleifscheibe werden die Zahnlücken im Schrupp- und Schlichtschnitt auf eine Verzahnungsqualität von 3 nach DIN 3962 vorgeschliffen und zusätzlich eine Oberflächenrauheit von Rz = 3 – 4 μm erreicht. Anschließend kommt die elastisch gebundene Schleifscheibe zum Einsatz. Mit dieser Schleifscheibe wird nun eine Oberflächenrauheit von Rz < 1 μm erzeugt, ohne die Verzahnungsqualität negativ zu beeinflussen. Aufgrund des neuartigen Systems mit zwei Schleifscheiben auf einer Spindel können Ausrichtfehler (einseitiges Schleifen) vermieden und die gesamte Prozesszeit verkürzt werden.

    Erzeugte Oberflächengüten

    Durch Variation der Schleifscheibenspezifikation (EK 400 und EK 800) und der Prozessparameter konnte ein Schleifprozess eingestellt werden, bei dem in einem Doppelhub (Zustellung auf Fertigmaß – Leerhub – erneute Zustellung auf Fertigmaß) eine Oberflächenrauheit der Zahnflanke von Rz=0,30±0,09μm (EK 800) und

    Rz = 0,40 ± 0,10 μm (EK 400) prozesssicher erreicht werden konnte. Hierbei wurde neben der geringen Oberflächenrauheit eine hohe Konturtreue des Werkstücks erzielt. Zum Vergleich der erzeugten Oberflächengüten sind in Abb. 3 die unterschiedlichen Stufen des Prozesses aufgezeigt. Während die vorgeschliffene Zahnflanke a lediglich einen Materialtraganteil R Mr(-0,25; 5,0) = 9,1 % aufweist, konnte durch das anschließende Superfinishing mit elastisch gebunden Schleifscheiben b (EK 400) oder c (EK 800) der Materialtraganteil auf R Mr (- 0,25; 5,0) = 95,1 – 97,9 % signifikant erhöht werden.

    Um eine Aussage über die Oberflächentopographie treffen zu können, reichen zweidimensionale taktile Messungen nicht aus, da sie nur eine Messspur widergeben. Darum wurden für ausgewählte Zahnlücken optische Messungen mittels Weißlichtinterferometer durchgeführt. In Abb. 4 ist eine Messung der Zahnflanke nach dem Superfinishing mittels Weißlichtinterferometer zu erkennen. Im Gegensatz zu trovalisierten Zahnrädern, die eine ungeordnete Struktur besitzen, weist diese Zahnflanke deutliche Bearbeitungsspuren in einer Vorzugsrichtung auf. Dies begründet sich durch den Korneingriff aufgrund der Kinematik beim diskontinuierlichen Profilschleifen von Verzahnungen. Zusätzlich ergeben die Messungen der Oberfläche Werte von Sa = 0,012 μm und Sz = 0,081 μm. Diese Werte liegen deutlich unter bisher erreichten Werten beim Schleifen von Verzahnungen und zeigen das große Potenzial des Schleifens von Verzahnungen mit elastisch gebundenen Schleifscheiben auf.


    Maß- und Form-Abweichungen

    Durch das Vorspannen des Systems Werkzeug-Werkstück kommt es zu einer Differenz zwischen der an der Werkzeugmaschine eingestellten und der tatsächlich am Werkstück ankommenden Zustellung (SOLL-/IST-Zustellung).

    Dadurch entsteht eine besondere Herausforderung zur Erreichung der geforderten Verzahnung qualität bei der Hartfeinbearbeitung von Verzahnungen mit elastischen Schleifscheiben. Während die verwendete keramisch gebundene Schleifscheibe und die elastisch gebundene Schleifscheibe EK 400 keine Differenz zwischen SOLL- und IST- Zustellung aufweisen, ergibt sich beim Schleifen mit der elastisch gebundenen Schleifscheibe EK 800 eine nicht zu vernachlässigende Differenz. Abb. 5 zeigt den Vergleich zwischen SOLL-und IST-Zustellung beim Einzel- und Doppelhub für unterschiedliche Zustellungen ae und Vorschubgeschwindigkeiten vfa. Die Zustellung ae wurde mit 10, 25 und 50 μm und die Vorschubgeschwindigkeit vfa mit 200, 500 und 1000 mm/min variiert. Es ist zu erkennen, dass bei Erhöhung der SOLL- Zustellung die IST-Zustellung ansteigt. Bei steigender Vorschubgeschwindigkeit vfa verringert sich allerdings die gemessene IST-Zustellung. Dies ist dadurch zu begründen, dass bei höheren Vorschubgeschwindigkeiten vfa die Prozesskräfte steigen und die Schleifscheibe somit stärker abgedrängt bzw. verformt wird. Zusätzlich ist zu erkennen, dass beim Doppelhub eine geringere Differenz zur SOLL- Zustellung vorliegt. Somit ist zu empfehlen, dass beim Schleifen mit der elastisch gebundenen Schleifscheibe EK 800 im Doppelhub mit Vorschubgeschwindigkeit vfa geschliffen werden sollte, um eine hohe Maßgenauigkeit zu erreichen. Neben den vorgestellten Abweichungen in der Zahnweite kommt es beim Verzahnungschleifen mit elastisch gebundenen Schleifscheiben zu weiteren Maß- und Formabweichungen, die die Verzahnungsqualität negativ beeinflussen. Nachfolgend sind lediglich Einflüsse gezeigt bei Prozessparametern, die zu größten Abweichungen führen (ae = 50 μm; vfa = 0,2 μm). Der Betrag der Abweichung steigt mit zunehmender Zustellung ae (vgl. Abb. 4). Die erzeugten Abweichungen führen zu einer Verzahnungsqualität von 5 nach DIN 3962 (Abb. 6). Um die Effekte zu ermitteln, die zu diesen Abweichungen führen, wurden druckempfindliche Folien in die Zahnlücke geklebt und die Schleifscheibe mit einer definierten (im Prozess gemessenen) statischen Kraft beaufschlagt. Diese Messungen machen deutlich, dass die höchsten Drücke im Zahnfußbereich vorliegen. Aufgrund des Verhaltens von elastisch gebundenen Schleifscheiben (Abb. 1) kommt es folglich in diesem Beispiel nur im Fußbereich zu einem Materialabtrag. Es ist somit festzustellen, dass Zahnräder nicht ohne Profilkorrekturen mit elastisch gebundenen Schleifscheiben in hoher Verzahnungsqualität zu fertigen sind. Um diesen Abweichungen entgegenzuwirken bzw. diese vorzuhalten, bedarf es einer Profilmodifikation. Diese Modifikation muss so ausgeprägt sein, dass eine Balligkeit in Profilrichtung auf die Schleifscheibe gegeben wird. Hierzu ist das Maß der Balligkeit beim Profilieren einzustellen. Der Betrag der Balligkeit entspricht hierbei nicht der gemessenen Abweichung, vielmehr muss stattdessen die Nachgiebigkeit der Schleifscheibe einbezogen werden. Beaufschlagt man nun die auf diese Weise profilkorrigierte Schleifscheibe mit einer Kraft F (Abb. 7), schmiegt sich die Scheibe dem Zahnlückenprofil an und es entsteht eine gleichmäßige Druckverteilung über das Zahnprofil. Dies führt zu einer verbesserten Verzahnungsqualität.

    Betrachtet man den Einfluss auf die Flankenlinie, sind ebenfalls signifikante Abweichungen von der Sollgeometrie erkennbar (Abb. 8). Diese sind auf die asymmetrische Eingriffslinie beim Schleifen von Schrägverzahnungen zurückzuführen. Ähnlich dem Profilschrieb lässt sich aus den Messprotokollen ableiten, dass das Schleifen ohne Korrekturen nicht geeignet ist, um hohe Verzahnungsqualitäten zu erreichen. Zusätzlich ist zu erwähnen, dass durch die Ausbildung der gezeigten Flankenlinien ein Kantentragen der Zahnräder nicht auszuschließen ist, welches es zu vermeiden gilt.

    Während bei den Abweichungen im Profil der Verzahnung durch eine gezielte Korrektur beim Profilieren der Schleifscheibe Abhilfe geschaffen werden kann, bedarf es bei den Abweichungen der Flankenlinie einer kinematischen Korrektur. Die Asymmetrie der Flankenlinie würde beim konventionellen Schleifen mit keramisch gebundenen Schleifscheiben mit einem schwenkwinkel-/einstellwinkelo timierten Schleifprozess vermieden werden. Da diese Abweichungen jedoch beim schwenkwinkel-/einstellwinkeloptimierten Schleifen mit elastisch gebundenen Schleifscheiben identisch sind, ergibt sich hieraus keine Verbesserung der Verzahnungsqualität. Es kommt beim Schleifprozess zu einem Abstützen der Scheibe an einer Zahnflanke. Somit würde der Flankenlinienschrieb bei einer rechtsschrägen Verzahnung nach rechts kippen. Um eine Verzahnungsqualität von min. 3 nach DIN 3962 zu erhalten, müssen also neben der Profilkorrektur auch Flankenlinienkorrekturen durch Interpolation in Z-C- (Korrektur der Asymmetrie) und Z-X-Achse (Erzeugung der Breitenballigkeit) durchgeführt werden. Die Korrekturen müssen für jede Veränderung der nominellen Zustellung ae, der Vorschubgeschwindigkeit vfa oder Schleifscheibenspezifikation angepasst werden, da diese Faktoren ausschlaggebend für die jeweiligen Abweichungen sind.


    Zusammenfassung

    Der Einsatz von elastisch gebundenen Schleifscheiben zur Finishbearbeitung von Zahnrädern in einem diskontinuierlichen Profilschleifprozess bietet ein sehr hohes Potenzial zur Erreichung höchster Oberflächengüten und Verzahnungsqualitäten. Bei den Untersuchungen konnten hochfeine Oberflächen auf Zahnflanken mit einer gemittelten Rautiefe von Rz ≤ 0,3 μm und einer Verzahnungsqualität von 3 nach DIN 3962 erzeugt werden. Zusätzlich birgt das Verzahnungsschleifen mit elastisch gebundenen Schleifscheiben ein sehr geringes Schleifbrandrisiko und ist auf konventionellen Verzahnungsschleifmaschinen ohne große Investitionen einsetzbar. Somit bietet sich die Möglichkeit, bei der konventionellen Schleifbearbeitung in einer Werkstückspannung eine hohe Bauteilqualität wirtschaftlich zu erreichen, die heutzutage nur durch nachgeschaltete, kosten- und zeitaufwendige Bearbeitungsprozesse (Gleitschleifen, Läppen, Honen usw.) erzielt werden kann. Eine Aufrüstung einer vorhandenen Werkzeugmaschine ist nur dann erforderlich, wenn der Anwender an dieser Maschine eine kombinierte Schrupp- und Finishbearbeitung umzusetzen beabsichtigt. Eine solche Maschinenaufrüstung kann mit einem vergleichsweise vertretbaren Kosten- und Zeitaufwand durchgeführt werden. In weitergehenden Untersuchungen ist zu prüfen, ob die erreichbare hohe Qualität von Funktionsflächen ein günstiges Geräuschverhalten und eine hohe Lebensdauer des Bauteils gewährleistet, die zudem durch den Fertigungsprozess bzw. dadurch erzeugte günstige Randzoneneigenschaften weiter verbessert werden kann. Auch für Anwendungen in der Serienfertigung könnte dieses Verfahren bei hochproduktiven Prozessen, wie dem kontinuierlichen Wälzschleifen oder dem kontinuierlichen Profilschleifen (mit Globoidschnecke) mit elastisch gebundenen Schleifscheiben interessant sein, da die Ergebnisse aus den Profilschleifversuchen auch auf diese Verfahren übertragbar sind. An dieser Stelle besteht weiterer Forschungsbedarf.


    Danksagung

    Das IGF-Vorhaben 16923 N der FVA – Forschungsvereinigung Antriebstechnik e.V. wurde über die AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der industriellen Gemeinschaftsforschung und –entwicklung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert. Der Autor dankt den mitwirkenden Industriepartnern für die Unterstützung des Forschungsvorhabens.

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