Schleifen von Kegelrädern

Inhaltsverzeichnis

Die Kegelradherstellung sieht 3 Herstellungsverfahren mit Feinbearbeitung vor.

Läppen
Hartschälen
Schleifen

Geschliffene Kegelradverzahnung wird eingesetzt u. a. bei Lkws, Bussen und Pkws. Hauptgrund für die Auswahl der Bearbeitungsverfahren ist die mögliche Geräuschentwicklung. Geläppte Verzahnungen haben ein besseres Geräuschverhalten als geschliffene Verzahnungen.

Die Vorteile des Schleifens sind jedoch:

Exakte Topografie und Teilung
Hohe zu übertragende Drehmomente möglich
Geringe zulässige Drehfehler möglich
Große Flexibilität in der Fertigung

Die Feinbearbeitung bei dieser Variante erfolgt durch Schleifen. Tellerrad und Ritzel werden weichbearbeitet, gehärtet und geschliffen, wobei das Tellerrad meist ohne Modifikation geschliffen wird und die Flankenmodifikationen meist beim Ritzel eingebracht werden. Nach dem Schleifen erfolgt die Tragbildkontrolle mittels gegenseitigem Ablaufenlassen unter Verwendung von Tuschierfarbe. Hat der Radsatz die ideale Topografie, dient dieser als Referenz zur Vermessung auf der Messmaschine. Weitere Prüfungen erfolgen nach Messen auf der Messmaschine unter Zugrundelegung der Referenzgeometrie.

Die Geometrie eines Kegelrades bzw. Kegelritzels wird bestimmt durch die konkave und konvexe Seite des Zahns, wobei die konkave Flanke generell den kleinen Profilwinkel mit
8 – 15 ° aufweist und die konvexe Flanke den großen mit 25 – 30 °.

2 Varianten werden bei der Kegelradbearbeitung unterschieden

Wälzschleifen (diskontinuierlich)
Tauchschleifen (FORMATE®)

Beim Tauchschleifen lassen sich nur Tellerräder herstellen, beim Wälzschleifen
hingegen können Kegelritzel und Tellerräder hergestellt werden. Beide Varianten
arbeiten im Einzelteilverfahren, was bedeutet, dass Lücke für Lücke
geschliffen wird.

Die Merkmale beider Varianten sind:

Diskontinuierliches Schleifverfahren
Kreisbogenförmige Zahnlängskurve
Konische Zahnhöhe vom Innen- zum Außendurchmesser der Verzahnung
Konstante Zahnlückenweite

Wälzschleifen in der Kegelradbearbeitung

Diskontinuierliches Verfahren
Für Kegelritzel und Kegelscheiben geeignet
Bewegung von Werkstück und Werkzeug gekoppelt
Wesentliche Stellgröße ist die Wälzgeschwindigkeit vw

Leistungsmaßstäbe beim Wälzschleifen von Kegelrädern

zeitspanvolumen berechnen waelzschleifen kegelraeder — Berechnung Zeitspanvolumen Q’w

Mittleres, profilbezogenes Zeitspanvolumen. Der Wert ist auf die Profilhöhe bezogen.

vw = Wälzgeschwindigkeit
Vw = Zerspanvolumen
Δα = Wälzintervall
hm = mittlere Zahnhöhe
αn = Eingriffswinkel

Beim Wälzschleifen in der Kegelradbearbeitung handelt es sich um ein diskontinuierliches Schleifverfahren, die Bearbeitung erfolgt Zahn um Zahn. Die ausgeführte Wälzbewegung von Schleifscheibe und Werkzeug wird gekoppelt. Die Zustellung erfolgt durch die Schleifscheibe vor Eintritt in die Flanke. Während des Wälzens bewegen sich zwar alle Achsen, die Schleifscheibe wird aber im Sinne von Aufmaß nicht zugestellt. Beide Zahnflanken werden je nach Verfahren einzeln oder gleichzeitig bearbeitet.

beruehrlinie beim waelzschleifen — Berührlinie beim Wälzschleifen

Es erfolgt ein Linienkontakt zwischen Zahnflanke und Schleifscheibe. Die Wälzbewegung erfolgt von der Zahnferse am äußeren Durchmesser bis zur Zahnzehe am inneren Durchmesser oder umgekehrt. Mittels Wälzschleifverfahren lassen sich Ritzel und Tellerräder bearbeiten. Beim Wälzschleifen entsteht durch die Berührung von Werkstück und Werkzeug eine Berührlinie entlang der Zahnflanke, woraus eine kurze Kornbahn (ähnlich kleiner Riefen bzw. Schleifbilder) des Schleifkorns am Berührpunkt (Linie) entsteht. Durch die Wälzbewegung verändert sich die Richtung dieser Berührlinie stetig. Das entstehende Schleifbild bzw. die Kornbahn verläuft parallel zum Zahngrund.

Prozessarten in der Kegelradbearbeitung

Einstufiger Prozess:
Beim Einfachwälzen werden beide Flanken gleichzeitig (Completing) geschliffen. Es gibt keine Aufteilung in Schrupp-/Schlichthub. Die Gefahr von thermischen Schäden besteht. Das Verfahren wird oft in der Automobilfertigung eingesetzt.

Zweistufiger Prozess:
Beim Doppelwälzen werden auch beide Flanken gleichzeitig bearbeitet, jedoch erfolgt der Prozess in 2 Stufen.

Schruppen beim Hinwälzen
Schlichten beim Zurückwälzen

Hinweis:
Beim Hinwälzen ist es Gegenlauf, beim Rückwälzen ist es Gleichlauf oder umgekehrt, je nach Drehrichtung der Schleifscheibe. Ist hinsichtlich Schleifbrand und Qualität wichtig zu wissen.

Parameterempfehlung Wälzschleifen in der Kegelradbearbeitung

SCHNITTGESCHW.	TIEFENZUSTELLUNG	WÄLZGESCHW.	EXZENTERFAKTOR	ZERSPANVOLUMEN
vc	ae	Vw	E	V'w
m/s	mm	Grad/s	ca. Grad/mm (dimensionslos)	mm³
18 – 25	0,1– 0,5	5 – 20	0,1– 0,3	600 –1000

Tauchschleifen

Diskontinuierliches Verfahren
Für Tellerräder Übersetzungsverhältnis i > 2,5
Große Kontaktlänge zwischen Schleifkorn und Zahnflanke, dadurch höheres Schleifbrandrisiko
Wesentliche Stellgröße ist Tauchvorschubgeschwindigkeit v_t

Leistungsmaßstäbe beim Tauchschleifen

v_t = Tauchgeschwindigkeit
V_w = Zerspanvolumen
a_e = Flankenaufmaß
h_m = mittlere Zahnhöhe

Beim Tauchschleifen handelt es sich um ein diskontinuierliches Schleifverfahren, die Bearbeitung erfolgt auch Zahn um Zahn. Beide Zahnflanken werden gleichzeitig bearbeitet. Es erfolgt ein Flächenkontakt zwischen Zahnflanke und Schleifscheibe. Aufgrund der Tauchbewegung der Schleifscheibe in Achsrichtung verläuft die Kornbahn parallel zum Zahngrund und die Oberflächenstruktur liegt in Zahnbreitenrichtung vor. Es ergeben sich parallel zum Zahngrund verlaufende Schleifriefen. Die Schleifrichtung verläuft von der Tellerradzehe am Innendurchmesser bis zur Tellerradferse am Außendurchmesser oder umgekehrt. Mittels Tauchschleifen lassen sich nur Tellerräder herstellen. Ritzel sind aufgrund der Geometrie nicht in diesem Verfahren schleifbar.

Durch die große Kontaktzone beim Tauchschleifen (Profilschleifen) zwischen Schleifscheibe und Kegelrad steigt die Temperatureinbringung im Schleifprozess gegenüber der geringen Berührfläche im Wälzschleifen stark an, was zu thermischen Belastungen der Werkstückrandzone bis hin zur Entstehung von Schleifbrand führen kann. Diese Problematik kann durch eine Exzenterbewegung der Schleifspindel, welche die Kontaktzone wesentlich verringert und mehr Kühlöl in den Schleifbereich bringt bzw. den Spanabtrag fördert, beseitigt bzw. stark gemindert werden.

Verfahrens-Kenngrößen:
v_t = Tauchgeschwindigkeit [mm/min]
v_s = Umfangsgeschwindigkeit Schleifscheibe [m/s]

Parameterempfehlung für das Tauchschleifen

SCHNITTGESCHW.	TIEFENZUSTELLUNG	TAUCHGESCHW.	EXZENTERFAKTOR	ZERSPANVOLUMEN
v_c	a_e	v_t	E	V'_w
m/s	mm	mm/min	mm	mm³
18 – 25	0,1– 0,5	20 –120	0,1– 0,3	600 –1000

Tauchschleifen mit Exzenter-Bewegung

Zusätzlich oszillierende Bewegung zur Hauptrotation der Schleifscheibe
Genannt nach Erfinder Waguri (1967 Japan)
Schleifspindel lagert in exzentrischer Buchse, welche separat angetrieben ist
Exzenterbetrag zwischen 0,1 mm – 0,3 mm
Exzentergeschwindigkeit sollte ca. 200 – 500 1/min langsamer sein als die Drehzahl der Schleifscheibe (Wert ca. 2.000 1/min)
Verbesserung der Oberfläche beim Ritzelschleifen
Beim Schleifen von Tellerrädern führt Oszillation zur Unterbrechung des Schleifkontaktes, d. h. bessere Kühlung, geringere Leistungsaufnahme

Es muss darauf geachtet werden, dass der Frequenzbereich der Oszillationsbewegung von Schleifscheibe und Exzenter nicht in einen ungünstigen Bereich fällt und die Maschine anregt (Geräuschbildung, Rattern usw.).

Exzenterfaktoren

SCHLEIFSCHEIBENDURCHMESSER [MM]	EXZENTERFAKTOR
50 bis 70	0,2 bis 0,35
70 bis 100	0,35 bis 0,8
100 bis 150	0,5 bis 1,3
150 bis 220	0,5 bis 1,8
220 bis 300	0,7 bis 2,5
über 300	1,1 bis 3,0

Schleifparameter

PARAMETER	VORGEHEN	OBERFLÄCHE	BRANDRISIKO	STROMAUFNAHME
Schnittgeschw. v_c	erhöhen	besser	steigt an	höher
Zerspanvolumen V’_w	erhöhen	besser	steigt an	höher
Tauchgeschw. v_t	erhöhen	schlechter	steigt an	höher
Wälzgeschw. v_w	erhöhen	schlechter	steigt an	höher
Überdeckungsgrad q_d	erhöhen	besser	steigt an	höher
Exzenterbewegung E	einschalten	besser (bei Wälzschleifen)	fällt ab	niedriger

Qualitätsempfehlungen

3M^TM Edelkorund/Sinterkorund- Schleifscheiben

ANWENDUNG	ZUSAMMENSETZUNG
Universeller Einsatz für gehärtete Einsatzstähle	93A70-2 J7V601W
Automobilgetriebe für gehärtete Einsatzstähle	93A80 G13VPMF601W 93A80 H12VP601W
Verzahnung mit großen Kontaktflächen und für hohe Lastübertragung; z. B. Gabelstapler	93A80 H15VP601W 93A120 F15VP601W
Spiralkegelrad-Verzahnung Luftfahrtindustrie, Material Inconel	53A80 F15V302W 53A120 F15V302W

3M^TM Cubitron II – Keramische Schleifscheiben

SPEZIFIKATION	VC MAX.	STRUKTUR	BEMERKUNG
93DA80/60 K11VP901	32 m/s	porös	große Töpfe >12"
99DA80/60 K11VP901	32 m/s	porös	große Töpfe >12"
93DA80/80 L7V901	32 m/s	eng	Tauchschleifen
99DA80/80 L7V901	32 m/s	eng	Tauchschleifen
93DA80/80 K11VP901	32 m/s	porös	universell
99DA80/80 K11VP901	32 m/s	porös	universell/ max. Leistung
93DA120/120 K11VP901	32 m/s	porös	feiner
99DA120/120 K11VP901	32 m/s	porös	feiner

Anwendungsempfehlungen mit 3M Cubitron II
Schnittgeschw. v_c: 20 – 23 m/s

Vorschub v_w: Tauchen: 120 mm/min
Wälzen: 24 Grad/s

Abrichten: Zustellung: 0,06 mm
Vorschub konkav: 155 mm/U
Vorschub konvex: 155 mm/U
Vorschub Spitze: 185 mm/U

Abrichten nach jedem 1. bis 3. Bauteil

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