Fachinformationen rund um's Schleifen von

Zahnflankenschleifen mit CBN Schleifschnecken

Zahnflankenschleifen mit CBN Schleifschnecken

Auf vielen Gebieten der Technik werden zunehmend verschleißfestere und somit schwer zerspanbare Stahllegierungen eingesetzt, und die parallel geforderten Leistungssteigerungen und Qualitätsanforderungen führten maschinen- und schleifscheibenseitig zu entscheidenden Weiterentwicklungen. CBN hat sich im Automobilbereich für Bauteile wie Kurbel- und Nockenwellen als Schleifmittel durchgesetzt, das allen vorgenannten Forderungen gerecht wird. Werkstoffe für Zahnräder, meist vergütete und/ oder gehärtete Kohlenstoffstähle, werden aufgrund der hohen CBN-Kosten meist mit Schmelzkorunden geschliffen. Trotzdem bieten sich bei sehr hohen Stückzahlen eines bestimmten Zahnrads auch Schleifschnecken mit galvanischem Belag an. Bei Antriebswellen können aufgrund der Zahnradanordnung gewisse Teile nicht mit Schleifschnecken geschliffen werden und es kommen galvanisch belegte Einprofilscheiben zum Zuge. Pumpenräder für die Textilindustrie, die aus hochlegierten Werkzeugstählen bestehen, sind mit konventionellen Schleifmitteln schlichtweg nicht mehr wirtschaftlich schleifbar. Nachstehend folgt eine Schleifbarkeitstabelle von diversen Werkzeugstählen, die aufzeigt, welche Differenzen bei gehärteten Stählen bestehen. In diesen Fällen können auch keramisch gebundene CBN-Schleifschnecken eingesetzt werden.

CBN – oder kubisches Bornitrid – ist nach Diamant das zweithärteste bekannte Material. Während Diamant aus reinem Kohlenstoff, angeordnet in einer engen dreidimensionalen Matrix, besteht, verfügt CBN zwar über die gleiche dreidimensionale Matrix, wobei diese Matrix aber aus Bor- und Stickstoffatomen besteht. Das Kürzel CBN stammt aus dem Englischen: Cubic Boron Nitride.

Aufgrund der komplexen Atomstruktur ist bei CBN eine größere Anzahl von Kornformen als zum Beispiel bei Diamant möglich. Die möglichen Kristallformen können sich von einer Oktaeder- bis hin zu einer Würfelform – oder auch von einer Oktaeder- bis hin zu einer Tetraederform – erstrecken, wie dies nachstehend abgebildet wird:

Physikalische Eigenschaften
CBN enthält keinen Kohlenstoff und eignet sich somit im Gegensatz zu Diamant hervorragend zum Schleifen von gehärteten kohlenstoffhaltigen Stählen. Bei CBN handelt es sich um ein
100 % synthetisches Produkt, das in der Natur nicht vorkommt. Die CBN-Synthese gelang zum ersten Mal 1957 in den Forschungslabors der Firma General Electrics.

Merkmale von CBN

  • Hohe thermische Leitfähigkeit
  • Niedriger Reibungskoeffizient
  • Spezifisches Gewicht: 3,48 g/cm3
  • Chemische Elemente: B (Bor) und N (Stickstoff)
  • Gewichtseinheit: Karat (1 Karat = 0,2 g)

In der Härtevergleichstabelle sind in Rot die Legierungsbestandteile von Stahl aufgelistet. Sobald die Legierungszusätze in eine Karbidform übergehen, wie das bei pulvermetallurgischen Stählen der Fall ist, kommen konventionelle Schleifmittel wie Korunde (Al2O3) schnell an ihre Leistungsgrenze (Knoop’sche Härte von 2.200) und der Einsatz von CBN mit einer Knoop’schen Härte von 4500 ist mehr als gerechtfertigt. Zudem zeigt die Tabelle auf Seite 132 u. a. auch die Überlegenheit von CBN gegenüber Al2O3 in Bezug auf Wärmeleitfähigkeit und somit kühleren Schliff auf.

Scheibenkonstruktion von CBN-Schleifschnecken

Wir bieten im superharten Bereich unter dem Markennamen 3M profilierbare, keramisch gebundene CBN-Schleifscheiben in verschiedenen, an die Anforderungen der jeweiligen Anwendung angepassten Strukturen (porös und nichtporös, weich schleifend und verschleißfest) und Ausführungen an. Je nach Bedarf kommen völlig geschlossene Belagsringe bis zu Durchmesser 750 mm oder auch segmentierte Beläge zum Einsatz, wenn diese sich zum Beispiel aufgrund der Profilauslegung als wirtschaftlicher erweisen.

Es werden, wenn möglich, auch Profilscheiben mit nicht segmentiertem Belag gefertigt. Die segmentierte Form hat insbesondere bei Vorliegen tiefer, innen liegender Profile ihren Vorteil. Ein Beispiel für segmentierte Profilscheiben sind Schleifschnecken zum Wälzschleifen von Zahnrädern.

Korngrößen nach FEPA / Mesh / JIS

FEPA (ΜM)MESHJISGRÖSSE (ZOLL
25260/80600,00980
18180/100800,00700
151100/1201000,00600
126120/1401200,00500
107140/1701400,00400
91170/2001700,00350
76200/2302000,00300
64230/2702300,00250
54270/3252700,00220
46325/4003250,00190
M4030/40 μ5000,00120
M1610/20 μ1.0000,00049
M106/12 μ2.0000,00030

In Europa wird die Korngröße für CBN in Mikrometer (μm) angegeben. So bedeutet die Korngröße 126, dass der mittlere Korndurchmesser bei 0,126 mm
liegt. In den USA und in Japan (JIS) wird analog den konventionellen Schleifmitteln, wie z. B. bei Schmelzkorunden, die Korngröße in „Mesh“ oder der Siebgröße angegeben, wobei die Anzahl Maschenöffnungen pro linearem Zoll gemeint ist.

Oberflächengüte in Bezug auf Korngröße

Die mit der jeweiligen Korngröße zu erzielende Oberfläche hängt unter anderem auch vom Werkstoff, von den Abrichtbedingungen, Zustellbeträgen, den Arbeitsgeschwindigkeiten und dem Kühlschmierstoff ab.

Konzentration
Die Konzentrationsangaben für keramisch gebundene Schleifscheiben können aus der Normierung heraus leicht verwirrend wirken. Wenn man sich zum Beispiel auf eine CBN-Schleifscheibe mit Konzentration 100 bezieht, wird unter dieser Konzentration ein CBN-Volumenprozent-Anteil von ca. 25 % verstanden. Die Konzentration 100 bedeutet auch einen CBN-Volumenanteil in Karat von 4,4 ct/cm3.

Eine höhere Konzentration ergibt zwar eine höhere Schleifleistung, verlangt aber gleichzeitig auch eine höhere Steifigkeit der Maschine und des Spannsystems. Zudem erhöhen sich mit der Konzentration die Werkzeugkosten. Die gewählte Konzentration hängt auch von der Stabilität oder Steifigkeit der jeweiligen Maschine ab.

3M™ galvanische CBN-Schleifscheiben

Bei galvanisch belegten Schleifscheiben handelt es sich um Metallgrundkörper, die in einem elektrolytischen Bad mit Schleifkörnern (CBN oder Diamant) meist einschichtig belegt werden. Um Nickel- und Kornablagerungen nur im Schleifbereich zuzulassen, wird der Stahlkörper an den Stellen maskiert (abgedeckt), wo keine Anlagerungen gewünscht werden. Bei diesem galvanischen Prozess wird durch ein elektrolytisches Bad Strom geschickt. Der Pluspol befindet sich an einer Nickelelektrode und der Minuspol am Stahlgrundkörper. Der Strom löst an der Nickelektrode, der Anode, Metallionen ab, die sich dann am Stahlkörper, der Kathode, ablagern und mechanisch die Schleifkörner umschließen (einbetten). Die Körner werden in der Regel nur so weit in die hochfeste Nickelschicht eingelagert, dass genügend Kornüberstand und somit Spanfreiräume für die jeweilige Anwendung bleiben. Diese Kornüberstände sind das Markenzeichen der HPG-(= High Performance Galvanik) Schleifscheiben.

Bei galvanisch belegten Schleifscheiben wird zwischen „nicht crushierten“ und „crushierten“ Ausführungen unterschieden. Unter „Crushieren“ (Englisch „Brechen“) versteht man in der Schleiftechnik das Brechen der Kornspitzen, um die Formgenauigkeit und die Schleiffreudigkeit zu erhöhen. Dies geschieht mittels einer Hartmetallrolle, die rotierend und bahngesteuert die ebenfalls mit gleicher Umfangsgeschwindigkeit rotierende Schleifscheibe abfährt und überstehende, von der Profillinie abweichende Kornspitzen auf genaues Maß bricht. Bei diesem Prozess darf keine Relativgeschwindigkeit zwischen den beiden Umfangsgeschwindigkeiten der Hartmetallrolle und der Schleifscheibe aufkommen.

Allgemeine galvanische Schleifscheiben, die für Schrupp- und Vorschleifprozesse eingesetzt werden, brauchen nicht crushiert zu werden, um den Streubereich einzuengen. Werden hingegen hochgenaue Profile und höhere Oberflächen wie beim Zahnflankenschleifen gefordert, ist das Crushieren nicht zu umgehen.

Diese beiden Bilder illustrieren, wie eine Profilschleifscheibe nach dem galvanischen Belegen mittels Crushieren mit einer Hartmetallrolle genau auf Profil gebracht wird. Überstehende Kornspitzen werden gebrochen und liegen danach auf der idealen Profillinie. Dies verbessert nicht nur die Profilhaltigkeit der Schleifscheibe, sondern auch die resultierende Oberfläche.

Technische Daten zu galvanisch belegten CBN-Einprofil-Schleifscheiben

Diese Schleifscheiben sind oft nötig, wenn Antriebswellen mehrere aufeinanderliegende
Zahnräder aufweisen und in diesem Fall die Platzverhältnisse den Einsatz von Schleifschnecken nicht erlauben.

Zudem sind Einprofilscheiben eine sehr kostengünstige Variante. Diese CBN-Werkzeuge bestechen durch hohe Profilgenauigkeit. Die Stahlgrundkörper können mehrfach nachgeschliffen und wieder belegt werden. Gewisse Getriebehersteller setzen bewusst auf diese Technologie, da in bestimmten Paarungen mit Zahnrädern, die mit anderen Verfahren geschliffen wurden, Geräuschverminderungen ermöglicht werden und es beim Schleifen mit CBN auch zu Druckspannungen kommt, die die Lebensdauer der geschliffenen Werkstücke erhöhen.

Leistungsmerkmale von galvanischen CBN-Schleifscheiben für das Zahnflankenschleifen

KORNGRÖSS
ΜM
SCHICHTSTÄRKE
MM
OBERFLÄCHE RZ
UNCRUSHIERT ΜM
OBERFLÄCHE RZ
CRUSHIERT ΜM
Q’W-ABTRAG
MM3/MM/S
B460,050821,00 bis 1,75
B540,065931,50 bis 2,75
B640,0751041,75 bis 3,25
B760,0851252,00 bis 3,75
B910,1001463,00 bis 4,75
B1070,1201683,25 bis 5,00
B1260,14520103,50 bis 6,50
B1510,18023144,00 bis 8,00
B1810,22025164,75 bis 9,00
B2130,25027185,25 bis 9,50
B2520,31530205,50 bis 10,00

Technische Daten zu galvanisch belegten Schleifschnecken

Galvanisch belegte Schleifschnecken sind für Modul > 2 zweiteilig ausgelegt mit einer Schruppzone mit 251 Korn für den Materialabtrag von < 0,15 mm/Flanke/Überlauf und der Schlichtzone mit 91 Korn für einen Materialabtrag von < 0,03 mm/Flanke/Überlauf. Zudem können Schleifschnecken auch mit Einprofilscheiben gepaart werden.

Aufgrund des Stahlgrundkörpers sind den Schleifschnecken keine Geschwindigkeitsbegrenzungen auferlegt, wobei das Einsatzspektrum bei 50 bis 80 m/s liegt.