Zahnradschleifmaschine

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Eine Zahnradschleifmaschine ist eine CNC-Werkzeugmaschine zur Nachbearbeitung von Zahnrädern. Nach der DIN 8580 ist diese spezielle Schleifmaschine dem Fertigungsverfahren Trennen, genauer dem Unterkategorie Schleifen, zuzuordnen. Damit ist sie eine Werkzeugmaschine mit geometrisch unbestimmter Schneide. Die Anforderungen an moderne Getriebe und damit auch an Zahnräder lassen sich nur realisieren, wenn man die Zahnräder schleifen kann. Speziell für diesen Zweck wurden diese Maschinen konzipiert.

Die Liebherr Wälzschleifmaschine LGG 180 im Einsatz.

Aufbau

Eine Zahnradschleifmaschine ist immer vollelektronisch gesteuert und besitzt 6, teilweise gekoppelte, NC-Achsen. Sie stellen auch in diesem Sinne eine Besonderheit dar. Das ist darauf zurückzuführen, dass sich sowohl Werkzeug als auch Werkstück während des Bearbeitungsvorganges rotatorisch bewegen. Der grundlegende Aufbau dieser Maschinen wird im Folgenden näher beschrieben:

Gestell

Das Gestell einer Zahnradschleifmaschine unterscheidet sich kaum von anderen Schleifmaschinen. So besitzt es einen massiven Fuß, der für einen sicheren Stand der Maschine sorgt. Er ist oft aus Gusseisen gefertigt und wird bei vielen Varianten am Werkstattboden mit Schrauben befestigt. Da die durch das Schleifen der Zahnräder höchste Oberflächengüten erreicht werden sollen ist der sichere Stand essentiell, um Schwingungen der Maschine zu verhindern beziehungsweise zu minimieren (ganz ausschließen lassen sich Schwingungen und Unwuchten genau genommen nie vollständig). Das restliche Gestell ist meist als Schweißkonstruktion realisiert. Der Antrieb erfolgt bei modernen Maschinen hydrostatisch oder voll hydraulisch. Dazu treibt ein E-Motor eine Hydraulikpumpe an, welche die Hydraulikmotoren der Spindel mit Öl versorgt. Über den Druck und das Fördervolumen lassen sich somit stufenlos Kraft (Drehmoment) und Geschwindigkeit (Drehzahl) steuern. Auf dem Gestell sind neben dem Antrieb und der Steuerung, die Werkstückspindel und Werkzeugspindel angebracht.

Spindeln

Die Werkstückspindel ist in der Regel mit einem Schnellspanner ausgestattet, welcher einen vollautomatischen Betrieb der Maschine erlaubt. Da Zahnräder oft in großen Stückzahlen gefertigt werden erhöht das die Wirtschaftlichkeit beträchtlich. Der Schnellspanner befindet sich am Ende einer Welle welche das Herzstück der Spindel ist. Diese wird von dem oben bereits erwähntem Hydraulikmotor angetrieben. Die Achse der Spindel ist meist senkrecht angeordnet. Sie dreht sich mit relativ langsamer Drehzahl.

Die Werkzeugspindel ist rechtwinklig zur Werkstückspindel angelegt. Das Werkzeug wird dabei je nach Ausführung nur in der Spindel eingespannt oder, je nach Maschine und Werkzeug, auf der gegenüberliegenden Seite zusätzlich durch eine Pinole gelagert.

Verkleidung

Zahnradschleifmaschinen sind mit einem geschlossenen Gehäuse ausgestattet. Da die Bestückung mit Werkstücken automatisiert erfolgt ist es während und auch zwischen der Bearbeitungsprozesse nicht nötig den Innenraum erreichen zu können. Das erhöht zum Einen den Arbeitsschutz und zum Anderen kann dadurch die Verunreinigung der Umgebung minimiert werden. Die Türen zum Innenraum werden so nur im Stillstand zu Reinigungszwecken, bei Problemen oder zum Tauschen des Werkzeuges geöffnet.

Werkstückbeschickung

Je nach Maschine uns Ausführung sind Zahnradschleifmaschinen entweder mit einem Magazin ausgestattet oder werden mit einer Zustelleinheit, wie einem Förderband, beschickt. Eine Handhabungseinrichtung im Inneren, meist ein Effektor nimmt das Werkstück dann auf und setzt dieses auf die Werkstückspindel.


Funktionsweise

Bei beiden Verfahren gibt es Gemeinsamkeiten in der Funktions- und Arbeitsweise der Maschinen. Bei beiden Verfahren werden nur wenige μm Material abgetragen, da das Zahnradschleifen der Erhöhung der Oberflächengüte und Formgenauigkeit dient. Im Fokus liegt dabei die Zahnflanken schleifen zu können, da sich dort die Kontaktstellen der ineinander greifenden Zahnräder befinden.

Zahnräder in einem Getriebe

Zahnrad-Profilschleifen

Beim Profilschleifen von Zahnrädern kommt eine Schleifscheibe zum Einsatz. Diese entspricht, namensgebend, dem Profil des Zahnrades und wird über die Zahnflanke geführt während das Zahnrad steht. Damit wird während einem Hub der Z-Achse (siehe Kinematik) nur eine Zahnflanke geschliffen. Das erhöht die Bearbeitungszeit pro Zahnrad enorm.

Zahnrad-Wälzschleifen

Beim Wälzschleifen von Zahnrädern kommen so genannte Walzschleifer zum Einsatz, die von der Form Walzfräser ähneln. Im Video am Seitenanfang ist ein solcher Walzschleifer im Einsatz. Die Walze ist dabei zum einen an das Profil des Zahnrades angepasst und zum anderen gewindeähnlich mit einer Steigung versehen. Dadurch ist es möglich, dass sich neben dem Werkzeug auch das Werkstück während der Bearbeitung rotiert. Dadurch sind immer 2 - 3 Punkte des Zahnrades mit dem Schleifer in Kontakt, was die Bearbeitungszeit deutlich verkürzt.

Kinematik

Die Kinematik von Zahnradschleifmaschinen ist sehr komplex und besitzt viele Freiheitsgrade. Die wichtigsten 6 Achsen sind:

  • B-Achse: Richtung der Werkzeugdrehung, welche die Schnittbewegung ausführt.
  • C-Achse: Richtung der Werkstückdrehung zur Wälzkopplung
  • X-Achse: Richtung der Radialbewegung zum Einstellen der Balligkeit beziehungsweise der Konizität
  • Z-Achse: Richtung der Axialbewegung des Vorschubes
  • V-Achse: Richtung der Tangentialbewegung des Werkzeuges für das Werkzeugshiften und Erreichen der Topografie
  • A-Achse: Richtung der Achsrotation der Werkzeuges für Schrägverzahnungen

Schleifbrand

Schleifbrand ist das größte Problem des Schleifen. Erkennbar wird er in schweren Fällen durch die Verfärbung an der Oberfläche. Bei Getrieben werden durch Schleifbrand bei Zahnrädern die übertragbaren Kräfte maßgeblich verringert. Grund hierfür ist die verringerte Zahnflankentragfähigkeit. Risse und Grübchenbildung nehmen so bei steigender thermischer Schädigung stark zu und die Lebensdauer des Getriebes steigt rapide. Durch sich lösende Teilchen der Zahnräder werden vor allem bei niedrigen Toleranzen auch schnell die restlichen Zahnräder beschädigt. Ob diese auch einen Schleifbrand besitzen ist dabei irrelevant. Im schlimmsten Falle können sogar ganze Zähne abbrechen und einen Totalschaden des Getriebes verursachen. Doch wie verhindert man Schleifbrand? Maßnahmen um diesen zu verringern sind zu allererst das Anpassen der Prozessparameter. Hierzu zählen vor allem Drehzahl und Vorschub, aus welchen sich das Zeitspanvolumen ergibt. Dieses wird also, vereinfacht gesagt, reduziert. Auch das Tauschen oder Reinigen der Schleifscheiben dient dem Vorbeugen. Durch abgenutzte Scheiben sammelt sich in deren Zwischenräumen viel Schleifgut, welches sich stark erhitzt. Auch das Zufähren von chlorfreiem Kühlschmierstoff verringert durch die Abfuhr von Spangut und Wärme die Gefahr der Schädigung. Allerdings kann auch aus konstruktiver Sicht im Vorfeld Optimierungsarbeit betrieben werden. So können andere Werkstoffe und andere Verfahren zur Vorbearbeitung gewählt werden.


Sicherheitsaspekte

Welche Sicherheitsaspekte müssen beim Umgang mit Zahnradschleifmaschinen beachtet werden? Das Arbeiten mit modernen Zahnradschleifmaschinen ist sehr sicher, da diese voll automatisch arbeiten und der Arbeitsraum deshalb während und zwischen den Betriebsintervallen nicht planmäßig geöffnet werden muss. Durch verschiedene Sensoren, wie Tastschalter und Lichtschranken, an den Türen ist es nicht möglich während des Betriebes die Maschine zu öffnen. Je nach Maschine und Hersteller lassen sich die Türen erst gar nicht öffnen oder die Maschine erzwingt einen Not-Stopp. Trotzdem ist vor dem Benutzen dieser Maschinen durch die UVV eine Einweisung durch eine sach- und fachkundige Person notwendig, die den Benutzer über die sichere Bedienung unterrichtet. Zuwiderhandlungen werden als fahrlässig bis grob fahrlässig gewertet und schränken den Versicherungsschutz bei Unfällen massiv ein.


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