Schleifwalzen – hybride Bearbeitung aus Schleifen und Walzen

Die Produktivität ist für fertigende Unternehmen von hoher Bedeutung, da sie die Wirtschaftlichkeit eines Produktionsverfahrens maßgeblich beeinflusst. Die Produktivität von Schleifmaschinen kann direkt durch eine Steigerung des Zeitspanvolumens des Schleifprozesses gesteigert werden. In der Folge wird die Hauptzeit des Schleifprozesses reduziert, jedoch geht dies auch mit einer Verminderung der Bauteilqualität einher [BRI91]. Insbesondere Vorgaben an die Bauteilrauheit oder die Zugeigenspannung in der Bauteilrandzone bestimmen in industriellen Anwendungen somit die Prozessgrenzen. Werden diese Grenzen überschritten, sind die gefertigten Teile in der Regel Ausschuss. Eine technologisch fundierte Leistungssteigerung von Schleifprozessen misst sich daher an einer Verschiebung solcher Prozessgrenzen.

Die hohe thermische Bauteilbelastung in Schleifprozessen ist ein Resultat der prozessbedingten Reibung und der geringen Wärmeleitfähigkeit konventioneller Schleifmittel [KUS16]. In der industriellen Anwendung kann diese Prozessgrenze durch den Einsatz hochharter Schleifmittel, wie CBN oder Diamant, verschoben werden. Diese besitzen eine höhere Wärmeleitfähigkeit und können somit die erzeugte Prozesswärme verstärkt über das Werkzeug abführen [DEN11]. Darüber hinaus kann das Zeitspanvolumen bei vergleichbarer Bauteilbelastung durch die Verwendung größerer Korngrößen gesteigert werden [WIL19]. Eine Steigerung der Korngröße führt jedoch auch zu einer Zunahme der Bauteilrauheit [TÖN92].

Alternative Ansätze zum Verschieben von Prozessgrenzen beim Schleifen werden in der Regel mit dem Einsatz von Kühlschmierstoffen in Verbindung gebracht werden [HOF12, SAX19]. Neben der Wahl des Kühlschmierstoffs kann die Düsengestalt und die Düsenposition angepasst werden, um die Kontaktzonentemperatur zu reduzieren [BRI18]. In Ergänzung werden Schleifscheiben mit unterschiedlichen Strukturierungen verwendet, die den Volumenstrom durch die Kontaktzone erhöhen [GÖT17]. Mit Hilfe derartiger Optimierungsansätze kann bei gleichbleibenden oder reduzierten thermischen Bauteilbelastungen das Zeitspanvolumen gesteigert werden. Hierdurch erhöht sich jedoch auch die Bauteilrauheit.

In der Fertigungstechnik kann eine hohe Bauteilrauheit neben dem Schlichtschleifen durch das Walzen reduziert werden. Beim Walzen wird ein Walzkörper mit einem Hydraulikdruck beaufschlagt und auf der zu walzenden Oberfläche abgerollt, sodass Rauheitsspitzen reduziert werden. Das Walzergebnis wird durch den Walzdruck, den Walzkugeldurchmesser und den Vorschub beim Walzen beeinflusst [DEN18]. Zudem führt das Walzen zu einer Erhöhung der Druckeigenspannung bzw. zum Abbau einer Zugeigenspannung in der Bauteilrandzone. Je nach vorrangigem Ziel der Bearbeitung wird deshalb zwischen Fest- und Glattwalzen unterschieden. Nachteilig beim Einsatz des Walzens ist, dass ein zusätzlicher Prozessschritt benötigt wird, sodass die Fertigungshauptzeit ansteigt.

In ersten Untersuchungen konnte bereits eine parallele Bearbeitung des Schruppschleifprozesses und des Glattwalzprozesses realisiert werden [RAB07]. Hierbei wurde in einer Außenrundschleifmaschine neben der Schleifspindel ein Werkzeugrevolver zur Walzwerkzeugaufnahme verbaut. Durch den gewählten Aufbau können die Einzelprozesse parallel stattfinden. Allerdings werden die Prozesse aufgrund unterschiedlicher Vorschubwerte nicht zeitlich und örtlich simultan umgesetzt. Infolge variierender Bearbeitungspositionen treten nach der Bearbeitung Abweichungen von der Sollgeometrie des Bauteils auf. In welcher Weise die Teilprozesse Schleifen und Walzen in einem hybriden Prozess umgesetzt werden können, ist bisher nicht erforscht. Die Auslegung eines derartigen hybriden Schleifwalzprozesses wird daher derzeit am IFW erforscht.

Als ersten Schritt der Erforschung wurden die Teilprozesse Schleifen und Walzen in Bezug auf deren Einfluss auf die Bauteilqualität sowie auf die Kräfte in der Bearbeitung experimentell untersucht. Hierzu wurden Wellen aus 100Cr6 mittels galvanisch gebundenen CBN Schleifscheiben grober Korngrößen (B252, B427, B602) in einem Schälschleifprozess bearbeitet. Die Prozessstellgrößen betrugen vc = 100 m/s, q = 70, ae = 0,1 mm und fa = 0,3; 1,0; 1,7 mm. Als Versuchsmaschine wurde eine Außenrundschleifmaschine der Fa. Schaudt vom Typ CR41 verwendet. Der resultierende Wertebereich der Normalkräfte beträgt 50 – 150 N. Der relativ geringe Bereich ist auf die geringe radiale Zustellung zurückzuführen, die vor dem Hintergrund eines zunehmenden Trends des „near net shape“ Ansatzes gewählte wurde. Durch die Kenntnis dieses Wertebereichs ist es in der hybriden Bearbeitung möglich, die Schleifkräfte durch den Walzdruck zu kompensieren.

Nach der Schleifbearbeitung wurden die Wellen in einem zweiten Verfahren gewalzt. Dieses sequentielle Vorgehen ermöglicht die Entwicklung eines erhöhten Prozessverständnisses sowie einen Rückschluss auf Abhängigkeiten der beiden Teilprozesse. Als Stellgrößen wurden der Walzkugeldurchmesser und der Walzdruck variiert, während der Vorschub aus dem Schleifprozess übernommen wurde. In dieser Untersuchung wurde mit einer Walzkugel gewalzt. Bild 2 zeigt die Rauheit der Wellen nach der Walzbearbeitung gegenüber der Rauheit nach dem Schleifen (gestrichelte Linie). Im Fall des Vorschubs von fa = 0,3 mm ist zu erkennen, dass gegenüber der geschliffenen Oberfläche eine Rauheitsreduktion durch das Walzen von > 50 % erreichbar ist. Mit steigendem Vorschub sinkt dieser Einfluss jedoch.

Der reduzierte Einfluss der Walzbearbeitung mit steigendem Vorschub ist auf den abnehmenden Überdeckungsgrad der Walzriefen zurückzuführen. Dies führt insbesondere bei kleinen Kugeldurchmessern zu weniger eingeebneten Rauheitsspitzen (vgl. Bild 3).

Nach der ersten schleiftechnologischen Untersuchung war es möglich, einen Werkzeugaufbau konstruktiv zu konzipieren. Hierzu wurden zunächst notwendige Systemanforderungen ermittelt. Eine passive Aufnahme der Walzen an der Schleifspindelkasten ermöglicht eine zeitlich und örtlich gekoppelte Bearbeitung der beiden Prozesse mit geringem Rüstaufwand. Dies ist insbesondere für eine Nachrüstung bestehender Schleifmaschinen von Vorteil. Durch eine Verwendung von zwei Walzkugeln können sich die aus dem Walz- und dem Schleifprozess resultierenden Kräfte gegenseitig kompensieren und so Abdrängungseffekte verhindern. Die erhöhte Anzahl der Walzkugeln erlaubt zudem auch bei höheren Vorschüben einen ausreichenden Überdeckungsgrad der Walzriefen.

Um diese Anforderungen zu erfüllen und zugleich eine Anfahrbewegung der Schleifscheibe an das Werkstück zu ermöglichen, wird der kraftgebundene Hub der Walzwerkzeuge ausgenutzt (Bild 4). Somit können die Walzwerkzeuge im deaktivierten Zustand über die Welle verfahren werden und im aktiven Zustand den Walzdruck kraftgebunden auf die Welle übertragen.

Anhand einer analytischen Berechnung ist es möglich, maximal erreichbare Anstellwinkel zur berechnen. Durch den dargestellten Aufbau sind maximale Anstellwinkel von bis zu 35° erreichbar. Um ein Kräftegleichgewicht zu erreichen, muss der Anstellwinkel an die Schleif- und Walzkraft angepasst werden. Die Walzkraft ist durch den einzustellenden Walzdruck sowie durch den Kugelquerschnitt berechenbar. Als übliche Walzstellgrößen wurden Walzdrücke von pw = 200 – 600 bar und Walzkugelgrößen von dk = 3 – 25 mm gewählt. Die Schleifkräfte hingegen sind aus der experimentellen Untersuchung bekannt. Durch die vollfaktorielle Berechnung der Kraftverhältnisse wurde ein resultierender Wertebereich der Anstellwinkel von 0,9 bis 39,5° (arithmetisches Mittel: 8,76°) berechnet. Dieser liegt größtenteils unterhalb der maximal erreichbaren Anstellwinkel. Die benötigten Anstellwinkel von über 35° treten lediglich bei Szenarien mit kleinen Walzdrücken und -kugelgrößen in Kombination mit großen Schleifkräften auf, die im industriellen Umfeld üblicherweise nicht in dieser Kombination vorliegen. Folglich ist eine Kraftkompensation durch den in Bild 4 dargestellten Aufbau möglich.

Die Produktivität von Schleifprozessen kann mit dem Zeitspanvolumen gesteigert werden. Dies führt jedoch zu einer abnehmenden Bauteilqualität. Nachgelagerte Prozesse wie das Walzen können diese Reduktion der Bauteilgüte kompensieren, gehen jedoch mit zusätzlichen Prozesszeiten einher. Eine simultane Bearbeitung durch Schleifen und Walzen kann ein steigendes Zeitspanvolumen mit einer Verbesserung der Bauteilqualität verbinden.

In experimentellen Untersuchungen wurde gezeigt, dass der Vorschub während der Bearbeitung zu einer wesentlichen Prozessbegrenzung führt. Durch eine mangelnde Überdeckung der Walzspuren werden Teile der Wellentopographie nicht eingeebnet. Anhand der anschließenden Konzeptionierung wurde aufgezeigt, dass durch eine spezielle Anordnung der Walzkugeln ein Kraftgleichgewicht der Bearbeitungskräfte erreichbar ist. Gleichzeitig werden höhere Überdeckungsgrade beim Walzen erreicht. Um gleichzeitig Verfahrbewegungen zu ermöglichen, wird der Hub der Walzwerkzeuge genutzt.

Zukünftig wird der simultane Einsatz der Schleif- und Walzwerkzeuge erforscht. Ein großer Fokus wird dabei auf den Schleifriefen und Spänen liegen, die durch das Walzen an die Welle angedrückt werden und so zu einer geminderten Bauteilqualität führen können. Ergänzend werden Untersuchungen mit keramisch gebundenen CBN-Schleifscheiben sowie mit konventionellen Schleifscheiben durchgeführt. Hierdurch wird die Breite der industriellen Praxis abgedeckt.

Die Autoren danken dem »Bundesministerium für Wirtschaft und Energie« für die organisatorische und finanzielle Unterstützung des Projektes »Kombinationsprozess aus Schleifen und Walzen« (IGF 20433 N). Ebenso bedanken sie sich bei den projektbegleitenden Unternehmen, insbesondere den Unternehmen Ecoroll AG Werkzeugtechnik und Günter Effgen GmbH, die die hier dargestellten Untersuchungen maßgeblich unterstützt haben.