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Fertigung: Hochproduktives Wälzschleifen von Fräswerkzeugen

Messe EMO 2019: Forschung
Hochproduktives Wälzschleifen von Fräswerkzeugen

Hochproduktives Wälzschleifen von Fräswerkzeugen
Im Vergleich zum konventionellen Werkzeugschleifen reduziert das Wälzschleifen die Nebenzeiten signifikant. Zudem soll sich die geometrische Genauigkeit der geschliffenen Werkzeuge steigern lassen. Bild: IFW
Das IFW entwickelt einen Wälzschleifprozess, um Zerspanwerkzeuge herzustellen. Auf der EMO präsentierten die Wissenschaftler ihr Projekt und erläuterten die Vorteile des Verfahrens.

Prof. Berend Denkena, Dr. Thilo Grove, Mirko Theuer
IFW Institut für Fertigungstechnik und Werkzeugmaschinen, Leibniz Universität Hannover

Bei der produktiven Serienfertigung von Zahnrädern kommt als letzter Fertigungsschritt in der Regel das kontinuierliche Wälzschleifen zum Einsatz. Die Prozesskinematik ist hierbei den Eingriffsbedingungen in einem Getriebe nachempfunden, sodass mit schnecken- und zahnradförmigen Schleifwerkzeugen gearbeitet wird. Die erzeugten Zahnräder weisen ähnliche Charakteristika auf wie rotationssymmetrische Zerspanwerkzeuge. Beispielsweise haben sowohl Zahnräder als auch Fräser, Bohrer oder Reibahlen regelmäßig auf dem Umfang verteilte Schneiden, die entsprechend dem Drallwinkel um die Mittelachse angestellt sind. Dennoch findet das Verfahren derzeit nur bei Zahnrädern Anwendung.

Am Institut für Fertigungstechnik und Werkzeugmaschinen (IFW) der Leibniz Universität Hannover wird deshalb ein innovativer Wälzschleifprozess entwickelt, der die typische Schneidenform von Zerspanwerkzeugen herstellen kann. Dazu wird die Prozesskinematik innerhalb der Simulationssoftware IFW-CutS nachgestellt und das Schneckenprofil des Schleifwerkzeugs so angepasst, dass die erzeugten Zähne eine konvexe sowie eine konkave Seite aufweisen. Der aus der Verzahnungsbearbeitung bekannte Modul und die Zähnezahl werden dabei gezielt so ausgewählt, dass die geforderte Fräswerkzeuggeometrie und der gewünschte Durchmesser des Werkstücks resultieren. Der für die Spanfläche des Fräsers typische Hinterschnitt der Schneide resultiert dabei aus der aushöhlenden Bewegung der Schleifschnecke unterhalb der Schneidkante. Der Hinterschnitt wird zudem durch eine aus der Zahnradbearbeitung als Profilverschiebung bekannte Stellgröße beeinflusst, die zum Einstellen des Achsabstands eines Verzahnungspaares genutzt wird. Fürs Werkzeugschleifen bedeutet dies, dass der erzeugte Spanwinkel gezielt über die Profilverschiebung eingestellt werden kann.

Bis zu 70 % Produktivitätssteigerung

Aufgrund der für das Wälzschleifen charakteristischen Simultanbearbeitung werden alle Fräserzähne sowie die Span- und Freiflächen zeitgleich bearbeitet. Dies ermöglicht im Vergleich zum konventionellen Werkzeugschleifen eine signifikante Reduktion der Nebenzeiten, da weder Verfahrbewegungen des Schleifwerkzeugs zwischen zwei aufeinanderfolgenden Zähnen noch Schleifwerkzeugwechsel notwendig sind. Die üblicherweise aus mindestens drei Prozessschritten bestehende Umfangsbearbeitung beim Herstellen von Fräswerkzeugen kann somit durch einen einzelnen Fertigungsprozess verkürzt werden. Außerdem wurden bei der Zahnradbearbeitung durch den Wechsel vom diskontinuierlichen Profilschleifen zum kontinuierlichen Wälzschleifen Produktivitätssteigerungen von bis zu 70 % erreicht, die sich prinzipiell auf die Herstellung von Zerspanwerkzeugen übertragen lassen. Das beim Wälzschleifen von Zahnrädern etablierte Shiften, das die Nutzung von sehr breiten Schleifschnecken ermöglicht, kann zudem für eine prozessbegleitende Verschleißkompensation genutzt werden. Diese ist von der Zahnradbearbeitung ebenfalls auf den neuartigen Wälzschleifprozess übertragbar. Diese kontinuierliche Verschleißkompensation erhöht zum einen die geometrische Genauigkeit der geschliffenen Werkzeuge. Zum anderen werden die unproduktiven Nebenzeiten weiter reduziert, indem die Anzahl an notwendigen Abrichtzyklen verringert wird.

Die künftigen Forschungsarbeiten am IFW beschäftigen sich mit der gezielten Prozess- und Werkzeugauslegung. Hierbei werden geeignete Stellgrößen für den Prozess ermittelt und anschließend auf einer realen Schleifmaschine umgesetzt. Die Bewertung der geschliffenen Fräswerkzeuge wird anschließend für eine Wirtschaftlichkeitsanalyse genutzt, um so die Produktivitätsgewinne und Qualitätsvorteile des neu entwickelten Verfahrens aufzuzeigen.

Finanziell unterstützt wird das Projekt von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG).

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