Eine durchaus wirtschaftliche Alternative
Liebherrs CBN-Wälzschleifen
Der Bedarf für hochqualitative Verzahnungen in Bereichen wie zum Beispiel der E-Mobilität bringt große Herausforderungen mit sich. Liebherr befasst sich mit der Entwicklung von Lösungen für eine wirtschaftliche Fertigung.
Wälzschleifen mit Korund ist für viele Applikationen eine gute Lösung, jedoch hat dieses Schleifmittel bei bestimmten Anwendungen auch gewisse Nachteile. Das Schleifen spezieller geometrischer Modifikationen kann sich beispielsweise nachteilig auswirken: Denn die Modifikationen müssen dann in der Maschine über den Abrichtprozess gänzlich oder teilweise in das Werkzeug eingearbeitet werden. Das Profilieren einer Schleifschnecke benötigt jedoch zum einen Zeit, zum anderen verändert es auch die Geometrie des Werkzeugs. Es muss je nach Wahl des Schleifprozesses in sehr kurzen Intervallen wiederholt werden, um die Produktion in gleichbleibender Qualität zu gewährleisten. Genau hier setzt Liebherr an und bietet ein CBN-Werkzeug mit einer eingebrachten Modifikation und stellt an einem Beispielwerkstück dar, dass man auch mit diesen Werkzeugen äußerst wirtschaftlich produzieren kann.
CBN steht für künstlich hergestelltes kubisches Bornitrid (Englisch Cubic Boron Nitride). Es ist neben Diamant der zweithärteste Schneidstoff der Welt. Es besteht aus einer dreidimensionalen Matrix aus Bor- und Stickstoffatomen, die ein größeres Spektrum an Kristallformen ausbilden können als Diamant. Es verfügt über eine hohe thermische Leitfähigkeit und einen niedrigen Reibungskoeffizienten. Damit erwärmt sich das Werkstück weit weniger als zum Beispiel beim Schleifen mit Korunden. Mit CBN lassen sich auch sehr harte Werkstoffe prozesssicher bearbeiten. Auch können Schleifschnecken aus CBN kleiner sein, wodurch das Anwendungsspektrum größer ist als bei Korund.
CBN steht für kurze Zykluszeiten und hohe Standzeit
Aktuell erleben CBN-Werkzeuge ein Comeback. Sie sind in der Anschaffung zwar teurer, punkten bei Modifikationen aber mit den Stückkosten. Dr.-Ing. Andreas Mehr, Technologe bei der Liebherr-Verzahntechnik GmbH, erläutert die Unterschiede der Schleifmaterialien: „Galvanisch belegtes CBN verwenden wir schon seit 1988. Es ist ein hochbelastbares Schleifmaterial. Moderne Korunde konnten in den letzten Jahren ihre Schleifleistung deutlich steigern, haben aber im Vergleich zum CBN mitunter den Nachteil des Abrichtaufwands, der bei topologischen Schleifprozessen am deutlichsten in Erscheinung tritt.“
Bei diesen Prozessen wird die Anzahl der Werkstücke je Abrichtzyklus wegen der eingeschränkten Shiftmöglichkeit deutlich reduziert, wodurch sowohl Werkzeugkosten als auch Zykluszeiten steigen. Es ist zwar auch bei Korund-Werkzeugen (z.B. für verschränkungsfreies Wälzschleifen) durch neue mathematische Lösungen möglich, die Werkstückzahl je Abrichtintervall zu erhöhen, dies gilt aber genauso für den Einsatz von CBN-Werkzeugen.
Mit CBN entfallen Abrichtzeiten komplett, wodurch Zykluszeiten und damit die Herstellungskosten reduziert werden können. CBN ist hoch prozessfähig und erzeugt einen äußerst niedrigen Messaufwand. Eine CBN-Schleifschnecke wird eingespannt und schon startet der Schleifprozess – ganz ohne vorherige Eingabe von Korrekturen. In den Stückkosten eines Testwerkstücks (m = 1,53 mm, z = 81) kam eine spezielle Breitenmodifikation mit Korund auf Stückkosten von 4,25 Euro bei einer Zykluszeit von 114,6 Sekunden, während der gleiche Schleifvorgang mit CBN mit 3,38 Euro günstiger war und mit einer Zykluszeit von 78 Sekunden auch deutlich schneller. Während mit Korund die Anzahl an fertigbaren Werkstücken pro Abrichtzyklus im zweistelligen Bereich liegt, kann diese mit einer CBN-Beschichtung mitunter in den gut vierstelligen Bereich gehen. „Welche Schleifschnecke wirtschaftlich sinnvoller ist, muss man im Einzelfall bewerten. Wir beraten unsere Kunden gerne, ob CBN für ihre Stückzahlen und Einsatzfälle die bessere Alternative ist“, bietet Andreas Mehr an.
Ein stabiler Prozess
In einem abrichtfreien CBN-Prozess sind alle Parameter vorgegeben und „eingefroren“. Das ist ein entscheidender Unterschied zwischen Korund- und CBN-Prozessen: Alle Korund-Prozesse unterliegen Veränderungen durch das Abrichten, das die Schleifschneckenqualität beeinträchtigen kann. Beispiele sind der Verschleiß des Abrichters oder der abnehmende Schneckendurchmesser: Mit kleiner werdendem Schneckendurchmesser wird die Länge der aktiven Schneckenspirale kürzer, wodurch auch die Anzahl der aktiven Schleifkörner sinkt: Infolgedessen steigt der Rauheitswert an der Zahnflanke, der über die Schneckenstandzeit eigentlich konstant bleiben sollte. „Dem kann man nur bedingt durch feiner werdende Abrichtprozesse entgegenwirken,“ erläutert Andreas Mehr.
Zusatzprozesse wie das Abrichten bergen Fehlerquellen, die bei CBN schlicht nicht vorkommen können. CBN-Prozesse sind äußert robust und qualitätssicher und somit besonders für die wirtschaftliche Fertigung hochqualitativer Verzahnungen interessant, wie beispielsweise im Bereich der E-Mobilität. „Gerade bei den sehr anspruchsvollen E-Getrieben im Automobilbereich versucht man über die Veränderung der Makro- und Mikrogeometrie eine Geräuschreduzierung zu erreichen,“ erklärt der Experte.
Liebherr fertigt CBN-Werkzeuge im Werk Ettlingen. „Unsere Ziele in der Produktion sind hohe Performance und Top-Qualität in einem stabilen Prozess“, erklärt Haider Arroum, Gebietsverkaufsleiter Verzahnwerkzeuge. Die Fertigung von CBN-Schleifschnecken und -scheiben erfolgt daher in einem Closed-Loop-Prozess, in dem Messergebnisse sofort als Korrekturen in die Produktionsparameter zurückfließen. „Wir müssen die Genauigkeit in der Auslegung möglichst 1:1 in der Herstellung abbilden“, begründet Haider Arroum den aufwändigen Ablauf.
