Mit dem Zentrenschleifen den Rundlauf im Griff!

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1 Henninger GmbH u.co.kg Humboldtstraße Straubenhardt Mit dem Zentrenschleifen den Rundlauf im Griff! Das Zentrenschleifen bestimmt maßgeblich die Genauigkeit beim Rundschleifen von Wellen und Achsen. Aus diesem Grund ist das Zentrenschleifen ein fester Bestandteil in der Großserie ebenso wie in der Einzelteilfertigung. In vielen Fällen konnte die Ausschussrate minimiert und die geforderten Prozessfähigkeiten erst realisiert werden durch die Einführung des Zentrenschleifens. Neben dem aktiven Qualitätsmanagement bietet das Zentrenschleifen die Möglichkeit, die Produktivität beim Rundschleifen signifikant zu erhöhen. Beim Zentrenschleifen entscheiden zwei Dinge über den Erfolg: 1. Form und Betrag des Rundlauffehlers. Hier ist die richtige Rundlaufmessung unentbehrlich. die richtige Werkstückspannung In diesem Artikel wird gezeigt, welche Hilfsmittel Henninger Zentrenschleifmaschinen zur Verfügung stellen, um erfolgreich zu spannen. Außerdem wird gezeigt, wie man trotz beliebiger Form- und Lagefehler am Teil systematisch diese Fehler mit der richtigen Werkstückspannung korrigieren kann. In der Großserienfertigung können die Fehler bereits annähernd durch die Spannposition am Teil vermittelt werden. Dieses wird anhand der vertikalen Maschinenreihe ZS 10 und ZS 0 sowie bei der horizontalen Maschine ZS 000 gezeigt, welche speziell für die Großserienfertigung konzipiert ist. In der Einzelteilfertigung bietet Henninger die sogenannte Mikrometerverstellung am Schraubstock, mit der das Teil gezielt manipuliert werden kann. In diesem Artikel wird gezeigt, was bei der Manipulation zu beachten ist und wie Verstellwerte bereits vorab abgeschätzt werden können. Der Trend geht auch im Getriebebau hin zu immer leichteren und dünnwandigeren Teilen. Die Elastizität der Teile stellt eine besondere Herausforderung dar, wenn sie gespannt bearbeitet werden müssen. Denn nur zu leicht bildet sich hinterher die Verformung im bearbeiteten Zentrum ab. In diesem Artikel wird der neue sensible Schraubstock von Henninger vorgestellt, der die Spannkraft bis auf weinige Newton regeln kann. So können auch extrem elastische Teile gespannt werden, ohne messbare Verformungen zu hinterlassen 1/11

2 1. Grundlagen des Zentrenschleifens 1.1 Fehler erster Ordnung und Beherrschbarkeit Zu den wichtigsten Anforderungen im Getriebebau zählen lange Lebensdauer, Geräuscharmut und hoher Wirkungsgrad der Getriebe. Eine wesentliche Grundlage für diese Anforderungen ist der Rundlauf an den Getriebewellen und achsen. Der Rundlauf beeinflusst insbesondere die Belastung auf die Lager und die Laufruhe in der Verzahnung. Eine wiederholbare Genauigkeit bei gleichzeitig hoher Produktivität wird erst durch die geschliffenen Zentren realisiert. Insbesondere bei langen und relativ schmalen Teilen, die in der Fertigung mit Spitzen gefasst werden, führen unsaubere Zentren zu hohen Rundlauffehlern. Der erfahrene Konstrukteur der Welle bezieht daher den Rundlauf auf das Zentrum. Das Zentrum ist demnach die erste Referenzfläche am Teil und damit der Ursprung der Präzision. Dabei ist unerheblich, ob danach das Teil rundgeschliffen oder hartgedreht wird. Eklatant wird die Herausforderung nach der Weichbearbeitung und insbesondere nach der thermischen Behandlung. Kritisch ist hierbei nicht nur das Härten. Auch galvanische Beschichtungsverfahren oder das Auftragsschweißen führen zu thermischen Verzügen. Der Gesamtfehler in der Zentrierung kann sich aus verschiedenen Einzelfehlern zusammensetzen. Die wichtigsten Fehler sind dabei - die Unrundheit des Zentrums: o Im unrunden Zentrum bewegt sich das Teil während des Schleifens. Die o Unrundheit bildet sich dann auf dem Außendurchmesser ab! Mit unrunden Zentren ist die Position des Teils zwischen den Spitzen nicht reproduzierbar. Wird nach dem Schleifen das Teil umgespannt, um es zu vermessen, ist eine reproduzierbare Rundlaufprüfung nicht möglich! - Fluchtungsfehler der Zentren zu Referenzflächen und zueinander - Zylinderformfehler Tabelle 1: Fehlerformen am ungeschliffenen Zentrum Rundheitsfehler Koaxialitätsfehler des Teils zum Zentrum Koaxialitätsfehler der Zentren Rauheit im Zentrum Die betragsmäßig größten Fehler bilden die Fehler erster Ordnung die sprichwörtliche Banane. Sie sind gleichzeitig die häufigsten Fehler, da sie nach den meisten thermischen Behandlungen auftreten. Eklatant werden diese Fehler, wenn der Fehlerbetrag größer ist als die Härtetiefe beziehungsweise die Schichtdicke. Dann ist eine einfache Korrektur des /11

3 Fehlers durch Bearbeitung der Außenflächen ohne Zerstörung der Funktionsschicht nicht möglich. Mit dem Zentrenschleifen sind diese Fehler am besten beherrschbar. Beim Zentrenschleifen wird durch die Bildung zweier Zentrierbohrungen an den Enden eine Achse definiert. Diese Achse liegt im besten Fall so im Werkstück, dass alle Form- und Lagefehler minimal werden bzw. vermittelt werden. Am Beispiel der Fehler erster Ordnung kann dieses leicht verdeutlicht werden. Abbildung 1: Fehler erster Ordnung die "Banane" Abbildung : Korrektur ( Vermitteln ) durch Achsenbildung 3/11

4 1. Steigerung der Produktivität durch das Zentrenschleifen Mit dem Zentrenschleifen lässt sich auch aktiv die Produktivität der gesamten Prozesskette optimieren. Mit dem Vermitteln aller Fehler hat man einen Ansatzpunkt, den Aufwand beim Schleifen zu minimieren. Das Schleifaufmaß sollte in aller Regel größer sein als die Summe aller Fehler am Teil. Hat man die Möglichkeit, den Zylinderformfehler und sonstige Fluchtungsfehler zu vermitteln, minimiert sich entsprechend der gesamte Fehler. Ersichtlich wird das an folgendem Rechenbeispiel anhand eines gedrehten und gehärteten Teils. Fehlerart Ohne Zentrenschleifen Mit Zentrenschleifen Zylinderformfehler µm = 5 µm sonstige Fluchtungsfehler 0 µm 0 = 10 µm Rundheit im Zentrum 10 µm <1 µm Rauheit der Außenfläche 1 µm 1 µm Summe aller Fehler minimales Schleifaufmaß 9 µm 47 µm Das Rechenbeispiel zeigt, dass das erforderliche Schleifaufmaß annähernd halbiert werden kann. So kann die Hauptzeit beim nachfolgenden Schleifen signifikant gesenkt werden! Ferner bietet sich die Möglichkeit, die Härtetiefe zu reduzieren, was wiederum zu geringeren Härteverzügen führt.. Die Spannposition Geometrische Grundlagen und Effekt bei der Achsenbildung.1 Vertikal Werkstückmanipulation über Lage des Spanndurchmessers In der Großserienfertigung ist es noch nicht möglich, das Teil nach dem individuellen Fehler in der Zentrenschleifmaschine auszurichten. Hierfür müsste ein Datensatz über die wahren Form- und Lagefehler für jedes Teil vorliegen, was mit der aktuell zur Verfügung stehenden Messtechnik nicht wirtschaftlich machbar ist. Man kann also nur durch die Spannposition des Teils einen Fehler annähernd vermitteln. Hier macht man sich die Bananenform des Rohteils zu nutze. In den Zentrenschleifmaschinen ZS 10 und ZS 0 fluchten Reitstock und Schraubstock zueinander. Stellt man nun ein Teil mit einem Zylinderformfehler in die Maschine, kippt das Teil je tiefer die Spannposition ist. Wie kann durch die Spannposition der Zylinderformfehler am Teil vermittelt werden? In erster Näherung wird angenommen, dass die Banane annähernd einem Kreisbogen folgt, welcher sich leicht mit drei Punkten rechnerisch beschreiben lässt. 4/11

5 Abbildung 3: Rechnerischer Ansatz "Kreisbogen" Da die Maschine zwischen der Schleifposition, dem Schraubstock und der Reitstockposition fluchtet, kann ferner angenommen werden, dass die Schnittpunkte zwischen alter und neuer Mittellinie den Einspannpositionen entspricht. Der Abstand zwischen den Einspannstellen ( x ) lässt sich somit anhand der Formeln für den Radius einer Kreisbahn berechnen. Nimmt man an, dass die Sehne des Kreisbogens ungefähr der Werkstücklänge entspricht, kann folgendes Gleichungssystem mit dem Fehler f, der Länge l und dem Abstand x aufgestellt werden. f 1 l f 1 x + = + 8 f 4 4 f Annahme: f << l x = l x 0,7l Diese Annahme zeigt, dass der Abstand x unabhängig vom Betrag des Fehlers ist. So ist es möglich, in der Serie mit beliebigen Fehlerbeträgen und Formfehlerrichtungen die Einspannhöhe fest einzustellen. Der Einrichter der Zentrenschleifmaschine stellt demnach die Maschine so ein, dass ca. 15% der Werkstücklänge über dem Schraubstock stehen (siehe folgendes Bild). Da zunächst von einem annähernd symmetrischen Fehler ausgegangen wird, gilt die Einspannhöhe für beide Zentren. 5/11

6 15% x l 85% x l Zentrum Schraubstock Reitstock Abbildung 4: Das Teil in der Maschine Dieses ist zunächst eine Faustformel beziehungsweise der erste Ansatz für eine Optimierung. Die richtige Lage ist so individuell wie das Teil und zeigt sich oft erst im Versuch.. Vertikal Werkstückmanipulation über Schraubstock In der Einzelteilfertigung kann mit Henninger Zentrenschleifmaschinen jedes Teil individuell nach seinen Fehlern korrigiert werden. Vor allem in der Großgetriebefertigung bietet Henninger die Zentrumschleifmaschine ZS 1000 an, welche Werkstück bis zu 1000 kg Gewicht und bis zu 3 m Länge bearbeiten kann. In dieser Maschine gehört die sogenannte Mikrometerverstellung am Schraubstock zur Grundausstattung. Im Großgetriebebau können Korrekturen im Bereich von 1/10 mm bis über 1 mm vorkommen. Hier ist eine komfortable Manipulation in X-Richtung und ein systematisches Vorgehen essentiell um möglichst schnell zum Ziel zu kommen! Das Teil wird mit Hilfe des Schraubstocks in X- Richtung manipuliert. Die X-Richtung ist die Spannrichtung des Schraubstocks. Der Schraubstock verfügt über eine Mikrometerverstellung, mit der die Schraubstockmitte außerhalb der Maschinenachse bewegt werden kann. Hier ist entscheidend, dass der Zylinderformfehler durch Rundlaufmessungen annähernd bekannt ist. So kann 1. das Teil lagerichtig in die Maschine eingesetzt werden. Lagerichtig heißt in diesem Fall: Mit der Fehlerrichtung in X-Richtung.. Soll an beliebiger Stelle gespannt werden und gleichzeitig die Banane ausgeglichen werden, ist der Betrag des Fehlers zu bestimmen 6/11

7 Abbildung 5: ZS 1000 für Werkstücke bis 1 to Gewicht und bis 3 m Länge Um die Formfehler beherrschbar zu machen, wird wiederum angenommen, dass der Formfehler ungefähr einem Kreisbogen folgt. Folgende Grafik veranschaulicht, wie das Teil durch die Mikrometerverstellung manipuliert wird. Es zeigt die Bananenform des Teils und die angestrebte korrigierte Achse. Links steht das Teil mit dem unbearbeiteten Zentrum auf dem Reitstock während es im ersten Zentrum bearbeitet wird. Die Mikrometerverstellung ist so eingestellt, dass die zukünftige Teilachse exakt in der Schleifposition die Maschinenachse schneidet. Rechts steht das Teil mit dem ersten bearbeiteten Zentrum auf dem Reitstock, Die Mikrometerverstellung ist wiederum so eingestellt, dass die Werkstückachse die Maschinenachse am Schleifstift schneidet. 7/11

8 Tabelle : Geometrie in der Maschine bei der Bearbeitung des ersten und zweiten Zentrums Erstes Zentrum Zweites Zentrum Der gewählte Ansatz ermöglicht eine genauere Untersuchung der Geometrie. Es lässt sich berechnen, wie weit der Abstand der Einspannposition zur Maschinenachse sein muss. Um die Berechnungsergebnisse verallgemeinern zu können, wird der Betrag der Mikrometerverstellung über dem Verhältnis aus der Einspannhöhe zur Teilelänge in Prozent aufgetragen. Die Kurven unten zeigen den Betrag der Mikrometerverstellung für Zylinderformfehler zwischen 0,1 und 0,5 mm. Alle Kurven zeigen einen quadratischen Verlauf mit Nulldurchgängen bei ca. 87% im ersten Zentrum beziehungsweise 85% im zweiten Zentrum. Das heißt, bei einer Einspannhöhe von 85% der Teillänge ist keine Mikrometerverstellung nötig, wie bereits im letzten Kapitel beschrieben wurde. Im linken Bild bei der Bearbeitung des ersten Zentrums steht das Teil noch nicht konzentrisch zur Maschinenachse. Daher müssen die Beträge etwas größer sein, als beim zweiten Zentrum. 8/11

9 Bei der Bearbeitung des zweiten Zentrums reduziert sich der Betrag. Die Werkstückachse schwenkt in die Maschinenachse ein..3 Horizontal mit zwei Schraubstöcken Teile in der Großserie, welche beidseitig bearbeitet werden, können auf der horizontalen Maschine ZS 000 geschliffen werden. Diese verfügt über zwei Schraubstöcke. Das Teil wird mit dem linken und rechten Schraubstock eingespannt. Der Abstand der beiden Schraubstöcke beträgt wie in der Herleitung in Kap..1 ca. 70% der Werkstücklänge. (siehe Abbildung 6) Abbildung 6: Einspannschema horizontale Maschine Realisiert ist dieses Prinzip zum Beispiel in an unserer ZS für den speziellen Einsatz an Walzen (siehe Abbildung 7). Die Walzen weisen nach dem Hartverchromen des Ballens einen Fluchtungsfehler auf. Dieser Fehler wird durch das Korrigieren der Zentren in der horizontalen Aufspannung auf unter 10 µm bei 000 mm Werkstücklänge reduziert. In der Maschine liegt dabei die Walze auf zwei Luftlagern. In diesen Halbschalen schwebt das Werkstück auf einem Luftpolster von etwa fünf bis acht Mikrometern und wird dabei gedreht. Die Maschine kann so Fehler an der Zylinderform ausgleichen, und es kommt zu keinen Beschädigungen am Teil, da es keine Berührung zwischen Teil und Maschine gibt. Die hochgenaue Koaxialität der Luftlager zueinander sowie der enge Luftspalt sorgen für eine hohe Reproduzierbarkeit. Im Betrieb legt ein Mitarbeiter die Walze von oben in die Luftlager ein. Lichtschranken und Anschnittsensoren tasten die Walze an. Ein einschwenkbares Reibrad treibt das Bauteil mit einer Geschwindigkeit von 60 Umdrehungen in der Minute an. Zum Schleifen der Zentren stehen zwei Schleifköpfe stirnseitig zum Werkstück. In diese ist wechselseitig eine Spindel und gegenüber eine Spitze eingeschwenkt. So kann sich das Werkstück während des Schleifens gegenüber an die Spitze anlehnen. Die Schleifspindeln arbeiten je nach Werkoder Schneidstoff mit bis Umdrehungen in der Minute. Der Vorschub ist axial. Nach dem ersten Zentrum fahren die Schleifköpfe nach außen, der Seitenwechsel d.h. der Wechsel zwischen Spindel und Spitze - erfolgt automatisch. Das heißt, auf der einen Seite werden durch einen Revolver die Spindel aus- und die Spitze eingeschwenkt. Auf der anderen Seite werden die Spitze aus- und die Spindel eingeschwenkt. 9/11

10 Abbildung 7: ZS000 für das Schleifen von Walzen 3. Dünnwandige Teile In der Antriebstechnik wird immer mehr auf Leichtbau gesetzt. Besonders im Getriebebau, aber auch im Antriebsstrang der Autos oder in Turbinen von Luftfahrzeugen werden dünnwandige Wellen eingesetzt, um Massen zu reduzieren. Werden an dünnwandigen Teilen die Zentren geschliffen, müssen besondere Maßnahmen ergriffen werden. Denn das Problem ist die Verformung beim Spannen. Der zentrisch spannende Schraubstock berührt das Teil an drei Punkten. Ist die Spannkraft zu groß, wird das Teil an den drei Punkten verformt. Sind Einspannstelle und Zentrum dicht beieinander zieht sich die Verformung bis ins Zentrum. Wird nachfolgend geschliffen, ist im Anschluss im eingespannten Zustand das Zentrum rund. Entspannt man dann das Teil, tritt exakt die Verformung als Rundheitsfehler im Zentrum zu tage! Henninger hat darum einen sensiblen Schraubstock entwickelt. Die Spannkraft lässt sich regeln und damit auf wenige Newton reduzieren. Elastische Verformungen sind dadurch kaum noch messbar. Wie sensibel das System ist, zeigt folgendes Bild. Es wurde ein Apfel eingespannt. Hinterher waren keine Druckstellen zu sehen! 10/11

11 Abbildung 8: Sensibler Schraubstock Spann- und Zentrierbacke sind jeweils mit Servomotoren und Kugelgewindetrieb angetrieben. Zusätzlich ist in der Spannseite eine Kraftmessdose eingebaut, welche den Messwert kontinuierlich an die Servos weiterleitet. Ein Grenzwert stoppt die Antriebe echtzeitnah. Der Grenzwert kann je nach Elastizität des Teils und erforderlicher Schleifleistung stufenlos eingestellt werden. Für die Aufnahme der Prozessleistung sind oftmals Spannkräfte von weniger als 0 N ausreichend. Bei sehr großen Zentrendurchmessern und in sehr zähen Stählen kann der erforderliche Wert bis auf 50 N ansteigen. 11/11