Innenrundschleifen in der Wälzlagerindustrie

Schleifen gehört nach der deutschen DIN-Klassifizierung zu den Trennverfahren mit geometrisch unbestimmter Schneide. In den weiteren Unterteilungen dieser Klassifizierung befindet sich das Schleifen mit rotierenden Werkzeugen, welches wiederum weiter in Planschleifen, Rundschleifen, Schraubschleifen, Wälzschleifen, Profilschleifen und Formschleifen unterteilt wird. Das Rundschleifen lässt sich zudem in Außenrundschleifen und in Innenrundschleifen unterteilen [1].

Innenrundschleifverfahren in der Wälzlagerindustrie

Betrachtet man das Innenrundschleifen näher, kann dieses Fertigungsverfahren in 2 verschiedene Prozesse unterteilt werden. Das Innenrundschleifen mit Axialvorschub (Längsumfang-Innen-Rundschleifen) und das Innenrundschleifen mit ausschließlichem Radialvorschub (Querumfang-Innen-Rundschleifen) [1]. Im ersten Fall erfolgt die Zustellung in das Werkstück senkrecht, mit einer gleichzeitigen Kurzhub-Oszillationsbewegung in axialer Richtung. Die Oszillationsbewegung sorgt für eine verbesserte Oberflächenrauheit, reduziert den Scheibenverschleiß und erhöht die Formgenauigkeit. Im zweiten Fall erfolgt die Zustellung auch senkrecht in das Werkstück, aber ohne eine Oszillationsbewegung.

Im Allgemeinen ist das Innenrundschleifen ein Verfahren zur Fertigung und Endbearbeitung von Innenflächen oder Bohrungen. Beispiele für diese Bearbeitungsprozesse in der Wälzlagerindustrie sind das Bohrungsschleifen des Innenrings und die Endbearbeitung komplexer Geometrien mit exakten Profilen wie das Schleifen der Laufbahnen der Außenringe. In Abbildung 1 wird die Kinematik und der Unterschied zwischen den beiden Verfahren skizzenhaft dargestellt.

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Abbildung 1: Zwei verschiedene Innenrundschleifverfahren

Beim Innenrundschleifen werden die meisten Operationen in Gleichlaufrichtung durchgeführt. Das heißt, die Drehung von Werkstück und Schleifscheibe erfolgt jeweils in entgegengesetzter Richtung [2].

Anforderungen an das Innenrundschleifen in der Wälzlagerindustrie

In der Wälzlagerindustrie variieren die zu bearbeitenden Größen von beispielsweise 10 mm Lager, die in der Elektroindustrie zu Einsatz kommen, bis hin zu 10 m Lager, die in Tunnelbohrmaschinen eingesetzt werden. In der Automobilindustrie sind Lagergrößen von bis zu 100 mm üblich.

Die Endbearbeitung all dieser verschiedenen Lagergrößen erfordert die Fähigkeit, die geforderten Toleranzen bei Durchmesser, Geradheit, Rundheit und Zylindrizität einzuhalten. Dazu kommen Anforderungen an die tribologischen Eigenschaften der Wälzlager.

Die Anforderungen an diese Toleranzen sind in den vergangenen Jahren stark gestiegen. Durch eine gezielte Optimierung der Laufbahnoberflächen der Wälzlager können beispielsweise Reibung und Akustik positiv beeinflusst werden. Durch die Reduzierung der Reibung kann somit auch der Energieverbrauch und die damit verbundene Schadstoffemission reduziert werden. Dieses ist bei der Erhöhung von Reichweiten für E-Autos von enormer Bedeutung. Darüber hinaus können durch die Verbesserung der tribologischen Eigenschaften der Lager, die Haltbarkeit verlängert und die Betriebszuverlässigkeit gesteigert werden [3].

Eine weitere Herausforderung beim Innenrundschleifverfahren ist die Kühlmittelzufuhr. Der Grund hierfür ist der sehr enge Raum zwischen Schleifscheibe und Werkstück, insbesondere bei der Bearbeitung kleiner Lager. Die Kühlmittelzufuhr sollte auch das komplette Profil, einschließlich Rundungen im Profil, abdecken. Daher sollten die Formen der Kühlmitteldüsen aber auch die Kühlmittelmenge an den jeweiligen Schleifvorgang angepasst werden. Der letzte Punkt ist heute im Zusammenhang mit den Anforderungen an den Umweltschutz von zentraler Bedeutung.

Auch die unterschiedlichen Materialien der Wälzlager stellen eine Herausforderung an die Werkzeuge dar. Das meist eingesetzte Material bei der Herstellung von Lagern ist zurzeit der Stahltype 100Cr6 („Wälzlagerstahl“) mit einer Härte von ca. 64HRC. Dieser Stahl wird bei der Herstellung einer Vielzahl von Wälzlagern für verschiedene Anwendungen verwendet, z. B. in der Automobilindustrie, in Lagern für elektrische Geräte wie Motoren für Waschmaschinen, in Computern mit sehr kleinen Lagern und in Windkraftanlagen mit großen Lagern bei denen der Durchmesser bei bis zu 3,5 m liegen kann. In Flugzeugtriebwerken sind Lager sehr hohen Temperaturen und Drehzahlen ausgesetzt. Diese Anforderungen führten zur Entwicklung von Stahlsorten wie M50NiL. Die Oberfläche dieses Stahls ist auf bis zu 70 HRC gehärtet [4].

Arten von Schleifkörnern

Für das Innenrundschleifen können sowohl kubisches Bornitrid (cBN) als auch konventionelle Schleifmittel verwendet werden. cBN ist das zweithärteste Schleifmittel nach Diamant. Die Härte von cBN ist etwa halb so hoch, wie die von Diamant und doppelt so hoch, wie die Härte der konventionellen Schleifmittel. Der Hauptgrund, warum Diamant bei den meisten Lageranwendungen nicht zum Einsatz kommt, ist seine Reaktionsfähigkeit mit Metallen wie Eisen und Nickel.

Die Entscheidung, welches Korn für den Bearbeitungsprozess gewählt wird hängt, von den Abrichtmöglichkeiten der Maschine, von den Werkstückabmessungen und von der zu fertigenden Menge ab. Vorteile für den Einsatz von cBN Korn kommen insbesondere bei hohen Stückzahlen, bei Werkstücken aus gehärtetem Stahl und bei Werkstücken mit einer Größe von weniger als 15 mm, zum Tragen. Ein typisches Beispiel für den Einsatz von cBN als Schleifkorn ist das Schleifen von Bohrungen von kleinen Kegelrollenlagern. Beim Schleifen von Lagern mit Größen zwischen 15 mm und 50 mm können sowohl cBN (je nach Maschine), als auch konventionelles Schleifkorn eingesetzt werden. Bei den konventionellen Körnern dominieren Korund (Aluminiumoxid) und Sinterkorunde (Sol-Gel-Korund, SG). Die Begründung für diese Vorgehensweise in der Auswahl der Körnung liegt erstens in den Kosten des Schleifkorns. Ein hoher Prozentsatz der Gesamtkosten bei der Herstellung von kleinen Schleifscheiben steckt in den Lohnkosten, unabhängig vom verwendeten Korn. Je größer die Schleifscheiben sind, desto höher ist der Anteil der Kosten für das Schleifkorn an den Gesamtkosten. Konventionelle Kornarten sind günstiger als cBN. Das bedeutet, dass größere Schleifscheiben mit konventionellem Korn in der Herstellung günstiger sind als Scheiben mit cBN-Korn [2].

Zweitens spielen die Schleifkräfte und die Kontaktlänge zwischen Werkstück und Schleifwerkzeug eine Rolle bei der Auswahl des Korns. Siehe hierzu Abbildung 2 unten.

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Abbildung 2: Kontaktlänge bei verschiedenen Schleifverfahren

Je größer der äquivalente Durchmesser de ist, desto größer sind die Kontaktlänge, die Normalkräfte und der Druck. Die Reibungsinteraktionen nehmen ebenfalls zu. Um diese Kräfte und den Schleifdruck zu reduzieren, sind Schleifscheibenspezifikationen mit offenerer Struktur und brüchigem Korn erforderlich. Die Bandbreite an Körnungen und Bindungsstrukturen mit hoher Porosität, die in der Lage sind, einen hohen G-Wert (Standzeitfaktor) aufrechtzuerhalten, ist bei keramisch gebundenen cBN Scheiben geringer. Korund Körner und Sinterkorund Körner mit keramischer Bindung ermöglichen außerdem einen besseren Kühlmittelzugang und eine bessere Spanabfuhr während des Schleifprozesses. Saint-Gobain hat in den vergangenen Jahren viele verschiedene Spezifikationen entwickelt, um jene Anforderungen zu erfüllen.

Geeignete Spezifikationen für das Innenrundschleifen

Um die Leistungsfähigkeit von Schleifmitteln beim Innenrundschleifen zu verbessern, hat Saint-Gobain in den letzten Jahren viel Entwicklungsarbeit geleistet.

Im Bereich der cBN-Werkzeuge mit keramischer Bindung hat Saint-Gobain eine Vielzahl an Spezifikationen für die Wälzlagerindustrie entwickelt. Diese Spezifikationen zeichnen sich durch einen hohen Verschleiß- und Temperaturbeständigkeit aus. Die Porosität kann an die Prozessanforderungen angepasst werden. Die Kombination dieser Eigenschaften macht diese Arten von cBN-Schleifmitteln zu äußerst leistungsstarken Werkzeugen bei der Bearbeitung von langspanenden Werkstoffen wie 100Cr6.

Im Bereich von Korund und Sinterkorund Körnern mit keramischer Bindung fanden Entwicklungen in der Mikrostruktur der Körner, in der natürlichen Porosität und in neuen Bindungen statt.

Was die Kornentwicklungen betrifft, so weist die QUANTUM-Technologie Körner eine geringere Zähigkeit (höhere Brüchigkeit) als die Standard-SG-Technologie Körner auf. Da die Kontaktfläche beim Innenrundschleifen groß ist und viele Körner gleichzeitig in Kontakt sind, verteilen sich die Kräfte auf viele Körner. Daher müssen beim Innenrundschleifen die Körner in den meisten Fällen eine sehr hohe Brüchigkeit aufweisen, um zu vermeiden, dass stumpfe Körner beim Schleifen entstehen, was zu erhöhter Wärmebildung und Reibung führt. Eine niedrige Schwellenleistung ist beim Innenrundschleifen essentiell. Die Quantum-Körner haben die gleiche Härte wie die Standard-SG-Körner, sind aber viel brüchiger, was die kontinuierliche Bildung neuer, scharfer Schneiden auch bei geringe Belastung der Körner, ermöglicht. Durch das Bruchverhalten von Quantum ist es ebenso möglich die Schwellenleistung deutlich zu reduzieren.

Des Weiteren hat Saint-Gobain viel in die Entwicklung der Porosität investiert. Die Vortex 2-Technoligie ermöglicht es, Produkte mit sehr höher Porosität ohne das Nutzen von zusätzlichen Porenbildnern, herzustellen. Somit können hochporöse Werkzeuge mit einer offenen Struktur und mit hoher Permeabilität (durch miteinander verbundene Poren) von bis zu 29 zum Einsatz kommen während bei Standard Produkten mit Porenbildner nur Strukturzahlen von bis 12 möglich sind. Dadurch wird die spezifische Schleifenergie Ec beim Schleifen deutlich reduziert. Die hohe Porosität verringert die Interaktion zwischen Span und Werkzeug. So sind extrem hohe bezogene Zeitspanvolumina (Q'w) ohne Randzonen Beschädigungen am Werkstück möglich.

Die letzte Hauptkomponente einer Schleifscheibe ist die Bindung. Die Festigkeit und das Elastizitätsmodul einer Schleifscheibe hängen von der Bindungsmenge der Schleifscheibe ab. Die neu entwickelte VITRUIM3 Bindung verleiht der Schleifscheibe eine höhere Festigkeit bei gleichbleibendem Bindungsanteil. Dieses ermöglicht wiederum die Nutzung von weniger Bindung bei gleichbleibender Festigkeit. Dieser Vorteil kann beispielsweise für mehr Porosität genutzt werden um einen kühleren Schliff zu ermöglichen. Höhere Schnittgeschwindigkeiten verbunden mit längeren Werkzeugstandzeiten und höherer Produktivität sind somit realisierbar. Heute werden Spezifikationen mit dieser Art von Bindung bei einer Vielzahl von Lageranwendungen eingesetzt, auch beim Innenrundschleifen von Außenringlaufbahnen [5].

All diese Entwicklungen wurden schließlich in unseren QuantumX-Produkten zusammengefasst. Durch die Quantum Technology könnte das Bruchverhalten der Körner und die damit notwendige Reduzierung der Schwellenleistung deutlich optimiert werden. Mit der Vortex 2 Technology könnten hoch poröse Werkzeuge hergestellt werden. Die Nutzung der neu entwickelten VITRIUM3 Bindung und die damit verbundene Erhöhung der Festigkeit der Schleifscheiben rundet das Produkt ab. Diese neue entwickelte Spezifikation kann bei allen wärmeempfindlichen Anwendungen eingesetzt werden. Das Innenrundschleifen in der Wälzlagerlagerindustrie ist eine davon.

Erfolgreiche Fallstudien

Am Ende dieses Beitrages werden zwei Fallstudienbeispiele vorgestellt, welche die Vorteile der neu entwickelten, konventionellen und cBN-Produkte untermauern.

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Abbildung 3:  Gesamtzykluszeit und Teile pro Abrichten mit der neu entwickelten
QuantumX-Technologie im Vergleich zu einem Standard Produkt.

Abbildung 3 zeigt die erste Fallstudie und die Vorteile der neuen QuantumX-Technologie.

Bei der Anwendung handelte es sich um das Bohrungsschleifen im Längsumfang-Innen-Rundschleifenverfahren bei kleinen Lagern mit einem Durchmesser von bis zu 50 mm. Die Versuche wurden mit Emulsion als Kühlmittel durchgeführt. Das Abrichten erfolgte mit einem stationären Einkornabrichter.

Wie die Versuchsergebnisse darstellen, waren die Scheiben in der Lage, die Zykluszeit um 40 % zu reduzieren und den Abrichtzyklus um 100 % zu erhöhen. Sowohl die Reduzierung der Gesamtzykluszeit als auch die Erhöhung der Anzahl der Teile pro Abrichten bedeuteten für den Kunden ein enormes Potenzial an Optimierungsmöglichkeiten hinsichtlich einer ökonomischen Gestaltung der Schleifprozesse und die damit verbundene Erhöhung der Wettbewerbsfähigkeit.

In einer zweiten Fallstudie war es möglich, die Zahl der zu bearbeiteten Teile pro Schleifscheibe deutlich zu erhöhen. Siehe hierzu Abbildung 4 unten.

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Abbildung 4: Schleifzeit und Teile pro Schleifscheibe der neuen cBN Spezifikation im Vergleich zur Standard Spezifikation.

Bei der Anwendung handelte es sich um das Querumfang-Innen-Rundschleifen bei kleinen Lagern mit einem Durchmesser von bis zu 80 mm. Auch hier kam bei den Versuchen Emulsion als Kühlmittel zum Einsatz. Als Abrichtwerkzeug wurde eine Profilabrichtrolle eingesetzt. Wie die Versuchsergebnisse darlegen, blieb die Schleifzeit unverändert, trotzdem war es möglich fast doppelt so viele Teile mit einer Schleifscheibe zu schleifen. Dies ermöglicht unseren Kunden enorme Ersparnisse in der Produktion da auch die Zeiten für den Werkzeugwechsel reduziert werden konnten.


Literatur

[1] Kategorisierung von Schleifprozessen, „Schleifen mit rotierendem Werkzeug“ nach DIN 8589 Teil 11

[2] Handbook of Machining with Grinding Wheels, Ian D. Marinesco, 2007

[3] Andreas Rosenkranz: Dissertation Tribologie an Oberflächen mit maßgeschneidertem topographischem Design

[4] http://www.schaeffler.com/remotemedien/media/_shared_media/08_media_library/01_
publications/schaeffler_2/tpi/downloads_8/tpi_226_de_en.pdf

[5] Saint-Gobain Abrasives: Vitrium³ Reshaping the world of precision grinding, Brochure


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