Verzahnungsschleifen: Verfahren, Maschinen und Grenzen im Überblick

Verzahnungsschleifen ist die Hartfeinbearbeitung der Zahnflanken nach dem Härten: Sie holt die Verzahnungsqualität zurück, die beim Wärmebehandeln durch Härteverzug verloren geht. In der Werkstatt heißt dasselbe Zahnradschleifen oder Zahnflankenschleifen; als Verfahren unterscheidet man das Wälzschleifen mit Schleifschnecke und das Profilschleifen mit Profilscheibe. Diese Seite erklärt beide Verfahren, das Abrichten, die erreichbaren Qualitäten, die Grenzen und die Maschinen, die das Verfahren ausführen. Die Kennwerte stammen aus Herstellerangaben und Fachbeiträgen; die wichtigsten Quellen stehen am Ende der Seite.

Warum werden Verzahnungen geschliffen?

Zahnräder werden nach dem Verzahnen häufig gehärtet, damit die Flanken verschleißfester werden, besonders gegen Grübchenbildung, und höhere Lasten tragen. Beim Härten entsteht allerdings Härteverzug; deshalb müssen die Flanken laut Wikipedia in der Regel nach dem Härten durch Schleifen nachbearbeitet werden, um die gewünschte Verzahnungsqualität zu erreichen. Die Prozesskette sieht damit typischerweise so aus:

1. Weichbearbeitung der Verzahnung durch Wälzfräsen, Wälzstoßen oder Wälzschälen
2. Wärmebehandlung (Härten)
3. Hartfeinbearbeitung, meist durch Schleifen, in Sonderfällen durch Honen oder Hartschälen
4. Messen der fertigen Verzahnung

Einen Überblick über alle Verfahren der Zahnradfertigung gibt die Seite Verzahnung. Wie viel Qualität das Schleifen gegenüber der Weichbearbeitung gewinnt, zeigt die Einteilung nach DIN 3961, wie Wikipedia sie wiedergibt (Qualität 1 ist die feinste, 12 die gröbste Stufe):

Die feinen Qualitäten 1 bis 4 bleiben damit dem Schleifen und Honen vorbehalten. Für das diskontinuierliche Profilschleifen nennt ein Fachbeitrag im Maschinenmarkt Qualität 1 bis 2 nach DIN 3962.

Wälzschleifen: kontinuierlich mit der Schleifschnecke

Das kontinuierliche Wälzschleifen gilt nach Reishauer als das produktivste Verfahren der Hartfeinbearbeitung hochgenauer Zahnräder; das Unternehmen selbst nennt 1945 als das Jahr, in dem es die erste kontinuierliche Wälzschleifmaschine der Welt vorgestellt hat. Das Werkzeug ist eine abrichtbare, keramisch gebundene Schleifschnecke. Ihre Kinematik lässt sich als Schraubwälzgetriebe verstehen, ergänzt um drei Achsbewegungen: die X-Zustellung für die Zustelltiefe, den vertikalen Vorschub in Z und die seitliche Bewegung in Y, das sogenannte Shiften. Das Shiften sorgt dafür, dass beim qualitätsbestimmenden Schlichthub immer ein unverbrauchter Bereich der Schnecke im Eingriff ist. Die Evolvente entsteht durch das kontinuierliche Abwälzen der schneckenförmigen Werkzeugflanke am Werkstück.

Die Schnecken haben laut Maschinenmarkt Durchmesser von 160 bis 320 mm und arbeiten mit Schnittgeschwindigkeiten von 60 bis 75 m/s; neuere Maschinen liegen höher, Klingelnberg nennt für die Speed Viper 300 bis zu 100 m/s, Liebherr für den Schleifkopf GH 320 CB 80 m/s. Die Stärken des Verfahrens beschreibt GROB aus Anwendersicht: hohe Rundlauf- und Teilungsgenauigkeit, kurze Bearbeitungszyklen, Mehrgang-Schleifen, lange Standzeit und ein geringeres Risiko von Schleifbrand. Die Kehrseite sind teurere Schleifwerkzeuge und längere Beschaffungszeiten. In der Serienfertigung kommt das Wälzschleifen laut Maschinenmarkt bis etwa Modul 6 zum Einsatz, mit größeren Schleifköpfen geht es deutlich darüber hinaus: Für den Kopf GH 320 CB gibt Liebherr Wälzschleifen bis Modul 14 an.

Flankenmodifikationen lassen sich beim Wälzschleifen über die Geometrie der Schnecke erzeugen. Kapp Niles beschreibt das topologische Wälzschleifen so: Durch Mehrachsinterpolation zwischen Abrichtwerkzeug und Schnecke beim zweiflankigen Abrichten wird ein Bereich der Schnecke modifiziert, der am Zahnrad eine Breitenballigkeit und eine gezielte Verschränkung erzeugt. Reishauer beschreibt zwei Weiterentwicklungen für die Oberfläche: Low-Noise-Shifting, das die Oberflächenstruktur diffuser macht und die Geräuschanregung mindert, und Polierschleifen mit einer Zweizonen-Schnecke, das Rautiefen von Rz ≤ 1,2 µm und Mittenrauwerte von Ra ≤ 0,15 µm erreicht. Kapp Niles nennt für das Fein- und Polierschleifen Rz < 1 µm beziehungsweise Ra < 0,2 µm.

Profilschleifen: Lücke für Lücke mit der Scheibe

Das Profilschleifen ist ein abbildendes Verfahren: Eine scheibenförmige Schleifscheibe trägt das Profil der Zahnlücke, und jede Lücke wird einzeln bearbeitet. Es ist diskontinuierlich, dafür aber das flexibelste Verfahren. Laut Maschinenmarkt hat es den breitesten Anwendungsbereich und lässt sich bei Zahnraddurchmesser, Modul und Anwendung, vom Prototyp über die Großserie bis zum Meisterrad, anpassen. GROB nennt als Stärken günstigere Schleifscheiben, das schnelle Profilieren von Korrekturen und Sonderprofilen, die Möglichkeit, Segmente und nicht abwälzbare Profile zu schleifen, und eine tendenziell höhere Profilgenauigkeit. Nachteile sind längere Bearbeitungszeiten und tendenziell geringere Teilungs- und Rundlaufgenauigkeit als beim Wälzschleifen.

Zwei Einsatzfelder zeigen die Bandbreite:

• Große Zahnräder: Ein Beitrag zu neuen Profilschleifscheiben für Klingelnberg-Höfler-Rapid-Maschinen nennt Windkraft-Zahnräder von 800 bis 4.000 mm Durchmesser, Maschinen bis 8.000 mm und Gewichte bis 100 Tonnen. Die Rapid-Reihe von Klingelnberg reicht laut Hersteller von der Baugröße 650 bis 8000. Der Beitrag beziffert für die neue Scheibe 20 % kürzere Schleifzeit, 20 % längere Abrichtintervalle und 30 % geringere Abrichttiefe gegenüber Standardscheiben; das sind Herstellerangaben eines Schleifmittelanbieters.
• Störkonturen: Wo ein Bund oder eine Nachbarkontur den Auslauf blockiert, ist Profilschleifen mit CBN-Scheiben laut Maschinenmarkt das vorherrschende Verfahren, mit Scheiben ab etwa 20 mm Durchmesser bei rund 40 m/s (zwei Rillen zum Schruppen, eine zum Schlichten). In Extremfällen kommen stiftförmige Werkzeuge mit 15 mm Durchmesser und bis zu 80.000 min⁻¹ zum Einsatz.

Auch Innenverzahnungen werden geschliffen: Liebherr adaptiert dafür Innenschleifarme an die Außenschleifköpfe seiner LGG-Maschinen, und die Klingelnberg VIPER 500 lässt sich laut Hersteller in weniger als 15 Minuten auf Innenschleifen umrüsten. Wie Innenverzahnungen insgesamt gefertigt werden, erklärt die Seite Innenverzahnung.

Abrichten: das Werkzeug bleibt schneidfähig

Schleifschnecken und Profilscheiben verschleißen und müssen deshalb abgerichtet werden. Beim Wälzschleifen sitzen die Diamantabrichter laut Reishauer in der Maschine und halten Profilgenauigkeit und Schneidfähigkeit der Schnecke konstant. Auch Profilscheiben werden abgerichtet; der oben genannte Scheibenhersteller führt Abrichtintervalle und Abrichttiefe deshalb als Kennzahlen. Eine Alternative sind abrichtfreie CBN-Schnecken, die Liebherr für das Wälzschleifen entwickelt hat und als wirtschaftliche Alternative beschreibt. Für Käufer und Verkäufer gebrauchter Maschinen ist das Abrichtsystem ein wichtiges Ausstattungsmerkmal, denn von den vorhandenen Abrichtwerkzeugen und Achsen hängt mit ab, welche Modifikationen die Maschine erzeugen kann.

Wälzschleifen, Profilschleifen, Honen, Hartschälen im Vergleich

Wichtig zur Einordnung: Beim Schälwälzfräsen gehärteter Außenverzahnungen (EMAG) wird nur Material von den Zahnflanken abgetragen; das Wälzschälen ist dagegen das Verfahren mit gekreuzten Achsen für Innenverzahnungen und Verzahnungen gegen Bund, das Liebherr und Gleason auch als Hartschälen anbieten.

Grenzen des Verzahnungsschleifens

• Störkontur und Auslauf: Wälzverfahren brauchen laut Maschinenmarkt große axiale Überläufe auf beiden Seiten der Verzahnung. Wo Bunde oder Wellenabsätze das verhindern, bleiben Profilschleifen, ein Globoid-Schneckenverfahren mit 120 bis 160 mm Werkzeugdurchmesser, Honen oder Hartschälen. Kapp Niles nennt kleine Werkzeuge mit Hochgeschwindigkeitsspindeln, die Verzahnungen mit Störkanten schleifen, die früher nur profilgeschliffen oder gehont werden konnten.
• Thermische Schäden: Ein Scheibenhersteller beschreibt für das Profilschleifen großer Zahnräder, dass eine offene Scheibenstruktur den Kühlschmierstoff in die Kontaktzone bringt und die Späne abführt, damit kein Wärmeeintrag entsteht, der die Verzahnung schädigt.
• Werkzeugkosten und Zeit: Wälzschleifen braucht teurere Schnecken, Profilschleifen braucht mehr Zeit je Rad.
• Modul und Größe: Jede Maschinenklasse hat ein festes Fenster für Durchmesser und Modul, siehe die folgende Tabelle.

Maschinen: Welche Anlagen schleifen Verzahnungen?

Verzahnungsschleifen führen Zahnradschleifmaschinen aus, auch Zahnflankenschleifmaschinen genannt. Man unterscheidet Wälzschleifmaschinen mit Schnecke, Profilschleifmaschinen mit Scheibe und Kombimaschinen für beide Verfahren. GROB kombiniert beispielsweise auf einer Liebherr LCS 500 Wälz- und Profilschleifen in derselben Aufspannung. Die folgende Tabelle zeigt Maschinenklassen nach Werkstückdurchmesser, wie Hersteller sie angeben:

Welche gebrauchten Zahnradschleifmaschinen wir ankaufen oder vermitteln, beschreibt die Seite Zahnradschleifmaschinen; die Reishauer-Bauart des kontinuierlichen Wälzschleifens hat eine eigene Seite: Reishauer Verzahnungsschleifmaschinen. Für allgemeine Präzisionsschleifmaschinen ohne Verzahnungsbezug gibt es die Seite Schleifmaschinen. Den Überblick über alle Verzahnungsmaschinen bietet die Seite Ankauf Verzahnungsmaschinen.

Was den Wert einer Zahnradschleifmaschine bestimmt

Wer eine Zahnradschleifmaschine verkaufen will, sollte diese Angaben bereithalten, weil sie über den Käuferkreis entscheiden:

• Verfahren und Maschinenklasse: Wälz-, Profil- oder Kombimaschine, Option für Innenverzahnung
• größter Werkstückdurchmesser, maximaler Modul, Werkstücklänge und Werkstückgewicht
• Baujahr, Baureihe und Steuerungsgeneration
• Zustand von Schleifspindel, Werkstückspindel und Rundtisch, Betriebsstunden
• Abrichtsystem, vorhandene Schnecken, Scheiben und Spanndorne
• Genauigkeitsnachweis: Prüfprotokolle und Verzahnungsqualität
• Automation und Beladung, Kühlschmierstoff- und Filteranlage, Retrofit-Historie
• Gewicht, Fundamentbedarf und Demontageaufwand

Eine ausführliche Faktorenmatrix folgt auf der Seite Was ist meine Verzahnungsmaschine wert; allgemeine Bewertungslogik erklärt Was ist meine CNC-Maschine wert.

Für Verkäufer

Wir kaufen Ihre Verzahnungsmaschine an oder vermitteln sie an einen Käufer aus unserem Netzwerk. Wir bewerten die Maschine anhand Ihrer Angaben zu Typ, Baujahr, Steuerung und Betriebsstunden, suchen einen Käufer und koordinieren Demontage und Transport; die Zahlung erfolgt vor der Abholung. Eine erste Rückmeldung gibt es in der Regel innerhalb von 24 Stunden. Den Ablauf beschreibt So funktioniert es, zur Typseite geht es unter Zahnradschleifmaschinen verkaufen.

Quellen

• Reishauer, Jahrbuch Schleifen, Honen, Läppen und Polieren (W. Graf, Optionen des Verzahnungswälzschleifens): reishauer.com
• Wikipedia, Zahnrad (Härteverzug, Verzahnungsqualitäten nach DIN 3961): de.wikipedia.org
• Maschinenmarkt, Hartfeinbearbeitung von Verzahnungen mit Störkontur: maschinenmarkt.vogel.de
• GROB AG, Profil- und Wälzschleifen: grobag.ch