Verfahrensprinzip, Werkzeuge und Oberflächenqualität im direkten Vergleich
Die Fertigung von Kugelgewindespindeln stellt hohe Anforderungen an Prozessstabilität und Maßhaltigkeit. Lange, schlanke Bauteile reagieren auf die thermischen Einflüsse der Wärmebehandlung mit Verzügen, die sich in Profiländerungen und Steigungsabweichungen niederschlagen. In der spanenden Fertigung erfordert dies in der Regel eine mehrstufige Bearbeitung: Verarbeitung im weichen Zustand, anschließende Wärmebehandlung und abschließende Fertigbearbeitung nach dem Härten. Beide Verfahrensstufen, Schleifen wie Wirbeln, sind in der Praxis etabliert und erfüllen die gestellten Anforderungen, sie unterscheiden sich jedoch in Prozessführung, Werkzeugkonzept und den erreichbaren Oberflächenkennwerten.
Verfahrensprinzip: Gewindewirbeln als Sonderform des Fräsens
Das Gewindewirbeln, auch Gewindeschälen genannt, ist eine Sonderform des Fräsens. Ein innenverzahnter Wirbelkopf umschließt das Werkstück und rotiert exzentrisch zur Werkstückmitte. Dabei erzeugen die Schneiden in einem kontinuierlichen Ein- und Ausschneidevorgang den Gewindegang in einem einzigen Schnitt. Der Span bleibt im Bereich von Zehntausendstel Millimetern. Das Werkzeug bewegt sich, anders als beim Schleifen, nicht vom Werkstück weg.
Ein wesentliches Merkmal des Verfahrens ist, dass das Gewinde in einem kontinuierlichen Prozess direkt auf die gewünschte Gewindetiefe geschnitten, bzw. gewirbelt wird.
Zudem kann das Wirbeln sowohl für die Weich- als auch zur Hartbearbeitung verwendet werden. Bei gehärteten Kugelgewindespindeln ermöglicht das Hartschälen, Vor- und Fertigbearbeitung in einem Arbeitsgang zusammenzuführen. Die logistischen Durchläufe reduzieren sich, Aufspannfehler zwischen den Stufen entfallen.
Werkzeugauslegung für die Hartbearbeitung
Die Eignung des Wirbelverfahrens für die Hartbearbeitung hängt maßgeblich von der Werkzeugauslegung ab. Für die Zerspanung gehärteter Stähle werden CBN-Schneidplatten (kubisches Bornitrid) eingesetzt. CBN weist synthetisch-diamantähnliche kristallografische und mechanische Eigenschaften auf: hohe Temperaturbeständigkeit, gutes chemisches Reaktionsverhalten gegenüber Eisenwerkstoffen und keine verschleißbestimmenden Reaktionen zwischen Eisen, Chrom, Vanadium, Molybdän und Kohlenstoff. Reaktionen mit Luftsauerstoff treten erst ab Temperaturen über 1000°C auf.
Ein weiterer verfahrenstechnischer Aspekt betrifft die Kühlung. Herkömmliche Kühlschmierstoffe sind aufgrund der hohen Temperaturen an der Schneide und des daraus resultierenden Dampfdrucks nicht einsetzbar, es käme zu ungleichmäßigen Spannungen an den Schneidplatten. Das Verfahren arbeitet daher trocken, was zugleich einen umweltrelevanten Vorteil darstellt.
Wirbelmesser
Nahaufnahme des Schleifverfahrens
Schleifverfahren: Etablierter Standard in der Spindelfertigung
Das Schleifen von Kugelgewindespindeln ist seit Jahrzehnten industriell erprobt und gilt als Referenzverfahren für hohe Oberflächengüten. Beim Gewindeschleifen wird das Profil durch einen rotierenden Schleifkörper mit Negativprofil spanend eingebracht, in der Regel als getrennter Fertigungsschritt nach der Wärmebehandlung. Das Verfahren ermöglicht sehr enge Toleranzen und reproduzierbar glatte Flanken. In Kombination mit einem anschließenden Poliervorgang werden Rauheitswerte erreicht, die zu den besten im Verfahrensvergleich zählen. Voraussetzung ist eine sorgfältige Abstimmung von Schleifscheibenbindung, Abrichtparametern und Kühlmittelführung, da thermische Einflüsse an der Kontaktzone die Randzoneneigenschaften des Werkstücks beeinflussen können. Der mehrstufige Prozessaufbau – Vorbearbeitung, Härten, Schleifen – bringt einen entsprechend logistischen und zeitlichen Aufwand mit sich, bietet jedoch den Vorteil einer langen Erfahrungsbasis und einer breiten Maschinenverfügbarkeit.
Messtechnischer Vergleich: Wirbeln und Schleifen
Um die erreichbaren Oberflächenqualitäten messtechnisch zu belegen, wurden Kugelgewindespindeln 40 × 10 mm in drei Varianten gefertigt und durch ein unabhängiges Prüfinstitut bewertet: gewirbelt, nach herkömmlichem Fertigungsverfahren feingeschliffen sowie geschliffen und anschließend poliert. Pro Spindel wurden an neun Positionen jeweils 30 Messungen durchgeführt und Mittelwerte gebildet.
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Verfahren |
Rmax (Mittelwert) |
Ra (Mittelwert) |
Messsicherheit |
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Gewirbelt |
0,214–0,589 μm |
0,160–0,371 μm |
0,023 / 0,018 |
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Geschliffen |
0,460–0,813 μm |
0,333–0,430 μm |
0,076 / 0,036 |
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Geschliffen & poliert |
0,150–0,220 μm |
0,093–0,127 μm |
0,022 / 0,015 |
Das Schleifverfahren liefert, insbesondere mit einem anschließenden Poliervorgang, sehr gute Oberflächenwerte und ist in der Spindelfertigung seit Jahrzehnten etabliert. Die gewirbelten Spindeln erreichen ohne zusätzliche Bearbeitungsstufe Rauheitswerte, welche gegenüber dem reinen Schleifvorgang günstig ausfielen. Gegenüber der kombinierten Variante mit Schleifen und Polieren liegen sie in einer vergleichbaren Größenordnung.
Ein zusätzliches Polieren der gewirbelten Spindeln erbringt nur geringe weitere Verbesserungen, da die Oberfläche nach dem Wirbelprozess bereits im qualitativ hochwertigen Bereich liegt. Dieser zusätzliche Arbeitsgang ist in der Regel nicht erforderlich.
Genauigkeit und Messspindel
Das Gewindewirbeln ermöglicht bei konsequenter Prozessführung Steigungsgenauigkeiten der Klasse IT1. Die Linearität ist eine Gegebenheit der Maschine und hängt im Wesentlichen von Werkzeug, Werkstoff und verfahrenstechnischen Parametern ab.
Für die messtechnische Bewertung wurde ein Längenmesssystem (ERA 180:2003, Heidenhain GmbH) mit 9000 Teilungen pro Umdrehung und 4040 mm Messlänge eingesetzt. Die Genauigkeit beträgt ± 5 μm. Die C-Achse (Zustellachse) dient zur automatischen Erzeugung der Steigung; die Steigung wird über ein vorgeschaltetes spielarmes Planetengetriebe und ein inkrementales Längenmesssystem elektronisch geregelt.
Einordnung und Fazit
Schleifen und Wirbeln sind beides etablierte Verfahren für die Fertigbearbeitung von Kugelgewindespindeln. Das Schleifverfahren verfügt über einen langen industriellen Erfahrungshintergrund und liefert, besonders in Kombination mit Polieren, reproduzierbar hohe Oberflächenqualitäten.
Das Gewindewirbeln bietet hingegen die Möglichkeit, Vor- und Fertigbearbeitung in einem Durchlauf zu vereinen, und erzielt dabei ohne zusätzlichen Bearbeitungsvorgang Oberflächenwerte, die für die überwiegende Mehrzahl der Anwendungen erforderlich sind. In Verbindung mit der hohen Standzeit von CBN-Werkzeugen und der trockenen Prozessführung ergeben sich wirtschaftliche Vorteile, die je nach Bauteilgeometrie, Losgröße und Qualitätsanforderung unterschiedlich stark ins Gewicht fallen.
Die Verfahrenswahl ist letztlich anwendungsabhängig, entscheidend sind die spezifischen Anforderungen an Geometrie, Oberfläche und Fertigungsvolumen.
