Antrieb Bordscheiben auf Zahnriemenrädernsicher befestigen

Das Unternehmen Dietze & Schell, das Anlagen zum Auf- und Umspulen von technischen Garnen, Glasfasern und Verpackungsbändern herstellt, suchte schon lange nach einer Maschine, die Bordscheiben sicher auf Zahnriemenrädern fixieren kann. Weil so etwas weder angeboten, noch entsprechende Patente gefunden wurden, war es notwendig, eine solche Maschine selbst zu konstruieren und zu fertigen.

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Dietze & Schell Maschinenfabrik GmbH & Co. KG

Hochschule für angewandte Wissenschaften Coburg

In vielen Bereichen des Maschinenbaus werden zum Antrieb drehender Teile meist Zahnriementriebe eingesetzt. Bei einem Riementrieb muss mindestens eines der beteiligten Zahnriemenräder mit Bordscheiben versehen sein (Bild 1). Diese führen den Riemen auf der Lauffläche des Rades.

Weil die meisten Maschinen beim Kunden in sehr schnell ablaufende und teilweise nicht zu stoppende Produktionsprozesse eingebunden sind, hätte ein abgesprungener Riemen fatale Folgen: Zum einen steht der Antrieb still, was Produktionsausfälle nach sich zieht, zum anderen könnten der abgesprungene Riemen und die nun lose Bordscheibe in der Maschine weiteren Schaden anrichten.

Eigengefertigte Maschine nur begrenzt einsetzbar

Die zur Zeit bei Dietze & Schell vorhandene Maschine zur Befestigung von Bordscheiben auf Zahnriemenrädern arbeitet oft unzureichend und ist bauartlich bedingt nur in begrenztem Umfang einsetzbar. Es handelt sich dabei um eine schon sehr in die Jahre gekommene Eigenanfertigung des Betriebs. Die Fixierung von Bordscheiben auf Zahnriemenrädern mit dieser Maschine ist teilweise nicht erfolgreich, Bordscheiben lösen sich bereits bei kleiner Belastung wieder vom Rad.

Dazu kommt, dass nicht alle Zahnriemenräder des Unternehmens auf dieser Maschine bearbeitet werden können. Sie sind teilweise zu groß, sodass die Maschine die zu bearbeitenden Stellen am Werkstück nicht erreichen kann.

Aus diesen Gründen werden Zahnriemenräder mit Bordscheiben zu etwa 95% fremdgefertigt. Selbst bei diesen zugekauften Rädern kommt es öfter vor, dass die Bordscheiben nicht fest auf den Rädern sitzen. Daraus kann geschlossen werden, dass dieses Verfahren auch bei den Zulieferern nicht zu 100% beherrscht wird. Nacharbeiten und somit Montageverzögerungen sind die Folge.

Maschine musste neu konstruiert werden

Deshalb sucht die Firma Dietze & Schell in Coburg, die Anlagen zum Auf- und Umspulen von technischen Garnen, Glasfasern und Verpackungsbändern herstellt, und ihre Zulieferer schon lange nach einer Maschine, die Bordscheiben sicher auf Zahnriemenrädern fixieren kann. Allerdings wird so etwas weder angeboten noch können entsprechende Patente gefunden werden. Aus diesem Grund war es notwendig, eine solche Maschine selbst zu konstruieren und zu fertigen.

Für die Zahnriemenräder werden dabei drei Werkstoffe verwendet: Nirosta - X14CrMoS17-1.4104, Automatenstahl - 9SMn28K-1.0715, Aluminium - AlCuMgPbF38-3.1645. Es handelt sich dabei stets um Automatenlegierungen. Sie sind durchweg sehr gut zerspanbar und so für die Herstellung von Dreh- und Frästeilen prädestiniert.

Zur Versuchsdurchführung wurden einfache Zahnriemenraddummys ohne Verzahnung hergestellt, um mit ihnen Prozessparameter (Drückradgeschwindigkeit, Eindrücktiefe, Überrollungen, Toleranzen), Einstellparameter (Drücke), Haltekräfte und Werkzeuggeometrien zu ermitteln.

Das Fertigungsverfahren zum Fügen von Bordscheibe und Zahnriemenrad ist ein kontinuierlich arbeitendes Druckumformen mit einem Drückrad, wobei das Werkstück von einem doppelt konischen Werkzeug partiell verformt und das Material radial nach außen verdrängt wird. Die Bordscheibe fungiert als Drückfutter und wird dabei vom Radmaterial formschlüssig eingebunden und selbst, wie aus Bild 2 ersichtlich stark konisch verformt. Durch die konische Verpressung entstehen große Haltekräfte, die ein Lösen der Bordscheibe vom Zahnriemenrad verhindern.

Im Versuch konnte gezeigt werden, dass eine sichere Verbindung auch dann entsteht, wenn die Bordscheibe ein größeres Montagespiel aufweist. Dies erleichtert das Einlegen der Bordscheiben.

Interagierende Werkzeuge sorgen für Gleichmäßigkeit

Die neue Maschine (Bild 3) hat folgende Eigenschaften:

• zwei symmetrische, interagierende Werkzeuge zum Ausgleich von Unregelmäßigkeiten, die simultan über einen Spindeltrieb verstell- und arretierbar sind,
• fliegend gelagerte Drückräder zur Bearbeitung aller anfallenden Radgeometrien,
• optimiertes Profil der Drückräder sorgt für verbesserten Materialfluss,
• sehr steife Ausführung,
• Kombiadapter zur Werkstückaufnahme (mehrere Nabendurchmesser sind mit nur einem Adapter zentrierbar),
• programmgesteuerter Prozessablauf.

Der Pneumatikzylinder drückt die Traverse mit den Werkzeugen auf das Werkstück. Das Werkstück wird dabei mit dem Moment MAntrieb unter den Drückrädern durchgedreht und verformt den Werkstoff zu einer festen Verbindung.

Die Maschine (Bild 3) ist für einen halbautomatischen Betrieb vorgesehen. Sie wird dazu über ein Programm gesteuert. Über das Bedienterminal können sämtliche Funktionen der Maschine angesteuert sowie die für einen Fertigungsauftrag nötigen Eingaben in den Menüs getätigt und Fertigungsparameter verändert werden.

Im Automatikbetrieb werden die Bordscheiben mit den eingestellten Parametern bearbeitet.

Prozessergebnis mit der neuen Maschine:

Mit diversen Werkstücken wurde die Prozessfähigkeit der Maschine nachgewiesen. Bild 2 zeigt, dass Bordscheibe und Zahnriemenrad auch nach dem Zersägen des Verbunds immer noch eine festsitzende Einheit bilden.

Auf der neuen Maschine werden Bordscheiben und Zahnriemenräder aus allen gängigen Werkstoffen mittels Formschluss sicher verbunden, selbst dann, wenn die Bordscheiben ein relativ großes Montagespiel aufweisen. Dies erleichtert das Einlegen der Bordscheiben.

Die Einrichtzeit ist wegen der automatischen Werkzeugpositionierung der beiden Drückräder und des werkzeuglosen Adapterwechsels sehr gering. Mit dem ausgeführten Werkzeug ist es möglich, auch stark abgesetzte Werkstücke zu bearbeiten. Die neue Maschine erhöht in diesem Fertigungsbereich die Wirtschaftlichkeit. MM

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