Zerspanung Effizientes Verzahnungsfräsen der anderen Art

Immer öfter suchen Hersteller von Verzahnteilen und Kegelrädern nach Alternativen zu den klassischen Verfahren. Heller hat nun gemeinsam mit Voith ein Verfahren entwickelt, das das Vorfräsen und das Verzahnungsfräsen produktiver macht.

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Es ist auffallend, wie derzeit einige Hersteller von Fünf-Achs-Bearbeitungszentren das Verzahnungsfräsen im Blick haben. Es liegt ja nahe, die vorhandene Kompetenz in der Fünf-Achs-Bearbeitung zu nutzen, um Einsatzmöglichkeiten außerhalb der klassischen Anwendungen von Bearbeitungszentren zu erschließen.

Diesen Weg ging auch der Nürtinger Werkzeugmaschinenhersteller Heller. Durch die Einführung der neuen Baureihe F im Herbst 2009 ist das Unternehmen noch tiefer in die FünfAchs-Technik eingestiegen. Im Verzahnungsfräsen sah man die Möglichkeit, so Heller, die Fähigkeiten und Bandbreite der Fünf-Achs-Bearbeitungszentren der Baureihe F und der auf dem Markt bewährten Baureihe MCH-C optimal zu nutzen.

Modellierung des Zahnrades mit Spezialsoftware

Im Endeffekt war es ein gemeinsames Projekt mit dem Unternehmen Voith, das zu einem neuen Verfahren in diesem Bereich führte. Während sich die „Klassiker“ in der Verzahnung mit Spezialmaschinen und Spezialwerkzeugen nach wie vor ausschließlich auf die Zahnradbearbeitung konzentrieren, beschäftigen sich Hersteller von Bearbeitungszentren neben dem vielseitigen Einsatz in der Komplettbearbeitung auch mit der Zahnmodellierung über Spezialsoftware. Ausgehend vom mathematischen Ansatz kann man damit eine ideale Geometrie generieren und davon den CAD/CAM-Prozess ableiten. Klassische Verzahnungsmaschinen dagegen basieren auf einer Maschinenstruktur und einer entsprechenden Kinematik. Die Einstellgrößen werden in die Maschine eingegeben und diese generiert daraus die entsprechende Zahnform.

Der Ansatz von Heller ist, wenn auch dem des Wälzfräs-Prozesses ähnlich, ein völlig anderer: Die Verzahnungsparameter werden direkt aus der Zeichnung in die Maschinensteuerung eingegeben und diese generiert in Echtzeit daraus die fünfachsigen Bahnen zum Schruppen und Schlichten. So benötigt man also kein mathematisch genaues 3D-Geometriemodell, sondern geht von den vorab definierten Verzahnungsdaten in der Zeichnung aus. Korrekturdaten werden von der Messmaschine zurückgemeldet und können unmittelbar über die Maschinensteuerung eingegeben und verarbeitet werden.

Wie erläutert wird, liegt ein weiterer großer Vorteil dieser Vorgehensweise darin, dass auch während des Prozesses die aktuellen Werkzeugdaten wie Werkzeugverschleiß in Echtzeit mit einfließen können. Das wirkt sich entsprechend positiv auf die Präzision aus. Neben dem Prozess der Zahnlückenfertigung ist Heller allerdings auch in der Lage, die Rohlinge vorzufräsen. Das heißt, es können in einer ersten Aufspannung sowohl Außen- und Innenkonturen komplett vor bearbeitet als auch in einer zweiten Aufspannung die Verzahnung gefräst werden. Dafür wurden speziell angepasste NC-Zyklen entwickelt, um den Prozess relativ leicht zu beherrschen. Damit wird für das komplette Werkstück nur eine Maschine benötigt.

Topffräser mit Schneidplatten sorgt für mehr Produktivität

Heller kommt aus dem Bereich der großen Zerspanvolumina und will diesem Anspruch auch beim Verzahnungsfräsen gerecht werden. Wie Heller erklärt, wurde deshalb in Zusammenarbeit mit Sandvik Coromant für das Verfahren ein angepasster Topffräser mit Schneidplatten – also eine Art Wälzfräser – entwickelt, der wesentlich Anteil daran hat, dass das Verfahren in der Produktivität um mindestens den Faktor 3 besser ist als herkömmliche Verfahren (Bilder 1 bis 3). Das heißt, je größer die Zahnlücke, umso produktiver ist es.

Diese Produktivität hängt natürlich ganz wesentlich von der statischen und dynamischen Stabilität der Maschine ab. Eine sehr kompakte Aufspannung ist die Voraussetzung. Das heißt, erläutert Heller, das Palettenfutter sitzt sehr nahe an der Palettenoberkante, um das Zahn- oder Kegelrad möglichst tief zu spannen. Hinzu kommen die äußerst robusten Spindeln und hochsteifen Konstruktionselemente sowie gering ausladende Werkzeuge, die dem harten Schruppprozess gerecht werden.

Bei kleinen Zahnrädern lohnen sich Spezialmaschinen

Das neue Verfahren ist also eine produktive Lösung, die für Werkstücke – ab Modul 4 – bei der kleinen Baugröße des Fünf-Achs-Bearbeitungszentrums FP 2000 für Durchmesser bis zu 720 mm, bei der größeren FP 4000 bis zu 900 mm und bei der MCH-C mit HSK100-Aufnahme bis zu 1800 mm und demnächst mit einer neuen Baureihe für Durchmesser bis 3 000 mm interessant sein wird, meint Heller. Kleine Zahnräder in hohen Stückzahlen sind dagegen trotz hohem Aufwand beim Umrüsten aber nach wie vor effizienter auf Spezialmaschinen zu fertigen.

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