Wälzschälen Rechengrundlage für alle Varianten von Verzahnungen

Redakteur: Mag. Victoria Sonnenberg

Haas Schleifmaschinen hat für die immer höher werdenden Präzisionsanforderungen für Zahnräder eine Simulationssoftware entwickelt, die Schleifvorgänge im Voraus komplett abbildet.

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Multigrind Styx: Die Berechnung der Geometrie eines Wälzschälrades ist komplexer, als das Bild vermuten lässt.
Multigrind Styx: Die Berechnung der Geometrie eines Wälzschälrades ist komplexer, als das Bild vermuten lässt.
(Bild: Haas Schleifmaschinen GmbH)

Es gibt bereits unendlich viele unterschiedliche Zahnradgeometrien. Trotzdem lassen sich Ingenieure immer wieder neue Varianten einfallen. So werden beispielsweise Getriebe immer kleiner, komplexer und leichter. Dabei muss die Laufruhe selbstverständlich noch überlegener sein als in der Serie davor - und dies bei höchster Beanspruchung. Die Variantenvielfalt von Verzahnungen kennt keine Grenzen, eine hochpräzise Fertigung bisher allerdings schon.

Die gewünschte Geometrie eines Zahnrads wird heute vielfach durch Wälzschälen erreicht. Damit ist die Präzision des Zahnrades durch die Präzision des Werkzeugs limitiert. Das Prinzip des Wälzschälens ist seit über hundert Jahren bekannt, allerdings ist die Technik im Maschinenbau erst seit einigen Jahren in der Lage das Wälzschälen sicher auszuführen. Das heißt, die bisher gewünschte Präzision der Werkzeuge und somit des Wälzschälens wurde in aufwendigen Entwicklungsschritten erreicht.

Noch vor ein paar Jahren war die Güte der Zahnräder in der Klasse 4 bis 6 das Maß aller Dinge. Heute sind Toleranzen von 2 µ keine Seltenheit.

Wolfram Hermle, Software-Chef Haas Schleifmaschinen

Für Software-Chef Wolfram Hermle von Haas Schleifmaschinen war die Zeit reif, sich einmal ganz grundlegend mit dieser Thematik zu beschäftigen, um nach einer wegweisenden Lösung zu suchen.

Bei einem hochpräzisen Getriebe ist das exakte Timing alles. Die zylindrischen Räder müssen hundertprozentig ineinandergreifen. Flankenform und Achskreuzwinkel lassen keine Toleranzen zu, das gilt sowohl für Innen- wie für Außengeometrien. Die Herstellung derart komplexer Profile erfordert hochkomplexe Berechnungen. In der Profilgenauigkeit beziehungsweise der Teilungsgenauigkeit der Zahnräder setzt sich der minimalste Fehler fort und führt zu Ungenauigkeiten im gesamten Getriebe. Oft ist beim Prototyp des Getriebes nicht mal ersichtlich, wo sich der Fehler genau versteckt. Deshalb wurde es für die Ingenieure bei Haas Schleifmaschinen Zeit eine Lösung zu erarbeiten.

Präzision soll Getriebeherstellern neue Horizonte eröffnen

„Auf dem Markt gibt es bisher kein zufriedenstellendes Rechenmodell für immer höher werdende Präzisionsanforderungen.“ beschreibt Hermle die Situation vor 2 Jahren, als er das Projekt in der Entwicklung der Multigrind Software angestoßen hat. Das Ziel dabei war es, eine Rechengrundlage zu schaffen, die in der Lage ist der unglaubliche Variantenvielfalt aller Verzahnungen gerecht zu werden. Und dies in einer Präzision, die den Getriebeherstellern neue Horizonte eröffnet.

Abgeleitet von der perfekten Geometrie einer zylindrischen Verzahnung wird auf die Geometrie der Wälzschälräder zurückgerechnet. Die Bewegungsabläufe in der Fertigung und die relative Geschwindigkeit der Flanken definieren die künftige Geometrie des jeweiligen Wälzschälrades. „Wir rechnen mit der exakten Bahn, die aus der Bewegung des Zahnrades resultiert.“ Genauer möchte sich Hermle nicht dazu äußern, denn schließlich handelt es sich bei diesem Rechenmodell um eine Neuentwicklung von Haas Schleifmaschinen.

Auf die errechneten Oberflächen werden die gewünschten Schleifbahnen längs, quer und trochoierend projiziert. Der Kontaktpunkt zwischen Werkzeug und Werkstück kann dabei auf dem Schleifscheibenbelag wandern. Dadurch verkürzen sich die Schleifpfade und damit die Schleifzeit. Für diesen Einsatz werden Standardschleifscheiben zum Einsatz gebracht. Die Beschaffung von teuren Formschleifscheiben wird damit überflüssig.

Im Bild zu sehen ist der weiße Kontaktpunkt zwischen Werkzeug und Werkstück.
Im Bild zu sehen ist der weiße Kontaktpunkt zwischen Werkzeug und Werkstück.
(Bild: Haas Schleifmaschinen GmbH)

Das neue Rechenmodell ist allerdings nur die eine Seite der Medaille. Die andere ist die Umsetzung. Denn präzise Software erfordert eine ebenso exakte Koordination mit einer präzisen Hardware. Die exakte Übertragung der Multigrind Horizon Software auf die Maschinenbewegung erlaubt keinerlei Abweichungen. Um diese Präzision zu erzeugen, muss die Ausrichtung der Schleifscheibe auf ein zehntausendstel Grad genau erfolgen.

Messen, Abrichten, Schleifen, Messen, Abrichten, Schleifen ...

Die gewünschte Schleifperformance ist ohne ausgefeilte Messtechnik und kontinuierliches Abrichten der Schleifwerkzeuge nicht erzielbar. Die gewünschte Genauigkeit beim Wälzschälrad und im Anschluss beim Zahnrad lässt sich nur erreichen, wenn alle Produktionsschritte in einem kollaborativen Prozess aufeinander abgestimmt sind. Die Ergebnisse des permanenten Nachmessens mit anschließender Kompensation von Fehlern sind die Grundlage der Feinstkorrektur der Schleifbahn. Dieser automatische Prozess erfolgt ganz im Sinne eines Closed Loop. So bleibt die Qualität konstant und fehlerfrei – Werkstück für Werkstück. Die Multigrind Horizon Software handhabt diese Produktionsabfolge zuverlässig und schnell auch im mannlosen Betrieb.

Dazu Wolfram Hermle: „Diese Genauigkeit lässt sich meiner Kenntnis nach nur innerhalb des Haas Schleifmaschinen Kosmos realisieren. Nur wenn Software und Hardware perfekt aufeinander abgestimmt sind, entsteht das perfekte Werkzeug zur Fertigung eines perfekten Zahnrades. Wir bei Haas sind darauf spezialisiert vom gewünschten Endprodukt aus zu entwickeln. Die Frage „Welche Eigenschaften soll das Zahnrad besitzen?“ wird zum Ausgangspunkt unserer Fertigungsstrategie für das perfekte Wälzschälrad.“