5-Achsen-Fräsen anstatt klassischer Verzahnbearbeitung

Mit der perfekten Symbiose von hochleistungsfähigen 5-Achsen-Bearbeitungszentren und einer Spezial-Software eröffnen sich den Herstellern von Zahnrädern und Verzahnteilen völlig neue Möglichkeiten.

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Die moderne Frästechnik erobert immer breitere Anwendungsbereiche. Dabei gibt es kaum Einschränkungen, wie anhand folgender Beispiele sichtbar wird.
Die 5-Achsen-Technologie erlaubt die simultane Präzisionsbearbeitung komplexester 3D-Konturen. Die Motorspindeln gestatten den drehmomentoptimierten und damit effizienten Einsatz des jeweiligen Minifräs- oder Bohrwerkzeugs zur Feinstbearbeitung, oder des Messerkopfes zum Leistungsschruppen. Die statische und dynamische Stabilität der Bearbeitungszentren macht heute auch rationelle Hartbearbeitung möglich. Die dynamischen Achsantriebe sorgen, in Verbindung mit der Steuerung, der Software und dem NC-Programm, den jeweiligen Zerspanwerkzeugen, dem Einsatz von Kühlschmierstoff und abgestimmten Schnittparametern, für eine sehr hohe Positionier- und Verfahrgenauigkeit und damit für hohe Präzision und Oberflächenqualität. Diese Aufzählung ließe sich problemlos um diverse Features erweitern, etwa hinsichtlich thermischer Stabilität oder IKZ-Systemen mit hohem Kühlmitteldruck sowie umfangreicher Werkzeugsysteme und schneller Werkzeugwechsel für eine maximale Gesamtperformance. Was in der modernen Frästechnik heute möglich und beherrschbare Realität ist, wenn alle Komponenten und Parameter optimal aufeinander abgestimmt sind, zeigen die Partner Maschinenfabrik Berthold Hermle AG, D-78559 Gosheim, und HPG Nederland BV, NL-Tilburg, eindrucksvoll am Bereich Herstellung von Verzahnteilen und Kegelradsätzen. Dabei wird auch deutlich, dass die Symbiose aus 5-Achsen-Hochleistungs-Bearbeitungszentrum und 3D-Spezialsoftware in der Lage ist, konventionelle Verzahnbearbeitungen zu substituieren und den Herstellern von Zahnrädern, Verzahnteilen und Getrieben eine technisch sowie vor allem wirtschaftlich hoch interessante Alternative bieten zu können. Einschränkend soll hier erwähnt werden, dass sich die Produktionsalternative hauptsächlich auf Einzelteile und kleine Serien von Verzahnteilen in Baugrößen ab etwa 500 mm Durchmesser bezieht und bei Verwendung der größeren 5-Achsen-Hochleistungs-Bearbeitungszentren C 40 bzw. C 50 ein Durchmesserbereich bis rund 1.200 mm abgedeckt ist. Bei kleineren Durchmessern bzw. ab gewissen Stückzahlen sind klassische Verzahnmaschinen immer noch im Vorteil, lassen sich aber auch nur bedingt flexibel nutzen und erfordern für jedes Verzahnteil einen relativ hohen Umrüstaufwand.

5-Achsen-Komplettfräsen als Alternative zur konventionellen Verzahnteile-Bearbeitung

Allerdings relativieren sich die Vorteile der herkömmlichen Verzahnungsbearbeitung wieder, wenn man die dort vorherrschenden Abläufe wie Vorfräsen und dann Verzahnungsfräsen oder Wälzfräsen oder Verzahnungsstoßen, Härten und Verzahnschleifen sowie schließlich das Messen in Betracht zieht. Dafür sind nämlich auch entsprechende Maschinen, Werkzeuge und Messgeräte sowie Programme erforderlich, die von vorneherein einen gewissen Kostenblock mit sich bringen. Ganz anders dagegen sieht das beim innovativen 5-Achsen-Verzahnfräsen auf den universellen 5-Achsen-Bearbeitungszentren C 40 und C 50 von Hermle mithilfe der Spezialsoftware des Kooperations-Partners HPG High Precision Gears aus. Denn hier wird lediglich eines der besagten 5-Achsen-Bearbeitungszentren benötigt, das sowohl zum Verzahnungsfräsen als auch zum Vermessen des Verzahnungswerkstücks dient, und ansonsten ist nur phasenweise eine Online-Verbindung zum Entwickler und Inhaber der Software „Complex Rotors“ als Lizenzgeber und Lieferant des 3D-NC-Programms erforderlich.

Der Ablauf gestaltet sich wie folgt: die Daten der Zahnradgeometrie wie Modul, Durchmesser, Zahnbreite, Zahnhöhe, Balligkeit etc. werden über eine Online-Verbindung an den Lizenzgeber HPG übermittelt. Auf der Grundlage dieser Daten erfolgt mittels Software die mathematische Berechnung der exakten Zahnform. Darüber hinaus wird die Zahnform als Punktewolke mit X-, Y-, Z-Koordinaten entwickelt und weitergehend in ein NC-Programm umgesetzt, wobei sich das Fräswerkzeug hier von x1, y1 sowie z1 nach x2, y2 sowie z2 bewegt und die Zahnform fräst. Parallel dazu werden die gewünschte Traganteil-Einordnung vorgenommen und die Qualitätsklasse (1 bis 12) festgelegt. Die mathematische Berechnung der Software erlaubt die einfache Einstufung z. B. in die hohen Qualitätsklassen 2 oder 3, während über die Modellierung des klassischen Verzahnungsverfahrens aus dem CAD-Programm bestenfalls die Qualitätsklassen 5 bis 7 erreicht werden.

HPG ist weltweit das einzige Unternehmen, das die Zahnformen-Modellierung auf die besagte mathematische Art und Weise ausführt und damit eine viel höhere Auflösung erreicht, als es auf der Basis Modellierung von CAD-Daten jemals möglich ist. In der Folge entstehen abgestimmte NC-Programme zum rationellen Schruppen und Schlichten. Die Herstellung solcher gefräster Verzahnungsteile beinhaltet somit nur noch die Teilprozesse Schruppen, Härten, Schlichten, Messen und abschließende Feinbearbeitung; wobei alle Bearbeitungen, natürlich bis auf das Härten, auf dem Bearbeitungszentrum erledigt werden. Für die Schrupp-/Schlichtbearbeitung kommen ausschließlich kostengünstige Zerspanwerkzeuge und keine teuren Spezialfräser bzw. Abwälzfräser oder Schleifscheiben zum Einsatz und es braucht selbstredend auch keine zusätzlichen NC-Programme.

Im Grunde genommen besteht die Verzahnteile-Herstellung nur noch aus den beiden Arbeitsabläufen Vorfräsen und Schlichten (dazwischen Härten) bzw. Feinbearbeitung, Messen und Feinstschlichten. Denn nach dem Härten kommt das Werkstück zur Feinbearbeitung wieder auf die Maschine, und wird dort danach vermessen. Diese Daten gehen zur Auswertung wieder online zu HPG und kommen in kürzester Frist (wenige Minuten) als Feinstschlichtprogramm (Soll-/Ist-Vergleich mit den 3D-Daten) retour an die Maschine. Nach dem Feinschlichten steht ein Verzahnungsteil mit hoher Präzision und Oberflächenqualität zur Verfügung, ohne dass dafür ein großer Aufwand betrieben werden müsste.

Neue Fräs- und Software-Technologie für neue Zahngeometrien und reduzierte Durchlaufzeiten

Das unkonventionelle jedoch in jeder Hinsicht absolut überzeugende Fräsverfahren eignet sich ideal für die effiziente, wirtschaftliche Herstellung projektbezogener, individueller Einzel-, Prototyp-, Muster-, Ersatz- und Serien-Verzahnteile, wobei die Zahnformen fast beliebig gewählt werden können. Das ist für die Anwender z. B. von Kegelradsätzen (Spiralkegelrad und Ritzel) von großem Vorteil, weil über die Zahngeometrie, die Traganteile und die Oberflächenqualität der Getriebe-Wirkungsgrad und die Lebensdauer sowie auch die Geräuschentwicklung entscheidend beeinflusst werden. Der Clou des Verzahnungsfräsens auf Hermle-Standardmaschinen und mit Standardwerkzeugen ist zudem, dass mittels den volumetrisch hochgenauen 5-Achsen-Hochleistungs-Bearbeitungszentren C 40 und C 50 sowie der kreativen Software bzw. der damit erstellten NC-Programme auch hochentwickelte Zahnformen wie z. B. S-Verzahnungen oder Kosinus-Verzahnungen realisiert werden können. Das ist mit herkömmlichen Verfahren so gar nicht durchführbar, aber im Grunde genommen mit jedem bereits vorhandenen 5-Achsen-Bearbeitungszentrum von Hermle. Denn grundsätzlich sind alle Hermle-Maschinen, die über eine CNC-Steuerung Heidenhain iTNC 530 oder Siemens 840D verfügen in der Lage, die NC-Programme von HPG aus Tilburg prozessgerecht zu verarbeiten.

Dies wiederum eröffnet Herstellern von Getrieben oder auch Zulieferern, die entsprechende 5-Achsen-Bearbeitungszentren von Hermle im Einsatz haben, völlig neue Gestaltungs- bzw. neue Geschäftsmöglichkeiten. Die Hersteller können künftig angepasste Sonderverzahnungen offerieren, ohne dahingehend in teures Spezialequipment investieren zu müssen; und die Zulieferer können für ihre Kunden das Leistungsportfolio erhöhen und sich ein ganzes Stück vom Wettbewerb absetzen. Mit Verzahnungsmaschinen kann man zudem nur verzahnen, während sich 5-Achsen-Bearbeitungszentren universell und flexibel für die unterschiedlichsten Zerspanaufgaben nutzen lassen.

Schließlich bietet das neue Verzahnungsteile-Fräsen auch dahingehend Chancen, dass insbesondere die relevanten Branchen Transportsysteme (Schiffs- und Zugantriebe), Energietechnik (Hydro- und Windkraftanlagen), Bergbau- und Baumaschinen (Steinbrecher, Zementwerke) sowie Anlagenbauer und Hersteller von Spezialantrieben weniger von der Konjunkturschwäche betroffen sind und sich die Zulieferer sowie Zerspantechnik-Dienstleister so von kritischen Branchen unabhängiger machen können.

Bild 1: 5-Achs Simultanbearbeitung eines Stirnkegelrades Ø 800 mm

Bild 2: Hermle 5-Achsen Hochleistung Bearbeitungszentrum C 50 U dynamic mit einem Stirnkegelrad Ø 800 mm

Bild 3: Segment eines Stirnkegelrades mit Kosinusverzahnung (S-Verzahnung)

Bild 4: Linienraster eines Stinkegelrades

Bild 5: Stirnkegelrad mit Kosinusverzahnung (S-Verzahnung) welche nur fräsend herstellbar ist

Kontakt:

Maschinenfabrik Berthold Hermle AG
Industriestraße 8-12
78559 Gosheim

Phone +49 (0)7426 95-6238
Fax +49 (0)7426 95-6110

E-Mail udo.hipp@hermle.de
Web www.hermle.de

HPG Nederland BV
Ringbaan Noord 189
5046 AB Tilburg, Holland

Phone +31 (0)13 5360025
Fax +31 (0)13 5435550

E-Mail info@hpg-nl.com
Web www.hpg-nl.com