Präzises Fünf-Achs-Fräsen von Kegelradsätzen

Die moderne Frästechnik erobert immer breitere Anwendungsbereiche. Dabei gibt es kaum Einschränkungen, wie anhand folgender Beispiele sichtbar wird. Die Fünf-Achs-Technik ermöglicht die simultane Präzisionsbearbeitung komplexer 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 heutzutage 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.

Konventionelle Verzahnbearbeitungen können substituiert werden

Was in der modernen Frästechnik mittlerweile möglich und beherrschbare Realität ist, wenn alle Komponenten und Parameter optimal aufeinander abgestimmt sind, zeigen die Partner Maschinenfabrik Berthold Hermle AG in Gosheim und HPG Nederland BV in Tilburg/Niederlande eindrucksvoll bei der Herstellung von Verzahnteilen und Kegelradsätzen. Dabei wird deutlich, so Hermle, dass die Symbiose aus Fünf-Achs-Hochleistungs-Bearbeitungszentrum und 3D-Spezialsoftware in der Lage ist, konventionelle Verzahnbearbeitungen zu substituieren und den Herstellern von Zahnrädern, Verzahnteilen und Getrieben eine wirtschaftlich hochinteressante Alternative zu bieten.

Einschränkend wird erwähnt, 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 Fünf-Achs-Hochleistungs-Bearbeitungszentren C 40 oder C 50 ein Durchmesserbereich bis rund 1200 mm abgedeckt ist. Bei kleineren Durchmessern oder 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.

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.

Verzahnfräsen und Messe auf einem Bearbeitungszentrum

Ganz anders dagegen sieht das beim Verzahnfräsen auf den Fünf-Achs-Bearbeitungszentren C 40 und C 50 von Hermle in Verbindung mit der Spezialsoftware des Kooperations-Partners HPG High Precision Gears aus. Denn hier wird lediglich ein Fünf-Achs-Bearbeitungszentrum benötigt, das sowohl zum Verzahnungsfräsen als auch zum Messen 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.

Exakte Berechnung der Zahnform erfolgt online

Der Ablauf gestaltet sich wie folgt: Die Daten der Zahnradgeometrie wie Modul, Durchmesser, Zahnbreite, Zahnhöhe, Balligkeit 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 beispielsweise 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 nach eigenen Angaben weltweit das einzige Unternehmen, das die Zahnformen-Modellierung auf diese 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.

Schrupp-/Schlichtbearbeitung mit kostengünstigen Zerspanwerkzeugen

Die Herstellung solcher gefräster Verzahnungsteile beinhaltet somit nur noch die Teilprozesse Schruppen, Härten, Schlichten, Messen und abschließende Feinbearbeitung; wobei alle Bearbeitungen, bis auf das Härten, auf dem Bearbeitungszentrum erledigt werden. Für die Schrupp-/Schlichtbearbeitung kommen kostengünstige Zerspanwerkzeuge zum Einsatz und es braucht auch keine zusätzlichen NC-Programme.

Im Grunde genommen besteht die Verzahnteile-Herstellung nur noch aus den beiden Arbeitsabläufen Vorfräsen und Schlichten (dazwischen Härten) oder Feinbearbeitung, Messen und Feinstschlichten. Denn nach dem Härten kommt das Werkstück zur Feinbearbeitung wieder auf die Maschine und wird dort vermessen. Diese Daten gehen zur Auswertung wieder online zu HPG und kommen in wenigen Minuten als Feinstschlichtprogramm retour an die Maschine.