Zerspanung

Andreas Mühlbauer,

Hohes Zeitspanvolumen für hohe Manövrierfähigkeit

Großmodulverzahnungen für Schiffsantriebe stellen hohe Anforderungen an die Zerspanung. Der Wechsel vom Schälen zum 5-Achs-Simultan-Fräsen mit Hochvorschubwerkzeugen verkürzt die Schruppbearbeitung erheblich. Entscheidend sind dabei Prozessparameter und eine durchdachte Werkzeugauswahl.

Die Umstellung auf das Hochvorschubfräsen senkte sich die Bearbeitungszeit um 55 %. © Horn/Sauermann

Hohe Wellen, der Wind stürmt gegen Backbord und die Gischt peitscht über das Deck. Das Versorgungsschiff ist nur wenige Meter von den gewaltigen Stützfüßen der Offshore-Plattform entfernt. Dabei weicht das Schiff nicht einen Meter von seiner Position. Gesteuert wird das Schiff mit Voith-Schneider-Propellern. Seit rund 100 Jahren produziert Voith diesen speziellen Antrieb im schwäbischen Heidenheim. Die Kraftübertragung erfolgt in der mechanischen Variante über enorme Verzahnungsbauteile. Zum Schruppen der Verzahnungen nutzt das Team um den Prozessingenieur Dr. Thomas Glaser Hochvorschub-Frässysteme von Paul Horn und Boehlerit.

Durch seine Bauweise erzeugt ein Voith-Schneider-Propeller (VSP) Schub in jede beliebige Richtung. Er ist daher Antrieb und Steuerung in einem. Dank kurzer Reaktionszeiten auf Steuerbefehle ermöglicht der VSP zudem auch unter widrigen Bedingungen schnelles, sicheres und präzises Manövrieren. Sogar eine seitliche Bewegung (Traversieren) ermöglicht dieses System. Zum Einsatz kommt dieses Antriebskonzept bei Schiffen, die eine hohe Manövrierfähigkeit benötigen. Dazu zählen beispielsweise Hafenschlepper, Doppelendfähren, Schwimmkrane sowie Bohrinselversorgungsschiffe.

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Einfaches Prinzip

In einem Radkörper sind senkrecht bewegliche und steuerbare Flügelblätter montiert. Je nach Typ variiert die Anzahl zwischen vier und acht Flügeln. Rotiert der Radkörper und die Flügel führend währenddessen eine Schwingbewegung aus, dann wird Schub erzeugt. Die Drehzahl des Radkörpers und die Schwingungsamplitude bestimmen dessen Kraft. Die Phasenlage der Flügel bestimmen die Richtung. Der VSP arbeitet im Betrieb mit geringen Drehzahlen. Diese liegen nur bei rund 25 % derer von herkömmlichen Schiffspropellern. Die dadurch entstehenden hohe Drehmomente verlangen nach einer robusten Konstruktion des Systems. Der Antrieb der VSP erfolgt über Diesel- oder Elektromotoren.

Die Kraftübertragung vom Motor zum Propeller geschieht in der mechanischen Variante über ein Kegelradgetriebe. Je nach Größe des VSP gestalten sich auch die Ausmaße der Verzahnungsbauteile. Aufgrund der teils langen Bearbeitungszeiten sucht Glaser stets nach Möglichkeiten, die Bearbeitungsprozesse zu optimieren. "Die Fertigung eines Kegelritzels mit dem Modul 21,4 erforderte eine Anpassung. Für die Vorbearbeitung des Ritzels benötigten wir auf einer speziellen Schälmaschine eine sehr lange Bearbeitungszeit." Das Ziel war die Umstellung vom Schälen zum 5-Achs-Simultan-Schrupp-Fräsen, um die Bearbeitungszeit nahezu zu halbieren. "Ein weiterer wichtiger Punkt war die Standzeit der Werkzeuge. Hier legten wir fest, dass der Standweg eines Werkzeugs mindestens ein Bauteil betragen muss", sagt Glaser.

Hochvorschubfräser von Horn und Boehlerit

Dr. Thomas Glaser (links) im Gespräch mit dem Horn-Außendienstmitarbeiter Stephan Weiß. Im Hintergrund steht das passende Tellerrad zu dem gefrästen Ritzel. © Horn/Sauermann

Aufgrund der guten Erfahrungen mit Horn-VHM-Fräsern beim Hart- und Fertigfräsen war der Tübinger Werkzeughersteller der erste Ansprechpartner für den Fräsprozess der Modul-21,4-Verzahnung. Wegen des hohen Zerspanvolumens und der geforderten Reduktion der Bearbeitungszeit um 40 % kommen zum Schruppen Hochvorschubfrässysteme zum Einsatz. Die Wahl fiel aufgrund der Verzahnungsgeometrie auf drei unterschiedliche Durchmesser sowie unterschiedliche Fräsertypen. Den ersten Schnitt übernimmt ein Wendeplattenfräser mit einem Durchmesser von 40 mm und sechs Zähnen von Boehlerit. Die zweite Zustellung übernimmt Horn-Wechselkopffräser des Typs DGH mit vier Schneiden und einem Schneidendurchmesser von 20 mm. Zum Schruppen des Zahngrunds des Ritzels kommt ein VHM-Schaftfräser der Baureihe DSH mit dem Durchmesser 12 mm und ebenfalls vier Zähnen zum Einsatz.

Hochvorschubfräser schneiden stirnseitig. Durch die Belastung in Achsrichtung ist die Werkzeugspindel vorwiegend auf Druck belastet und die Querkräfte sind verhältnismäßig niedrig. Wegen der geringen Vibrationsneigung können die Werkzeuge die hohen Belastungen bei den üblichen Zahnvorschüben von fz = 1 mm bei Schnitttiefen ap bis 1,5 mm sicher aufnehmen. Der große Radius an der Hauptschneide der Wendeschneidplatten erzeugt einen weichen Schnitt, sichert eine gleichmäßige Aufteilung der Schnittkräfte und damit lange Standzeiten. Auf der Innenseite sorgt ein kleiner Schneidenradius für ein problemloses und schnelles Eintauchen. Ein Primär- und Sekundärfreiwinkel führt zu einem stabilen Keilwinkel und guter Schneidenstabilität. Durch bedeutend höhere Vorschübe als beim konventionellen Fräsen ist das Zerspanvolumen beim Hochvorschubfräsen wesentlich höher, trotz der geringeren Zustelltiefen.

Synergien durch Kooperation

Die Vertriebskooperation zwischen Horn und Boehlerit besteht seit dem September 2016. Ziel dieser Kooperation ist es, sowohl die Produkt- als auch die Vertriebssynergien zweier mittelständischer Unternehmen zu bündeln und als familiengeführte Unternehmen gemeinsam in gezielten Märkten zu wachsen. Für Horn ist das Boehlerit-Fräsprogramm eine passende Produktergänzung zum eigenen Fräsprogramm. Horn erweitert somit seine führende Werkzeugposition bei technisch anspruchsvollen Anwendungen auch auf die allgemeine Zerspanung. Das Unternehmen übernimmt den Vertrieb der Boehlerit-Werkzeuge für Deutschland.

Ziel erreicht

Für das Schruppen der Verzahnung setzt Voith auf ein neues, vollautomatisiertes Fertigungssystem von Grob. Die Anlage besteht aus drei 5-Achs-Bearbeitungszentren mit automatischen Linearspeicher sowie diversen Rüststationen. Die Bearbeitungszeit beim Vorverzahnen konnte durch die Umstellung auf das neue Werkzeugkonzept im Vergleich zum Schälen um 55 % reduziert werden. Das Ziel von 40 % wurde somit übertroffen. Die Standzeit der Werkzeuge beläuft sich wie gefordert bei einem Bauteil pro Werkzeug beziehungsweise eine Schneide beim Wendeplattenfräser. "Die Leistung der Fräser hat uns voll überzeugt. Es sind jedoch nicht nur die Werkzeuglösungen: Zur Umsetzung solcher Projekte gehört auch die kompetente technische Beratung sowie eine schnelle Reaktions- und Lieferzeit. Diese Merkmale erfüllt Horn für uns als Werkzeugpartner", sagt Glaser.

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