Im Fokus stehen sowohl die effiziente Herstellung großmoduliger Zahnräder unter Einsatz neuer Fräserkonzepte und Wendeschneidplattentechnologien als auch der feine Unterschied zum HSS-Werkzeug. Über 2000 Jahre alt ist das technische Wunderwerk, das im Jahr 1901 bei der griechischen Insel Antikythera entdeckt wurde. Als Klumpen korrodierten Metalls zuerst von den Archäologen kaum beachtet, erwies sich das Fundstück bei genauerer Untersuchung als mechanische Rechenmaschine. Nach der Eingabe des Datums konnte der antike Computer die nächsten Sonnen- und Mondfinsternisse ankündigen und auch die Zeitpunkte der Wettbewerbe zwischen den Olympischen Spielen berechnen. Vollständig aufgeklärt ist der Einsatzzweck des Mechanismus bis heute nicht. Der komplizierte Mechanismus steckte einst in einem 30 mal 20 mal 10 Zentimeter großen Holzkasten und besteht aus mehr als 30 präzise gearbeiteten Zahnrädern aus Bronze, alle einzeln von Hand hergestellt. Soweit bekannt, ist der Mechanismus von Antikythera die erste komplexe Anwendung von Zahnrädern. Doch das Wissen um die Zahnradherstellung geriet jahrhundertelang wieder weitgehend in Vergessenheit.

Zwar wurde das Funktionsprinzip des Zahnradsgetriebes, also drehende Räder, die durch ineinander greifende Strukturen verbunden sind, laut Wikipedia bereits seit 2.500 v. Chr. angewandt. Doch bis ins frühe 20. Jahrhundert blieben die Wirkungskräfte und aufeinander gleitenden Bewegungen der ineinandergreifenden Zähne relativ unerforscht. Sie funktionierten, und Faktoren wie Reibungsverluste oder Geräuschentwicklung spielten keine große Rolle. Erst mit dem Aufkommen der Maschinen- und der Automobilindustrie gewannen diese Themen immer mehr an Bedeutung.

LINKE UND RECHTE FLANKE GLEICHZEITIG IN BEARBEITUNG

Heute sind die Berechnung, Konstruktion und Fertigung von Zahnrädern wettbewerbsentscheidende Faktoren der Hersteller geworden, und viele von ihnen, ebenso wie die Hersteller von entsprechenden Maschinen und Werkzeugen sowie Forschung und Entwicklung haben ihren Sitz bzw. eine Produktions- oder Forschungsstätte in Deutschland.

Wie etwa die Firma C.u.W. Keller in Troisdorf-Spich. Das Portfolio des 1901 gegründeten Unternehmens reicht von der Fertigung von Zahnrädern mit bis zu 4,5 m Durchmessern bis zur Entwicklung darauf aufbauender Sondergetriebe mit bis zu 200 Tonnen Gewicht. Dr. Dirk Keller, Geschäftsführender Gesellschafter, erklärt: "Der Wirkungsgrad der Zahnräder spielt heute eine enorme Rolle. Wenn so ein Getriebe 20 Jahre läuft und man erzielt einen Wirkungsgrad, der nur um Prozentbruchteile besser ist, dann kann das über die Laufzeit schon mal die Kosten des Getriebes einsparen. Die Reibung, sowohl von der Getriebeseite als auch von der Schmierstoffseite her ist ein sehr wichtiger Punkt."

Durch die heutigen Berechnungsmethoden wie Simulation und FEM verstehen die Konstrukteure zudem immer besser, was in einem Getriebe und Zahn passiert. Da das früher nicht möglich war, wurden sicherheitshalber die Zahnräder oft überdimensioniert. Heute vermeidet man möglichst jedes Gramm zu viel und muss deshalb wesentlich präziser fertigen. "Dadurch entstehen Modifikationen, an die man vor 10, 15 Jahren noch gar nicht gedacht hat", bestätigt Dr. Christof Gorgels, Leiter des Technologiezentrums der Klingelnberg GmbH. "Es gibt derzeit signifikante Veränderungen, die erheblichen Einfluss darauf haben, wie die Werkzeuge aussehen, und sie haben auch Einfluss auf unsere Maschinen. Denn es sind nicht mehr Standardkorrekturen gefragt, sondern bei so einem Wälzfräsprozess sind heute mehrere Zähne zur gleichen Zeit im Eingriff, und es wird die linke und rechte Flanke einer solchen Verzahnung gleichzeitig bearbeitet. Und dann kommen dazu auch steigende Kundenanforderungen - da soll die linke Flanke eine andere Modifikation haben als die Rechte. Das sind Herausforderungen sowohl für den Werkzeughersteller wie auch für uns Maschinenhersteller. Denn wir müssen eine Maschine entwickeln, die eine entsprechende Bewegung generieren kann, um diese Geometrie zu erzeugen. Und dann muss so eine Maschine stabil und steif genug sein, gleichzeitig aber auch dynamisch genug, um diese Bewegung schnell ausführen zu können."

Das nordrhein-westfälische Unternehmen Klingelnberg ist ein Weltmarktführer in der Entwicklung, Fertigung und Lieferung von Maschinen zur Herstellung von spiralverzahnten Kegelrädern und verwandten Produkten. Und dass das Unternehmen aus Hückeswagen zu solchen geforderten Entwicklungen in der Lage ist, hat es erst kürzlich wieder mit dem Power-Skiving-Verfahren (Wälzschälen) bewiesen.

Das Wälzschäl-Verfahren, das seit über 100 Jahren bekannt ist, spielte bisher wegen untauglicher Werkzeuge und dynamisch nicht ausreichender Maschinen keine Rolle. Erst die Innovation von Klingelnberg, ein Stabmessersystem für das Wälzschälen anzuwenden, löste die technischen Probleme hinsichtlich Standmenge und Verzahnungsqualität.

Das neu entwickelte Werkzeugsystem erlaubt es, Wälzschälen auf Kegelradfräsmaschinen erfolgreich anzuwenden und ermöglicht eine produktive, prozesssichere und präzise Fertigungstechnologie insbesondere von Innenverzahnungen. 100 Jahre nach dessen Erfindung erzielte Klingelnberg damit den Durchbruch des Wälzschälens als Fertigungsverfahren. Das neue Werkzeugsystem schöpft das gesamte Potenzial des Wälzschälens aus und erbringt 10-fach schnellere Bearbeitung im Vergleich zum Stoßen beziehungsweise 20 Prozent geringere Bearbeitungszeiten als beim Wälzfräsen und gleichzeitig glatte Zahnflanken ohne Vorschubmarkierungen oder Riefen.

Neben den steigenden Anforderungen an die Produktivität sehen sich die Zahnradhersteller aber noch weiteren Herausforderungen gegenüber, wie Kenneth Sundberg, Geschäftsführer der Sandvik Tooling Deutschland, erläutert: "Die Prozesskosten müssen gesenkt werden, gleichzeitig werden durch sinkende Stückzahlen steigende Flexibilität und schnellere Reaktionszeiten verlangt." Zudem erfordern steigende Umweltschutzauflagen die Auseinandersetzung mit Themen wie Fertigung ohne Kühlschmierstoffe und ohne Öl sowie die Senkung des Emissionsaustoßes und des Energieverbrauchs. Vor allem aber wird in der Branche, so schätzt Sundberg, in den nächsten zehn Jahren ein massiver technologischer Wandel stattfinden: "Wir gehen davon aus, dass der Anteil an 5-Achs-Maschinen von heute weniger als fünf Prozent auf 30 Prozent ansteigen wird. Deshalb sind wir 2009 in den Zahnradbearbeitungsmarkt eingestiegen. Er bietet unserer Meinung nach die besten Voraussetzungen für Wachstum."

Der Markt wird bisher durch die HSS-Werkzeuge dominiert, was sich aber nach seiner Meinung durch den Trend zu höherer Flexibilität und zu 5-Achs-Maschinen ändern dürfte. Kenneth Sundberg erklärt dazu: "Wir sind Weltmarktführer in der Zerspanung. Unser klares Ziel ist es, in der Verzahnung ebenfalls die Nummer eins zuwerden. Beim Drehen, Fräsen oder Bohren hat Hartmetall überall schon HSS ersetzt. Denn Hartmetall-Wendeschneidplatten bieten höhere Verschleißfestigkeiten, höhere Geschwindigkeiten und weit höhere Standzeiten."

Neu für den Werkzeughersteller war jedoch, dass im Zahnradbereich nach wie vor die HSS-Hersteller den Markt beherrschen. Axel Küpper, Senior Manager bei Sandvik Tooling: "Normalerweise hat unser Wettbewerb in einem Markt ähnliche Produkte wie wir, also Wendeschneidplattentechnik. Doch bei der Zahnradbearbeitung sind wir in einen Bereich, in dem 80 Prozent noch Vollstahl, also HSS, einsetzen. Die Herausforderung, diesen Markt zu penetrieren, ist für uns damit natürlich größer. Denn es gibt mindestens 200 HSS-Werkzeughersteller weltweit, in China wahrscheinlich allein schon 100."

Zudem musste Sandvik schnell lernen, dass Zahnradbearbeitung nicht dasselbe ist wie Drehen, Fräsen oder Bohren. Axel Küpper: "Das ist ein Bereich mit sehr besonderen Anforderungen. Wir haben deshalb eine spezialisierte Einheit für Gear Milling Solutions aufgebaut. Da es in Deutschland eine sehr starke Verzahnungsindustrie gibt, und auch im Bereich Forschung und Entwicklung vieles in Deutschland erfolgt, haben wir unser Kompetenz-Center in Düsseldorf angesiedelt."

Zwar gibt es auch für die Zahnradbearbeitung schon länger Hartmetallwerkzeuge im Markt. "Doch unser Ziel war es, nicht einfach vorhandene Werkzeuge zu kopieren, sondern für die Verzahnungsindustrie ganz neue Ansätze zu entwickeln", beschreibt Küpper die Aufgabe. Dazu beschäftigte sich der Werkzeughersteller intensiv mit Fragen wie: Wie sieht die Wendeplattentechnologie aus? Wie stabil ist das ganze Werkzeug? Wie sind die Segmente montiert? Welche Mikrobewegungen gibt es im Werkzeug?

Für einen Außenstehenden sehen die Wendeschneidplattenwerkzeuge, gleich welchen Herstellers, ziemlich ähnlich aus. Doch Kenneth Sundberg erklärt: "Hier geht es um extrem hohe Genauigkeit bei der Kombination der Wendeschneidplatten-Komponenten. Da konnten wir unsere Erfahrungen aus der Coromant-Kapto-Schnittstelle sehr erfolgreich einsetzen. Den Polygonschaft, die Übertragung von Drehmomenten, wie bewegen sich diese Segmente zueinander - zur Lösung der Fragen haben wir sehr aufwendige FEM-Analysen durchgeführt, um wirklich im Detail zu erfahren, was wo passiert. Diese Grundlagenforschung ist unsere Stärke."

ALLES STIMMIG: WENDESCHNEIDPLATTE UND SPANNUNG

Das Ergebnis der Grundlagenforschung sowie die intensive Entwicklungs-Zusammenarbeit mit führenden Maschinen- und Zahnradherstellern führte zur Entwicklung des Abwälzfräsers Coromill 177: Der für den Modulbereich 10 bis 18 konzipierte Abwälzfräser besitzt vierschneidige Hartmetall-Wendeschneidplatten zum Schruppen, Semi-Schlichten und Schlichten. Kenneth Sundberg: "Das Gesamtkonzept aus Wendeschneidplatte und Spannung muss stimmig sein, diese Kombination hat uns nach vorne gebracht. Diese Lösung, wie die Produkte zusammengefügt werden, war wirklich der entscheidende Schritt." Und Axel Küpper ergänzt: "Daran haben wir gesehen, was in einem konventionellen Konzept noch drinsteckt. Bei unserem Konzept gibt es wirklich keinerlei Mikrobewegung. Mit unserem Coromill 177 kann der Anwender die Bearbeitungszeiten bei einer wesentlich längeren Standzeit um 50 bis 80 Prozent reduzieren. Und wir sind bestimmt noch nicht am Ende der Entwicklung, wir haben noch einige Ideen."

Das Werkzeug eignet sich unter anderem für die Zerspanung von gerad- und schrägverzahnten Stirnrädern, wie sie in Getrieben von Windkraftanlagen und anderen schwerindustriellen Anwendungen eingesetzt werden. Bei Bearbeitungen mit hohen Produktivitätsanforderungen ist der Abwalzfräser eine gute Alternative zu HSS-Abwälzfräsern und Scheibenfräsern. Sein sicherer und stabiler Plattensitz sorgt für eine zuverlässige Leistung. Die Werkzeuge sind entweder für Wendeschneidplatten zum Schlichten für Profile nach DIN 3972-2 konstruiert oder für Wendeschneidplatten mit Protuberanz zum Schruppen. Darüber hinaus ist die Montage einfach und präzise; die Befestigungsschrauben sind leicht zugänglich.

„DURCH DEN STAHL WIE BUTTER“

Der Sandvik-Partner und Schweizer Zahnradhersteller Humbel setzt den neuen Fräser seit einiger Zeit ein, und Entwicklungs- und Fertigungsleiter Patrick Wirz bestätigt: "Wir haben einige Serien, die wir in großen Stückzahlen fahren, von HSS-Werkzeugen auf die Sandvik-Hartmetallwerkzeuge umgestellt. Damit können wir den Prozess nun mindestens drei mal schneller fahren." Die Humbel Zahnräder AG hat ihren Sitz im Schweizerischen Kradolf und fertigt Zahnräder und Getriebe im Modulbereich 0.5 bis 12 mm. Wirz: "Als führendes Unternehmen in der Verzahnungstechnologie ist die Humbel Gruppe stets an innovativen Konzepten in der Fertigungstechnik sowie fortschrittlichen Ideen bei der Entwicklung von Zahnrädern und Getrieben interessiert. Sandvik Coromants Wendeschneidplattenfräser bieten uns bei der Zerspanung großmoduliger Zahnräder Vorteile hinsichtlich der erreichbaren Fertigungszeiten und Werkzeugstandzeiten."

Entscheidend sei dabei die technische Unterstützung durch Sandvik bei der Prozessumstellung gewesen. Wobei Wirz einschränkt: "Komplett werden wir wahrscheinlich nicht umstellen, denn die Kosteneinsparungen sind stückzahlabhängig. Bei sehr kleinen Stückzahlen rechnet sich die Wendeschneidplatte nicht unbedingt. Andererseits haben wir mit Wendeschneidplatten mehr Kapazitäten auf der Maschine, da wir wesentlich schneller fahren. Das erspart vielleicht eine Neuinvestition." Hier müsse man, ergänzt Küpper, jedes einzelne Projekt genau anschauen und dann entscheiden. Denn nicht nur durch die höhere Produktivität, sondern auch den Wegfall des Nachschleifens und Beschichtens der HSS-Werkzeuge biete die Wendeschneidplatte Kostenvorteile.

Die kann auch Anwender Dirk Keller bestätigen: "Unsere Zahnräder haben bis zu 4,5 Meter Durchmesser. Und da ist die Strategie von der Wärmebehandlungsseite so, dass wir ein sogenanntes Vorschruppen vornehmen und dann eine spezielle thermisches Behandlung applizieren, um den Verzug beim Einsatzhärten im Griff zu haben. Das heißt, wir gehen mit dem Zahnrad zwei Mal auf die Verzahnungsmaschine. Vor allem bei großen Modulen war das Wälzfräsen mit HSS-Fräsern sehr zeitintensiv. Mit dem Sandvik-Hartmetallwerkzeug sind wir nun teilweise um den Faktor acht schneller, d.h. wir verkürzen praktisch von einem Arbeitstag auf eine Stunde. Dank dieser Werkzeuge, aber natürlich auch den entsprechend leistungsfähigen Maschinen. Wir setzen sowohl beim Wälzfräsen als auch beim Schleifen Klingelnberg Maschinen ein. Und damit geht das Sandvik-Werkzeug durch den Stahl wie durch Butter, das kann man sich gar nicht vorstellen. Das ist fast eine Sensation." Hajo Stotz

AMB, Halle 1, Stand E 52

Konzept der neuen Kegelradmaschinen

Die neueste Generation von Kegelradmaschinen basiert auf einer für Fräs- und Schleifmaschinen identischen Plattform. Ergänzt durch fräs- oder schleifspezifische Grundmodule und kundenspezifische Ausbaumodule entstehen technologisch kompromisslose Kegelradverzahnmaschinen. Diese erfüllen mit ihrem dynamisch optimierten Aufbau bei vertikaler Spindelanordnung selbst höchste Anforderungen. Das Buch "Kegelradmaschinen" von Hartmuth Müller ist als 360. Band der Reihe "Die Bibliothek der Technik" neu erschienen. Es beschreibt anschaulich das Konzept der neuen Generation von Kegelradmaschinen und dessen Umsetzung in Fräs- und Schleifmaschinen. Dabei werden auch verzahnungstheoretische Grundlagen, Automationskonzepte, die maschinen-integrierte Messtechnik und der Aspekt der Energieeffizienz behandelt.

Hartmuth Müller: Kegelradmaschinen, 2013, 11,5 x 18,5 cm, 72 Seiten, 39 farbige Abbildungen, 1 Tabelle, Hardcover, ISBN: 978-3-86236-063-5, 9,60 Euro