Hydraulische Werkzeugspannung für bessere Zahnräder

Partnerschaftliche Entwicklung von Spannmittel- und Maschinenhersteller

Mit hydraulischer Werkzeugspannung zu besseren Zahnrädern

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Wesentliche Eigenschaften von Zahnrad-Kraftübertragungen wie Wirkungsgrad, Haltbarkeit oder Geräuschentwicklung hängen von der Präzision der Verzahnungen ab. Die für ihre Herstellung eingesetzten Maschinen müssen daher sehr hohe Genauigkeitsanforderungen erfüllen. Dafür muss sich der Maschinenbauer intensiv mit allen Details der Wirkkette der Zahnradbearbeitung beschäftigen.

„Unser Spezialgebiet sind Maschinen für die Herstellung von Zahnrädern im Durchmesserbereich von 10 mm bis hin zu 16 m“, sagt Dipl.-Ing. Dieter Lange, Gruppenleiter Entwicklung, Konstruktion, Automation und Vorrichtung bei der Liebherr-Verzahntechnik GmbH in Kempten. Die Kunden kommen aus einem breiten Spektrum von Industrien vom Automobilproduzenten bis zu Herstellern von Großkranen, Bergwerksausrüstungen oder Windenergieanlagen.

Die Ansprüche sind sehr hoch und umfassen alle Aspekte von der Produktqualität über die Durchsatzleistung der Maschine bis zur Sicherstellung der vereinbarten Wirtschaftlichkeit. In diesem international hart umkämpften Markt konnte sich die Liebherr-Verzahntechnik GmbH eine Spitzenposition unter den Markt- und Technologieführern erobern.

Ein wesentlicher Faktor hierfür war neben der hohen Qualität der Maschinen auch ein umfassender und schneller Service. Hinzu kommt, dass man nicht nur Maschinen liefert, sondern den gesamten Herstellprozess einschließlich Engineering, Werkzeugen und Automation aus einer Hand plant, realisiert und gegenüber dem Kunden verantwortet.

Beim Verzahnungsstoßen…

„Bei unseren Maschinen stießen wir vor einigen Jahren an Grenzen der mit dem damaligen Stand der Technologie erzielbaren Genauigkeit“, erinnert sich Lange. Das Verzahnungsstoßen wird vor allem dann angewandt, wenn der Einsatz der sonst häufig eingesetzten Fräs- oder Schleifwerkzeuge nicht möglich ist, beispielsweise bei Innenverzahnungen oder wenn der Auslauf rotierender Werkzeuge durch Störkanten behindert wird.

Beim Stoßen wird ein zahnradförmiges Werkzeug, dessen Zähne das gewünschte Profil aufweisen, in axialer Richtung durch den Zahnkranz gedrückt, wodurch Späne abgehoben werden. Durch ständige Hubbewegungen bei langsamer Drehung von Werkzeug und Zahnkranz entsteht so nach und nach eine Verzahnung, die durch radiale Zustellung vertieft wird, bis das gewünschte Profil erreicht ist.

Bei Geradverzahnungen erfolgt die Hubbewegung ausschließlich in axialer Richtung, während bei Schrägverzahnungen noch eine Drehbewegung überlagert wird. Bei diesen komplexen Bewegungsabläufen müssen mehrere unabhängige Achsen präzise miteinander synchronisiert werden. Während dies früher durch aufwendig gearbeitete Kulissen erfolgte, kann dies heute dank moderner CNC-Steuerungen rein elektronisch erfolgen.

…wird immer höhere Präzision gefordert

„Im Verlauf der vergangenen Jahre wurden die Genauigkeitsanforderungen stetig nach oben geschraubt“, erläutert Lange. Dies gelte selbst für Branchen wie die Baumaschinen- und Landmaschinenindustrie, wo früher traditionell geringere Ansprüche gestellt wurden. Um dem entsprechen zu können, musste die gesamte Konstruktion aus Maschine und Werkzeug auf den Prüfstand gestellt werden, um Fehlereinflussmöglichkeiten soweit wie möglich zu minimieren.

Wichtige, in der Wirkkette auftretende, Fehlerquellen für radiale Abweichungen sind hierbei:

  • Das radiale Spiel der Spindel sowie der vertikal bewegten Welle,
  • das Spiel zwischen der HSK-63-Schnittstelle und der Werkzeugspannvorrichtung sowie
  • zusätzlich das Spiel der Passung zwischen der Spannvorrichtung und dem Werkzeug selbst.

Da sich alle diese Fehler im ungünstigsten Fall aufaddieren können, werden aus wenigen µm Abweichung pro Schnittstelle im ungünstigsten Fall mehrere Hundertstel mm. Dies wirkt sich nachteilig auf die Maßhaltigkeit und damit auf die Gebrauchseigenschaften der produzierten Zahnräder aus.

Bei der Suche nach Verbesserungsmöglichkeiten konzentrierte man sich schon vor Jahren vor allem auf die Schnittstelle zwischen Spannfutter und Stoßwerkzeug. Die radiale Position des Werkzeugs wurde traditionell durch eine h3/ j3 Passung definiert, die ein radiales Spiel von bis zu 6 µm zulässt.

Hydrodehnspannfutter als Lösung

„Um dieses Spiel zu verringern, setzen wir auf Hydrodehnspannfutter“, verrät Lange. Bei diesen ist der Bereich der Werkzeugpassung doppelwandig ausgeführt, wobei die am Werkzeug anliegende Wand dünn genug ist, um sich bei Beaufschlagung des Hohlraums nach außen zu verformen. Die Druckerhöhung erfolgt nach Aufsetzen des Werkzeugs durch Festziehen einer Schraube, wodurch der Druck des Hydraulikmediums erhöht wird. Aufgrund der sich ausdehnenden Wand des Spannfutters wird die entsprechende Passung spielfrei. Dies reduziert den radialen Passungsfehler des Werkzeugs von bis zu 6 µm auf 0 µm. Obwohl dies nicht nach viel klingt, ist es ein wichtiger Schritt, um den gestiegenen Anforderungen des Marktes gerecht werden zu können.

Da man zwar die Stoßwerkzeuge selbst herstellt, die entsprechenden Spannmittel jedoch zukauft, suchte man für letztere nach einem geeigneten Lieferanten. Eine eigene Entwicklung und Herstellung hätte sich aufgrund der gut 100 verschiedenen Schnittstellenvarianten und der geringen jeweils benötigten Stückzahlen nicht gerechnet.

Entwicklungspartnerschaft mit Mapal

„Im Bearbeitungsbereich hatten wir bereits seit Jahrzehnten sehr gute Erfahrungen mit den Werkzeugen und Spannmitteln von Mapal gemacht“, erinnert sich Dieter Lange. Hierbei habe sich das Unternehmen durch Servicebereitschaft und Innovationsfähigkeit einen guten Ruf erworben. Deshalb habe man dort nach den besonderen Spannfuttern angefragt und schnell eine positive Reaktion erhalten. Dies war der Auftakt für eine enge partnerschaftliche Zusammenarbeit bei der Entwicklung einer Baureihe von Hydrodehnspannfuttern mit den gewünschten Eigenschaften.

„Bei dieser Entwicklung ist Mapal sowohl mit den entsprechenden F&E-Aufwendungen als auch mit der Produktion entsprechender Muster in Vorleistung gegangen und hat zudem ein beachtliches Tempo vorgelegt“, sagt Lange. Die Markteinführung der neuen Hydrodehnspannfutter erfolgte so innerhalb kurzer Frist. Nach erfolgreicher Abnahme hat Liebherr seit rund zwei Jahren diese Spannfutter in sein Vertriebsprogramm aufgenommen und stattet seine Anlagen weltweit damit aus. „Auch bei der mittlerweile laufenden Produktion haben wir“, betont Lange, „mit Mapal ausschließlich die besten Erfahrungen gemacht.“

Hervorzuheben seien insbesondere die kurzen Lieferzeiten trotz geringer Losgrößen sowie die hohe Flexibilität und die Zuverlässigkeit. „Selbst, wenn man nach zwei Jahren noch nicht von wirklichen Langzeiterfahrungen sprechen kann, so hat es bei den bisher ausgelieferten Spannfuttern noch keinen einzigen Ausfall gegeben“, schließt Lange.

Liebherr-Verzahntechnik GmbH
www.liebherr.com

Mapal Dr. Kress KG
www.mapal.com

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