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Unrunde Zahnräder auf Wälzfräsmaschine bearbeiten

Innovatives Verfahren ermöglicht flexible und effiziente Produktion
Unrunde Zahnräder auf Wälzfräsmaschine bearbeiten

Unrunde Zahnräder sind in vielen Anwendungsbereichen auf dem Vormarsch – in Maschinen, Motoren und Pumpen sorgen sie für eine perfekt angepasste, ungleichmäßige Kraftübertragung. Auf diese Weise lassen sich teure Direktantriebe ersetzen, mit denen die wechselnde Kraftübertragung elektronisch geregelt wird. Eine Herausforderung zeigt sich allerdings bei der anspruchsvollen Produktion der unrunden Bauteile.

Die derzeit, zumeist noch relativ teuren Verfahren wie Erodieren oder Wälzstoßen, werfen eine entscheidende Frage auf: Wie lassen sich die Bauteile flexibler und effizienter produzieren? Eine Antwort versucht der Wälzfräs-Spezialist und Tochterunternehmen von Emag, Koepfer, zu geben. Ihr neues Verfahren macht es möglich, mathematisch definierbare unrunde Konturen auf einer Standard-Wälzfräsmaschine zu bearbeiten. Dadurch können die Produktionskosten reduziert werden. Nicht immer sind runde Zahnräder die beste Lösung für die Kraftübertragung innerhalb einer Maschine oder eines Motors – im Gegenteil: In einigen Anwendungsbereichen führt die damit einhergehende gleichmäßige Kraftübertragung sogar zu Problemen oder ungünstigen Nebeneffekten. Beispiele dafür gibt es viele. So muss etwa beim Tiefziehen eines Bauteils die Hubbewegung der eingesetzten Maschine ganz im Gegenteil ungleichmäßig verlaufen: das Ziehen sehr langsam, der Hub des Werkzeugs vorher und nachher wiederum möglichst schnell. Das sichert die Qualität der produzierten Bauteile und senkt zugleich die Taktzeit – und gerade mithilfe von unrunden Zahnrädern lässt sich diese immer wiederkehrende ungleichmäßige Bewegung relativ einfach und vor allem sehr präzise erzeugen.

Auch für den Automobilbau interessant
Eine interessante Anwendung von unrunden Zahnrädern zeigt sich überdies im Automobilbau. Hier sorgen sie im Steuertrieb des Motors dafür, dass unerwünschte Schwingungen vermieden bzw. ausgeglichen werden. Dafür erzeugen sie gewissermaßen eine Gegenschwingung im System. Und bereits seit den 80er Jahren gibt es ovale Fahrrad-Kettenräder, die für eine bessere Kraftübertragung beim Treten sorgen. Nicht zuletzt profitieren zum Beispiel auch Pumpenmotoren von unrunden Zahnrädern. Der Durchfluss der verwendeten Flüssigkeit ist mit ihrer Hilfe perfekt an das Gesamtsystem angepasst.
Mit zunehmendem Einsatz rückt die Suche nach einer effizienten Produktionslösung für Unrund-Zahnräder in den Fokus. Derzeit erfolgt die Herstellung der komplexen geometrischen Formen häufig noch durch Erodieren, Sintern oder Stoßen. Gerade bei kleinen und mittleren Stückzahlen entstehen dabei aber relativ hohe Kosten – zum Beispiel durch den Bedarf von neuen Werkzeugen. Zudem sind die Verfahren relativ unflexibel. Anwender sind auf der Suche nach Lösungen, mit denen es möglich ist, schnell auf wechselnde Anforderungen in der Zahnradproduktion zu reagieren – vom runden Zahnrad zum unrunden Bauteil und wieder zurück.
Standard-Wälzfräsmaschinen im Einsatz
In diesem Zusammenhang ist die spanende Bearbeitung per Wälzfräser eine interessante Alternative. Das Standard-Verfahren ist präzise und flexibel. Allerdings entsteht bei der Unrund-Bearbeitung eine besondere Herausforderung: „Die unrunde Form des Rohlings macht es nötig, die Position des Wälzfräsers während des Fräsprozesses laufend zu korrigieren. Das ist mit den dynamischen Achsen einer modernen Wälzfräsmaschine aber natürlich machbar. Es kommt auf ihre perfekt synchronisierte Steuerung an“, bringt Entwicklungsingenieur Manuel Hofmeier von Koepfer die Herausforderung auf den Punkt. Die Hersteller haben eine neue Lösung entwickelt, die bei Bedarf auf allen Standardmaschinen des Typs 160 und 300 mit der aktuellen Steuerungslösung zum Einsatz kommt. Nur ihre Software wird angepasst. Danach ist die Maschine für die Unrund-Bearbeitung bereits vorbereitet. „Das ist der entscheidende Punkt. Wir haben in der Vergangenheit kundenspezifische Einzellösungen für die Unrund-Bearbeitung realisiert. Jetzt verfügen wir aber über eine Standardlösung. Die Mechanik der Maschinen muss dafür nicht modifiziert werden“, bestätigt Hofmeier.
Perfekt synchronisierte Maschinenachsen
Der Anwender gibt einfach die mathematischen Daten der jeweiligen Kontur in die Software ein. Der weitere Ablauf hängt vom Bauteil ab:
Bei stark exzentrischen Konturen hat der Rohling bereits eine ovale Form. Sie wird zunächst im Arbeitsraum der Maschine vermessen und anschließend werden die Maschinenachsen mit der Position des Bauteils synchronisiert. Dann beginnt der Fräsprozess.
Alternativ gibt es die Möglichkeit, einen ursprünglich runden Rohling zu überfräsen und dabei z. B. eine ovale Kontur herzustellen. Grundvoraussetzung dafür ist allerdings, dass die gewünschte Form nicht zu exzentrisch ist.
In beiden Fällen erfolgt der Bearbeitungsprozess mit synchronisierten und dynamischen Maschinenachsen. Der Wälzfräser fährt das Bauteil konturengetreu ab. Das Verfahren stellt sicher, dass die gewünschte Verzahnung ausgeformt wird. „Gerade bei kleinen und mittleren Stückzahlen hat unser Ansatz große Vorteile“, erklärt Carsten Rautschek von Koepfer. „Der Anwender richtet die Standardmaschine in wenigen Minuten für das unrunde Bauteil ein und produziert zum Beispiel erste Musterbauteile. Anschließend kann etwa die Serienproduktion eines anderen Zahnrades wieder weitergehen. Die geometrischen Daten des ovalen Bauteils sind von da ab in der Steuerung hinterlegt. Diese enorme Flexibilität können andere Verfahren in dieser Form nicht sicherstellen.“
Auch „extreme“ Zahnradformen sind herstellbar
Es ist möglich, sehr extreme Zahnradformen auf einer solchen Wälzfräsmaschine zu produzieren. Allerdings lassen sich diese Formen dann zumeist nicht mehr in einfacher Weise mathematisch definieren. Komplexere Berechnungen und Formeln werden nötig. „Die Software muss hierfür je nach Anwendungsfall angepasst werden. Dafür bieten wir unseren Kunden natürlich unser Knowhow an“, erklärt Rautschek. „Mit unseren Maschinen ist letztlich die serienreife Standardproduktion von jeder konvexen Kontur machbar. Das ist eine neue Dimension des Wälzfräsens.“
So gibt es zum Beispiel im Maschinenbau oder der Logistik viele Anwendungen, bei denen innerhalb eines Systems wechselnde Drehmomente benötigt werden oder die Übersetzung ungleichmäßig verläuft. „Mit unseren Verfahren wird es letztlich sehr viel einfacher, die dafür benötigten mechanischen Lösungen zu entwickeln, für die unrunde Zahnräder wiederum unverzichtbar sind. Sie sind in der Produktion viel günstiger als zum Beispiel ein regelbarer elektronischer Direktantrieb. Diese Erkenntnis muss bei den Entwicklern in vielen Branchen natürlich zunächst noch ankommen. Dann sind wir mit unserer Technologie in einer hervorragenden Ausgangsposition“, so Entwicklungsingenieur Manuel Hofmeier abschließend. ■
Emag GmbH & Co. KGwww.emag.com
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