Fast überall, wo sich etwas dreht, sind Zahnräder im Einsatz. Und damit kommen auch Verzahnungswerkzeuge ins Spiel. Sie beeinflussen maßgeblich die Qualität der Zahnräder, wie zum Beispiel den Wirkungsgrad, die Lebensdauer und das Schwingungsverhalten bzw. die Geräuschentwicklung. Die Werkzeuge sind damit eine wichtige Stellschraube für die Getriebeeffizienz und die Performance in der Zahnradproduktion.
Die Firmengruppe LMT Tools und insbesondere LMT Fette ist seit fast 100 Jahren spezialisiert auf die Entwicklung und Herstellung von Verzahnungswerkzeugen im oberen Qualitätssegment. Neben dem eigenen Expertenwissen wird dabei durch enge Kooperation mit Kunden, Maschinenherstellern und Hochschulen die Basis für neue Innovationen geschaffen. Und diese Entwicklungen werden immer stärker gefordert, denn der weltweite Bedarf und die Anforderungen an Verzahnungswerkzeugen werden zukünftig steigen. Dies auch, da zum Beispiel im Gegensatz zur Automobilindustrie, wo die Getrieberäder kleiner werden, werden diese bei Windenergieanlagen immer größer. Hierfür bietet der Hersteller ein leistungsfähiges Werkzeugprogramm.
Die drei wesentlichen Kriterien zur Leistungsbeurteilung von Verzahnungswerkzeugen sind:
die reproduzierbare Radqualität (Prozesssicherheit),
die Produktivität, die sich insbesondere durch die Schnittwerte (kurze Bearbeitungszeit bei hoher Standzeit) definiert und
die Kosten pro Rad (Cost per part).
In einer Produktivitätsmatrix ist der Leistungsbereich einteiliger und mehrteiliger Verzahnungswerkzeuge über dem Modul dargestellt. Einteilige Wälzfräser aus HSS bzw. PM-HSS decken den Modulbereich bis etwa 45 ab. Sie erfüllen die Qualitätsanforderungen der Praxis sehr gut. Jedoch sind die Schnittwerte im Vergleich zu den einteiligen Werkzeugen aus anderen Schneidstoffen niedriger anzusetzen.
Höher in der Produktivitätsmatrix stehen die Speed-Core-Wälzfräser von LMT Fette. Sie erlauben deutlich gesteigerte Schnittwerte und damit kürzere Bearbeitungszeiten. Die Wälzfräser sind aus einem neuen Schneidstoff hergestellt, dessen Gebrauchseigenschaften zwischen PM-Schnellstahl und Hartmetall einzuordnen sind. Sein besonderes Merkmal ist die hohe Warmhärte. In Verbindung mit der Beschichtung Nanosphere 2.0 sind erhebliche Produktivitätssteigerungen möglich. So sind zum Beispiel Schnittgeschwindigkeiten von mehr als 300 m/min realisierbar. Das bedeutet eine Verkürzung der Bearbeitungszeit und eine signifikante Senkung der Fertigungskosten.
Angeführt wird die Produktivitätsmatrix durch VHM-Wälzfräser mit einem Arbeitsbereich bis etwa Modul 7. Die hohe Produktivität kann jedoch nur erreicht werden, wenn die eingesetzten Verzahnungsmaschinen höhere Schnittwerte ermöglichen und ausreichend stabil sind. Zur Bearbeitung größerer Module im oberen Leistungsbereich schließen sich dann die mehrteiligen Verzahnungswerkzeuge an, die mit Wendeschneidplatten bestückt sind. Dazu gehören zum Beispiel die Segmentwälzfräser, Zahnformfräser oder der neue Gear Runner Internal.
Einteilige oder mehrteilige Werkzeuge?
Alle einteiligen Wälzfräser im kleineren Modulbereich zeigen ihr wahres Können in der Großserienfertigung, zum Beispiel in der Automobilindustrie, und erfüllen dort die eingangs definierten Leistungsanforderungen. Demgegenüber liegt das Anwendungsgebiet mehrteiliger Werkzeuge im Bereich für Module größer 7, wo kleine bis mittlere Losgrößen gefertigt werden.
Der gravierende Vorteil einteiliger Wälzfräser liegt in der hohen Genauigkeit der Werkzeuge, die sich auf die Zahnradqualität auswirkt. Die Werkzeuge bestehen aus einem Stück, wobei das Verzahnungsprofil über die gesamte Schneidenlänge hochpräzise geschliffen wird. Eine Aufsummierung der Toleranzen von Plattensitzen plus Wendeplatten plus entsprechender lösbarer Verbindungen entfällt vollständig. Damit sind einteilige Wälzfräser zum Fertigfräsen in der Qualität AAA und sogar in AAAA verfügbar.
Produktivitätssteigerung senkt die Fertigungskosten. Diese Feststellung muss im Vergleich von einteiligen mit mehrteiligen Wälzfräsern aber differenziert werden. Einteilige Werkzeuge lassen eine höhere Spannutenzahl und somit auch eine größere effektive Zähnezahl zu. Damit wird das Werkzeug insgesamt leistungsstärker, selbst bei geringerer, nomineller Schnittgeschwindigkeit. Bei kleineren Fräserdurchmessern verstärkt sich dieser Effekt.
Mit einem WSP-Werkzeug sind dem gegenüber hohe Schnittgeschwindigkeiten erreichbar. Jedoch wird dieser Leistungseffekt durch die geringere Schneidenzahl wieder relativiert. Das Ranking marktgängiger Wälzfräserausführungen anhand der resultierenden Cost per Part zeigt, dass der Speed-Core-Wälzfräser günstiger als der HM WSP-Wälzfräser eingestuft wird.
Heute wird die Wälzfräserleistung – besonders in der Serienfertigung – nicht alleine durch das Fräsergebnis innerhalb einer Standzeit bewertet, sondern über den gesamten Lebenszyklus. Sowohl die Lebensdauerleistung als auch die Lebensdauerkosten gehen in die Betrachtung ein. Bezüglich der Lebensdauerkosten sind einteilige Wälzfräser im Vorteil, weil sie bis ca. 15 mal nachschleifbar und auch wiederbeschichtbar sind, ohne Abstriche in der Produktivität. Bei mehrteiligen Werkzeugen ist dieser Effekt nicht wirtschaftlich abbildbar, da nach Standzeitende die Schneidplatten ausgetauscht werden müssen.
Ein Beispiel aus der Praxis
Im ersten Schritt war der Speed-Core-Wälzfräser für kleinere Module bis 3,5 mm verfügbar, wie er zum Beispiel für Pkw-Getriebe benötigt wird. Aufgrund seiner sehr guten Anwendungsergebnisse in der Praxis wurden die Leistungsmerkmale dieser Werkzeuge inzwischen auf größermodulige Verzahnungen übertragen. Als Entwicklungsergebnis stehen jetzt auch Wälzfräser von Modul 4 bis 16 zur Verfügung, wie sie zum Beispiel für Getriebe in Nutzfahrzeugen, im Schwermaschinenbau oder in Windenergieanlagen benötigt werden.
In diesem Abmessungssegment befinden sich auch die Zahnräder im konkreten Anwendungsfall bei der Zahnradfabrik Unna GmbH, wo der „große“ Speed-Core seine praktische Bewährungsprobe bestanden hat. Gefräst wurden Zahnräder für Planetengetriebe in Bergbaumaschinen mit dem Normalmodul 9 aus dem Werkstoff 18CrNiMo7-6. Bisher kamen Wälzfräser aus EMo5Co5 mit TiN-Beschichtung zum Einsatz.
Der Speed-Core wurde mit folgenden Schnittparametern eingesetzt: Frästiefe 21,15 mm, Schnittgeschwindigkeit 70 m/min, Axialvorschub 1,7 mm pro Werkstückumdrehung. Frästiefe und Axialvorschub waren mit dem bisher eingesetzten EMo5Co5-Werkzeug identisch. Die Schnittgeschwindigkeit betrug bisher jedoch nur 36 m/min. Sie konnte also mit dem neuen Werkzeug aufgrund seiner höheren Warmhärte um 94 % gesteigert werden. Nach nur 26,2 Minuten war das Zahnrad fertig. Beim vorherigen Werkzeug wurden dafür 50,9 Minuten benötigt. Das bedeutet eine Zeiteinsparung von immerhin 49 Prozent.
Speziell für große Innenverzahnungen
Als Musterbeispiel zur Erzeugung großer Innenverzahnungen ist der Gear Runner Internal hervorzuheben. Er ist der weltweit erste Wälzfräser mit Wendeplatten zum Innenverzahnen von großen Zahnrädern ab einem Ringdurchmesser von 800 mm. Bisher werden derartige Innenverzahnungen, wie sie zum Beispiel in Windenergieanlagen oder im Kranbau vorkommen, mit Zahnformfräsern hergestellt.
Der Anwendernutzen bei dem Wälzfräser besteht in der Komplettbearbeitung auf einer einzigen Maschine, in der höheren Verzahnungsqualität und in der signifikanten Hauptzeitreduzierung. Mit diesem Werkzeug kann eine weitaus höhere Teilungsgenauigkeit als im Einzelteilverfahren erreicht werden. Bisher wurden mit Zahnformfräsern bei identischen Maschinenvoraussetzungen Teilungsgenauigkeiten von 10 bis 12 erzielt.
Mit dem neuen Gear Runner Internal kann nun im kontinuierlichen Wälzfräsverfahren gearbeitet werden. Dadurch sind jetzt Teilungsgenauigkeiten von 6 bis 7 problemlos bei gleichzeitig gesteigerter Oberflächenqualität möglich. Zur Erzeugung dieser Qualität war bisher eine zusätzliche Schleifoperation erforderlich. Ein wesentlicher Anwendernutzen besteht somit darin, deutlich bessere Qualität als bisher auf einer einzigen Maschine komplett zu fräsen.
Weiterhin ist eine Hauptzeitreduzierung von 40 % beim Fertigfräsen erreichbar, was zu erheblich gesteigerter Produktivität auf vorhandenen, herkömmlichen Anlagen führt. Komplettiert wird das Werkzeugprogramm durch den Segmentwälzfräser Gear Runner External für große Außenverzahnungen. Diese Werkzeuge zeichnen sich ebenfalls durch die Erzeugung höchster Verzahnungsqualität aus, zum Beispiel wird beim Schlichten die Güteklasse AAA erreicht.
LMT Tool Systems GmbH www.lmt-tools.com
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