Mit dem Power Skiving oder Wälzschälen können Verzahnungen in hoher Produktivität und Qualität hergestellt werden.
Foto: Lerinc

Verzahnungstechnik

Vereinigte Verzahnungs-Kompetenz

Für anspruchsvolle Teile setzt Schmahl, Spezialist für Antriebstechnik, auf eine neue Technologie: Power Skiving auf einem Dreh-Fräszentrum von Takisawa.

Was 1969 für so manchen seiner damaligen Kollegen eine mittlere Katastrophe gewesen sein dürfte, verstand Wolfgang Schmahl als eine echte Chance: Die Verantwortlichen des Verzahnungsbetriebes, bei dem er beschäftigt war, beschlossen die Lohnfertigung von Zahnrädern aufzugeben. Also kaufte Schmahl eine Verzahnungsmaschine – die im Übrigen immer noch für Spezialaufgaben genutzt wird – und gründete die Zahnradfabrik Neviges. Seitdem hat sich das Unternehmen zum hochspezialisierten Hersteller von Zahnrädern und Getrieben entwickelt, die weltweit zum Einsatz kommen. Auf einer Produktionsfläche von über 10.000 m2 sind mehr als 140 Mitarbeiter beschäftigt. Wobei beschäftigt durchaus wörtlich genommen werden darf, denn gearbeitet wird im Drei-Schicht-Betrieb rund um die Uhr.

Zu einem Systemlieferanten weiterentwickelt

Der Sohn des Firmengründers und heutige Geschäftsführer Martin Schmahl umreisst die Unternehmensschwerpunkte so: „Wir sind längst kein reiner Teilelieferant mehr, sondern haben uns in den letzten Jahren mit der Konstruktion und Fertigung kompletter Getriebe zu einem Systemlieferanten weiterentwickelt. Dieser Geschäftsbereich nimmt inzwischen rund 50% des Geschäftsvolumens ein. Wobei wir nach wie vor keine Berührungspunkte mit der Automobilindustrie haben, sondern uns ausschließlich auf Spezialgetriebe für Land- und Baumaschinen, Windkrafträder, Schiffsbau und Wehrtechnik konzentrieren.“
Und weiter: „Wir sind in unserer Konstellation ziemlich einzigartig, weil wir einen großen Durchmesserbereich, beispielsweise Zahnräder von Modul 1,5 bis 36 bei Werkstückgewichten bis 1,5 t abdecken und gleichzeitig eine hohe Varianz in den Stückzahlen von Losgröße 1 bis zu größeren Serien bis 100.000 Stück pro Jahr anbieten können. Das stellt höchste Anforderungen an unsere Fertigung und macht es unumgänglich, dass wir bei Investitionen in neue Werkzeugmaschinen Begriffe wie Flexibilität und Universalität ganz oben stehen haben und uns gleichzeitig für alle neuen Technologien rund um die Zahnradfertigung öffnen.“

Bearbeitungszeit von 11 min

Was er damit konkret meint, zeigt sich am Beispiel eines Planetenträgers. „Wir bekamen von einem unserer Kunden eine Anfrage für die Herstellung von rund 80.000 Planetenträgern für eine neu konstruierte Achse. Basis dabei war eine Kostenvorgabe vom Kunden, die einer Bearbeitungszeit von ca. 11 min vom Rohteil bis zum fertigen Bauteil entspricht. Was alles erschwerte, war eine konstruktive Vorgabe, die – resultierend aus einem sehr engen Bauraum in der entsprechenden Achse – durch eine Produktion mit konventionellen Methoden weder technologisch und schon gar nicht auf der Kostenseite abgedeckt werden konnte.“

Schon mit dem Kostenrahmen wäre man wohl mit dem klassischen Abwälzfräsen nicht klar gekommen, aber es gab ein weiteres Kriterium, das alle normalen Verzahnungstechniken als nicht geeignet erscheinen ließ: Der Bauteilkonstrukteur hatte auf den bei klassischen Verfahren unabdingbaren Verzahnungsauslauf zugunsten einer reduzierten Baulänge verzichtet, also blieb im Grunde genommen nur das so genannte Power Skiving übrig.

Die Vorteile vom Power Skiving

Mit dem Power Skiving oder Wälzschälen, einer Kombination aus Wälzfräsen und Wälzstoßen, können Verzahnungen in höchster Produktivität und Qualität hergestellt werden. Der besondere Vorteil dieses Verfahrens liegt in der hohen Bearbeitungsgeschwindigkeit, die es möglich macht, Verzahnungen hochproduktiv und mindestens dreimal so schnell herzustellen, wie mit den marktüblich bekannten Bearbeitungsverfahren.

Zudem kann hier auf den schon angesprochenen Verzahnungsauslauf verzichtet und bis unmittelbar an Absätze verzahnt werden. Als Werkzeug dient dabei ein Zahnrad mit stirnseitigen Schneiden. Mit der gekreuzten Achsanordnung von Werkzeug und Werkstück wird eine axiale Relativgeschwindigkeit erzeugt, die die Schneidbewegung ermöglicht.

Power Skiving auf einer Drehmaschine

Martin Schmahl und seinem Team war aber schon bei den ersten Überlegungen klar, dass sich mit einer Spezialmaschine bestenfalls der technische Teil abdecken ließ, die kostenseitigen Vorgaben aber unerfüllt blieben. „Wir suchten nach einer Lösung, mit der wir möglichst in einer Aufspannung bei einem fehlenden Verzahnungsauslauf die komplette Verzahnung und gleichzeitig alle nötigen Dreh- und Fräsoperationen abbilden können.

Sehr schnell kristallisierte sich aufgrund dieser Vorgaben eine Technologie heraus, die wir bislang noch nie eingesetzt haben – Power Skiving auf einer Drehmaschine.“ Und weiter: „Wir haben uns deshalb mit unserem Drehmaschinenlieferanten, der Firma Lerinc in Verbindung gesetzt und gemeinsam die Aufgabenstellung diskutiert. Sehr schnell war klar, dass man dort mit der dem Dreh-Fräszentrum Takisawa TMX-2000S mit schwenkbarer B-Achse ein geeignetes Maschinenkonzept im Portfolio hat und zudem unsere Anfrage als eine technologische Herausforderung verstand und spontan eine Versuchsbearbeitung anbot. Wobei in diesem Zusammenhang für uns auch wichtig war, dass wir seit fast 20 Jahren im Drehbereich mit Takisawa-Maschinen und den Lerinc-Anwendungstechnikern wie auch dem Service von dort die besten Erfahrungen gesammelt haben.“

B-Achse mit 230°-Schwenkbereich

Herzstück des Dreh-Fräszentrums TMX-2000S ist die B-Achse mit einem Schwenkbereich von 230°. Deren kraftvolle, mit einer Capto-C6-Schnittstelle versehene Werkzeugspindel stellt bei einer maximalen Drehzahl von 12.000 min-1 ein Drehmoment von 60 Nm zur Verfügung und bietet so für unterschiedlichste Bearbeitungssituationen eine optimale Performance. Zudem stehen an Haupt- und Gegenspindel leistungsstarke Motorspindeln mit Drehzahlen von jeweils 5.000 min-1 und einer Leistung von 15 respektive 11 kW zur Verfügung.

Neben den maschinentechnischen Voraussetzungen waren es aber vor allem die einzelnen Partner, die alles mitbrachten, um letztlich erfolgreich zu sein. Da war zum einen die langjährige Erfahrung und das angesammelte Know-how in Sachen Verzahnungsherstellung bei Schmahl, die bekannt engagierte und gute Anwendungstechnik im Hause Lerinc und als drittes Element die unbestreitbare Kompetenz in Sachen hochwertigen Drehmaschinenbaus von Takisawa. Wobei letzterer eine ganz besondere Rolle zukommt.

Hohe Steifigkeit der Maschine ist Voraussetzung

Um Power Skiving auf einem Dreh-Fräszentrum überhaupt realisieren zu können, braucht es ein hochdynamisches Maschinenkonzept, weil das Werkstück auf einer (hochdynamischen) C-Achse und das Skivingrad auf einer entsprechend (hochdynamischen) Frässpindel aufgespannt sind und diese beiden Achsen bezüglich Zähnezahl und -form laufend in Echtzeit kommunizieren und regeln. Gleichzeitig ist eine hohe Steifigkeit des Maschinenkonzepts eine unabdingbare Voraussetzung, um hochpräzise Bearbeitungsergebnisse – zum Beispiel eine Positionsgenauigkeit der Planetenstege kleiner drei hundertstel – erreichen zu können. Im Übrigen eine Aufgabenstellung, bei der auch der adaptierten Fanuc 32i-B eine entscheidende Rolle zukommt.

Auf der Zielgeraden

Obwohl der eigentliche Serienanlauf der Planetenträgerfertigung erst 2019 beginnt, erscheint der eingeschlagene Weg als ein doch sehr erfolgsversprechender. Die Bearbeitungszeiten der ersten Versuche bei Lerinc bewegten sich noch deutlich über der Zielvorgabe, inzwischen hat man durch eine verbesserte Werkzeugwahl und der Optimierung der entsprechenden NC-Programmzyklen die Bearbeitungszeit mit knapp 15 min schon auf Schlagweite zur geforderten Vorgabe von 11 min gebracht. Dies ist auch deshalb sehr hoch zu bewerten, weil beide Hauptprotagonisten insofern absolutes Neuland betraten. Zuvor wurde das Power Skiving beim Unternehmen Schmahl nur auf Verzahnungsmaschinen eingesetzt, und bei Lerinc wurde diese Technologie bisher kaum angefragt. Noch einmal Martin Schmahl: „Unser Unternehmen hat sich zum Ziel gesetzt, grundsätzlich in modernste Zahnradbearbeitungstechnik zu investieren, um unseren Kunden auch in Zukunft Problemlösungen und Produkte auf höchstem technischen Niveau bieten zu können. Mit Power Skiving auf einer Takisawa TMX-Multifunktionsmaschine sind wir dabei auf einem sehr guten und innovativen Weg.“

ep

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