Verzahnmaschine

Eine Verzahnmaschine ist ein spezialisierter Maschinentyp zur Herstellung von Zahn-Profilen. Diese dienen in der Regel zum Übertragen und Übersetzen von Kräften und Drehmomenten in Getrieben. Verzahnmaschinen bedürfen einer exakten Abstimmung der verschiedenen Achsen zur genauen Herstellung der Zähne und werden heutzutage rein computergesteuert. Zahnräder können je nach Größe, Werkstoff und Verwendungszweck auf verschiedene Weise hergestellt werden. Unterschieden werden diese Maschinen dabei in urformende und umformende Typen, sowie Spanende nach DIN 8580. Zu Ersteren sind das Gießen, Pressen, Gesenkschmieden, Walzen, Rollen und Sintern zu zählen. Spanabhebend sind das Formfräsen, Wälzfräsen, Wälzhobeln, Wälzstoßen, Wälzdrehen, Wirbeln, Räumen, Schleifen, Honen und Läppen. Der Einsatz der Verfahren ist abhängig von Material, Geometrie und Qualitätsanforderungen sowie der Stückzahl der zu fertigenden Zahnräder.

Ausführungen

Maschinen zur spanenden Herstellung

• Wälzfräsmaschine: Eine Wälzfräsmaschine ist eine kontinuierlich arbeitende Verzahnmaschine. Es handelt sich um eine Einzweckmaschine. Die Maschine kann zur Fertigung von Stirnverzahnungen (Geradverzahnungen und Schrägverzahnungen) eingesetzt werden. Der Einsatzbereich wird lediglich über die Größe des Arbeitsraumes begrenzt. Dies bedeutet, dass das Werkzeug bei gleichem Verzahnungsmodul für alle Werkstückzähnezahlen und somit unterschiedliche Durchmesser eingesetzt werden kann. Beim Wälzfräsen wälzen das Werkzeug – der Wälzfräser – und das Werkrad wie in einem Schneckenradgetriebe miteinander. Hierzu muss die rotatorische Bewegung des Werkrades mit der rotatorischen Bewegung des Wälzfräsers gekoppelt sein. Ursprünglich erfolgte dies durch eine mechanische Kopplung der Werkradachse C mit der Fräserdrehung B und dem Axialvorschub des Wälzfräsers in z-Richtung. Die Radialzustellung zur Erzeugung der Zahntiefe erfolgt über die x-Achse, die in der Regel im Werkzeug liegt. Aktuelle Maschinenkonzepte realisieren diese Kopplung mit Direktantrieben und einer elektronischen Kopplung der Bewegungen in der CNC-Steuerung.

• Wälzstoßmaschine: Eine Wälzstoßmaschine ist eine kontinuierlich arbeitende Verzahnmaschine. Die Hubbewegung des Schneidrades ist mit der Drehung des Werkrades mechanisch oder elektronisch gekoppelt. In der Abfolge sind die Bewegungsanteile Hubbewegung des Schneidrades (Arbeitshub und Leerhub) in der Z-Achse, die Drehbewegung des Werkstückes (C2-Achse), die Drehung des Werkzeuges (C1-Achse) und die Zustellbewegung des Werkzeuges (Tauchtiefe in X-Achse) zu koordinieren. Die Produktivität ist geringer als bei Wälzfräsmaschinen. Daher werden Wälzstoßmaschinen vorrangig bei Verzahnungen mit begrenztem axialen Freiraum wie Verzahnungen an Stufenwellen oder für die Herstellung von Innenverzahnungen eingesetzt.

• Wälzhobelmaschine : Beim Wälzhobeln handelt es sich um ein Teilwälzverfahren. Der Wälzvorschub erfolgt abschnittsweise für eine Zahnlücke oder eine Gruppe von Zahnlücken. Ein gerades zahnstangenartiges Werkzeug (Hobelkamm) führt eine oszillierende Hubbewegung aus. Das Werkrad wälzt hieran ab. Dies ist mit dem Abrollen eines Stirnrades an einer Zahnstange vergleichbar. Die translatorische Bewegung des Hobelkamms in der z-Achse ist über eine Wälzkopplung mit der rotatorischen Bewegung des Werkrades um die z-Achse gekoppelt. Allerdings steht der Wälzvorschub während der Eingriffszeit des Hobelkamms still und erfolgt nur in der Phase des Leerhubes des Werkzeuges. Der Hobelkamm wird in x-Richtung zugestellt. Da der Hobelkamm eine endliche Länge hat (in der Regel wenige Zähne), muss mehrfach über die Länge des Hobelkamms gewälzt werden. Hierzu reversiert das Werkzeug nach Fertigstellung einer Zahngruppe (y-Achse). Diese Abfolge von Wälzbewegung, Rückführung und Teilbewegung wiederholen sich bis das Werkrad fertiggestellt ist. Die Produktivität dieses Teilwälzverfahrens ist gegenüber kontinuierlichen Wälzverfahren deutlich geringer und hat daher an Bedeutung verloren.

• Wälzschälmaschine : Das Wälzschälen ist eine Kombination der Verfahren Wälzfräsen und Wälzstoßen in einer Maschine. Hierzu erfolgt ein kontinuierliches Abwälzen mit axialem Vorschub. Um diese Kinematik zu realisieren sind die Werkzeug- und Werkstückachsen schräg zueinander angeordnet (Bild). Die Größe dieser Verschränkung der Achsen (Achskreuzwinkel) definiert die Relativgeschwindigkeit zwischen Werkzeug und Werkstück, die als Schnittgeschwindigkeit in diesem Verfahren genutzt wird. Die Größe der Schnittgeschwindigkeit ist von der Größe des Achskreuzwinkels und von der Drehzahl der Bearbeitungsspindeln abhängig. Das Verfahren kann für Inne- und Außenverzahnungen eingesetzt werden.

• Zahnrad-Räummaschine: Dieses Verfahren wird vorrangig in der Großserienfertigung eingesetzt. Die Maschinenkonzeption bzgl. Aufbau und Kinematik entspricht der einer klassischen Räummaschine; ebenso der Prozessablauf. Es handelt sich hier um ein Formschneidverfahren ohne Wälzbewegung.

• Formfräsmaschine : Beim Formfräsen bildet das Werkzeug – ein Scheibenfräser oder Fingerfräser – im Achsschnitt das Profil der angestrebten Zahnlücke ab. Ist eine Lücke der Verzahnung mit Axialvorschub fertiggestellt, wird geteilt, d.h. das Werkstück wird um eine Zahnteilung weitergedreht. Hieraus leitet sich auch die Bezeichnung Teilverfahren ab. Das Werkstück steht während der Bearbeitung still. Im Fall einer Schrägverzahnung ist eine Kopplung der Werkzeugbewegung mit der Drehung des Werkrades erforderlich. Diese Kopplung definiert eine gleichmäßige Drehung des Werkrades in Abhängigkeit vom Axialvorschub des Werkzeuges. Hierdurch bewegt sich das Werkzeug entsprechend dem Zahnschrägungswinkel auf einer Schraubenlinie relativ zum Werkrad. Im Gegensatz zur Herstellung von Zylinderrädern ist das Formfräsen bei Kegelrädern und Schnecken üblich.

• Zahnradschabmaschine : Das Zahnradschaben ist ein Feinbearbeitungsverfahren mit definierter Schneide. In erster Linie wird dieses Verfahren zur Verbesserung der Oberflächentopographie eingesetzt, die sich nach dem Wälzfräsen aufgrund von Vorschubmarkierungen oder Hüllschnittabweichungen ergeben. Das Schabrad und das Werkrad werden hierzu in Form eines Schraubwälzgetriebes in Eingriff gebracht. Schabrad und Werkrad stehen hierzu in einem unterschiedlichen Schrägungswinkel. Der Kämmbewegung überlagert sich in axialer Richtung eine Gleitbewegung aufgrund der Achskreuzung. Dies stellt die Bearbeitungsbewegung zur Spanabnahme dar.
• Zahnradschleifmaschinen : Die Feinbearbeitung gehärteter Zahnräder erfolgt insbesondere durch Schleifverfahren. Hierbei unterscheidet man zum einen zwischen profilierenden und wälzenden Verfahren. Diese werden darüber hinaus in kontinuierliche und diskontinuierliche Verfahren differenziert:
  • diskontinuierliches Teilwälzschleifen
  • kontinuierliches Wälzschleifen
  • diskontinuierliches Profilschleifen
  • kontinuierliches Profilschleifen

• Zahnradwälzschleifmaschine : Das kontinuierliche Wälzschleifen (Schraubwälzschleifen) ist das produktivste Verzahnungsschleifverfahren. Bei sehr geringen Schleifzeiten je Werkstück liegt ein weiterer Fokus auf der Optimierung der Nebenzeiten. Hierzu wurden Maschinenkonzepte mit zwei Werkstückspindeln entwickelt, die einen automatisierten, hauptzeitparallelen Werkstückwechsel ermöglichen. Hinsichtlich der Kinematik und damit dem Aufbau der Maschine besteht eine große Ähnlichkeit zu Wälzfräsmaschinen. Die Drehung des Werkstücks und des Werkzeuges (Schleifschnecke) sind gekoppelt. Die Schleifschnecke wird radial zugestellt (x-Achse) und entsprechend der Zahnradbreite ist der axiale Hub definiert. Im Falle einer Schrägverzahnung ist dem Axialhub eine Drehbewegung überlagert. Zur optimalen Abnutzung des Schleifscheibenmaterials erfolgt während des Axialhubes ein tangentiales Shiften der Schleifschnecke. Beim Einsatz von Korundwerkzeugen ist eine Profilierung der Schleifschnecke erforderlich. Dies kann mit Abrichtrolle oder einem Meisterrad erfolgen.

• Wälzhonmaschine / Schabschleifmaschine : Das Wälzhonen ist ein Feinbearbeitungsverfahren und der Bewegungsablauf entspricht in seiner Kinematik der Schabmaschine. Auch hier wird durch den Achskreuzwinkel beim Kämmen mit dem Werkrad eine Relativbewegung induziert, die die Bearbeitungsbewegung darstellt. Das Zahnradhonen wird unmittelbar nach dem Einsatzhärten oder nach einer Schleifbearbeitung zur Optimierung der Oberflächenqualität (Oberflächenstruktur, Rauheiten) oder zur Geometrieoptimierung (Zahnflankenkorrektur) eingesetzt.

• Zahnradläppmaschine : Beim Zahnradläppen handelt es sich um ein Feinbearbeitungsverfahren für gehärtete Zahnräder zur Erzeugung einer hohen Oberflächengüte oder auch definierter Flankenkorrekturen. Bei diesem Verfahren wälzen Rad und Ritzel in einem definierten Belastungszustand aufeinander ab. Hierzu wird ein Zahnrad angetrieben, das andere wird abgebremst. Im Fall von Kegelrädern können weitere Zusatzbewegungen eingestellt werden. Die Zerspanung erfolgt durch Zugabe des Läppmittels, einer Emulsion aus Öl und Korundkörnern.

Maschinen zur umformenden Herstellung

• Zahnrad-Profilwalzmaschine : Das Profilwalzen ist ein Kaltwalzverfahren, bei dem Rollwerkzeuge (Kaltwalzrollen), die die Geometrie der zu erzeugenden Zahnlücke abbilden, radial in das Werkstück eindringen. Die Kaltwalzrollen sind gegenüberliegend angeordnet und werden symmetrisch zugestellt. Das Werkstück wird kontinuierlich im Längsvorschub durch die Bearbeitungsstation bewegt. Im Falle von Geradverzahnungen wird das Werkstück nach jedem Bearbeitungsschritt um eine Teilung getaktet. Bei Schrägverzahnungen sind die Rollwerkzeuge angestellt und dem Axialvorschub des Werkstückes ist eine kontinuierliche Drehbewegung überlagert.

Einsatzgebiete

Zahnräder zählen zu den Normbauteilen der Maschinenelemente und werden je nach Anforderungen in verschiedenen Qualitätsklassen hergestellt. Die Maschinen zur Herstellung dieser Verzahnungen werden daher in der Regel in der Massenproduktion eingesetzt mit hohen Stückzahlen. Das Weltmarktvolumen für Verzahnmaschinen lag nach Schätzungen des VDW 2013 bei rund 1,3 Mrd. Euro. Der größte Hersteller ist dabei Deutschland mit einem Anteil von 41 %, gefolgt von China (19 %) und Japan (10 %). Die Genauigkeit der Verzahnmaschine nimmt eine wichtige Rolle für das Laufverhalten der Verzahnung und des Getriebes ein. Für eine Verringerung der Geräuschemission und eine erhöhte Lebensdauer sind daher genau arbeitende Maschinen von großer Bedeutung. Da eine Großzahl der heutigen Getriebe die Anforderungen in diesen Bereichen immer weiter erhöht werden immer präzisere Verzahnmaschinen notwendig und unabdingbar.

Geschichte

Die ersten Überlegungen zur Herstellung von Verzahnungen gehen auf Whitworth (1835), Pfaff (1839) und Whitehead (1853) zurück. Christian Schiele beschrieb das Wälzfräsverfahren 1856 durch Einfügen der Teilwechselräder zwischen Werkzeug und Werkstück. Die Umsetzung des Patentes von Schiele in geeignete Maschinen gelang zunächst jedoch nicht. Erst nach dem Patent von Gant (1887) sind Wälzfräsmaschinen zum Fräsen von Stirnrädern gebaut worden. Ein nächster wichtiger Meilenstein war die Patentanmeldung von Pfauter 1897 der universalen Räderfräsmaschine für Stirn-, Schnecken- und Schraubenräder mit Differentialgetriebe. Das Wälzschälen wurde bereits zu Beginn des zwanzigsten Jahrhunderts entwickelt. Die Patentierung erfolgte 1910 durch Wilhelm von Pittler. Allerdings erfolgte die Umsetzung erst Jahre später, da die Anforderungen an Maschine, Steuerung und Schneidstoff nicht zufriedenstellend realisiert werden konnten. Die erste Maschine für das kontinuierliche Wälzschleifen wurde 1945 von der Firma Reishauer gebaut.

Literatur und Nachweise

• Fräsen und Verzahnen, Ernst Widmer, Birkhäuser Verlag, 1979, ISBN 3-7643-1134

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