Wälzfräsen: ein Fertigungsverfahren zum Herstellen von Verzahnungen. Kennen Sie die Vor- und Nachteile?

Das Wälzfräsen ist dank seiner hohen Produktivität das vorherrschende Verfahren für die Herstellung von Zahnrädern. Mit einem Wälzfräser lassen sich beinahe sämtliche Zähnezahlen, alle Profilverschiebungen und beliebige Schrägungswinkel erzeugen. Aber wie bei jedem Verfahren, gibt es auch hier Vor- und Nachteile. Kennen Sie diese?

Grundlegendes zum Wälzfräsen

In wälzenden Fertigungsverfahren wird das Zahnprofil durch ein Abwälzen des Werkzeugs (Wälzfräser) am Werkstück erzeugt. Der geometrische Ausgangskörper eines Wälzfräsers entspricht dabei immer einer ein- oder mehrgängigen Schnecke, die durch Spannuten in einzelne Scheiden aufgeteilt sind. Die Schneiden des Wälzfräsers sind dabei immer entsprechend dem benötigten Werkzeugbezugsprofil (Modul) gestaltet. Die für die Erzeugung der Evolvente erforderliche Wälzbewegung wird bei diesem Verfahren aus der Kopplung der Werkzeuggeometrie und der Rotation von Werkzeug und Werkstück realisiert.

Die Anfänge

Die Entwicklung der Dampfmaschine im 18. Jahrhundert und der Beginn der industriellen Revolution führten zu einem steigenden Bedarf an Zahnrädern. Ab dem 19. Jahrhundert erforderte der Werkzeugmaschinenbau eine steigende Genauigkeit der Verzahnungen – somit stieg auch die Nachfrage nach effizienten Fertigungsverfahren. Das Wälzfräsen wurde 1856 von Christian Schiele erfunden. Es dauerte jedoch noch ungefähr 30 Jahre, bis George B. Grant die erste brauchbare Maschine zum Fräsen geradeverzahnter Stirnräder baute. 1897 entwickelte Hermann Pfauter eine universale Maschine, mit der sich Schnecken- und Schraubenräder fertigen liessen. In seinem Patent waren die Spindel- und Werkstückachsen über ein Differenzial kinematisch gekoppelt. Nun konnten evolventische Verzahnungen effizient hergestellt und somit nutzbar gemacht werden. In der Verzahnungstechnik eröffnete diese Entwicklung neue Möglichkeiten für die Massenproduktion.

Weiterentwicklung des Wälzfräsens

Durch die kontinuierliche Weiterentwicklung der Werkzeugtechnik konnte die Produktivität in der Verzahnungsfertigung massiv gesteigert werden. Die Entwicklung neuer Schneidstoffe aus Schnellarbeitsstahl (HSS) und später aus Hartmetall führte zu einem Anstieg der Zerspanungsleistung. Gleichzeitig reduzierten sich dadurch die Produktionskosten. Die höheren Leistungen der Schneidstoffe hatten zur Folge, dass die Wälzfräsmaschinen immer stabiler gebaut werden mussten. Ab den 90er Jahren wurde die Leistungsfähigkeit der Verzahnungswerkzeuge aufgrund der Beschichtungstechnik nochmals deutlich gesteigert. Eine weitere wesentliche Weiterentwicklung der Verzahnungstechnik war die Einführung von CNC-unterstützten Werkzeugmaschinen. Es war nun möglich, die Achsen der Verzahnungsmaschinen elektrisch und nicht mehr mechanisch zu koppeln, was die Verzahnungsqualität sowie die Standzeit der Werkzeuge massiv verbesserte.

Vorteile und Nachteile

Vorteile:

• Hohe Produktivität
• Hohe Automatisierbarkeit
• Vielseitigkeit (beliebige Zahnformen, Keilprofile, Kettenradverzahnungen, etc.)
• Ununterbrochene Zerspanung ohne Rückhübe
• Durch kontinuierliche Zerspanung günstige Kräfteverhältnisse und hohe Genauigkeit

Nachteile:

• Einschränkung durch Störkonturen
• Überlagerung von Vorschubmarkierungen
• Bei Innenverzahnungen nur sehr beschränkt einsetzbar

Wälzfräsen bei der GROB AG

Wir verfügen über eine sehr grosse Erfahrung beim Wälzfräsen, weil wir dieses Fertigungsverfahren bereits seit über 70 Jahren bei uns in der GROB AG anwenden. Auf unseren neun Wälzfräsmaschinen können wir Zahnräder von Modul 0.4 bis 20 und bis zu einem Durchmesser von max. 1600 mm mit dem neusten Stand der Technik herstellen. Seit kurzem sind wir nun auch in der Lage, die Hartfeinbearbeitung der Verzahnungen mittels Schälwälzfräsen anzubieten – dazu aber mehr in einem späteren Beitrag. Unsere Mitarbeiter können ihr erlerntes Fachwissen täglich für die Produktion der qualitativ hochstehenden Zahnräder einsetzen. Dabei werden sie für die effiziente und wiederholgenaue Produktion von Automatisierungssystemen unterstützt. Wir haben uns auch bei den Wälzfräswerkzeugen ein hohes Know-how erarbeitet und können diese auf unserer Wälzfrässchleifmaschine selbst nachschleifen. Hohe Flexibilität und Qualität sind dadurch garantiert.

GROB AG Nebikon, Rafael Fellmann