Software „rückwärtsgedacht“ 06.05.2021, 12:00 Uhr

Auf dem Weg vom Wunsch-Zahnrad zum perfekten Werkzeug

Die Variantenvielfalt von Verzahnungen kennt keine Grenzen – eine hochpräzise Fertigung bisher allerdings schon. Für Abhilfe sorgt ein neuartiges Rechenmodell.

Der Anblick eines Wälzschälrads in der Software „Multigrind Styx“ lässt kaum erahnen, wie komplex die Berechnung seiner Geometrie tatsächlich ist. Foto: Haas

Der Anblick eines Wälzschälrads in der Software „Multigrind Styx“ lässt kaum erahnen, wie komplex die Berechnung seiner Geometrie tatsächlich ist.

Foto: Haas

In der Industrie werden bereits unendlich viele verschiedene Zahnradgeometrien genutzt. Trotzdem lassen sich Ingenieure immer wieder neue Varianten einfallen. So werden beispielsweise Getriebe von Automobilen immer kleiner, komplexer und leichter. Eine Forderung der Endanwender lautet dabei: Trotz der reduzierten Masse muss die Laufruhe selbstverständlich noch überlegener sein als in der Serie davor – und dies auch bei höchster Beanspruchung.

Bewährtes Verfahren Wälzschälen hat seine Grenzen – bisher

Die gewünschte Geometrie eines Zahnrads wird heute vielfach durch Wälzschälen erreicht. Damit ist die Präzision durch die Präzision des Werkzeugs limitiert, das die Bearbeitung ausführt. Das Prinzip des Wälzschälens ist seit über hundert Jahren bekannt. Allerdings ist die Technik im Maschinenbau erst seit einigen Jahren in der Lage, das Wälzschälen sicher auszuführen. Die erforderliche Präzision der Werkzeuge – und somit des Wälzschälens als Herstellungsprozess – wurde in aufwendigen Entwicklungsschritten erreicht. „Noch vor ein paar Jahren war die Güte der Zahnräder in der Klasse 4 bis 6 das Maß aller Dinge. Heute sind Toleranzen von 2µ keine Seltenheit.“ Für Software-Chef Wolfram Hermle von Haas Schleifmaschinen in Trossingen war die Zeit reif, sich einmal ganz grundlegend mit dieser Thematik zu beschäftigen, um nach einer wegweisenden Lösung zu suchen.

Bei einem hochpräzisen Getriebe ist das exakte Timing alles. Die zylindrischen Räder müssen hundertprozentig ineinandergreifen. Flankenform und Achskreuzwinkel lassen keine Toleranzen zu; das gilt sowohl für Innen- als auch für die Außengeometrien. Die Herstellung derart komplexer Profile erfordert hochkomplexe Berechnungen. In der Profilgenauigkeit bzw. der Teilungsgenauigkeit der Zahnräder setzt sich der minimalste Fehler fort und führt zu Ungenauigkeiten im gesamten Getriebe. Oft ist beim Prototyp des Getriebes nicht mal ersichtlich, wo sich der Fehler genau versteckt. Deshalb wurde es für die Ingenieure bei Haas Schleifmaschinen Zeit, eine Lösung zu erarbeiten.

Software ebnet den Weg zum Optimierungsziel

„Auf dem Markt gibt es bisher kein zufriedenstellendes Rechenmodell für immer höher werdende Präzisionsanforderungen“, so beschreibt Wolfram Hermle die Situation, die vor etwa zwei Jahren vorherrschte, als er das Projekt in der Entwicklung der „Multigrind“-Software angestoßen hat. Das Ziel dabei lautete, eine Rechengrundlage zu schaffen, die in der Lage ist, der unglaublichen Variantenvielfalt aller Verzahnungen gerecht zu werden. Und dies sollte darüber hinaus in einer Präzision möglich werden, die den Getriebeherstellern neue Horizonte eröffnet.

Software-Entwicklungschef Wolfram Hermle: "Wenn bisher für Zahnräder die Güte 4 bis 6 das Maß der Dinge war, streben wir nun nach einer Güte von 2 bis 3."

Foto: Haas

Abgeleitet von der perfekten Geometrie einer zylindrischen Verzahnung wird auf die Geometrie der Wälzschälräder zurückgerechnet. Die Bewegungsabläufe in der Fertigung und die relative Geschwindigkeit der Flanken definieren die künftige Geometrie des jeweiligen Wälzschälrads. „Wir rechnen mit der exakten Bahn, die aus der Bewegung des Zahnrades resultiert.“ Das entstandene Rechenmodell ist eine innovative Neuentwicklung, die mit ihrer Alleinstellung im Markt für viel Furore sorgen wird – davon ist der Software-Chef überzeugt.

Kürzere Schleifzeiten und geringere Werkzeugkosten

Auf die errechneten Oberflächen werden die gewünschten Schleifbahnen längs, quer und trochoierend projiziert. Der Kontaktpunkt zwischen Werkzeug und Werkstück kann dabei auf dem Schleifscheibenbelag wandern. Dadurch verkürzen sich die Schleifpfade und damit die Schleifzeit. Für diesen Einsatz werden Standardschleifscheiben zum Einsatz gebracht. Die Beschaffung von teuren Formschleifscheiben wird damit überflüssig.

Das neue Rechenmodell ist allerdings nur die eine Seite der Medaille. Die andere ist die Umsetzung. Denn präzise Software erfordert eine ebenso exakte Koordination mit einer präzisen Hardware. Die hochgenaue Übertragung der Multigrind-Horizon-Software auf die Maschinenbewegung erlaubt keinerlei Abweichungen. Um diese Präzision zu erzeugen, muss die Schleifscheibe auf ein zehntausendstel Grad genau ausgerichtet werden.

Closed Loop aus Messen, Abrichten, Schleifen…

Die notwendige Performance beim Schleifprozess ist ohne ausgefeilte Messtechnik und kontinuierliches Abrichten der Werkzeuge nicht erzielbar. Die gewünschte Genauigkeit des Wälzschälrads – und im Anschluss die des Zahnrads – lässt sich nur erreichen, wenn alle Produktionsschritte in einem kollaborativen Prozess aufeinander abgestimmt sind. Grundlage für die Feinstkorrektur der Schleifbahn sind die Resultate aus dem permanenten Nachmessen mit anschließender Kompensation von Fehlern. Dieser automatische Prozess läuft ganz im Sinne eines Closed Loop ab. So bleibt die Qualität konstant und fehlerfrei – Werkstück für Werkstück. Die Software handhabt diese Produktionsabfolge zuverlässig und schnell auch im mannlosen Betrieb.

Im Bild zu sehen ist der weiße Kontaktpunkt zwischen Werkzeug und Werkstück beim Schleifprozess.

Foto: Haas

Wolfram Hermle resümiert dazu: „Nur wenn Software und Hardware ideal aufeinander abgestimmt sind, entsteht das perfekte Werkzeug zur Fertigung eines perfekten Zahnrades. Wir bei Haas Schleifmaschinen sind darauf spezialisiert, vom gewünschten Endprodukt aus zu entwickeln. Die Frage ,Welche Eigenschaften soll das Zahnrad besitzen?‘ wird zum Ausgangspunkt unserer Fertigungsstrategie für das perfekte Wälzschälrad.“

Weiteres Wissenswertes zum Thema Verzahnen finden Sie hier:

Verzahnungsherstellung: Das sind die neuesten Trends

Elektromobilität: Nichts geht ohne Verzahnungen

Verzahnungsherstellung: Technologietrends und Digitalisierung

Von Birgit Etmanski / Haas

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