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Mit der Umsetzung der Prozesskette von der Modellerstellung bis zur Tragbildprüfung konnte aufgezeigt werden, dass die 5-Achs-Bearbeitung von globoidischen Schneckenrädern gut in der Praxis eingesetzt werden kann.

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Das Fräsen von Verzahnungen auf CNC-gesteuerten 5-Achs-Fräsmaschinen hat sich in verschiedenen Anwendungen bewährt und ist gerade bei Kleinserien eine wirtschaftliche Alternative zur konventionellen Fertigung. Neben den – häufig eingesetzten – Stirnrädern oder spiralverzahnten Kegelrädern bieten auch die Schneckenräder ein großes Potential, da in der Praxis verschiedene Flankenformen vorhanden sind, welche sich mit dem 5-Achs-Fräsen sehr universell herstellen lassen.

Die Firma Welter Zahnrad ist Hersteller von Kegelrädern in allen Größen und Verzahnungsformen mit langjähriger Erfahrung im Bereich 5-Achs-Fräsen von unterschiedlichsten Verzahnungsarten. Weiterhin ist das Unternehmen auch auf das Fräsen von Schneckenrädern spezialisiert und bietet neben dem Fräsen auch die Tragbildprüfung durch Abrollen der Verzahnungen an.

Schneckenräder mit CAVEX-Flankenform

Die Schneckenräder werden in der Praxis mit verschiedenen Flankenformen wie ZA, ZI, ZN, ZC und ZK eingesetzt. Die Geometrien der einzelnen Flankenformen werden mit dem überarbeiteten Technical Report der ISO (ISO/DTR 10828.2) aus dem Jahre 2011 festgelegt und in Kisssoft implementiert. Kisssoft erzeugt auf dieser Grundlage die 3D-Modelle, welche im STEP-Format für die Fertigung mit 5-Achs-Fräsmschinen bereitgestellt werden.

Der Zahnradhersteller hat in einem konkreten Fall ein Schneckenradpaar mit globoidischem Rad mit Modul 11,4 mm und der ZC-Flankenform gefräst – Übersetzung 6:35, Steigungswinkel am Teilkreis 34,8°.

Die Schnecke wurde konventionell gefertigt und geschliffen, und das Schneckenrad mit der 5-Achs-Technologie hergestellt. Dabei entspricht die Flankenform ZC der Form von CAVEX weitestgehend, welche einen konkav-konvexen Flankenkontakt ergibt.

Der Prozess beim 5-Achs-Fräsen

Das 5-Achs-Fräsen benötigt als Ausgangslage 3D-Modelle mit der exakten Flankengeometrie. Zusätzlich muss das Eingriffsverhalten zu optimieren sein. In Kisssoft stehen zahlreiche Möglichkeiten zur Modifikation der Tragbildlage auf der Basis des Schneckenradfräsers zur Verfügung. Diese beinhalten die Vergrößerung des Fräsers, die Fräserschaft-Winkeländerung gegenüber dem Schneckenrad sowie eine Eingriffswinkeländerung am Werkzeug. Zusätzlich kann für das Schneckenrad auch eine abweichende Flankenform gegenüber der Schnecke definiert werden. Diese, zwar eher selten angewandte, Möglichkeit ist in der Praxis gelegentlich anzutreffen, um Herstellungsvorteile gegenüber der originalen Paarung zu erhalten.

Da im vorliegenden Fall die Schnecke konventionell gefräst wurde, musste im Voraus kontrolliert werden, ob die von Kisssoft in 3D berechnete Schnecke mit der gefertigten Schnecke übereinstimmt.

Die Flankenform der Schnecke kann im Axialschnitt als DXF-Datei in Kisssoft eingelesen werden. Somit wird ein Vergleich der bereits gefertigten Schneckengeometrie mit der in Kisssoft gerechneten Geometrie, und zudem eine allfällige Korrektur in den Definitionen des Schneckenwerkzeuges möglich.

Bezüglich der Schleifscheibe sind zwei verschiedene Definitionen in der Praxis gebräuchlich, wobei sich Kisssoft auf die Definition über Kopfkreisradius und Profilradius des Werkzeuges abstützt. Der Vergleich der Axialschnitte ermöglicht eine Annäherung der Flankenformen mittels Optimierung der Werkzeugdaten.

Zur Tragbildüberprüfung in Kisssoft wird eine grafische Kontaktanalyse (lastfrei) durchgeführt, welche das Tragbild ergab. Dieses ist auf die Auslaufseite hin versetzt, was unter Last die gewünschte Tragbildlage ergibt.

Die Modellerstellung erfolgt in Kisssoft auf Basis der Herstellungssimulation von Schneckenradfräser und Maschinenkinematik. Ausgehend vom erzeugten Schnittmodell wird ein Modell mit einer geglätteten Oberfläche erstellt. Die Verzahnung wurde anschliessend auf einem Prüfstand abgewickelt und das Tragbild mit der Simulation verglichen. Es zeigt eine sehr gute Übereinstimmung.

Zusammenfassung

Mit der Umsetzung der Prozesskette von der Modellerstellung bis zur Tragbildprüfung konnte aufgezeigt werden, dass die 5-Achs-Bearbeitung von globoidischen Schneckenrädern gut in der Praxis eingesetzt werden kann. Das stellt bei Reparaturarbeiten oder Einzelfertigungen eine rentable wirtschaftliche Alternative gegenüber der konventionellen Fertigung dar.

* Dipl.-Ing. Jürg Langhart, KISSsoft AG, Schweiz; Dipl.-Ing. Günes Ökkes, WELTER zahnrad GmbH, Deutschland

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