Kegelräder-Fertigung Exakter Schliff

Redakteur: Silvano Böni

>> Kegelräder finden sich in unterschiedlichsten Getriebearten und -grössen. Unabhängig vom Einsatzgebiet benötigen sie eine exakte Kontur, um optimale Kraftübertragung bei minimalem Geräuschverhalten zu gewährleisten. Diese erhalten sie in Kegelradmaschinen, deren Werkzeuge meist mit Stabmessern besetzte Messerköpfe sind. Speziell zum Schleifen dieser Stabmesser ist die Klingelnberg-Maschine «Oerlikon B 27» konzipiert. Für die Steuerung des Präzisionsschliffs sorgt eine 5-Achsen-Fanuc-CNC vom Typ 31i-Model B5.

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Die Fanuc-gesteuerte Werkzeugschleifmaschine Oerlikon B 27 eignet sich für die Produktion und zum Nachschleifen von Stabmessern für Kegelrad-Fräs- und -Wälzschäl-Messerköpfe.
Die Fanuc-gesteuerte Werkzeugschleifmaschine Oerlikon B 27 eignet sich für die Produktion und zum Nachschleifen von Stabmessern für Kegelrad-Fräs- und -Wälzschäl-Messerköpfe.
(Bild: Fanuc)

In Fahrzeugen, Bau- und Bergbaumaschinen, Agrartechnik, Luftfahrt, Industrie und Anlagenbau – überall werden Getriebe mit Kegelrädern unterschiedlicher Art und Grösse benötigt. In Autos mit Allradantrieben oder in Hinterachsgetrieben werden beispielsweise Spiralkegelräder benötigt, um das Drehmoment vom Getriebe auf die Strasse zu bringen. Für eine optimale Übertragung müssen die Kegelräder hocheffizient, äusserst laufruhig sowie absolut wartungsarm und zuverlässig sein. Um diese anspruchsvollen Anforderungen erfüllen zu können, gibt es für die Produktion von Kegelrädern spezielle Fräs- und Schleifmaschinen, wobei Erstere meist mit flexiblen, wirtschaftlichen Werkzeugsystemen bestückt sind.

Zu den führenden Anbietern solcher Kegelradmaschinen gehört die Klingelnberg AG. Sie bietet jedoch nicht nur Fräs- und -schleifmaschinen für die wirtschaftliche und hochpräzise Fertigung von Kegelrädern, Schnecken und Rotoren, vielmehr deckt das Unternehmen die komplette Prozesskette der Kegelradfertigung ab, zu der neben dem Fräsen, Schleifen und Läppen, auch das Messen, Fixtur-Härten, Testen sowie die Werkzeugherstellung und -aufbereitung gehören. Wesentliche Elemente des umfassenden Angebotes sind die leistungsstarke Auslegungssoftware KIMoS (Klingelnberg Integrated Manufacturing of Spiral Bevel Gears) und das Closed-Loop-Konzept. Sie stellen Transparenz und dokumentierte Qualität in der gesamten Prozesskette sicher.

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Werkzeugsysteme für höchste Produktivität

Grosse Aufmerksamkeit widmet Klingelnberg seinen Hochleistungs-Werkzeugen – patentierten Messerkopfsystemen, die den höchsten Anforderungen an Genauigkeit und Standzeit genügen. Sie enthalten bis zu 40 einstell- und nachschleifbare Hartmetall-Stabmesser, die beschichtet sind und beste statische und dynamische Festigkeitseigenschaften bieten. Sie bilden die Basis für eine hohe Produktivität sowie günstige Stückkosten und sorgen für die gewünschte Produktqualität. Das Stabmesser ist innerhalb der Kegelrad-Prozesskette ein genauigkeitsbestimmendes Teil, das mit einer sehr hohen Wiederholgenauigkeit geschliffen werden muss. Schliesslich müssen alle in einem Messerkopf eingesetzten Stabmesser vollumfänglich miteinander harmonieren, um das gewünschte Arbeitsergebnis zu erhalten. Zu diesem Zweck bietet Klingelnberg die äusserst kompakte, moderne und hochpräzise Werkzeugschleifmaschine Typ Oerlikon B 27 an. Auf ihr sind Stabmesser für Kegelrad-Fräs- und -Wälzschäl-Messerköpfe in den üblichen Querschnitten von 5 x 9 mm bis zu 19,95 x 27,94 mm herstell- und nachschleifbar.

Die Konstruktion sowie die Softwareentwicklung für diese Werkzeugschleifmaschine B 27 ist am Klingelnberg-Stammsitz im Zürcher Stadtteil Oerlikon beheimatet. Dr.-Ing. Frank Stimpel aus der Entwicklungsabteilung für Elektrik und Software erklärt: «Schon die Vorgänger dieser drei Maschinen wurden hier entwickelt, damals noch von Oerlikon Geartec, die 1993 in der Klingelnberg-Gruppe aufgegangen ist.»

Präzisionsmaschine mit zuverlässiger CNC- und Antriebstechnik

Mit der Fünfachsschleifmaschine Oerlikon B 27 lassen sich Toleranzen im µm-Bereich ebenso einhalten wie Winkelabweichungen im Hundertstel-Grad-Bereich. Dafür ist jede Achse zusätzlich zum Motorgeber mit einem absoluten Messsystem ausgestattet. Ausserdem verfügt die mechanisch stabil aufgebaute Maschine zusätzlich noch über eine Temperaturkompensation. Zur Präzisionsbearbeitung trägt darüber hinaus die eingesetzte Steuerung bei, eine Fanuc-CNC der neusten Generation Serie 31i-Model B5.

Klingelnberg setzt für die am Standort Zürich angesiedelten Maschinen bereits seit 17 Jahren ausschliesslich auf CNC- und Antriebstechnik von Fanuc. Eine Kontinuität, die Frank Stimpel zu schätzen weiss: «Letztendlich bauen wir Spezialmaschinen, die auf Steuerungsseite ein sehr grosses Know-how erfordern. Durch die jahrelange enge Zusammenarbeit kennen wir uns selbst mit der Fanuc-CNC sehr gut aus und wissen, dass wir bei Bedarf ohne lange Wartezeit hochqualifizierte Unterstützung erhalten.»

Eine Grundvoraussetzung, die von der CNC und den Antrieben erfüllt werden muss, ist die geometrische Genauigkeit. «Diesbezüglich lässt die Fanuc-CNC 31i nichts zu wünschen übrig», urteilt Frank Stimpel. «Auch die Anforderung nach mindestens zwei Kanälen und einer Vielzahl an Achsen wird mit Leichtigkeit erfüllt.» Bei der Oerlikon B 27 übernimmt ein Kanal den Schleifbetrieb, steuert also die drei linearen Achsen X, Y und Z sowie die rotatorischen Achsen A und C. Über den zweiten Kanal wird das Beladesystem mit seinen vier NC-Achsen U, V und W sowie die Drehachse B gesteuert. Die integrierte SPS – bei Fanuc als PMC bezeichnet – ist für die Peripherie zuständig. Hier macht sich der jüngste Modellwechsel auf die Serie 31i-Model B besonders bemerkbar (siehe Textkasten). Deren Hochgeschwindigkeits-PMC ist durch den schnelleren Prozessor noch leistungsstärker als bisher.

Integrierte Sicherheitsfunktion vereinfacht den Einrichtvorgang

Ein weiteres Highlight dieser Steuerung ist der Serial Servo Bus FSSB. Seine wesentliche Stärke: Er überträgt auch Spindeldaten, weshalb sich Servo- und Spindelverstärker über ein einziges Glasfaserkabel mit der CNC-Steuerung verbinden lassen. Das bedeutet einen geringeren Verdrahtungsaufwand und vereinfachten Schaltschrankaufbau. Einen zusätzlichen Vorteil bietet der neue I/O-Link i, der in der Lage ist, sichere Signale zweikanalig zu übertragen. Dies wirkt sich unter anderem vorteilhaft auf die integrierte Sicherheitsfunktion Dual Check Safety aus, für deren Anwendung jetzt nur noch ein einziges I/O-Link-i-Kabel verlegt werden muss.

Für Klingelnberg war dies ein wichtiges Argument, um bei der Werkzeugschleifmaschine B 27 diese integrierte Sicherheitsfunktion zu nutzen: «Die neuen Sicherheitsvorschriften für Werkzeugmaschinen fordern, sobald die Türe zum Bearbeitungsraum aufgeht, entweder eine spannungsfreie Spindel oder eine redundante elektronische Sicherheitslösung wie Fanuc Dual Check Safety. Mit Letzterer hat der Anwender die Möglichkeit, bei offener Türe mit festgelegten niederen Geschwindigkeiten die Achsen sicher zu bewegen, was gerade beim Einrichten der Maschine von grossem Vorteil ist.»

Die gute Zusammenarbeit mit den Applikationsingenieuren der Schweizer Fanuc-Niederlassung hat sich erneut beim Generationswechsel der Steuerung bestätigt, wie Frank Stimpel ausführt. «Fanuc-Mitarbeiter waren nach unserem Bedarf hier vor Ort und unterstützten unser Applikationsteam, um so schnell wie möglich die betroffenen Maschinen um- und einzustellen.»

Hohe Verfügbarkeit ist die Basis mannloser Schichten

Ansonsten wird der Service nur selten benötigt, denn die Produkte sind ausgesprochen zuverlässig. Statistische Untersuchungen haben ergeben, dass rechnerisch erst nach über zehn Jahren ein Fehler auftritt, der zu einem steuerungsbedingten Ausfall der Werkzeugmaschine führt. Auch Frank Stimpel weiss um diese Stärke seines Partners und kann die Zuverlässigkeit bestätigen: «Unsere Kunden haben meines Wissens nach bisher noch nie über den steuerungsbedingten Ausfall unserer Schleifmaschine geklagt. Diesbezüglich spielt Fanuc schon in einer eigenen Liga.»

Die hohe Verfügbarkeit ist für den Entwicklungsingenieur von grosser Bedeutung. Denn die B 27 ist für mannlose Schichten konzipiert, wofür höchste Ausfallsicherheit aller Komponenten erforderlich ist. So enthält die Schleifmaschine ein automatisches Zuführsystem mit Kassetten, in die die verschlissenen Messer jeweils eines Messerkopfs eingelegt werden. Nachdem jeder Kassette die entsprechenden Datensätze zugeordnet sind, kann die Schleifmaschine über 500 Stabmesser nacheinander voll autonom bearbeiten, ohne einen Bediener zu benötigen. <<

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