Hochvorschub-Frässysteme der Paul Horn GmbH und Boehlerit Doppelt so schnell: Fräsen statt Schälen von Verzahnungen

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Hohe Wellen, der Wind stürmt gegen Backbord und die Gischt peitscht über das Deck. Das Versorgungsschiff ist nur wenige Meter von den gewaltigen Stützfüssen der Offshore-Plattform entfernt. Jedoch weicht das Schiff nicht einen Meter von seiner Position. Wie ist das möglich? Die Crew steuert dieses mit Voith-Schneider-Propellern. Seit rund 100 Jahren produziert Voith diesen speziellen Antrieb im schwäbischen Heidenheim. Die Kraftübertragung geschieht über enorme Verzahnungsbauteile. Zum Schruppen der Verzahnungen setzt das Team um den Prozess-Ingenieur Dr. Thomas Glaser auf Hochvorschub-Frässysteme der Paul Horn GmbH und Boehlerit.

Durch seine Bauweise erzeugt ein Voith-Schneider-Propeller (VSP) Schub in jede beliebige Richtung. Er ist daher Antrieb und Steuerung in einem. Dank kurzer Reaktionszeiten auf Steuerbefehle ermöglicht der VSP zudem auch unter widrigen Bedingungen schnelles, sicheres und präzises Manövrieren.

Auch eine seitliche Bewegung (Traversieren) ermöglicht dieses System. Zum Einsatz kommt dieses Antriebskonzept bei Schiffen, die eine hohe Manövrierfähigkeit benötigen. Dazu zählen beispielsweise Hafenschlepper, Doppelendfähren, Schwimmkräne sowie Bohrinselversorgungsschiffe.

Einfaches Prinzip

In einem Radkörper sind senkrecht bewegliche und steuerbare Flügelblätter montiert. Je nach Typ variiert die Anzahl zwischen vier und acht Flügeln. Rotiert der Radkörper und die Flügel führen währenddessen eine Schwingbewegung aus, dann wird Schub erzeugt. Die Drehzahl des Radkörpers und die Schwingungsamplitude bestimmen dessen Kraft.

Die Phasenlage der Flügel bestimmen die Richtung. Der VSP arbeitet im Betrieb mit geringen Drehzahlen. Diese betragen nur rund ca. 25 Prozent von herkömmlichen Schiffspropellern. Die dadurch entstehenden hohe Drehmomente verlangen nach einer robusten Konstruktion des Systems. Der Antrieb der VSP erfolgt über Diesel- oder Elektromotoren.

Kegelradgetriebe: vom Schälen zum 5-Achs-Simultan-Schrupp-Fräsen

Die Kraftübertragung von Motor zum Propeller geschieht über ein Kegelradgetriebe. Je nach Grösse des VSP, gestalten sich auch die Ausmasse der Verzahnungsbauteile. Aufgrund der teils langen Bearbeitungszeiten sucht Th. Glaser stets nach Punkten, wie er die Bearbeitungsprozesse optimieren kann: «Die Fertigung eines Kegelritzel mit dem Modul 21,4 erforderte eine Anpassung. Für die Vorbearbeitung des Ritzels benötigten wir auf einer speziellen Schälmaschine eine sehr lange Bearbeitungszeit».

Das Ziel war die Umstellung vom Schälen zum 5-Achs-Simultan-Schrupp-Fräsen, um die Bearbeitungszeit nahezu zu halbieren.

«Ein weiterer wichtiger Punkt war die Standzeit der Werkzeuge. Hier legten wir fest, dass der Standweg eines Werkzeugs mindestens ein Bauteil betragen muss», so Th. Glaser.

Hochvorschubfräser reduzieren Bearbeitungszeit

Aufgrund der guten Erfahrungen mit Horn-VHM-Fräsern beim Hart- und Fertigfräsen war der Tübinger Werkzeughersteller der erste Ansprechpartner für den Fräsprozess der «Modul 21,4 Verzahnung». Wegen des hohen Zerspanvolumens und der geforderten Reduktion der Bearbeitungszeit um 40 Prozent, kommen zum Schruppen Hochvorschubfrässysteme zum Einsatz. Die Wahl fiel, aufgrund der Verzahnungsgeometrie, auf drei unterschiedliche Durchmesser sowie unterschiedliche Fräsertypen.

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Mit drei Fräsertypen bis zum Zahngrund

Den ersten Schnitt übernimmt ein Wendeplattenfräser mit einem Durchmesser von 40 mm und sechs Zähnen von Boehlerit. Die zweite Zustellung übernimmt ein Horn-Wechselkopffräser des Typs «DGH» mit vier Schneiden und einem Schneidendurchmesser von 20 mm. Zum Schruppen des Zahngrunds des Ritzel kommt ein VHM-Schaftfräser der Baureihe «DSH» mit dem Durchmesser 12 mm und ebenfalls vier Zähnen zum Einsatz.

Vorteil: Querkräfte sind recht niedrig

Hochvorschubfräser schneiden stirnseitig. Durch die Belastung in Achsrichtung ist die Werkzeugspindel vorwiegend auf Druck belastet und die Querkräfte sind verhältnismässig niedrig. Wegen der geringen Vibrationsneigung können die Werkzeuge die hohen Belastungen bei den üblichen Zahnvorschüben von fz = 1 mm bei Schnitttiefen ap bis 1,5 mm sicher aufnehmen.

Der grosse Radius an der Hauptschneide der Wendeschneidplatten erzeugt einen weichen Schnitt, sichert eine gleichmässige Aufteilung der Schnittkräfte und damit lange Standzeiten. Auf der Innenseite sorgt ein kleiner Schneidenradius für ein problemloses und schnelles Eintauchen. Ein Primär- und Sekundärfreiwinkel führt zu einem stabilen Keilwinkel und guter Schneidenstabilität. Durch bedeutend höhere Vorschübe als beim konventionellen Fräsen ist das Zerspanvolumen beim Hochvorschubfräsen wesentlich höher, trotz der geringeren Zustelltiefen.

Ziel erreicht: 55 Prozent Zeitreduktion gegenüber Schälen

Für das Schruppen der Verzahnung setzt Voith auf ein neues vollautomatisiertes Fertigungssystem von Grob. Die Anlage besteht aus drei 5-Achs-Bearbeitungszentren mit automatischen Linearspeicher sowie diversen Rüststationen. Die Bearbeitungszeit beim Vorverzahnen konnte durch die Umstellung auf das neue Werkzeugkonzept im Vergleich zum Schälen um 55 Prozent reduziert werden.

Das Ziel von 40 Prozent wurde somit übertroffen. Die Standzeit der Werkzeuge beläuft sich wie gefordert bei einem Bauteil pro Werkzeug, beziehungsweise eine Schneide aller eingesetzten Wendeplatten beim Wendeplattenfräser. «Die Leistung der Fräser haben uns voll überzeugt. Es sind jedoch nicht nur die Werkzeuglösungen: Zur Umsetzung von solchen Projekten gehört auch die kompetente technische Beratung sowie eine schnelle Reaktions- und Lieferzeit. Diese Merkmale erfüllt Horn für uns als Werkzeugpartner», so Th. Glaser.

(böh)

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