esco PTM: Powersoftware für das Power-Skiving

Wälzschälen kann für ein breites Spektrum an Zahnrädern und verzahnten Wellen verwendet werden. (Bild: iStock.com/adventtr)

Das Thema Elektromobilität ist omnipräsent. Die Flottenstrategie eigentlich aller Hersteller tendiert klar in Richtung Elektrofahrzeuge. Doch nicht nur die als Zukunftsantrieb gepriesene Technologie wird, aller Voraussicht nach, die gesamte Automobilindustrie verändern, sondern auch im Bereich der E-Auto-Produktion könnten alternative Fertigungsverfahren alles Bisherige auf den Kopf stellen – und das Wälzschälen oder Power-Skiving kann definitiv als eine disruptive Technologie eingeordnet werden.

Das Thema Elektromobilität befindet sich weiter auf dem Vormarsch – und mit ihr wachsen auch die Anforderungen an die Antriebskomponenten. (Bild:iStock.com/GoodLifeStudio)

Die Technologie

Das Zerspanungsverfahren, das für eine große Bandbreite an Bauteilen und Bauteilmerkmalen geeignet ist, hat das Potenzial, Produktivität, Flexibilität und Kosten bei der Serienfertigung von Getriebekomponenten signifikant zu verbessern. Bei der speziellen Bearbeitungsmethode handelt es sich um einen kontinuierlichen Zerspanungsprozess, der wesentlich schneller als das Wälzstoßen ist und eine flexiblere Bearbeitung als das Räumen und Wälzfräsen liefert. Für das Wälzschälen als wirtschaftliches und flexibles Verzahnverfahren stehen Innenverzahnungen und Verzahnungen mit verfahrensbegrenzenden Störkonturen im Vordergrund. Die Verzahnungstypen können vielfältig sein: beginnend mit beliebig korrigierten evolventischen Laufverzahnungen über Steckverzahnungen bis zu Zahnriemen- oder Kettenradprofilen. Wichtig dabei ist die erreichbare Genauigkeit: Durch Wälzschälen sind Verzahnungen in einem Modulbereich von etwa mn = 0,3 bis mn= 8 mm in DIN-Qualität 5 herstellbar. Die Idee zum Wälzschälen wurde bereits 1910 vom deutschen Ingenieur Wilhelm von Pittler zum Patent angemeldet, doch letztlich konnten erst hochauflösende, elektrische Motorspindeln und schnelle Steuerungen dem Wälzschälen zum Durchbruch verhelfen.

Da somit letztendlich fast alle Bauteilmerkmale ohne aufwändiges und zeitintensives Rüsten bearbeitet werden können, verwundert es nicht, dass die Nachfrage nach Power-Skiving-Lösungen stark angestiegen ist. Insbesondere seitdem die Automobilindustrie massiv in Elektromobilität investiert. Die breite Nutzung der Technologie ist jedoch abhängig von der Versorgung mit hochpräzisen Wälzschälwerkzeugen, die für jede Verzahnung (Modul und Zähnezahl) individuell ausgelegt werden. Zum Einsatz kommen sowohl Vollprofilwerkzeuge aus Schnellarbeitsstahl oder Vollhartmetall als auch Wendeschneidplattenlösungen. Doch insbesondere die Konstruktion und Herstellung dieser hochproduktiven Präzisionswerkzeuge verlangt neben dem Technologie-Know-how die Kompetenz und Fähigkeit, alle Prozessschritte modellieren und simulieren sowie digital optimieren zu können. Eine umfassende Softwarelösung, die das leistet, hat esco entwickelt.

Das Wälzschälen hat das Potenzial, Produktivität, Flexibilität und Kosten bei der Serienfertigung von Getriebekomponenten signifikant zu verbessern. (Bild: iStock.com/loraks)

Das Komplettsystem

esco ist auf Systemsoftwarelösungen für die Entwicklung und Fertigung von Präzisionswerkzeugen bis hin zur geometrischen Qualitätskontrolle spezialisiert. Die für die Konstruktion und Fertigung von Power-Skiving-Werkzeugen entwickelte Systemlösung basiert auf der PTM Software (Precision Tool Manufacturing). Diese verkörpert alle relevanten Fertigungsverfahren in einer virtuellen Maschine und ermöglicht so die Werkzeugentwicklung, die Durchführung von Machbarkeitsanalysen und die Fertigungsautomatisierung auf Basis der exakten mathematischen Abbildung der geometrischen und kinematischen Parametern. Im Kern besteht die 1993 gelaunchte Software, die vor etwa zehn Jahren um effiziente Softwaretools für das Power-Skiving ergänzt wurde, aus einer Bibliothek von Kinematikmodellen, die die Freiheitsgrade und Achsbewegungen der jeweiligen Fertigungsverfahren exakt abbilden.

PTM für Power-Skiving bietet alle notwendigen Features zur geometrischen Auslegung von Wälzschälwerkzeugen – für beliebige Verzahnungen inklusive quantitativer Machbarkeitsanalysen via Verfahrenssimulation. Zur Optimierung der Einstelldaten geben die Ergebnisse der Schneidengeometrie-Analyse wichtige Informationen. Somit können effektive Frei- und Spanwinkel sowie die Schnittgeschwindigkeiten für die gesamte Schneide berechnet und dargestellt werden.

Zur 3D-Visualierung mit exakten geometrischen und kinematischen Daten hat esco das Softwaretool EVA4D (esco Visualization Application 4D) entwickelt. EVA4D, das an die virtuelle Maschine angebunden ist, ermöglicht die einfache Parametrierung und das Einlesen von Kollisionsgeometrien zur Überprüfung eines einwandfreien, kollisionsfreien Verfahrens. Dazu werden alle Randbedingungen für eine definierte Bearbeitungsaufgabe in der virtuellen Umgebung definiert, getestet und optimiert. Neben der Werkzeugauslegung zählt dazu auch die Bereitstellung der Daten für nachgeschärfte konische Wälzschälräder: Die Berechnung der Nutzbreite wird durch entsprechende Programmfeatures unterstützt, die optimierten Einstelldaten für die Einsatz- bzw. Lebensdauer werden vollautomatisch berechnet – allein dies soll laut esco das Potential haben, die Werkzeugkonstruktionszeit um 25 Prozent zu verkürzen. Darüber hinaus stehen weitere verfahrens- und technologieorientierte Module im Vordergrund wie beispielsweise die automatisierte Berechnung von technologieorientierten Schnittaufteilungen mit den zugehörigen Einstelldaten für jeden Schnitt.

Von der Konstruktion bis zur Fertigung

Später übernimmt PTM die Schälraddaten automatisch in die Module zur Simulation der schleiftechnischen Fertigung – mit der automatischen Berechnung der Schleifscheibengeometrien und Schleifbahnen bis zur Übergabe der NC-Programme für das Abrichten und Schleifen an die Werkzeugschleifmaschine. Für den letzten Fertigungsschritt bietet esco die für eine garantierte, wiederholbar hohe Werkzeugqualität notwendige softwaretechnische Unterstützung: Das vollintegrierte Mess- und Auswertesystem HAWK stellt alle Analysemöglichkeiten im Rahmen der Messung von Wälzschälrädern zur Verfügung. Im sogenannten ClosedLoop, einem Regelkreis zur Gewährleistung gleichbleibend hoher Qualität, werden die gemessenen Abweichungen zur automatischen Kompensation in den Abricht- und Schleifprozess zurückgeführt. Auf diese Weise können die Durchlaufzeiten von der Konstruktion bis zum fertigen Werkzeug minimiert werden – mit dokumentierter Qualität und optimalem Ressourceneinsatz.

Kompetenter Systempartner

Die Effizienz konventioneller Fertigungsmethoden innerhalb der Getriebefertigung ist begrenzt. Im Vergleich zum Wälzschälen ergeben sich spätestens dann gravierende Nachteile, wenn Unternehmen nach mehr Flexibilität und Produktivität verlangen. Deshalb ist Power-Skiving für Werkzeug- und Maschinenhersteller, die beim Thema Verzahnen weiterhin vorne dabei sein wollen, eine immens wichtige Technologie – einschließlich der Konstruktion und Fertigung optimierter Werkzeuge. Dieser Umstand verstärkt sich nochmals, da seitens der Industrie bereits seit geraumer Zeit ein erhöhtes Interesse zu verzeichnen ist. Und auch die zu erwartenden Entwicklungen bei der E-Auto-Produktion unterstreichen nochmals, dass die Methode auf dem Vormarsch bleiben und zukünftig eine noch gewichtigere Rolle bei der Fertigung von Getriebekomponenten spielen wird. Durch effiziente Simulationsmethoden und die Kontrolle des gesamten Werkzeuglebenszyklus bietet esco mit seinem Softwaresystem ein geeignetes Tool zur Auslegung und Fertigung hochgenauer und leistungsfähiger Wälzschälwerkzeuge.