Kegelradverzahnungen berechnen mit KISSsoft-3D-Modellen

Die Herstellung von Verzahnungen mit Universal-5-Achs-Fräsmaschinen hat sich in den vergangenen Jahren als neue Produktionsmethode etabliert. Was zu Beginn nach einem vorübergehenden Trend aussah, ist mittlerweile besonders bei kleinen Serien, aber auch bei der Prototypen- oder Ersatzteilfertigung eine interessante Alternative.

Der maßgebliche Vorteil im Vergleich zur konventionellen Fertigung sind die universell einsetzbaren Fräsmaschinen und Werkzeuge, die Produktionsflexibilität und geringe Werkzeugkosten begünstigen. Für größere Stückzahlen und kurze Produktionszeiten sind die klassischen Verzahnungsmaschinen nach wie vor wirtschaftlich rentabler. In einem Studienprojekt hatte sich die Hochschule Luzern (HSLU) der Prozesskette für das Universalfräsen von spiralverzahnten Kegelrädern gewidmet. Als Ausgangslage wurde ein 3D-Modell von KISSsoft verwendet, das dann mit CAM-Software von Siemens NX verarbeitet wurde. Abschließend wurde die Verzahnung auf einer Deckel Maho „Ultrasonic 20 linear“ gefräst und geprüft.

Als Grundlage für die Fertigung der Kegelräder wurden geometrisch exakte 3D-Modelle benötigt und mit KISSsoft berechnet, die neben den korrekten Zahnhöhen- und Zahnlängsformen auch Korrektur (beispielsweise Balligkeit oder Winkelmodifikation) und Zahndickenabmaße beinhalten. KISSsoft ist eine Berechnungs- und Auslegungssoftware für Maschinenelemente, welche die Dimensionierung der Verzahnungen mit dem Sicherheitsnachweis für beispielsweise Fuß- und Flankenfestigkeit ermöglicht.

Im Projekt der HSLU wurde auf die Auslegung und Festigkeitsrechnung des Kegelradpaares verzichtet − es wurde eine typische Kegelradverzahnung angenommen.

Beim Kegelradsatz handelt es sich um eine Klingelnberg Zyklo-Palloid-Verzahnung, mit den Geometriewerten: Zähnezahl Ritzel z1 = 17,  Zähnezahl Tellerrad z2 = 51, Normalmodul mnm = 5 mm, Aussendurchmesser Tellerrad d2 = 343.8 mm, Spiralwinkel βm = 30°. Als Mikrokorrekturen wurden eine Längsballigkeit von 100 μm und eine Höhenballigkeit von 10 μm aufgebracht, was den üblichen Werten gemäß Empfehlungen der Klingelnberg-Literatur entspricht.

Neben den Bogenverzahnungen sind in KISSsoft auch Gerad- und Schrägverzahnung möglich. Bei Bogenverzahnungen werden die Verzahnverfahren nach Klingelnberg (Zyklo-Palloid) und Gleason (Face Hobbing und Face Milling) unterstützt. Mit einer speziellen Hüllendarstellung kann das lastfreie Tragverhalten schließlich kontrolliert werden.

Für die Tragbildentwicklung stehen neben den Längs- und Höhenballigkeiten auch Eingriffs- sowie Schrägungswinkelkorrekturen und Twist flankenunabhängig für Zug- und Schubflanke zur Auswahl. Die Korrekturen werden in 3D-Darstellungen kumuliert erfasst. Ebenfalls ist es möglich, die Vorbearbeitung als Modell auszugeben. Mit der Möglichkeit der Änderung des Einbaumaßes Ritzel/Tellerrad und des Achsversatzes kann der in der Praxis verbreitete VH-Check bereits in der Simulation durchgeführt werden. Neben den Kegelrädern sind auch (fast) alle gängigen Verzahnungen als 3D-Modelle verfügbar. Bei den Stirnrädern können die Gerad- und Schrägverzahnungen sowie Pfeilverzahnungen und Zahnstangen mit sämtlichen Korrekturen ausgegeben werden.

Neben den üblichen Korrekturen nach ISO 21771:2007 – wie Breiten- und Höhenballigkeiten, Winkelkorrekturen und verschiedene Arten der Kopf- und Fußrücknahmen – sind auch topologische Korrekturen möglich, die vom Benutzer frei definiert werden können. Für Globoidschneckenräder sind 3D-Modelle mit zylindrischer Schnecke verfügbar. Die Zahnformen werden nach ISO/DTR 10828.2 gerechnet. Diese Norm stellt eine einheitliche Beschreibung der Zahnformen ZA, ZI, ZN, ZK und ZC (Cavex) dar. Als Flankenkorrektur ist die Möglichkeit vorhanden, eine Vergrößerung des Schneckenradfräsers vorzugeben. Das bewirkt eine Balligkeit der Flanke und eine Zentrierung des Tragbildes. Kronenräder können ebenfalls als 3D-Modelle ausgegeben werden.

Für die Verzahnungsprüfung steht in KISSsoft eine Topologiemessung von Flanken- und Fußbereichen der Verzahnungen als Messgitterpunkte zur Verfügung, die im entsprechenden Format der Klingelnberg- oder Gleason-Messmaschinen ausgegeben werden.

Im Rahmen der Studienarbeit wurde das Modell der Kegelradverzahnung im Step-Format exportiert. Dieses wurde daraufhin im CAD-System Siemens NX 7.5 fertig modelliert und die Spannmittel dazu konstruiert. Mit NX CAM wurden die Bearbeitungsschritte und Werkzeuge mit Hilfe von Bibliotheken von vordefinierten Prozessparametern festgelegt und die NC-Programme erstellt. Frässimulationen halfen dabei, die richtigen Strategien und ihre Parameter zu finden. Anschließend übersetzte man diese mit dem Post-Prozessor in ein NC-Programm.

Zuletzt wurde ein Prozess aus Vorschruppen, Vorschlichten und Schlichten definiert. Eingesetzt wurden insgesamt vier Werkzeuge, darunter Eckradiusfräser, Schaftfräser sowie zwei Kugelkopffräser mit unterschiedlichen Durchmessern. Die 3D-Modelle von KISSsoft ließen sich problemlos verarbeiten und zeigten bezüglich Krümmungsradien und Flächenübergängen keine Unstimmigkeiten.

Im weiteren Verlauf wurde die Verzahnung auf einer Deckel Maho „Ultrasonic 20 linear“ gefräst. Die gewählte Taktik mit kleinen Abstufungen bewährte sich: Die Vibrationen bei der Bearbeitung konnten sehr klein gehalten werden. Der Eckradiusfräser wurde von Zahn zu Zahn etwas lauter, was auf eine erhöhte Abnutzung schließen ließ, der Schaftfräser hingegen erzeugte konstante Geräusche.

Die Bearbeitungszeit für den gewählten Prozess betrug zirka zehn Stunden. Die Oberfläche sah sehr sauber aus mit einer äußerst feinen Mikrostruktur. Mit Vorgabe eines größeren Ra-Wertes könnte die Bearbeitungszeit sogar auf rund sieben Stunden reduziert werden. Die Verzahnung wurde abschließend auf Rauheit (in Zahnprofilrichtung) und Teilungsfehler gemessen. Beide Messungen zeigten übliche, von der Industrie geforderte Resultate.
Der dargestellte Prozess eignet sich sehr gut für kleine Serien und ist dank der einfachen Werkzeuge in dieser Stückzahl auch wirtschaftlich rentabler als die konventionelle Herstellung von Verzahnungen.