Kegelradsatz neu gedacht: ein Werkzeug reicht

EMCO Gears ist ein familiengeführter Hersteller mit zwei Standorten: Technik und Fertigung in Elk Grove Village, Illinois, sowie ein zweiter Standort in Indianapolis, Illinois, welcher Rennsportdienstleistungen und Vertrieb unterstützt. EMCO ist in den Bereichen Rennsport, Verteidigung, Luft- und Raumfahrt sowie Industrie mit dem gleichen Thema aktiv: hochtechnische Teile, bei denen die Materialauswahl, die Wärmebehandlung und die Fertigungsstrategie ebenso wichtig sind wie die Zeichnungsvorlage. Für diese Anwendung wurde EMCO gebeten, einen Kegelradsatz für einen Kunden herzustellen, dessen bisheriger Lieferant die Produktion der Teile eingestellt hatte. EMCO erklärte sich unter einer Bedingung bereit: Der Zahnradsatz sollte mit einem modernen Ansatz hergestellt werden.

Ein Kegelradsatz mit 60 Grad 

Der Zahnradsatz wird in einer Zapfwellenbaugruppe verwendet. Normalerweise erfolgt bei Kegelradanwendungen eine Kraftübertragung von 90 Grad, aber dieses Projekt erforderte eine Einstellung von 60 Grad. Dieser Unterschied wirkt sich auf die Zahnradgeometrie, das Kontaktverhältnis und den entsprechend dieser Ziele erforderlichen Fertigungsprozess aus.

Änderungen im Profil, in der Position oder in der Prozessstabilität machen sich schnell in Form von Geräuschen, Hitze, Verschleiß oder vorzeitigem Ausfall bemerkbar. Bei einer so geringen Fehlertoleranz ist die Wiederholbarkeit von entscheidender Bedeutung.

Das Zahnrad wird aus SAE 9310/14NiCrMo 13-4 (1.6657) gefertigt, einer Stahllegierung mit hohem Nickel- und Chrom­gehalt, die gute Festigkeits- und Härtbarkeitseigenschaften aufweist. Nach dem Einsatzhärten entwickelt das Zahnrad eine gehärtete Oberfläche, während der Kern zäher bleibt. Dies sorgt für eine Kombination aus Oberflächenfestigkeit und darunterliegender Zähigkeit, die sich für anspruchsvolle Arbeitszyklen eignet.

Über die Grenzen traditioneller Kegelradverfahren hinaus 

Sobald der Fräserdurchmesser ausgewählt ist, kann es vorkommen, dass die Entwicklung durch den ausgewählten Fräser eingeschränkt wird. EMCO verfolgte ein anderes Ziel. Das Team wollte die Freiheit haben, die benötigte Zahnform zu entwerfen und dieses Profil dann auf einer fünfachsigen Maschine mit einem Werkzeug zu fertigen, das beide Seiten des Zahnprofils in einem Durchgang schneidet. Die entwickelte Lösung basiert auf einem speziell für die Fünf-Achsen-Strategie von EMCO entwickelten Fräswerkzeug für Kegelräder. „Früher“, so Wolfe, „musste man vier Spezialwerkzeuge verwenden. Wir schaffen das nun mit nur einem Sonderwerkzeug.“ Die Umsetzung erfolgte schnell, da Horn die Spindelschnittstelle von EMCO auf der DMG-Fünf-Achsen-Maschine bereits kannte. Bei den Schneidplatten ging Horn von einer bewährten Profilform aus und modifizierte dieses Profil, um die erforderliche Schneide zu erhalten.

Der Arbeitsablauf bei EMCO verbindet Konstruktion, Fertigung und Messung miteinander. Das Team fräst die Verzahnung, überprüft die Topografie mit einer Zeiss-CMM und aktualisiert das Programm bei Bedarf. Der Vorteil dabei ist, dass maßliche Anpassungen der Verzahnung ohne Werkzeugwechsel vorgenommen werden können.

Von 8 Stunden auf 15 Minuten 

Bevor der Horn-Fräser zum Einsatz kam, wurden Schrägverzahnungen mit kleinen Schaftfräsern und konservativen Schnittparametern hergestellt, wobei die Bearbeitung eines einzelnen Zahnrads etwa 8 Stunden Maschinenzeit in Anspruch nahm. Mit dem neuen Verfahren dauert das Fräsen der Zähne nur noch rund 15 Minuten, gefolgt von Messungen und gegebenenfalls erforderlichen Programmaktualisierungen. Wolfe betont, dass die Umsetzung von realistischen Startparametern abhängt. Er beschreibt die von Horn empfohlenen Schnittdaten als praktisch und genau, was eine stabile Produktion unterstützt.

Nutstoßsystem im Einsatz 

Neben dem Kegelradverzahnen konzentrierte sich EMCO auf das Nutstoßen. Um einen kontinuierlichen Durchfluss zu gewährleisten, integrierte EMCO den Nutstoßprozess mithilfe des Horn-Systems N117 in die Drehmaschine. Wolfe beschreibt den neuen Prozess wie folgt: „Anstatt auf eine Charge zu warten, werden die Teile mit einem gleichmäßigeren Ablauf vom Drehen zu den nachfolgenden Arbeitsschritten weitergeleitet. Zum Einsatz kommt hier eine Sonderschneidplatte. EMCO wünschte sich spezielle Eckenradien für mehr Festigkeit, und Horn passte das Schneidenprofil entsprechend an.“

Sowohl Wolfe als auch Bruce Williams, Produktentwicklungsmanager bei EMCO, beschreiben die Zusammenarbeit mit Horn als lösungsorientiert und reaktionsschnell. Wolfe verweist auf den schnellen Zugang vom Vertriebskontakt zum technischen Support, der dazu beitrug, Fragen und Details zum Werkzeugdesign schnell zu klären. Williams erklärte, dass EMCO zwar definieren kann, wie ein Teil bearbeitet werden soll, der Vorteil jedoch darin liegt, einen Werkzeugpartner zu haben, der diesen Bedarf in eine zeitnahe und nutzbare Lösung umsetzen kann. Das Ergebnis ist ein klarer Wettbewerbsvorteil, da EMCO das fertige Produkt schneller auf den Markt bringen kann.

Positives Ergebnis 

Durch die Kombination von fünfachsiger Fertigung, Zeiss-basierter Topografiemessung, Oberflächenmessung und dem Produktportfolio von Horn hat EMCO einen Prozess für Kegelräder entwickelt, der schneller zu entwickeln war sowie einfacher zu betreiben und besser auf die tatsächlichen Produktionsanforderungen abgestimmt ist. Für EMCO bedeutet dies verbesserte Kontaktbedingungen, einen leiseren Betrieb, eine längere Lebensdauer und eine einfachere Fertigung bei gleichzeitiger Einhaltung der Kostenziele in einem sich wandelnden Markt.