Zahnräder sind die stillen, unverzichtbaren Helden der modernen Welt. Von der komplexen Funktionsweise eines Fahrzeuggetriebes bis hin zur enormen Kraft einer Windkraftanlage sind diese gezahnten Bauteile grundlegend für die mechanische Kraftübertragung. Jahrhundertelang war die Zahnradfertigung ein Streben nach Präzision und Effizienz, dominiert von etablierten Verfahren wie Wälzfräsen, Wälzstoßen und Räumen. Doch die ständigen Anforderungen der modernen Industrie – höhere Produktionsmengen, größere Kosteneffizienz und engere Bauteilintegration – haben die Entwicklung einer bahnbrechenden Technologie vorangetrieben:Kraftschuppen.

Das Bearbeitungsprinzip des Kraftschälens

Im Kern ist das Wälzfräsen ein kontinuierlicher, generativer Schneidprozess, der die hohe Rotationsgeschwindigkeit des Wälzfräsens mit der Werkzeug-Werkstück-Anordnung beim Zahnradformen synergistisch kombiniert. Es handelt sich um einen komplexen Walz- oder Hobelprozess, bei dem ein spezialisierter, mehrzahniger Fräser und der Zahnradrohling in einer präzise synchronisierten, kämmenden Bewegung rotieren.

Das charakteristische Merkmal des Power Skivings ist dieAchsenschnittwinkel (Σ)Anders als beim Wälzfräsen (bei dem Werkzeug- und Werkstückachse einen 90°-Winkel bilden, der durch den Steigungswinkel versetzt ist) oder beim Formfräsen (bei dem die Achsen parallel verlaufen), arbeitet das Schälen mit Werkzeug- und Werkstückachse in einem spezifischen, nicht parallelen und sich nicht schneidenden Winkel. Dieser Winkel ist der entscheidende Faktor für den Prozess.

Dieser präzise berechnete Winkel erzeugt eine spezifische Relativgeschwindigkeit (Schlupf) zwischen den Schneidkanten des Werkzeugs und den Flanken des Werkstücks. Bei der Rotation von Werkzeug und Werkstück mit hoher Geschwindigkeit erzeugt diese Schlupfgeschwindigkeit den Schneidvorgang. Das Schneidwerkzeug, das einem Hobelwerkzeug ähnelt, jedoch einen Spiralwinkel aufweist, trägt mit jedem Schnitt einer Schneide Material vom Werkstück ab und erzeugt so kontinuierlich das Evolventenzahnprofil, während sich beide Komponenten drehen.

Werkzeuge: Das Herzstück des Prozesses

Der Fräser für das maschinelle Schälen ist ein hochkomplexes und spezialisiertes Werkzeug. Er wird typischerweise aus vollbeschichtetem Hartmetall für maximale Steifigkeit und Verschleißfestigkeit oder aus hochleistungsfähigem pulvermetallurgischem Schnellarbeitsstahl (HSS) gefertigt. Die Werkzeugkonstruktion – einschließlich Spiralwinkel, Spanwinkel und Profil – wird speziell für das kinematische Modell der Maschine und die exakte Geometrie des zu bearbeitenden Zahnrads berechnet. Diese werkzeugspezifische Komplexität ist ein wesentlicher Faktor für die Gesamtkosten und den Einrichtungsaufwand des Prozesses.

Vor- und Nachteile des maschinellen Schälens

Wie jedes Fertigungsverfahren birgt auch das Maschinenschälen spezifische Vor- und Nachteile.

Vorteile:

Höchste Produktivität: Das Verfahren ist deutlich schneller (3- bis 10-mal) als das Wälzfräsen und äußerst konkurrenzfähig mit dem Wälzfräsen. Bei Innenverzahnungen ist es oft die produktivste verfügbare Methode.

Unübertroffene Flexibilität: Mit diesem Verfahren lassen sich sowohl Innen- als auch Außenverzahnungen sowie Keilwellen, Schrägverzahnungen und Stirnräder auf einer einzigen Maschine bearbeiten.

„Alles-in-einer-Aufspannung“-Funktion: Die Maschine kann Schruppen, Vorschlichten und Schlichten in einer einzigen Aufspannung durchführen. Sie ist außerdem zum Hartschälen oder zur Bearbeitung von Zahnrädern nach der Wärmebehandlung geeignet, wodurch nachfolgende Schleifvorgänge entfallen können.

Hohe Qualität: Bei Anwendung einer robusten, modernen Maschine kann das maschinelle Schälen hochpräzise Zahnräder (z. B. AGMA 10-11, DIN 6-7) mit exzellenter Oberflächengüte erzeugen.

Löst schwierige Geometrien: Es eignet sich ideal für Teile mit geringem Werkzeugspielraum, wie z. B. Zahnräder mit Absatz oder Flansch, bei denen ein Wälzfräser nicht auslaufen darf. Dies ist eine häufige Herausforderung bei kompakten Getriebekonstruktionen.

Nachteile:

Hohe Maschinenkapitalkosten: Für den Prozess wird eine hochmoderne, robuste und thermisch stabile 5-Achs-CNC-Maschine (oder mehr) mit perfekter elektronischer Synchronisierung benötigt, was eine erhebliche Investition darstellt.

Komplexe Prozesse und Werkzeuge: Die Kinematik ist außerordentlich komplex. Die Prozessplanung erfordert hochentwickelte Simulationssoftware zur Berechnung der Werkzeugwege und zur Vermeidung von Kollisionen. Die Werkzeuge selbst sind teuer und anwendungsspezifisch.

Einrichtungsempfindlichkeit: Der Prozess reagiert äußerst empfindlich auf die korrekte Einrichtung, insbesondere auf den Achsenschnittwinkel. Jede Fehlausrichtung kann die Werkzeugstandzeit und die Teilequalität drastisch beeinträchtigen.

Spanmanagement: Die schnelle Abtragung großer Materialmengen kann Herausforderungen bei der Spankontrolle mit sich bringen, insbesondere bei der Bearbeitung tiefer Innenverzahnungen, wo sich Späne ansammeln können.

Anwendungsszenarien

Das Kraftschälen ist kein universeller Ersatz für alle anderen Verzahnungsprozesse, aber es ist eine dominierende Lösung in bestimmten, hochwertigen Bereichen, die vor allem durch die Massenproduktion bedingt sind.

Automobilindustrie: Sie ist der größte Anwender. Das Verfahren wird umfassend zur Herstellung von internen Getriebekomponenten wie Hohlrädern, Planetenrädern und Keilwellenkupplungskörpern eingesetzt. Seine Fähigkeit, Innenverzahnungen und komplexe Keilwellen schnell und hochpräzise herzustellen, ist für moderne, kompakte Automatik- und Elektrofahrzeuggetriebe von unschätzbarem Wert.

Luft- und Raumfahrt: Wird zur Herstellung von Keilwellen und Zahnrädern für Betätigungssysteme verwendet, wo hohe Zuverlässigkeit und komplexe, leichte Konstruktionen von größter Bedeutung sind.

Industriemaschinen: Ideal für die Herstellung von Bauteilen wie Pumpenzahnrädern, Kupplungen und anderen Keilwellen, bei denen Produktivität und Präzision entscheidend sind.

Der ideale Kandidat für das maschinelle Schälen ist ein Bauteil mit mittlerem bis hohem Produktionsvolumen, insbesondere ein Innenzahnrad oder ein Zahnrad mit interferierenden Schultern, bei dem die Zykluszeitersparnis die hohen Anfangsinvestitionen in Maschinen und Werkzeuge rechtfertigen kann.

Abschluss

Das Kraftschälen hat den Sprung von einer hundert Jahre alten Theorie zu einem modernen Fertigungsverfahren erfolgreich geschafft. Durch die Kombination der Geschwindigkeit des Wälzfräsens mit der Flexibilität des Formfräsens schließt es eine entscheidende Lücke in der Zahnradfertigung. Es bietet eine einzigartige Lösung für die Serienfertigung von Innenverzahnungen und komplexen Keilwellenkomponenten, steigert die Effizienz und ermöglicht die nächste Generation kompakter, leistungsstarker mechanischer Systeme. Mit der Weiterentwicklung von Werkzeugmaschinentechnologie, Simulationssoftware und Schneidwerkzeugkonstruktionen wird sich die Anwendung des Kraftschälens weiter ausdehnen und seine Rolle als revolutionäre Kraft in der Zahnradfertigung festigen.