Von Big Data zu Closed Loop
Per Datenbank zum Zahnrad
Die Fertigung von Zahnrädern ist im Fall von geradverzahnten Stirnrädern noch eine überschaubare Sache. Schwierig wird es jedoch dann, wenn es gilt, hochwertige Kegelräder herzustellen. Die Kontur ist derart komplex, dass es Spezialmaschinen bedarf, um diese präzise herzustellen. Ein Experte auf dem Bau dieser Maschinen ist das Unternehmen Klingelnberg, das zudem diesbezüglich einen Full-Service bietet.
Zahnräder sind ein Massengut geworden, ohne das es moderne Technik nicht gäbe. Egal ob Uhrwerk, Flaschenzug oder Kraftfahrzeuggetriebe, es gibt zahlreiche Bereiche, die ohne Zahnräder undenkbar wären. Lange Zeit mussten sich antike Völker in Sachen Zahnrad noch mit Lösungen aus Holzstäben zufrieden geben. Doch bereits die alten Griechen zeigten mit einem astronomischen Instrument, das im Jahre 1900 vor der Küste der Insel Antikythera gefunden wurde, dass schon vor 2000 Jahren wache Konstrukteure mit Zahnrädern umzugehen wussten.
In der heutigen Zeit sind Zahnräder ein Massenprodukt geworden, dem dennoch Stück für Stück eine extrem hohe Genauigkeit mitgegeben werden muss, damit jedes davon seine Aufgabe für lange Zeit ohne Ausfall erfüllen kann. Verschiedene Zahnradbauarten decken unterschiedliche Anforderungen ab. So sind beispielsweise geradverzahnte Stirnräder eine preiswerte Lösung, wenn es um die Kraftübertragung in einfachen Getrieben geht. Der Nachteil dieser Zahnräder ist jedoch das Laufgeräusch, das durch den auf der ganzen Zahnlänge wirkenden Kraftfluss verursacht wird. Wesentlich leiser sind spiralverzahnte Stirnräder, die eine allmähliche Kraftübertragung ermöglichen.
Zahnräder sind daher nach ihrem Einsatzzweck auszuwählen, um das optimale Zahnrad für den jeweiligen Einsatzzweck einzusetzen. Wenn es darum geht, Kräfte umzulenken, kommen Kegelräder zum Einsatz. Diese sind in der Lage, Winkel zu überbrücken. Kegelräder sind jedoch von ihrer Form her gesehen eine besondere mathematische und fertigungstechnische Herausforderung. Um alle Kenndaten in akzeptabler Zeit zu berechnen sind heute entsprechende EDV-Programme unabdingbar. Doch alleine damit ist es noch nicht getan.
Was noch fehlt, sind entsprechend angepasste Fräser, besondere Fräsmaschinen, die komplizierte Bewegungen zum Erzeugen der Verzahnung ausführen können, Schleifmaschinen, um das vorgefräste und gehärtete Zahnrad fertigzuschleifen und natürlich Verzahnungsmessmaschinen, um sicher zu gehen, dass das gefertigte Zahnrad im zulässigen Toleranzbereich liegt.
Der perfekte Weg ans Ziel
Dank des ›Closed Loop‹-Prozesses können einmal erstellte Produktionsabläufe für Zahnräder überall auf der Welt 1:1 nachgebildet werden. Voraussetzung sind Klingelnberg-Maschinen.
Alles aus einer Hand ist besser
Natürlich könnte man nun von verschiedenen Herstellern die fehlenden Zutaten beschaffen, um eigene Zahnräder herzustellen, doch empfiehlt sich dieser Weg aus einem ganz besonderen Grund nicht: die Fertigung wäre niemals konkurrenzfähig!
Der Grund liegt darin, dass nur ein ausgefeiltes Konzept selbst an einem Hochlohnstandort den notwendigen Profit verspricht, der nötig ist, um langfristig am Markt zu bestehen. So ein rundes Konzept bietet das Unternehmen Klingenberg an. Die Verzahnungsexperten bieten ein derart durchdachtes System, bei dem Zahnrad-Prototypen und Versuchsmuster deutlich reduziert, im Idealfall sogar obsolet werden. Das Unternehmen bietet mit diesem System die Möglichkeit, auf der Maschine mit Aufmaß zu messen, sodass teure Großverzahnungen und Einzelstücke ein Gutteil werden.
Dreh- und Angelpunkt ist die Software KIMoS (Klingelnberg Integrated Manufacturing of Spiral Bevel Gears), die wohl einzigartig in Sachen Kegelradfertigung auf dem Markt ist. Diese Software erzeugt alles Nötige, was in Sachen Kegelradfertigung von Bedeutung ist. Das fängt bei der Berechnung der Profilform für die Einsätze des Messerkopfs an, geht über die Berechnung des NC-Programms für die Klingelnberg Zahnradfräsmaschinen und ist bei der Erstellung der Messprogramme für die Zahnrad-Messmaschinen von Klingelnberg noch lange nicht zu Ende.
In diesem Programm steckt das ganze Wissen der Verzahnungsexperten von Klingelnberg, das in Jahrzenten angesammelt wurde. KIMoS kann beispielsweise die Kräfte simulieren, die auf das Zahnrad wirken. Dadurch wird sichergestellt, dass das Zahnrad problemlos die aufzunehmenden Kräfte aufnehmen kann, ohne dass die Zähne brechen. Auch der früher übliche Weg, einen Prototypen anzufertigen und das Tragbild per Tuschierfarbe zu ermitteln, ist mit KIMoS nicht mehr nötig, da das Programm auch dies simulieren kann.
Mit dieser Edel-Software ist es sogar möglich, den durch das Härten unvermeidlichen Verzug des Zahnrads vorab zu berücksichtigen! Dies bedeutet, dass ein NC-Programm generiert wird, mit dem das Zahnrad absichtlich falsch gefräst aus der Maschine kommt. Nach dem Härten hat es wie von Zauberhand nahezu die gewünschte Form, sodass das anschließende Schleifen der Zahnflanken mit nur minimalem Materialabtrag, der in der Regel kleiner als 0,1 Millimeter ist, durchgeführt werden kann. Ein Highlight, das die große Klasse von Klingelnberg dokumentiert.
Es geht aber noch weiter. Die von KIMoS generierte Datenbank, in der die Zahnform für den Messerkopf sowie Mess- und CNC-Programme abgelegt sind, bildet das Herz für die Fertigung eines ganz bestimmten Zahnrades. Für jedes Zahnrad wird von KIMoS eine eigene Datenbank generiert, die dann garantiert, dass das darauf gründende Zahnrad weltweit identisch herzustellen ist. Dazu ist es nötig, die Datenbank nach ihrer Erzeugung durch KIMoS zu testen und zu verfeinern. Jede Maßabweichung, die von den Klingelnberg Verzahnungsmessmaschinen ermittelt wurde, wird in die Datenbank zurückgespielt, woraufhin automatisch ein korrigiertes NC-Programm zur Zahnradfräs- oder Zahnradschleifmaschine überspielt wird. Das System erkennt, welche Maschine den Fehler verursacht hat und regelt entsprechend nach.
Dieser geschlossene Regelkreis, auch Closed Loop genannt, garantiert, dass Zahnräder ab dem ersten Teil ausschließlich Gutteile werden. Wer sich nun fragt, wie es denn diese Datenbank schafft, in einem Maschinenpark mit vielen Zahnradfräs-, -schleif- und Verzahnungsmessmaschinen von Klingelnberg den Überblick zu behalten, der muss wissen, dass jeder Fertigungsverbund einen eigenen Regelkreis mit einer eigenen Datenbank besitzt. Das ist auch sinnvoll, denn selbst identische Maschinen haben ein „Eigenleben“, das sich durchaus im Mikrometerbereich auswirkt und entsprechend zu berücksichtigen ist.
Für beste Zahnräder
Dank des weiterentwickelten Vertikalkonzepts setzt die Oerlikon Kegelradfräsmaschine ›C 30‹ neue Maßstäbe in der Trockenbearbeitung.
Mit sechs Achsen zum Profil
Klingelnberg hat die Steuerungen seiner CNC-Maschinen mit einer eigenen Oberfläche versehen, die voll auf die Touch-Technik setzt und herkömmliche Bedienknöpfe überflüssig macht. Dadurch, dass es bei dieser Steuerung nichts zu programmieren gibt, schließlich wird das CNC-Programm von KIMoS erzeugt, ist die Handhabung der Steuerung extrem einfach. Im Grunde genommen reduziert sich der Aufgabenbereich auf das Laden der Programme und das Eingeben der Messerkopfmaße in den Werkzeugspeicher.
Durch die leichte Bedienung und die umfassende Absicherung gelingt es nahezu nicht, einen Crash zu fahren, da das System die Maschine nicht startet, wenn Eingaben fehlerhaft oder widersprüchlich sind. Ein Schlüsselschalter garantiert zudem, dass der Bediener nur die Befehle zu sehen bekommt, die er nutzen darf. Auf diese Weise wird eine Beschädigung der Maschine durch überfordertes Personal weiter reduziert.
Die Maschine selbst arbeitet mit bis zu sechs Achsen gleichzeitig, um das gewünschte Kegelradprofil herzustellen. Das Besondere ist, dass sämtliche Fräsprozesse trocken gefahren werden können. Klingelnberg gelingt dies durch das optimale Design der Maschine, in dem die Späne frei nach unten fallen und dort von einem Späneförderer sofort abtransportiert werden. Die in den Spänen gebundene Zerspanungswärme hat daher keine Zeit, durch Verweilen im Maschinenraum die Maschine zu erwärmen und so dessen Genauigkeit zu beeinträchtigen.
Natürlich haben die Verzahnungsexperten von Klingelnberg auch an eine Lösung gedacht, wie der Grat entfernt werden kann, der beim Fräsen der Zähne entsteht. Dazu wird ein spezielles Fräswerkzeug benötigt, das die Zahnform des fertigen Zahnrades an der gratigen Kante abfährt. Auch das dazu nötige Programm wird natürlich, wie kann es anders sein, von KIMoS erstellt.
Nach dem Fräsen werden Zahnräder üblicherweise noch gehärtet, damit sie dem harten Einsatzalltag lange Zeit gewachsen sind. Für das anschließende Schleifen hat Klingelnberg wieder eigene Maschinen im Portfolio, die dafür sorgen, dass damit geschliffene Zahnräder zu Präzisionsstücken mutieren. Die auf diese Weise hergestellten Teile können untereinander beliebig gepaart werden.
Wenn besonders hohe Anforderungen an das Laufverhalten gestellt werden, kommen zwei beliebig ausgewählte Räder in eine Klingelnberg Läppmaschine und laufen dort mit Hilfe eines feinen Diamantpulvers ein. Diese Räder müssen anschließend zusammen verbaut werden, da sich ihre Geometrie durch den Einlaufvorgang optimal aneinander angepasst hat.
Ein Traum wird wahr
Das moderne Steuerungskonzept von Klingelnberg wartet mit extrem einfacher Bedienung per Touch-Technik auf. Eine Programmierung ist nicht nötig, da alle CNC-Programme von der Software ›KIMoS‹ erzeugt werden.
Messen direkt in der Maschine
Die heutige Messtechnik mit Temperaturfühlern in der Maschine erlaubt es natürlich, die Teile in der Maschine zu vermessen. Auf diese Weise kann ohne lange Wartezeit sofort geprüft werden, ob das Teil bereits innerhalb der Toleranzzone liegt oder ob noch Nacharbeit nötig ist. Auch diese Maße werden in die Datenbank zurückgespielt, damit das nächste Teil sofort innerhalb der Toleranz liegt, sollte das aktuelle Teil noch fehlerhaft sein.
Derart gefertigte Zahnräder sind mit sehr großer Sicherheit bereits Gutteile. Absolute Sicherheit bringt jedoch erst ein Messlauf auf einer Klingelnberg Verzahnungsmessmaschine. Dies sind auf das Messen von Zahnrädern spezialisierte Messmaschinen, die nicht mit herkömmlichen 3D-Messmaschinen zu vergleichen sind. Dies fängt bereits damit an, dass kein Bezugsmessen nötig ist, da der Bezug bei diesen Maschinen stets das Lager ist, in dem die Zahnradwelle aufgenommen wird.
Gemessen werden die Zahnflanken mit Tastern, deren CNC-Programm für die Bewegung natürlich wieder von KIMoS erzeugt wurde. Die so gewonnen Ist-Daten werden mit den Soll-Daten in der Datenbank verglichen und gegebenenfalls eine Korrektur des NC-Programms der Schleifmaschine vorgenommen. Klingelnberg hat also mit „Closed Loop“ ein System am Markt, das die Produktion von Kegelrädern zu einer ähnlich sicheren Sache macht, wie das Aufbrühen einer Tasse Café mit einem Pad.
Und wer nur daran interessiert ist, etwa für seinen Oldtimer ein neues Getriebe-Kegelrad zu erstehen, kann sich selbstverständlich auch an die Experten von Klingelnberg wenden, schließlich bieten diese die Anfertigung von Kegelrädern als Dienstleistung an. Als Fazit lässt sich feststellen, dass die Hückeswagener ein rundes Programm anbieten. Closed Loop eben.
Härteverzug wird mathematisch berücksichtigt
›KIMoS‹ ist sogar in der Lage, den Härteverzug der Kegelräder zu ermitteln. Mit dieser Software können daher "falsche" Geometrien hergestellt werden, die sich nach dem Härten in die richtige Lage bewegen, sodass ein anschließendes Schleifen mit minimalem Aufmaß möglich wird.
