Robuste Hülle gefragt

Die Wälzfräser von ZF Getriebe in Saarbrücken verrichten Schwerstarbeit bei der Fertigung von Zahnrädern. Eine neue Werkzeugbeschichtung sorgt jetzt für lange Standzeiten.

08. Dezember 2011

Über eine Million Getriebe produzieren die Verzahnungsmaschinen von ZF Getriebe in Saarbrücken pro Jahr – und die Tendenz ist steigend. Hierzu zählt auch das komplett neu konstruierte Acht-Gang-Automatikgetriebe (8HP), mit dem sich ein Gang in 200 Millisekunden wechseln lässt. Neben dieser schnellen Reaktionszeit besitzt das Getriebe noch weitere Vorteile.

Es spart zum Beispiel sechs Prozent Kraftstoff ein gegenüber dem Vorgänger mit sechs Schaltstufen (6HP), wobei Bauraum und Gewicht gleich geblieben sind. Dieser Fortschritt wirkt sich jedoch auf die Fertigung der Getriebe bis hin zur Beschichtung der entsprechenden Fertigungswerkzeuge direkt aus.

Anspruchsvolle Aufgabe

So besteht das neue 8HP-Getriebe aus vier Planetenradsätzen und fünf Schaltelementen mit insgesamt 20 bis 25 Zahnrädern. Die Verzahnungsmaschinen arbeiten sozusagen im Dauereinsatz. Standhafte und hochwertige Werkzeuge sind aufgrund der steigenden Produktionszahlen, wegen immer stärker belasteter und entsprechend anspruchsvoll ausgelegter Zahnräder, wegen der Umstellung von Weich- auf Hartendbearbeitung und wegen der zunehmend produktiveren Fertigungsverfahren gefragt.

»Wir fräsen heute ein Großrad in 40 Sekunden, gut viermal so schnell wie vor zehn Jahren. Unsere schnellste Fräszeit für ein Zahnrad beträgt 4,3 Sekunden«, berichtet Hans-Joachim Maurer, Leiter der Verzahnungsfertigung in Saarbrücken.

Oberste Priorität haben dabei sichere Prozesse und demzufolge auch die Kontrolle, Steuerung und

Eindämmung des Verschleißes über die gesamte Standzeit der Werkzeuge. Diese müssen auch nach zwölf- bis 15-maliger Aufbereitung noch eine vorgegebene Leistung reproduzieren können. Im Fräsprozess (Trockenbearbeitung) geht es darum, eng gesetzte Temperaturtoleranzen einzuhalten und Oberflächendefekte wie etwa Aufschweißungen auf den Zahnradflanken zu vermeiden, damit letztlich kein Ausschuss entsteht.

Wegen dieser hohen Ansprüche und zur Vorbereitung auf steigende 8HP-Stückzahlen hat das Unternehmen ZF Getriebe in Saarbrücken ein umfangreiches Wälzfräsprojekt gestartet. Dabei stand unter anderem auf dem Themenplan, sämtliche Werkzeuge sowie deren Verschleißentwicklung zu prüfen, zu vergleichen und die Ergebenisse zu dokumentieren. Weiterhin beschäftigten sich die Projekt-Verantortlichen damit, die vier bei ZF eingesetzten Werkzeug-Beschichtungen differenziert zu erproben. Eine davon musste in einem zweiten Projekt, das ZF gemeinsam mit Oerlikon Balzers durchführte, auch gegen einen »Newcomer« antreten: Balinit Alcrona Pro, von Oerlikon Balzers 2010 eingeführt als Nachfolger von Balinit Alcrona.

Die AlCrN-Schicht erfüllt die geforderten Ansprüche beim Zerspanen und Verzahnen und konnte ihre Vorteile wie etwa die hohe Warmhärte, Beständigkeit gegen Abrasivverschleiß und Temperaturwechsel in Vergleichstests mit vier Versuchswerkzeugen sofort ausspielen. So erhöhte sich im Einsatz auf einem PM-Wälzfräser die Standzeit um fast 60 Prozent gegenüber der Vorgängerschicht. Und beim Fräsen von Planetenrädern (Modul 1,3 Millimeter) schaffte es die neue Schicht, die Serienstandmenge um 40 Prozent zu erhöhen.

Wohlgemerkt: Bei diesen Resultaten handelt es sich um Mittelwerte aus Fräsversuchen mit sechs verschiedenen Bauteilen unterschiedlicher Modul-Größen. Zum Einsatz kam dabei auch ein System zur Schnittdrucküberwachung des Herstellers Artis. Dieses misst die Stromaufnahme an der Fräserspindel und erlaubt auf Basis der ermittelten Werte eine objektive Aussage über den Verschleiß und seinen Verlauf entlang eines definierten Bearbeitungsprozesses.

Das System lässt sich auf einen Toleranz- beziehungsweise Sicherheitsbereich einstellen und kann einen nötigen Werkzeugwechsel automatisch signalisieren und steuern. „Wir benutzen das System als Hilfsmittel, um eine optimale Fertigungsqualität bei optimaler Wirtschaftlichkeit herzustellen“, erläutert Stefan Bauer von der Werkzeug- und Technologieplanung (Verzahnung).

Newcomer überzeugt

Die auf dieser Basis ermittelten Standzeitergebnisse bilden also ein realistisches Einsatzszenario ab. »Wir waren deshalb positiv überrascht«, so Kevin Adam von der Werkzeugerprobung Verzahnung. Eine weitere Überraschung: ZF beschloss, Balinit Alcrona Pro als bevorzugte Schicht für HM-Wälzfräser einzuführen. Im PM-Bereich konnte sich neben ihr nur eine weitere Schicht halten, sodass statt zuvor vier Werkzeugbeschichtungen jetzt nur noch zwei eingesetzt werden.

Auch bei der Bewertung der (Nach-)Schleifqualität mit zweckmäßiger Entgratung und Auslegung der Schneidkantengeometrie konnte Oerlikon Balzers mit Beratung und Service unterstützen. So werden etwa für die Analyse der Schneidkanten Mikroskope mit 3D-Darstellung eingesetzt. »Wir verfügen hier über nahezu einzigartige technische Möglichkeiten«, versichert Sven Franke. Der Projektingenieur bei Oerlikon Balzers betreut den Kunden ZF, erstellt Analysen und gibt Empfehlungen über weitere Optimierungspotenziale: »Wir sind weiterhin dabei, die Qualität und Performance auf allen Ebenen zu verbessern.«

Auch aufgrund solcher Innovationsleistungen im Bereich der Werkzeugbeschichtung kann ZF Getriebe die neu entwickelten 8HP-Getriebe in der geforderten Qualität und Stückzahl produzieren. Der Marktanteil automatischer Schaltgetriebe liegt schon heute bei rund 30 Prozent und legt pro Jahr um einen Prozentpunkt zu. In Saarbrücken etwa produziert ZF bereits mehr 8HP- als 6HP-Getriebe, eingesetzt etwa in Mittel- und Oberklassemodellen von BMW und Audi, und rechnet aufgrund der Marktprognosen mit deutlichem Wachstum.

Erschienen in Ausgabe: Industrie Handbuch/2011