Abwälzfräsen

Abwälzfräsen – Grundlagen, Werkzeuge und praktische Anwendung

Das Abwälzfräsen, häufig auch Wälzfräsen genannt, ist eines der wichtigsten Fertigungsverfahren zur Herstellung von Verzahnungen. Es wird vor allem eingesetzt, um Außenverzahnungen an Zahnrädern, Wellen und anderen rotationssymmetrischen Bauteilen wirtschaftlich herzustellen.

Kennzeichnend ist die kontinuierliche, aufeinander abgestimmte Drehbewegung von Werkzeug und Werkstück. Die Zahnform wird dabei nicht unmittelbar durch die Form einer einzelnen Fräserschneide erzeugt, sondern entsteht durch die gemeinsame Wälzbewegung.

Was versteht man unter Abwälzfräsen?

Beim Abwälzfräsen dreht sich ein schneckenförmiger Wälzfräser kontinuierlich um seine eigene Achse. Gleichzeitig dreht sich das Werkstück in einem genau festgelegten Verhältnis zum Werkzeug.

Während dieser gekoppelten Bewegung greifen die Schneiden des Wälzfräsers nacheinander in das Werkstück ein. Durch eine zusätzliche Vorschubbewegung wird die Verzahnung über die gesamte Werkstückbreite hergestellt.

Typische Anwendungen sind:

• gerade Stirnräder
• schrägverzahnte Stirnräder
• Zahnwellen
• Keilwellen
• Kettenräder
• Schneckenräder
• Steckverzahnungen
• Sonderprofile
• Verzahnungen an Wellen und Ritzeln

Das Verfahren eignet sich besonders für die Serienfertigung, kann auf modernen CNC-Wälzfräsmaschinen aber auch wirtschaftlich für kleinere Stückzahlen eingesetzt werden.

Wie funktioniert das Abwälzfräsen?

Der Wälzfräser ähnelt äußerlich einer Schnecke, in die mehrere Spanräume eingeschliffen wurden. Durch diese Spanräume entstehen einzelne Schneidzähne.

Werkzeug und Werkstück führen eine kontinuierliche Wälzbewegung aus. Das Drehzahlverhältnis hängt unter anderem ab von:

• der gewünschten Zähnezahl des Werkstücks
• der Gangzahl des Wälzfräsers
• der Verzahnungsart
• dem Schrägungswinkel
• der gewählten Bearbeitungsstrategie

Bei einem eingängigen Wälzfräser und einem Werkstück mit 40 Zähnen dreht sich das Werkstück grundsätzlich einmal, während der Wälzfräser 40 Umdrehungen ausführt. Bei mehrgängigen Werkzeugen verändert sich dieses Verhältnis entsprechend.

Moderne CNC-Wälzfräsmaschinen synchronisieren diese Bewegungen elektronisch.

Warum heißt das Verfahren „Abwälzfräsen“?

Der Begriff leitet sich von der theoretischen Abwälzbewegung zwischen Werkzeug und Werkstück ab. Die Zahnflanken entstehen durch viele aufeinanderfolgende Schnittbewegungen.

Die endgültige Evolventenform wird dabei schrittweise erzeugt. Der Wälzfräser muss deshalb nicht exakt die vollständige Form einer Zahnlücke besitzen.

Dies unterscheidet das Abwälzfräsen vom Formfräsen, bei dem die Werkzeugkontur unmittelbar der herzustellenden Zahnlücke entspricht.

Aufbau eines Wälzfräsers

Ein Wälzfräser besteht typischerweise aus:

• Werkzeugkörper
• schraubenförmig angeordneten Zähnen
• Spanräumen
• Schneidkanten
• Spannuten
• Aufnahmebohrung oder Schaft
• gegebenenfalls einer Beschichtung

Wichtige Werkzeugmerkmale sind:

• Modul
• Eingriffswinkel
• Gangzahl
• Steigungsrichtung
• Außendurchmesser
• Zahnlänge
• Spanwinkel
• Kopf- und Fußgeometrie
• Werkzeugqualität
• Schneidstoff
• Beschichtung

Der Wälzfräser muss exakt zur gewünschten Verzahnungsgeometrie passen.

Wälzfräser aus HSS und Hartmetall

HSS- und PM-HSS-Wälzfräser

Wälzfräser aus Schnellarbeitsstahl oder pulvermetallurgischem Schnellarbeitsstahl zeichnen sich durch eine gute Zähigkeit aus.

Typische Vorteile:

• vergleichsweise unempfindlich gegen Stoßbelastungen
• mehrfach nachschärfbar
• für unterschiedliche Werkstoffe geeignet
• bewährt bei wechselnden Bearbeitungsbedingungen
• geeignet für Nassbearbeitung

Hartmetall-Wälzfräser

Hartmetallwerkzeuge ermöglichen höhere Schnittgeschwindigkeiten und eine hohe Produktivität.

Typische Vorteile:

• hohe Verschleißfestigkeit
• hohe Schnittgeschwindigkeiten
• gute Eignung für Trockenbearbeitung
• kurze Bearbeitungszeiten
• gute Maß- und Formbeständigkeit

Hartmetall ist allerdings empfindlicher gegenüber Schwingungen und Stoßbelastungen. Maschine, Werkstückspannung und Werkzeugaufnahme müssen deshalb eine ausreichende Steifigkeit besitzen.

Das Modul

Das Modul ist eine zentrale Kenngröße einer Verzahnung. Es beschreibt die Größe der Zähne und wird in Millimetern angegeben.

Die grundlegende Beziehung lautet:

m = d ÷ z

Dabei gilt:

• m = Modul in mm
• d = Teilkreisdurchmesser in mm
• z = Zähnezahl

Umgestellt ergibt sich:

d = m × z

Beispiel

Ein Zahnrad besitzt:

• Modul: 2 mm
• Zähnezahl: 30

Der Teilkreisdurchmesser beträgt:

d = 2 mm × 30 = 60 mm

Wälzfräser und Werkstückverzahnung müssen hinsichtlich Modul und Eingriffswinkel aufeinander abgestimmt sein.

Gerad- und Schrägverzahnungen

Geradverzahnung

Bei einer Geradverzahnung verlaufen die Zähne parallel zur Drehachse des Zahnrads. Der Wälzfräser wird entsprechend seinem eigenen Steigungswinkel zur Werkstückachse geschwenkt.

Schrägverzahnung

Bei einer Schrägverzahnung verlaufen die Zähne unter einem bestimmten Schrägungswinkel. Die Werkzeugachse muss deshalb abhängig von Werkzeugsteigung, Werkstückschrägung und Steigungsrichtung eingestellt werden.

Zusätzlich zur normalen Kopplung von Werkzeug- und Werkstückdrehzahl berücksichtigt die Maschinensteuerung die notwendige Differentialbewegung.

Gleichlauf- und Gegenlauffräsen

Beim Abwälzfräsen kann grundsätzlich zwischen Gleichlauf- und Gegenlauffräsen unterschieden werden.

Gleichlauffräsen

Beim Gleichlauffräsen stimmen Vorschubrichtung und wirksame Schnittrichtung im Eingriffsbereich überein.

Mögliche Vorteile:

• geringere Reibung beim Eintritt
• gute Oberflächenqualität
• teilweise längere Werkzeugstandzeit
• häufig günstige Spanbildung

Gegenlauffräsen

Beim Gegenlauffräsen wirkt die Schneidbewegung entgegen der Vorschubrichtung.

Diese Strategie kann abhängig von Maschine, Werkzeug, Werkstoff und Spannverhältnissen Vorteile bieten. Die geeignete Bearbeitungsrichtung sollte anhand der konkreten Anwendung und der Herstellerempfehlungen bestimmt werden.

Vorschubbewegungen beim Abwälzfräsen

Je nach Bearbeitungsaufgabe kommen unterschiedliche Bewegungen zum Einsatz.

Axialvorschub

Das Werkzeug bewegt sich parallel zur Werkstückachse über die gesamte Verzahnungsbreite. Dies ist die häufigste Vorschubbewegung bei zylindrischen Zahnrädern.

Radialvorschub

Der Wälzfräser fährt radial auf die erforderliche Zahntiefe in das Werkstück ein.

Tangentialvorschub

Beim tangentialen Verfahren wird der Wälzfräser entlang seiner eigenen Achse beziehungsweise tangential zum Werkstück verschoben. Dadurch können zusätzliche Bereiche der Werkzeugschneiden genutzt werden.

Diagonalfräsen

Beim Diagonalfräsen werden Axial- und Tangentialbewegung kombiniert. Die Belastung verteilt sich dadurch auf einen größeren Bereich des Wälzfräsers.

Werkzeugverschiebung – das Shiften

Beim sogenannten Shiften wird der Wälzfräser entlang seiner Achse verschoben. Dadurch arbeitet nicht ständig derselbe Werkzeugbereich.

Vorteile des Shiftens:

• gleichmäßigere Werkzeugbelastung
• bessere Nutzung der gesamten Schneidenlänge
• längere Standzeit
• geringerer örtlicher Verschleiß
• konstantere Verzahnungsqualität

Die Shiftstrategie kann kontinuierlich während der Bearbeitung oder schrittweise zwischen mehreren Werkstücken erfolgen.

Nass- und Trockenbearbeitung

Nassbearbeitung

Bei der Nassbearbeitung wird Kühlschmierstoff eingesetzt.

Vorteile:

• Kühlung von Werkzeug und Werkstück
• Unterstützung der Spanabfuhr
• Verringerung von Aufbauschneiden
• kontrollierte Temperatur im Bearbeitungsraum

Trockenbearbeitung

Moderne Hartmetall-Wälzfräser können abhängig von Werkstoff und Anwendung ohne Kühlschmierstoff eingesetzt werden.

Vorteile:

• keine Kosten für Kühlschmierstoff
• geringerer Reinigungsaufwand
• trockene Späne
• vereinfachtes Recycling der Späne
• reduzierte Umweltbelastung

Bei der Trockenbearbeitung muss die entstehende Wärme kontrolliert über Werkzeug und Späne abgeführt werden. Maschine, Werkzeugbeschichtung und Spanentsorgung müssen darauf ausgelegt sein.

Moderne Wälzfräsmaschinen unterstützen sowohl Nass- als auch Trockenbearbeitung. Liebherr

Typischer Bearbeitungsablauf

Ein üblicher Arbeitsablauf beim CNC-Abwälzfräsen umfasst:

1. Werkstück sicher spannen
2. Wälzfräser montieren und ausrichten
3. Werkzeug- und Werkstückdaten eingeben
4. Modul, Zähnezahl und Schrägungswinkel festlegen
5. Werkzeugachse auf den erforderlichen Winkel schwenken
6. Werkzeug und Werkstück synchronisieren
7. Radial auf Zahntiefe zustellen
8. Verzahnung mit axialem Vorschub herstellen
9. Werkzeug gegebenenfalls shiften
10. Werkzeug zurückziehen
11. Verzahnung entgraten und prüfen

Moderne Maschinen verwenden hierzu mehrere synchronisierte Achsen. Dazu gehören beispielsweise die Drehbewegung des Werkzeugs, die Drehbewegung des Werkstücks sowie radiale, axiale, tangentiale und schwenkende Werkzeugbewegungen.

Werkstückspannung

Eine stabile und genaue Werkstückspannung ist für die Verzahnungsqualität entscheidend.

Wichtige Anforderungen sind:

• geringer Rundlauffehler
• sichere axiale Anlage
• ausreichende Spannkraft
• hohe Wiederholgenauigkeit
• geringe Verformung
• saubere Anlageflächen
• möglichst kurze Auskragung

Typische Spannmittel sind:

• Spanndorne
• Dehndorne
• Spannzangen
• hydraulische Spannsysteme
• Backenfutter
• Spitzen und Mitnehmer
• kundenspezifische Aufnahmen

Rundlauf- oder Planlauffehler des Werkstücks können sich unmittelbar auf Zahndicke, Teilung und Flankenlinie übertragen.

Wichtige Einflussgrößen

Die Qualität und Wirtschaftlichkeit beim Abwälzfräsen werden unter anderem beeinflusst durch:

• Schnittgeschwindigkeit
• Axialvorschub
• Radialzustellung
• Wälzfräserdurchmesser
• Gangzahl des Werkzeugs
• Schneidstoff und Beschichtung
• Werkzeugverschleiß
• Shiftstrategie
• Maschinensteifigkeit
• Werkstückspannung
• Rundlauf des Werkzeugs
• Kühlung oder Trockenbearbeitung
• Werkstückwerkstoff
• gewünschte Verzahnungsqualität

Gleason führt Werkzeugstandzeit, Prozessführung, Verzahnungsqualität und Wirtschaftlichkeit als zentrale Einflussbereiche des Wälzfräsens auf. Gleason

Häufige Fehler beim Abwälzfräsen

Teilungsfehler

Mögliche Ursachen:

• fehlerhafte Synchronisation
• Rundlauffehler des Werkstücks
• falsche Zähnezahl in der Steuerung
• Spiel oder Fehler in den Maschinenachsen
• fehlerhafte Spannung

Flankenlinienabweichung

Mögliche Ursachen:

• falscher Schwenkwinkel
• fehlerhafter Schrägungswinkel
• unzureichende Maschinengeometrie
• Werkzeug- oder Werkstückauslenkung
• thermische Veränderungen

Profilabweichung

Mögliche Ursachen:

• falscher Wälzfräser
• Werkzeugverschleiß
• fehlerhafter Modul oder Eingriffswinkel
• falsche Zustelltiefe
• beschädigte Schneidkanten

Rattermarken

Mögliche Ursachen:

• instabile Aufspannung
• zu große Werkzeugauskragung
• ungeeignete Schnittwerte
• beschädigter Wälzfräser
• unzureichende Maschinensteifigkeit
• Unwucht oder Rundlauffehler

Schlechte Oberflächenqualität

Mögliche Ursachen:

• verschlissene Schneidkanten
• falscher Vorschub
• Aufbauschneiden
• ungünstige Shiftstrategie
• unzureichende Spanabfuhr
• instabile Bearbeitung

Gratbildung

Beim Austritt des Werkzeugs entstehen häufig Grate an den Stirnseiten der Verzahnung. Diese müssen anschließend durch Anfasen oder Entgraten entfernt werden.

Moderne Wälzfräsmaschinen können dafür zusätzliche Bearbeitungseinheiten integrieren.

Grenzen des Abwälzfräsens

Das Abwälzfräsen eignet sich besonders für frei zugängliche Außenverzahnungen. Einschränkungen bestehen bei:

• Innenverzahnungen
• Verzahnungen unmittelbar neben einem großen Bund
• fehlendem Werkzeugauslauf
• störenden Werkstückkonturen
• sehr kleinen Losgrößen mit hohem Rüstaufwand
• bestimmten Sonderprofilen

Für Innenverzahnungen oder Verzahnungen mit begrenztem Werkzeugauslauf können Wälzstoßen, Räumen, Profilfräsen oder Wälzschälen besser geeignet sein.

Qualitätsprüfung

Nach dem Abwälzfräsen können unter anderem folgende Merkmale geprüft werden:

• Zähnezahl
• Zahnweite
• Zahndicke
• Teilungsabweichung
• Profilabweichung
• Flankenlinienabweichung
• Rundlauf
• Schrägungswinkel
• Oberflächenqualität
• Gratbildung
• Kopf- und Fußkreisdurchmesser

Für eine umfassende Prüfung werden spezielle Verzahnungsmessmaschinen eingesetzt. In der Serienfertigung kommen zusätzlich Lehrzahnräder, Zahnweitenmessgeräte und prozessintegrierte Messsysteme zum Einsatz.

Praxistipps für das Abwälzfräsen

• Wälzfräser passend zu Modul und Eingriffswinkel auswählen.
• Gangzahl und Steigungsrichtung kontrollieren.
• Werkzeug- und Werkstückdaten sorgfältig eingeben.
• Rundlauf von Werkzeug und Werkstück prüfen.
• Werkstückanlage und Spannflächen sauber halten.
• Werkzeugauskragung möglichst gering halten.
• Geeignete Shiftstrategie verwenden.
• Werkzeugverschleiß regelmäßig kontrollieren.
• Spanabfuhr insbesondere bei Trockenbearbeitung sicherstellen.
• Schnittwerte nach Werkzeug- und Werkstoffdaten auswählen.
• Gratbildung bei der Arbeitsplanung berücksichtigen.
• Verzahnungsqualität regelmäßig messtechnisch überwachen.

Vorteile des Abwälzfräsens

• kontinuierlicher und produktiver Bearbeitungsprozess
• hohe Wirtschaftlichkeit bei mittleren und großen Stückzahlen
• Herstellung verschiedener Zähnezahlen mit einem geeigneten Werkzeug
• für Gerad- und Schrägverzahnungen einsetzbar
• gute automatisierbare Prozessführung
• Nass- und Trockenbearbeitung möglich
• hohe Verzahnungsqualität erreichbar
• Werkzeug kann durch Shiften gleichmäßig genutzt werden

Zusammenfassung

Das Abwälzfräsen ist ein kontinuierliches Verzahnungsverfahren, bei dem sich Wälzfräser und Werkstück in einem definierten Verhältnis zueinander drehen. Durch die gekoppelte Wälzbewegung und den axialen Vorschub entsteht schrittweise die gewünschte Zahnform.

Für ein präzises Ergebnis müssen Werkzeuggeometrie, Modul, Zähnezahl, Schrägungswinkel, Drehzahlverhältnis und Werkstückspannung exakt aufeinander abgestimmt sein. Mit modernen CNC-Wälzfräsmaschinen lassen sich Außenverzahnungen sowohl nass als auch trocken in hoher Qualität und mit kurzen Bearbeitungszeiten herstellen.

Kurzdefinition:
Abwälzfräsen ist ein kontinuierliches Fräsverfahren zur Herstellung von Verzahnungen, bei dem Wälzfräser und Werkstück eine synchronisierte Drehbewegung ausführen.