Anwenderbericht

Aus vier mach zwei

Die Wälzfräser von ZF Getriebe in Saarbrücken verrichten Schwerstarbeit bei der Fertigung von Zahnrädern für das wegweisende 8-Gang-Automatgetriebe. Newcomer Balinit Alcrona Pro überraschte mit hohen Standzeiten - und schlug fast alle eingesetzten Werkzeugbeschichtungen aus dem Rennen.
Starkes Stück (v. links): Kevin Adam (ZF), Gerhard Peyerl (Oerlikon Balzers) und Michael Horf (ZF) begutachten einen beschichteten Fräser.

Gangwechsel in 200 Millisekunden? Bei dieser Reaktionszeit kommt auch ein Profifahrer nicht mehr mit. Das 8-Gang-Automatgetriebe (8HP) von ZF kann aber weit mehr: zum Beispiel sechs Prozent Kraftstoff einsparen gegenüber dem Vorgänger mit sechs Schaltstufen (6HP) - und das bei gleichem Bauraum und Gewicht. Aufgrund solcher Innovationsleistungen liegt der Marktanteil automatischer Schaltgetriebe 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 zum Beispiel in Mittel- und Oberklassemodellen von BMW und Audi, und rechnet mit deutlichem Wachstum. Dieser Trend verlangt auch knallharte Fortschritte in der Fertigung. So besteht das komplett neu konstruierte 8HP-Getriebe aus vier Planetenradsätzen und fünf Schaltelementen mit insgesamt 20 bis 25 Zahnrädern. Bei einer Jahresproduktion von über einer Million Getriebe - Tendenz steigend - stehen die Verzahnungsmaschinen am Standort Saarbrücken im Dauereinsatz. Standhafte und hochwertige Werkzeuge sind jedoch nicht nur wegen Produktionssteigerungen gefragt, sondern auch wegen immer stärker belasteter und entsprechend anspruchsvoll ausgelegter Zahnräder, wegen der Umstellung von Weich- auf Hartendbearbeitung und wegen der zunehmend produktiveren Fertigungsverfahren. "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", sagt 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 12- bis 15-maliger Aufbereitung noch eine vorgegebene Leistung reproduzieren können. Im Fräsprozess (Trockenbearbeitung) geht es um die Einhaltung eng gesetzter Temperaturtoleranzen und die Vermeidung von Oberflächendefekten wie etwa Aufschweißungen auf den Zahnradflanken, damit letztlich kein Ausschuss entsteht.

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Umfangreiches Wälzfräsprojekt

Wegen dieser hohen Ansprüche und zur Vorbereitung auf steigende 8HP-Stückzahlen wurde darum in Saarbrücken ein umfangreiches Wälzfräsprojekt gestartet. Themen waren unter anderem Prüfung, Vergleich und Dokumentation sämtlicher Werkzeuge sowie deren Verschleißentwicklung, aber auch die differenzierte Erprobung der vier eingesetzten Werkzeug-Beschichtungen. 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 für höchste Ansprüche beim Zerspanen und Verzahnen konnte ihre Vorteile wie etwa hohe Warmhärte, Beständigkeit gegen Abrasivverschleiß und Temperaturwechsel in Vergleichstests mit vier Versuchswerkzeugen sofort ausspielen. So ergab sich im Einsatz auf einem PM-Wälzfräser eine Standzeiterhöhung von fast 60 Prozent gegenüber der Vorgängerschicht. Und beim Fräsen von Planetenrädern (Modul 1,3 Millimeter) schaffte die neue Schicht eine Erhöhung der Serienstandmenge von 40 Prozent .

Realistisches Einsatzszenario

Wohlgemerkt: Bei diesen Resultaten handelt es sich um Mittelwerte aus Fräsversuchen mit sechs verschiedenen Bauteilen unterschiedlicher Modul-Größen. Eingesetzt wurde 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- bzw. 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). 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 nachhaltige Überraschung: ZF beschloss die Einführung von Balinit Alcrona Pro als bevorzugte Schicht für HM-Wälzfräser. Im PM-Bereich konnte sich neben ihr nur eine weitere Schicht halten, so dass statt zuvor vier Werkzeugbeschichtungen jetzt zwei eingesetzt werden.

Qualität und Performance verbessern

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 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." lg

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