Wälzfräsen: Verfahren, Maschinen und Grenzen des Standardverfahrens

Wälzfräsen ist ein kontinuierliches Verzahnungsverfahren zur Vor- und Fertigbearbeitung von Zahnrädern und gilt als die etablierte und am weitesten verbreitete Technologie für Außenverzahnungen. Ein Werkzeug in Form einer genuteten Schnecke, der Wälzfräser, und das Werkstück drehen gekoppelt, während der Fräser am Werkstück entlangfährt und die Zahnlücken erzeugt. Diese Seite erklärt Ablauf und Kinematik, Werkzeug und Maschinenaufbau, die üblichen Modul- und Durchmesserbereiche, die Grenzen des Verfahrens und den Vergleich mit Wälzstoßen und Wälzschälen. Die Maschine, die das Verfahren ausführt, ist die Wälzfräsmaschine, im Handel auch Abwälz- oder Zahnradfräsmaschine genannt – mehr dazu unter Ankauf von Wälzfräsmaschinen. Einen Überblick über alle Verfahren gibt die Seite Verzahnung.

Was ist Wälzfräsen? Definition und Einordnung

Wälzfräsen ist ein Teilbereich des Fräsens und dient der Verzahnungsvor- und Fertigbearbeitung. Es gehört zu den Wälzverfahren: Die Werkzeugschneiden wälzen sich senkrecht zur Schnittbewegung auf dem Zahnradrohling ab, und die Einhüllende der Schneidkanten ergibt die evolventenförmige Zahnform. Zu den Wälzverfahren zählen außerdem das Wälzstoßen und das Wälzhobeln. Die Evolventenverzahnung eignet sich besonders gut für das Wälzfräsen, weil ihr Bezugsprofil gerade Flanken hat und der Fräser deshalb geradflankig ausgeführt werden kann.

Geschichte: von Schiele bis zur CNC-Maschine

1856 erfand Christian Schiele das Verfahren, die technische Umsetzung war damals noch nicht möglich. Ende der 1880er Jahre baute George B. Grant die ersten Wälzfräsmaschinen für gerade verzahnte Stirnräder; Wikipedia nennt 1887, GROB etwa 1886. Der Durchbruch kam 1897, als Robert Hermann Pfauter in Chemnitz eine Universalwälzfräsmaschine patentierte, mit der über ein Differential auch Schnecken- und Schrägzahnräder möglich wurden. Im 20. Jahrhundert steigerten Schnellarbeitsstahl und Hartmetall, ab den 1990er Jahren Beschichtungen und schließlich CNC-gesteuerte Maschinen Produktivität und Standzeit deutlich.

Ablauf und Kinematik: So arbeitet ein Wälzfräser

1. Der Fräser ist eine Schnecke. Geometrisch ist der Wälzfräser eine ein- oder mehrgängige Schnecke mit Spannuten und bildet mit dem Werkstück ein Schneckengetriebe. Die Spannuten teilen die Schnecke in einzelne Schneiden.
2. Die Drehungen sind gekoppelt. Die Fräserdrehung erzeugt die Schnittbewegung. Bei einem eingängigen Fräser rückt das Werkstück je Fräserumdrehung um einen Zahn weiter; für ein Rad mit 18 Zähnen muss der Fräser also 18-mal so schnell drehen wie das Werkstück.
3. Der Fräser fährt axial. Zusätzlich bewegt er sich parallel zur Werkstückachse am Werkstück entlang, damit die Zahnlücken über die gesamte Zahnbreite entstehen.
4. Schrägungswinkel entstehen über die Maschinenstellung. Mit einem Wälzfräser lassen sich sämtliche Zähnezahlen, alle Profilverschiebungen und beliebige Schrägungswinkel erzeugen, indem die Maschinenstellungen variiert werden. Der Fräser ist dabei nur an den Modul gebunden.
5. Der Fräser wird geshiftet. Weil die Schneiden verschleißen, wird der Fräser kontinuierlich oder in Abständen tangential zum Werkstück verschoben, damit neue Zähne in Eingriff kommen.

Eine moderne CNC-Wälzfräsmaschine bildet diese Bewegungen über eigene Achsen ab. Die Liebherr-Baureihe LC 200 bis 500 nennt sechs CNC-Achsen: Radialbewegung des Ständerschlittens, Tangentialbewegung des Werkzeugs (Shiften), Axialbewegung des Fräskopfs, Fräserdrehung, Werkstückdrehung und Schwenkbewegung des Fräskopfs; hinzu kommen optional ein Gegenständer und ein Ringlader. Als Datenblattwerte werden dort ein Fräskopfschwenkwinkel von ±35° bzw. ±45°, ein Shiftweg von 200 bzw. 300 mm und Fräserdrehzahlen zwischen 500 und 3.000 min⁻¹ genannt.

Der Wälzfräser: Werkzeug, Werkstoffe und Nachschleifen

Die Schneidkanten des Fräsers entsprechen dem Bezugsprofil des zu fertigenden Moduls; Räder mit gleichem Modul lassen sich deshalb mit demselben Fräser herstellen, unabhängig von ihrer Zähnezahl. Als Schneidstoffe kommen Schnellarbeitsstahl und Hartmetall zum Einsatz, ab den 1990er Jahren kamen Beschichtungstechnologien hinzu. Verschlissene Fräser werden auf eigenen Schärfmaschinen nachgeschliffen; GROB nennt als Beispiel die hauseigene Nachschleifmöglichkeit. Auch die Kühlung spielt eine Rolle: Liebherr bietet Nass- und Trockenbearbeitung an, für die Trockenbearbeitung eine Edelstahlverkleidung gegen thermische Einflüsse, und beantwortet die Frage, ob sich großmodulige Verzahnungen (Modul über 10) trockenfräsen lassen, mit „Ja“.

Wälzfräsmaschinen: Aufbau, vertikal und horizontal

Vertikale Maschinen haben eine senkrechte Werkstückachse und sind auf radförmige, scheibenförmige Werkstücke ausgelegt. Die vertikale Bauweise sorgt für gute Späneabfuhr und verhindert Spänenester. Als Beispiel nennt EMAG die VL 4 H für Werkstücke bis Ø 200 mm und Modul 4, bei der Beladung und Anfasen in einer Aufspannung integriert sind. Die Gleason-P-Serie ist ebenfalls vertikal ausgelegt und reicht als Baukasten von der P800 bis zur P10000.

Horizontale Maschinen haben eine waagerechte Werkstückachse und sind für Wellen gebaut. Vertikale Wälzfräsmaschinen sind nur bedingt zum Verzahnen langer Wellen geeignet, weil der Axialweg des vertikalen Werkzeugschlittens begrenzt ist. Beispiele: Die MHD FMZ 300H × 800 nimmt Wellenteile bis Ø 300 mm, 700 kg und 1.250 mm Länge auf, die Gleason 100H bearbeitet Pumpenräder, Lenkritzel, Schnecken und Wellen mit Verzahnung und Keilprofil, die Ausführung 100HL Wellen bis 1.200 mm Länge.

Zusatzfunktionen. Beim Anfasen erzeugt die ChamferCut-Einheit die Fase in einer zweiten Bearbeitungsposition hauptzeitparallel zum Wälzfräsen. Ringlader bringen Werkstücke automatisch in die Maschine – bei der LC 200 bis 500 bis 100 kg, bei der LC 600 bis 2000 optional bis Ø 800 mm und 1.000 kg. Der optionale Gegenständer der Liebherr-Maschinen kann mit Automation oder mit Handbeladung geliefert werden.

Modul- und Durchmesserbereich: Wo Wälzfräsen der Standard ist

Wälzfräsen deckt einen sehr weiten Bereich ab, vom Kleinstrad bis zum Großzahnrad für Windkraftgetriebe. Die folgende Tabelle zeigt Größenordnungen aus Herstellerangaben aktueller Baureihen. Ältere Maschinen haben meist kleinere Arbeitsbereiche, prüfen Sie deshalb immer das Typenschild.

Standard ist das Wälzfräsen vor allem dort, wo Außenverzahnungen in Serie entstehen. Liebherr-Verzahnmaschinen werden vor allem von der Pkw-, Lkw- und Baumaschinenindustrie nachgefragt, zunehmend auch von der Windindustrie.

Welche Verzahnungen lassen sich wälzfräsen?

Das Verfahren ist sehr vielseitig. Wikipedia nennt als herstellbare Verzahnungen:

• Außen-Geradverzahnungen und Außen-Schrägverzahnungen
• Innen-Schrägverzahnungen (bei großen Innendurchmessern; kleine Innenverzahnungen erfordern Wälzstoßen)
• Schnecken und Schneckenräder sowie Schraubverzahnungen
• Kegelräder, Kronräder, Hypoid- und Palloid-Verzahnungen
• Sonderprofile wie Keilprofile, Kettenradverzahnungen und Rasträder

Wälzfräsen von Kegelrädern. Kegelräder entstehen im kontinuierlichen Wälzfräsverfahren mit einem Messerkopf statt mit dem zylindrischen Wälzfräser: Beim Zyklo-Palloid-Verfahren arbeitet ein zweiteiliger Messerkopf, der rechte und linke Flanke in einem Durchgang erzeugt, beim Palloid-Verfahren ein kegeliger Wälzfräser, der wegen seiner Form „Tannenbaumfräser“ heißt. Diese Aufgabe übernehmen eigene Kegelradverzahnungsmaschinen, keine Stirnrad-Wälzfräsmaschinen – siehe Ankauf von Kegelradverzahnungsmaschinen.

Vorteile und Nachteile des Wälzfräsens

Vorteile

• Vielseitigkeit: beliebige Zahnformen, Keilprofile, Kettenradverzahnungen und Rasträder
• beliebige Schrägungswinkel und Verzahnungsbreiten
• ununterbrochene Zerspanung ohne Rückhub; viele Schneiden gleichzeitig ergeben günstige Kräfteverhältnisse und hohe Genauigkeit
• sehr hohe Zerspanungsleistung und gute Automatisierbarkeit
• einfache Werkzeugherstellung und Maschineneinrichtung

Nachteile und Grenzen

• Störkonturen: Ohne Auslauf für den Fräser lässt sich eine Außenverzahnung oft nicht wälzfräsen
• Innenverzahnungen: kleine Innenverzahnungen erfordern Wälzstoßen, große lassen sich mit Innenfräsköpfen fräsen (Liebherr nennt für die LC 2000 bis 16000 Innenfräsköpfe bis Modul 25 bzw. 30)
• Vorschubmarkierungen können sich auf den Flanken abzeichnen
• Unterschnitt bei kleinen Zähnezahlen: Die Grenzzähnezahl beträgt bei 20° Eingriffswinkel 17, mit Profilverschiebung lassen sich auch weniger Zähne ohne Unterschnitt fertigen

Nach der klassischen DIN 3961 erreichen wälzgefräste, wälzgehobelte und wälzgestoßene Verzahnungen die Qualitäten 5 bis 9 (1 = feinste, 12 = gröbste Stufe). DIN 3961 ist inzwischen durch DIN ISO 1328-1 ersetzt; die Zuordnung ist eine Größenordnung, keine Zusage für eine bestimmte Maschine.

Wälzfräsen im Vergleich: Wälzstoßen, Wälzschälen und Räumen

Wälzfräsen, Schälwälzfräsen und Wälzschälen. EMAG unterscheidet drei verwandte Verfahren. Das Wälzfräsen ist die am weitesten verbreitete Technologie für Außenverzahnungen und eignet sich für Schruppen und Schlichten, gerade wie schräg. Das Schälwälzfräsen ist ein Schlichtprozess ausschließlich für gehärtete Bauteile; es gleicht Qualitätsverluste durch das Härten aus, typischerweise ein bis zwei ISO-Klassen, und erreicht ISO-1328-Qualitäten von 6 bis 7. Das Wälzschälen bearbeitet Innen- und Außenverzahnungen, ist besonders für Innenverzahnungen, Verzahnungen neben Störkonturen und kleine Losgrößen geeignet und ermöglicht Drehen und Verzahnen in einer Aufspannung. Es ist laut EMAG etwa 50 Prozent schneller als das Wälzstoßen.

Welche Maschine führt Wälzfräsen aus – und worauf es beim Verkauf ankommt

Wälzfräsen läuft auf der Wälzfräsmaschine. Für die Bewertung einer gebrauchten Maschine sind vor allem diese Merkmale wichtig: maximaler Werkstückdurchmesser und maximaler Modul, Werkstücklänge, Baujahr und Steuerung, Betriebsstunden von Fräs- und Werkstückspindel sowie Rundtisch, Zubehör wie Fräserdorne und Gegenhalter, Automatisierung wie Ringlader und Anfaseinheit, Kühl- und Absaugtechnik und ein vorhandenes Prüfprotokoll. Auch mittlere Maschinen sind schwer – die Liebherr LC 200 bis 500 wiegt rund 16 t mit Gegenständer –, deshalb gehören Demontage und Transport von Anfang an in die Planung. Wie sich der Wert zusammensetzt, erklärt Was ist meine Verzahnungsmaschine wert?.

Wälzfräsmaschine verkaufen

Wir kaufen Ihre Verzahnungsmaschine an oder vermitteln sie an einen Käufer aus unserem Netzwerk. Wir bewerten Ihre Wälzfräsmaschine anhand von Typenschild, Modul- und Durchmesserbereich, Baujahr, Steuerung und Zustand und koordinieren Demontage und Transport; die Zahlung erfolgt vor der Abholung. Eine erste Rückmeldung erhalten Sie in der Regel innerhalb von 24 Stunden. Weitere Informationen finden Sie unter Ankauf von Wälzfräsmaschinen und im Überblick Ankauf von Verzahnungsmaschinen.

Quellen

• Wikipedia: Wälzfräsen – Definition, Kinematik, Geschichte, Vorteile, herstellbare Verzahnungen.
• tec-science: Herstellung von Zahnrädern – Wälzverfahren, Drehzahlkopplung, Vergleich mit Stoßen und Räumen.
• EMAG: Wälzfräsen vs. Schälwälzfräsen vs. Wälzschälen – Vergleich der Verfahren.
• Liebherr: Wälzfräsmaschinen – Baureihen mit Modul- und Durchmesserbereichen.