Wälzschälen, englisch Power Skiving, ist ein kontinuierliches Zerspanverfahren, bei dem ein zahnradartiges Werkzeug und das Werkstück bei gekreuzten Achsen wie ein Schraubradgetriebe aufeinander abwälzen. Das Verfahren ist über 100 Jahre alt und erlebt seit einigen Jahren eine Renaissance, vor allem für Innenverzahnungen und für Verzahnungen dicht an Wellenschultern. Diese Seite erklärt die Kinematik, die Werkzeuge, den Vergleich mit Wälzfräsen, Wälzstoßen und Räumen, die Maschinenkonzepte und die Grenzen des Verfahrens.
Was ist Wälzschälen?
EMAG beschreibt das Wälzschälen als Kombination aus Wälzfräsen und Stoßen: kontinuierliches Fräsen mit axialem Vorschub, geeignet für Innen- und Außenverzahnungen und als Alternative zu Räumen und Wälzstoßen. Die Idee stammt von Wilhelm von Pittler, der laut Klingelnberg am 1. März 1910 ein Patent auf das Schneiden von Zahnrädern mit einem zahnradartigen, an den Stirnflächen der Zähne mit Schneidkanten versehenen Werkzeug anmeldete. Lange blieb das Verfahren erfolglos: Klingelnberg nennt zu geringe Werkzeugstandlängen, Maschinenschwingungen und eine kritische Späneabfuhr als Gründe. Liebherr spricht von einer Renaissance des über 100 Jahre alten Verfahrens, die schnelle Direktantriebe, verschleißfeste Schneidstoffe und neue Beschichtungen möglich gemacht haben.
Kinematik: gekreuzte Achsen statt Hubbewegung
Zum Verständnis hilft der Vergleich mit dem Wälzstoßen. Beim Wälzstoßen entsteht die Schneidbewegung durch den Hub des zahnradförmigen Werkzeugs in axialer Richtung; wegen des Rückhubs, bei dem nicht geschnitten wird, geht laut Klingelnberg immer Zeit verloren. Beim Wälzschälen erzeugt stattdessen die gekreuzte Achsanordnung von Werkzeug und Werkstück eine axiale Relativgeschwindigkeit, die die Schneidbewegung ermöglicht. Während des Umlaufs durchläuft jede Schneidkante unterschiedliche Zahnhöhen am Werkstück.
Neben der Neigung um den Achskreuzwinkel braucht das Verfahren nach Klingelnberg einen Kippwinkel, der den kinematischen Freiwinkel zwischen Werkzeug- und Werkstückflanke einstellt, dazu zwei lineare Verschiebungen (Achsabstand und Vorschub entlang der Werkstückachse) und eine überlagerte Differenzialdrehung. Werkzeug- und Werkstückspindel müssen deshalb elektronisch präzise gekoppelt laufen. Die Schnittgeschwindigkeit ergibt sich aus der Drehzahl, dem Verhältnis von Werkstück- zu Werkzeugdurchmesser und dem Achskreuzwinkel.
Wie groß der Achskreuzwinkel ist, hängt von der Quelle und der Aufgabe ab:
| Quelle | Verfahren | Achskreuzwinkel |
|---|---|---|
| EMAG (Blog) | Wälzfräsen | 45° bis 135° |
| EMAG (Blog) | Wälzschälen | 10° bis 25° |
| EMAG (Technologieseite) | Wälzschälen, übliche Werte | 15° bis 25° |
| FVA 661 II | Wälzschälen, konventionell | 20° bis 30° |
| FVA 661 II | Wälzschälen, Forschung für Verzahnungen an Wellenschultern | 5° bis 15° |
Klingelnberg rechnet die Unterschiede in der Eingriffszahl vor: Bei 2.000 min⁻¹, einer Schnittgeschwindigkeit von 200 m/min und einem Werkzeug mit 25 Zähnen ergeben sich 50.000 Eingriffe pro Minute, ein Wälzfräser mit acht Stollen und zwei Gängen kommt bei gleicher Schnittgeschwindigkeit mit 1.200 min⁻¹ nur auf 19.200. Für das trockene Fräsen mit Hartmetall nennt Klingelnberg Schnittgeschwindigkeiten von 150 bis 250 m/min als sinnvoll.
Das Werkzeug: Schälrad
Das Werkzeug ist ein Schälrad. Klingelnberg unterscheidet drei Bauformen:
- Zylindrisches Schälrad: einfach nachzuschärfen, hat aber ein ungünstiges Verschleißverhalten, weil der Freiwinkel klein ist.
- Konisches Schälrad: besseres Verschleißverhalten, kann aber nur wenige Male nachgeschliffen werden, und das Nachschleifen ist aufwendig.
- Stabmesser-Schälrad: Hartmetall-Messerstäbe mit geschliffenem Schneidenprofil in einem Grundkörper; Span- und Freiwinkel sind frei wählbar, und das Nachschärfen ist ein beherrschter Prozess.
Horn bietet mit dem System WSR ein Vollhartmetall-Schälrad an, dessen maximaler Außendurchmesser mit einer Hohlschaftkegel-Schnittstelle auf 120 mm skaliert wurde, samt Nachschärfservice. Für kleine Module gibt es laut einem Praxisbericht Vollhartmetall-Werkzeuge bis 20 mm Durchmesser, für größere modulare Systeme mit Wendeplatten. Gleason integriert bei der 300PS eine Nachschärffunktion in die Maschine, damit weniger Werkzeuge vorgehalten werden müssen.
Wälzschälen, Wälzfräsen, Wälzstoßen und Räumen im Vergleich
| Kriterium | Wälzfräsen | Wälzstoßen | Wälzschälen | Räumen |
|---|---|---|---|---|
| Schneidbewegung | kontinuierlich, Achsen 45° bis 135° | Hub mit Rückhub ohne Schnitt | kontinuierlich, Achsen 10° bis 25° | lineare Zugbewegung, mehrzahniges Werkzeug |
| Innenverzahnung | nur große Durchmesser, kleine Hohlräder nicht | ja, auch im Sackloch (Freistich 5 bis 10 mm nötig) | ja, auch gegen Bund, ohne Freistich | ja, meist in einem Hub |
| Losgröße | große Serien | Einzelteile, Kleinserien | 1 Stück bis mittlere Serien | Großserien |
| Werkzeug | Wälzfräser | Schneidrad | nachschärfbares Schälrad | profilspezifische Räumnadel, teuer |
| Besonderheit | erste Wahl für Außenverzahnung im weichen Zustand | dünne, lange Innenverzahnungen schwierig | Drehen und Verzahnen in einer Aufspannung möglich | keine Flankenlinienkorrektur wie Balligkeit |
Quellen der Tabelle sind EMAG, Wikipedia (Wälzstoßen, Wälzfräsen, Räumen), der Beitrag „Wälzschälen: flexible Alternative zu Stoßen und Räumen“ auf produktion.de sowie Liebherr. Zur Zeitersparnis gegenüber dem Stoßen gibt es keinen einheitlichen Faktor: EMAG nennt etwa 50 Prozent schneller und 2- bis 3-fache Produktivität samt Standzeit, ein Getriebehersteller vier- bis fünffach kürzere Zykluszeiten bei Modulen von 0,5 bis 2, produktion.de 3- bis 8-fach. Gegenüber dem Räumen ist Wälzschälen laut produktion.de vergleichbar schnell, das Räumen bleibt etwas schneller, dafür ist Wälzschälen deutlich flexibler und hat geringere Werkzeugkosten. Wie die Verfahren bei Innenverzahnungen zusammenspielen, zeigt die Seite Innenverzahnung; das Wälzfräsen erklärt die Seite Wälzfräsen.
Wofür Wälzschälen eingesetzt wird
- Hohlräder für Planetengetriebe: Ein Getriebehersteller schält Innenverzahnungen im Modulbereich 0,5 bis 2 mit Horn-Werkzeugen; EMAG nennt Ringräder für Planetengetriebe im Automobilbau und Innenverzahnungen für Elektroantriebe als wachsendes Anwendungsfeld.
- Verzahnung gegen Bund oder Störkontur: Bei Außenverzahnungen mit anschließenden Schultern, für die Wälzfräsen einen zu langen Werkzeugauslauf braucht, kann Wälzschälen die Verzahnung fertigen.
- Kombination mit Drehen: Die VSC 400 PS von EMAG arbeitet mit bis zu vier Schälwerkzeugen und sechs Drehwerkzeugen auf zwei Spindeln und bearbeitet Bauteile bis 340 mm Durchmesser und 420 mm Höhe in einer Aufspannung, was die Konzentrizität zwischen Verzahnung und Lagersitz sichert.
- Beispiel aus dem Bearbeitungszentrum: Heller nennt für einen Planetenträger mit Innenverzahnung (Ø 85 mm, Modul 2, 41 Zähne) auf einem 5-Achs-Zentrum eine Zykluszeit von 160 Sekunden bei Qualität 7 nach DIN 3961.
Welche Maschinen können Wälzschälen?
Wälzschälen ist ein Verfahren, keine Maschinenklasse, und läuft auf drei Konzepten:
| Maschinenkonzept | Beispiel (Herstellerangabe) | Bearbeitungsbereich |
|---|---|---|
| Wälzschälmaschine mit Drehfunktion | EMAG VSC 400 PS | bis 340 mm Durchmesser, 420 mm Höhe, bis 4 Schäl- und 6 Drehwerkzeuge |
| Wälzschälmaschine, kompakt | Liebherr LK 180-280 | Modul 3, 180 bis 280 mm Durchmesser, integriertes Fasen |
| Wälzschälmaschine, mittel bis groß | Liebherr LK 300-500/700 M | Modul 8, 300 bis 700 mm Durchmesser |
| Wälzschälmaschinen-Familie | Gleason 100PS, 300PS, 400PS bis 600/800PS | von kleinen Wellen und Zahnrädern bis mittleren und großen Zahnrädern |
| Wälzfräsmaschine mit Schälfunktion | EMAG K 160 Longbed XL | Wälzfräsmaschine mit Skiving-Fähigkeit |
| Bearbeitungszentrum mit Drehfunktion | Heller HF-Serie (Option) | direkt angetriebener Rundtisch mit Spindelkopplung, Siemens-Steuerung mit Eingabemasken |
| Universal-Dreh-/Fräszentrum | Maschinenzyklus mit Prozessauslegungssoftware (Fraunhofer IWU) | Nachrüstung vorhandener Dreh- und Fräszentren |
Ein praktischer Aspekt für Betreiber älterer Anlagen: Wälzschälen ersetzt nicht jeden anderen Prozess. Wälzstoßen bleibt nach Wikipedia für Innenverzahnungen in Sacklöchern und kleine Stückzahlen wichtig, und Räumen für große Serien fester Geometrie. Die Maschinen dieser konkurrierenden Verfahren beschreiben die Seiten Wälzfräsmaschinen und Wälzstoßmaschinen; den Überblick über alle Verzahnungsmaschinen bietet Ankauf Verzahnungsmaschinen.
Hartschälen: gehärtete Verzahnungen schälen
Wälzschälen ist nicht auf den weichen Zustand beschränkt. Liebherr beschreibt Hartschälen als Alternative zu Schleifen und Honen für Innenverzahnungen und Keilprofile; es erlaubt den gezielten Ausgleich des Härteverzugs und bietet laut Liebherr Flexibilität, Werkzeugstandzeit und Kosteneffizienz. Gleason geht weiter und schreibt, Hartschälen könne andere Hartfeinbearbeitungsverfahren mit vergleichbarer Qualität ersetzen, bei einem Bruchteil der Kosten; das ist eine Herstellerangabe. Zur Einordnung: Schälwälzfräsen bezeichnet nach EMAG das Wälzfräsen gehärteter Außenverzahnungen, bei dem nur die Zahnflanken abgetragen werden; es erreicht ISO-1328-Qualität 6 bis 7 bei etwa Ra 0,5, während Wälzfräsen im weichen Zustand bei Klasse 6 bis 8 liegt. Das Bearbeiten gehärteter Verzahnungen mit Hartmetall wurde laut EMAG erst seit Mitte der 1980er Jahre möglich. Wie geschliffen wird, erklärt die Seite Verzahnungsschleifen.
Auslegung, Simulation und Regelkreis
Weil Kinematik und Spanbildung komplex sind, gehört zum Wälzschälen eine Prozessauslegung. Klingelnberg beschreibt einen Closed Loop: Zuerst wird die Verzahnung ausgelegt, dann werden Werkzeug und Kinematik berechnet, und eine Herstellsimulation zeigt Span- und Freiwinkel, die der Anwender optimieren kann. Nach dem Schälen wird das Bauteil mit einem topografischen Gitter vermessen, und die Abweichungen fließen als Korrekturwerte für die Kinematik in die Maschinensteuerung zurück. Zur Software SkiveAll, die Forscher des Fraunhofer IWU entwickelt haben, berichtet der Maschinenmarkt: Die Basisversion legt Technologievarianten aus und optimiert sie, die 3D-Version berechnet Werkzeugprofile und simuliert die Bearbeitung. Bei der EMAG VSC 400 PS genügen die Verzahnungs- und Werkzeugdaten, die Bedienoberfläche berechnet das gesamte Bearbeitungsprogramm automatisch; Gleason nennt einen Dialog zur Prozessführung und eine Prozesssimulation.
Grenzen und Anforderungen
Die Forschungsvereinigung Antriebstechnik hat im Projekt FVA 661 II (IGF-Nr. 19053 N) die wirtschaftlichen und technologischen Grenzen des Wälzschälens bei kleinen Achskreuzwinkeln untersucht. Ziel war es, Verzahnungen dicht an Wellenschultern zu fertigen und den Werkzeugauslauf klein zu halten. Ergebnisse:
- Die konventionellen Winkel von 20° bis 30° wurden auf 5° bis 15° reduziert; unter 10° wird das Prozessfenster schmal.
- Die Bearbeitungszeiten lagen 2- bis 6-fach über denen konventioneller Achskreuzwinkel, aber 2- bis 3-fach unter dem Referenzprozess Räumen.
- Die Grenze ist stark werkstoffabhängig: Bei 16MnCr5 waren die Verschleißbilder stabil, beim vorgehärteten 30CD12 lief der Prozess instabil mit deutlich kürzerer Standzeit.
- Entscheidendes Auslegungskriterium bei kleinen Winkeln ist der minimale effektive Spanwinkel; Werkzeugkopf-Spanwinkel und Mehrzahnverteilung wirken negativen effektiven Spanwinkeln entgegen.
Hinzu kommt die Spanbildung: Klingelnberg nennt Spanwinkel von bestenfalls 0° und bis zu minus 50° im Prozess, was die Schnittkräfte erhöht und Konturtreue, Dynamik und Steifigkeit der Maschine fordert. DVS verlangt extrem steife Maschinenstrukturen und optimierte Regelkreise; EMAG nennt stabile Spannung, hohe Werkzeugqualität und hohe Drehzahlen als Bedingungen. Liebherr formuliert es so: Wälzschälen verzeiht keine Fehler, Abweichungen im Rahmen von Fertigungstoleranzen entscheiden mitunter darüber, ob die Bearbeitung funktioniert. Wer eine Maschine für das Wälzschälen nutzt oder verkauft, sollte deshalb Angaben zu Steuerungsstand, vorhandenen Schälzyklen, Spindelkopplung und Werkzeugen bereithalten.
Für Verkäufer
Wir kaufen Ihre Verzahnungsmaschine an oder vermitteln sie an einen Käufer aus unserem Netzwerk. Wir bewerten die Maschine anhand Ihrer Angaben, suchen einen Käufer und koordinieren Demontage und Transport; die Zahlung erfolgt vor der Abholung. Eine erste Rückmeldung gibt es in der Regel innerhalb von 24 Stunden. Alles zum Vorgehen finden Sie unter Ankauf Verzahnungsmaschinen und So funktioniert es.
Quellen
- Klingelnberg, Whitepaper Wälzschälen (Patent von Pittler 1910, Kinematik, Werkzeuge): klingelnberg.com
- FVA, Wälzschälen von Innenverzahnungen (Projekt FVA 661 II): fva-net.de
- EMAG, Wälzfräsen vs. Schälwälzfräsen vs. Wälzschälen: emag.com
- Liebherr, Wälzschälen maßgeschneidert (Kundenmagazin): liebherr.com