Wälzstoßen ist eine Variante des Stoßens zur Herstellung von Verzahnungen. Ein zahnradförmiges Werkzeug, das Schneidrad, führt Hubbewegungen aus und wälzt gleichzeitig am Werkstück ab – bei einer Innenverzahnung wie ein Planet im Hohlrad. Damit lassen sich gerade und schräge Innen- und Außenverzahnungen fertigen, und zwar auch dort, wo ein Wälzfräser nicht arbeiten kann: in Sacklöchern, an Schultern und bei fehlendem Werkzeugauslauf. Diese Seite erklärt Ablauf, Werkzeug, Konstruktionshinweise und Maschinenaufbau, ordnet das Verfahren gegenüber Wälzfräsen, Wälzschälen und Räumen ein und zeigt, welche Maschine es ausführt: die Wälzstoßmaschine, im Handel meist Zahnradstoßmaschine genannt – siehe Ankauf von Wälzstoßmaschinen. Einen Überblick über alle Verfahren gibt die Seite Verzahnung.
Was ist Wälzstoßen? Definition und Einsatzgebiete
Wälzstoßen gehört wie das Wälzfräsen und das Wälzhobeln zu den Wälzverfahren: Die Schneidkanten des Werkzeugs wälzen sich auf dem Zahnradrohling ab, und die Einhüllende der Schneidkanten ergibt die Evolventenform. Nach Wikipedia liegen die Haupteinsatzgebiete bei
- Innenverzahnungen bei kleineren Stückzahlen,
- Innenverzahnungen in Sacklöchern, also in nicht durchgehenden Bohrungen,
- Außenverzahnungen bei fehlendem Auslauf.
Typische Werkstücke sind Innenzahnkränze (Hohlräder) für Planetengetriebe, Kupplungsnaben und Antriebswellen. Wer eine Verzahnung stoßen lässt, nutzt also vor allem die Fähigkeit des Verfahrens, in engen Bohrungen und an Konturen zu arbeiten, die dem Fräser den Auslauf nehmen. Mehr zur Verzahnungsart selbst steht auf der Seite Innenverzahnung.
Ablauf: drei Bewegungen und ein Rückhub
Beim Stoßen einer Innenverzahnung bilden Werkstück und Werkzeug ein Innengetriebe. Drei Bewegungen laufen zusammen:
- Wälzbewegung. Werkstück und Schneidrad drehen kontinuierlich um ihre Achsen, gekoppelt über die Zähnezahlen.
- Hubbewegung. Das Schneidrad führt axiale, oszillierende Hin- und Herbewegungen aus. Beim Abwärtshub nimmt es Späne ab, im Rückhub hebt es vom Werkstück ab, damit die Schneiden nicht kollidieren.
- Radialvorschub. Das Werkzeug wird in das Werkstück zugestellt, bis die vorgegebene Zahndicke erreicht ist.
Die Achsen einer modernen CNC-Wälzstoßmaschine bilden das direkt ab. Die Liebherr-Baureihe LS 600 bis 1600 nennt unter anderem eine Radialbewegung des Ständerschlittens, die Hubbewegung des Werkzeugs, eine gesonderte Abhebebewegung des Werkzeugs, die Drehung von Werkzeug und Werkstück sowie eine Ständerschwenkachse. Für Schrägverzahnungen wird die Bewegung des Schneidrads über eine Schrägführung geführt; die elektronische Schrägführung der Liebherr LS 300 bis 500 erlaubt programmierbare Flankenkorrekturen und Schrägungswinkel bis 50°. Für Verzahnbreiten, die größer sind als der maximale Arbeitsbereich der Maschine, beschreibt Liebherr das Shuttle-Stroke-Verfahren: Die Verzahnbreite wird in Teillängen aufgeteilt, die nacheinander abgearbeitet werden.
Das Schneidrad und verwandte Werkzeuge
Das Stoßwerkzeug ist im Prinzip ein Ritzel mit Schneidkanten an der unteren Stirnfläche. Üblich sind Schaftschneidräder mit Morsekegel sowie Scheiben- und Glockenschneidräder. Zwei Regeln bestimmen die Auslegung: Das Schneidrad muss beim Stoßen einer Innenverzahnung weniger Zähne haben als das Werkstück, sonst kollidieren die Zähne, und es muss lang genug für die jeweilige Verzahnung sein. Werkzeugstahl mit Titannitrid-Beschichtung verlängert die Standzeit. Wichtig ist außerdem, dass das Werkzeug am unteren Ende der Verzahnung aus dem Material austritt, damit der Span abreißt.
Eng verwandt ist das Wälzhobeln. Statt eines zahnradförmigen Werkzeugs arbeitet es mit einem zahnstangenförmigen, dem Schneidkamm mit geradflankigen Schneiden. Die Werkzeuge sind einfacher und günstiger herzustellen; dafür lassen sich mit dem Wälzhobeln keine Innenverzahnungen fertigen. Es wird vor allem für sehr große Räder eingesetzt und hat eine geringere Zerspanungsleistung als das Wälzfräsen.
Konstruktionshinweise: Freistich, Verzahnungstiefe, Hublänge
Wer ein Bauteil zum Wälzstoßen auslegt, muss einige Grenzen beachten. Die Tabelle fasst die Praxishinweise aus Wikipedia zusammen.
| Parameter | Richtwert bzw. Hinweis |
|---|---|
| Übliche Hublänge der Maschinen | 80 bis 200 mm, seltener bis 400 mm |
| Verzahnungstiefe | möglichst nicht tiefer als 200 mm in der Bohrung |
| Freistich hinter der Verzahnung | häufig erforderlich, mindestens 5 bis 10 mm breit |
| Werkzeugaustritt | am unteren Ende der Verzahnung, damit der Span abreißt |
| Dünne, lange Innenverzahnungen | schwierig: schlankes Werkzeug kann unter Schnittkraft ausweichen |
| Verzahnungsbeginn tief in der Bohrung | Messen wird schwierig, ungünstige Aufprallgeschwindigkeit |
| Gehärtete Werkstücke | je härter, desto problematischer; Räumen oder Erodieren oft besser |
Warum Wälzstoßen für Innenverzahnungen und Störkonturen?
Eine Störkontur ist eine Bauteilkontur wie eine Schulter oder ein Bund unmittelbar neben der Verzahnung, die dem Werkzeug keinen Auslauf lässt. Ein Wälzfräser braucht diesen Auslauf; wo er fehlt, ist das Wälzfräsen nicht möglich. Das Stoßwerkzeug dagegen braucht nur einen Freistich hinter der Verzahnung. Liebherr nennt als Einsatzgebiet der Wälzstoßmaschinen deshalb die Fertigung von Innenverzahnungen und von Außenverzahnungen an Werkstücken mit eingeschränktem Werkzeugüberlauf, bei denen Fräsen nicht möglich ist.
Bei Innenverzahnungen kommt hinzu, dass sich kleine Innenverzahnungen nicht wälzfräsen lassen. Alternativen sind Räumen, das vor allem für Innenverzahnungen in der Massenfertigung geeignet ist, und das Wälzschälen, das ebenfalls Innenverzahnungen und Verzahnungen neben Störkonturen bearbeitet. Das Wälzstoßen bleibt das Verfahren für Innenverzahnungen bei kleineren Stückzahlen und für Verzahnungen ohne Auslauf.
Wälzstoßmaschinen: Aufbau, Stoßkopf und Baugrößen
Wälzstoßmaschinen sind kontinuierlich arbeitende Verzahnungsmaschinen, bei denen die Wälzkinematik von Werkstück und Werkzeug als Getriebe mit parallelen Achsen nachgebildet wird. Zu den Hauptbaugruppen zählen der drehende Werkstücktisch, das darüber angeordnete Werkzeug mit Hubbewegung und der Radialvorschub.
Beim Stoßkopf unterscheidet Liebherr zwei Bauarten: Der hydraulische Stoßkopf wird bei großen Verzahnungen und großem Modul eingesetzt, der elektromechanische Stoßkopf bietet Vorteile bei hohen Hubzahlen oder in Verbindung mit der NC-Schrägführung. Die Tische sind bei der LS 600 bis 1600 hydrostatisch gelagert und werden über spielfreie Doppelschneckenantriebe angetrieben. Gleason nennt für die P-Serie ebenfalls hydrostatische Lager und spielfreie Antriebe sowie optional eine elektronische Einstellung des Schrägungswinkels per Software.
Die folgende Tabelle zeigt Größenordnungen aus aktuellen Herstellerangaben. Ältere Maschinen haben häufig kleinere Arbeitsbereiche und Hubzahlen; maßgeblich ist immer das Typenschild.
| Baureihe | max. Modul | Werkstück- bzw. Verzahnungsdurchmesser | Hublänge | max. Hubzahl (Doppelhübe/min) |
|---|---|---|---|---|
| Liebherr LS 80–280 F/E | 3 bis 5 | 80 bis 280 mm | bis 70 mm | bis 1.500 |
| Liebherr LS 300–500/700 EM | 8 bis 12 | 300 bis 700 mm | 120 bzw. 240 mm | 1.200 bzw. 1.000 |
| Liebherr LS E 600–1600 | 8 bzw. 12 | 600 bis 1.600 mm | 120 bzw. 240 mm | 1.200 bzw. 1.000 |
| Liebherr LS H 800–1600 (hydraulisch) | 16 bzw. 22 | 800 bis 1.600 mm | 270 bzw. 440 mm | 270 bzw. 200 |
| Liebherr LS 1800–3500 H | 22 | 1.800 bis 3.500 mm | – | – |
| Gleason P 500S / P 600S / P 600/800S | 12 | bis 800 mm | bis 250 mm | – |
Für die Planung eines Verkaufs ist auch das Gewicht wichtig: Die Liebherr-Baureihe LS 600 bis 1600 wird mit rund 21 bis 26 t Gesamtgewicht angegeben, die hydraulische Ausführung LS H mit rund 22 bis 26 t. Demontage und Transport sind bei solchen Maschinen ein eigener Arbeitsschritt.
Wälzstoßen, Wälzschälen, Räumen und Wälzfräsen im Vergleich
| Verfahren | Bewegungsprinzip | Innenverzahnung | Störkontur / Auslauf | Losgröße | Maschinentyp |
|---|---|---|---|---|---|
| Wälzstoßen | Schneidrad mit Hub und Rückhub, wälzt wie ein Planet im Hohlrad | klassisches Verfahren, auch Sacklöcher | geeignet für Verzahnungen ohne Auslauf | Innenverzahnungen bei kleineren Stückzahlen | Wälzstoßmaschine |
| Wälzschälen | kontinuierlich, Achskreuzwinkel etwa 10° bis 25° | ja | gut geeignet für Verzahnungen neben Störkonturen | kleine Stückzahlen, flexible Fertigung | Wälzschälmaschine |
| Räumen | Werkzeug mit gestaffelten Schneiden, Endform meist nach einem Durchgang | ja, vor allem Innenverzahnungen | Werkzeug wird durch die Bohrung gezogen | Massenfertigung | Räummaschine |
| Wälzfräsen | kontinuierlich, Fräser (Schnecke) ohne Rückhub | nur große Ringe mit Innenfräskopf | Auslauf nötig | besonders wirtschaftlich in größeren Serien | Wälzfräsmaschine |
Wälzstoßen gegen Wälzschälen. Wälzschälen arbeitet kontinuierlich statt mit Hub und Rückhub. Nach EMAG ist es etwa 50 Prozent schneller als das Wälzstoßen. Das Werkzeug heißt Schälrad; anders als beim Stoßen sind Werkzeug- und Werkstückachse gekreuzt statt parallel, und die Produktivität steigt mit dem Achskreuzwinkel. Eine Untersuchung im Umfeld der FVA zeigt, wie sich der Vorteil verändert: Um näher an Störkonturen zu arbeiten, wurde der Achskreuzwinkel von den in der Untersuchung üblichen 20° bis 30° auf 5° bis 15° verringert. Die Hauptzeiten lagen dabei zwei- bis sechsmal höher als bei konventionellem Achskreuzwinkel, aber immer noch zwei- bis dreimal niedriger als beim Referenzverfahren Stoßen. Der Prozess erwies sich zudem als stark werkstoffabhängig.
Wälzstoßen gegen Räumen. Beim Räumen wird ein Werkzeug mit gestaffelten Schneiden durch das Werkstück gezogen; die Endform ist meist nach einem Durchgang erreicht. Das Verfahren hat eine hohe Zerspanungsleistung und wird vor allem für Innenverzahnungen in der Massenfertigung genutzt. Bei Innenverzahnungen in kleineren Stückzahlen nennt Wikipedia dagegen das Wälzstoßen als Haupteinsatzgebiet.
Verzahnungsqualität. Nach der klassischen DIN 3961 liegen wälzgefräste, wälzgehobelte und wälzgestoßene Verzahnungen in den Qualitäten 5 bis 9 (1 ist die feinste, 12 die gröbste von zwölf Stufen). DIN 3961 ist inzwischen zurückgezogen und durch DIN ISO 1328-1 ersetzt; die Einteilung dient als Größenordnung.
Entscheidungshilfe: Wann Wälzstoßen, wann ein anderes Verfahren?
Aus den genannten Grenzen lässt sich eine einfache Faustregel ableiten:
- Wälzstoßen passt bei Innenverzahnungen in kleineren Stückzahlen, bei Sacklöchern, bei Außenverzahnungen ohne Auslauf und wenn die Verzahnung nicht tiefer als etwa 200 mm in der Bohrung liegt.
- Räumen ist die Alternative, wenn Innenverzahnungen in Massenfertigung entstehen oder das Werkstück bereits gehärtet ist.
- Wälzschälen kommt in Frage, wenn die Zykluszeit zählt, kontinuierlich gearbeitet werden soll und die Kontur neben der Verzahnung enge Freiräume lässt.
- Wälzfräsen ist die erste Wahl für Außenverzahnungen mit ausreichendem Auslauf, besonders in größeren Serien.
Ein Rechenbeispiel zur Werkzeugwahl: Ein Hohlrad mit 60 Zähnen und Modul 2,5 hat einen Teilkreisdurchmesser von 2,5 mm · 60 = 150 mm. Das Schneidrad muss weniger als 60 Zähne haben, damit es beim Abwälzen im Hohlrad nicht kollidiert; wie viele es tatsächlich sind, richtet sich nach dem Werkzeugangebot und der Kontur.
Wälzstoßen bei Kerbverzahnungen und Nabenprofilen
Nicht nur Zahnräder werden gestoßen. Bei Kerbverzahnungen nach DIN 5481, Welle-Nabe-Verbindungen mit konstantem Lückenwinkel von 60° an der Welle, werden die Wellen typischerweise durch Walzen, Profilfräsen oder Wälzfräsen gefertigt, die Naben dagegen durch Räumen oder Stoßen. Auch Kupplungsnaben mit Innenprofil zählen zu den klassischen Stoßteilen. Näheres steht auf der Seite Kerbverzahnung.
Welche Maschine führt Wälzstoßen aus – und worauf es beim Verkauf ankommt
Wälzstoßen läuft auf der Wälzstoßmaschine. Für die Bewertung einer gebrauchten Maschine sind vor allem diese Merkmale wichtig: maximaler Modul und maximaler Verzahnungsdurchmesser, Hublänge und Hubzahl, Ausführung des Stoßkopfs (mechanisch, elektromechanisch oder hydraulisch), mechanische oder elektronische Schrägführung, Baujahr und Steuerung, Zustand von Stoßspindel und Werkstücktisch, vorhandene Schneidräder und Aufnahmen sowie ein Prüfprotokoll. Wie sich daraus ein Wert ergibt, erklärt Was ist meine Verzahnungsmaschine wert?.
Wälzstoßmaschine verkaufen
Wir kaufen Ihre Verzahnungsmaschine an oder vermitteln sie an einen Käufer aus unserem Netzwerk. Wir bewerten Ihre Wälzstoßmaschine anhand von Typenschild, Modul- und Durchmesserbereich, Hublänge, 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 Wälzstoßmaschinen und im Überblick Ankauf von Verzahnungsmaschinen.
Quellen
- Wikipedia: Wälzstoßen – Einsatzgebiet, Verfahren, Werkzeuge, Hinweise für die Praxis.
- tec-science: Herstellung von Zahnrädern – Wälzstoßen, Wälzhobeln und Räumen im Vergleich.
- Liebherr: Wälzstoßmaschinen LS 600–1600 F/E und LS 800–1600 H – Stoßkopf, Achsen, technische Daten.
- FVA: Wälzschälen von Innenverzahnungen – Wälzschälen und Stoßen im Zeitvergleich.