Hochvorschubfräsen reduziert Bearbeitungszeit bei grossen Kegelritzel-Verzahnungen um 55 %

Wenn Versorgungsschiffe nur wenige Meter neben Offshore-Plattformen manövrieren, ist höchste Präzision gefragt. Beim Antrieb dieser Schiffe spielen Voith-Schneider-Propeller eine zentrale Rolle – und damit auch die effiziente Fertigung ihrer grossen Verzahnungsbauteile. Durch den Einsatz moderner Hochvorschubfräser konnte Voith die Bearbeitungszeit beim Vorverzahnen deutlich reduzieren.

Hohe Wellen, starker Wind und Gischt über Deck: Versorgungsschiffe operieren häufig unter extremen Bedingungen dicht neben Offshore-Plattformen. Trotz dieser Umstände bleiben sie erstaunlich präzise auf Position. Möglich macht dies unter anderem der Voith-Schneider-Propeller (VSP).

Voith produziert diesen speziellen Schiffsantrieb seit rund 100 Jahren im schwäbischen Heidenheim. Seine Besonderheit liegt darin, dass er Schub in nahezu jede Richtung erzeugen kann. Damit vereint der VSP Antrieb und Steuerung in einem System. Kurze Reaktionszeiten ermöglichen auch bei schwierigen Bedingungen präzise Manöver – sogar seitliche Bewegungen sind möglich.

Eingesetzt wird das Antriebskonzept überall dort, wo hohe Manövrierfähigkeit gefragt ist, etwa bei Hafenschleppern, Doppelendfähren, Schwimmkränen oder Versorgungsschiffen für Offshore-Bohrinseln.

Hohe Drehmomente erfordern robuste Verzahnungen im Schiffsantrieb

Im Zentrum des Systems befindet sich ein Radkörper mit senkrecht angeordneten Flügelblättern. Je nach Baugrösse kommen vier bis acht dieser steuerbaren Flügel zum Einsatz. Während der Radkörper rotiert, führen die Flügel eine Schwingbewegung aus und erzeugen so den notwendigen Schub. Die Drehzahl des Radkörpers sowie die Schwingungsamplitude bestimmen die Antriebskraft, während die Phasenlage der Flügel die Schubrichtung definiert.

Der VSP arbeitet mit vergleichsweise niedrigen Drehzahlen, etwa bei rund 25 Prozent eines konventionellen Schiffspropellers. Dadurch entstehen hohe Drehmomente, die eine besonders robuste Konstruktion erfordern. Angetrieben wird das System über Diesel- oder Elektromotoren. In der mechanischen Variante erfolgt die Kraftübertragung über ein Kegelradgetriebe. Mit zunehmender Grösse des Propellers wachsen auch die Dimensionen der Verzahnungsbauteile – und damit die Anforderungen an deren Bearbeitung.

Prozessoptimierung: Vom Verzahnungsschälen zum 5-Achs-Schruppfräsen

Gerade bei grossen Modulen können die Bearbeitungszeiten erheblich sein. Deshalb suchte das Fertigungsteam um Prozessingenieur Dr. Thomas Glaser gezielt nach Optimierungsmöglichkeiten. «Die Fertigung eines Kegelritzels mit dem Modul 21,4 erforderte eine Anpassung. Für die Vorbearbeitung benötigten wir auf einer speziellen Schälmaschine eine sehr lange Bearbeitungszeit», erklärt Glaser.

Das Ziel bestand darin, den Prozess vom Schälen auf ein 5-Achs-Simultan-Schruppfräsen umzustellen und so die Bearbeitungszeit deutlich zu reduzieren. Auch die Werkzeugstandzeit spielte eine wichtige Rolle. «Wir haben festgelegt, dass der Standweg eines Werkzeugs mindestens ein Bauteil betragen muss», so Glaser.

Hochvorschubfräser für grosse Zerspanvolumen

Aufgrund positiver Erfahrungen mit Vollhartmetallfräsern von Horn beim Hart- und Fertigfräsen wandte sich Voith zunächst an den Werkzeughersteller aus Tübingen. Für das Schruppen der Modul-21,4-Verzahnung kamen Hochvorschubfrässysteme zum Einsatz.

Das Werkzeugkonzept umfasst drei Schritte:

• Ein Wendeplattenfräser von Boehlerit mit 40 mm Durchmesser übernimmt den ersten Schnitt.
• Die zweite Zustellung erfolgt mit einem Horn-Wechselkopffräser des Typs DGH mit 20 mm Schneidendurchmesser.
• Für den Zahngrund kommt ein VHM-Schaftfräser der Baureihe DSH mit 12 mm Durchmesser zum Einsatz.

Hochvorschubfräser schneiden vor allem stirnseitig. Dadurch wirkt die Hauptbelastung in Achsrichtung auf die Werkzeugspindel, während Querkräfte gering bleiben. Diese Eigenschaften reduzieren Vibrationen und ermöglichen hohe Vorschübe.

Typische Zahnvorschübe liegen bei fz = 1 mm bei Schnitttiefen bis ap = 1,5 mm. Ein grosser Radius an der Hauptschneide sorgt für einen weichen Schnitt und eine gleichmässige Verteilung der Schnittkräfte. Gleichzeitig erleichtert ein kleiner Schneidenradius das Eintauchen des Werkzeugs. Obwohl die Zustelltiefen geringer sind als beim konventionellen Fräsen, ermöglicht der deutlich höhere Vorschub ein wesentlich grösseres Zerspanvolumen.

Automatisierte Fertigung reduziert Bearbeitungszeit bei Kegelritzel-Verzahnungen

Für die Bearbeitung der Verzahnungen setzt Voith auf ein automatisiertes Fertigungssystem von Grob. Die Anlage umfasst drei 5-Achs-Bearbeitungszentren mit Linearspeicher sowie mehrere Rüststationen.

Durch die Umstellung auf das neue Werkzeugkonzept konnte die Bearbeitungszeit beim Vorverzahnen um 55 Prozent reduziert werden. Damit wurde das ursprünglich angestrebte Ziel von 40 Prozent deutlich übertroffen.

Auch die Standzeiten entsprechen den Anforderungen: Ein Werkzeug reicht jeweils für ein Bauteil beziehungsweise eine Schneide beim Wendeplattenfräser. «Die Leistung der Fräser hat uns voll überzeugt. Entscheidend ist aber auch die technische Beratung sowie schnelle Reaktions- und Lieferzeiten. Diese Merkmale erfüllt Horn für uns als Werkzeugpartner», sagt Glaser.