Alzmetall holt die Zahnradfertigung zurück

Die in Altenmarkt/Alz ansässige Alzmetall GmbH & Co. KG ist ein mittelständisches Unternehmen mit rund 300 Mitarbeitern und einer gut 80-jährigen Firmengeschichte. Den Anfang machten eine Eisengießerei für Grau- und Sphäroguss sowie die Produktion von Bohrmaschinen. Die eigene Gießerei einschließlich automatisierter Formanlage ist eine wichtige Voraussetzung für den Maschinenbau bei Alzmetall. Sie macht die Fertigung flexibler und gibt dem Unternehmen die Kontrolle über die Qualität des Ausgangsmaterials. Allein für den eigenen Bedarf wäre die Gießerei allerdings nicht rentabel. 90 Prozent des gegossenen Materials sind für Fremdkunden bestimmt, die teilweise auch Bauteile bei Alzmetall fertigen lassen. 

Bei Bohrmaschinen reicht das Programm des Herstellers von der einfachen analogen Tischbohrmaschine bis zu Heavy Duty Industrie-Bohrmaschinen mit digitaler Steuerung, wie der programmierbaren iTronic. In den 1970er-Jahren brachte Alzmetall den Abomat auf den Markt, der einen automatischen Werkzeugwechsel für die Bohrmaschinen ermöglichte und später auch mit einer CNC-Steuerung ausgestattet wurde. Das Produkt ebnete den Weg für die Herstellung von CNC-Bearbeitungszentren. 

2001 wurde die G 800 vorgestellt, ein Fünf-Achs-Bearbeitungszentrum in Gantry-Bauweise, bei dem erstmalig Torque-Antriebe in den Schwenk- und Drehachsen eingesetzt wurden. Die Maschinen wurden seither weiterentwickelt und ermöglichen die kontinuierliche Simultanbearbeitung von Bauteilen im Größenbereich von 600 bis 1.400 mm Werkstückgröße. 2006 folgte die Weiterentwicklung der reinen Fräsbearbeitungszentren zu Fräs-Dreh-Bearbeitungszentren. Bei dieser Maschinen-Generation konnten somit Bohr-, Fräs- und Drehbearbeitungen in einer Aufspannung ausgeführt werden. Später kam noch die Erweiterung des Schleifprozesses hinzu. 

Thermosymmetrischer Aufbau

Die CNC-Maschinen von Alzmetall sind auf Stabilität und Steifigkeit ausgelegt. Zur Genauigkeit bei der Fertigung von Bauteilen trägt das Thermomanagement bei, wie Georg Buchner, CNC-Application Engineer, erläutert: „Wir bauen die Maschine vom Tool Center Point thermosymmetrisch auf. Dabei wird von der Werkzeugspitze gleichmäßig nach oben gebaut. Beim Wärmegang bleibt dieser Tool Center Point bestehen und wir erreichen die gewünschte Präzision ohne Kompensation in X- und Y-Richtung, was uns von vielen anderen Herstellern unterscheidet.“ 

Dank seiner hohen Fertigungstiefe kann Alzmetall seine Maschinen in zahlreichen Ausstattungsvarianten anbieten. Das Unternehmen liefert weltweit in unterschiedliche Branchen. Der Trend geht zu High-End-Maschinen. Mittlerweile sind die Bearbeitungszentren für die Firma zum größten Umsatzträger geworden. Zahlenmäßig tragen die Bohrmaschinen, von denen Alzmetall jährlich insgesamt rund 1.600 Stück herstellt, zum Umsatz des Werkzeugmaschinengeschäfts bei. 

Alzmetall entwickelt und konstruiert seine Maschinen ausschließlich im eigenen Hause. Dabei bilden die eigenen Bearbeitungszentren den wesentlichen Grundstock der Fertigung. Ausgelagert wurde vor etwa zehn Jahren die Fertigung für Zahnräder. Sie werden in verschiedenen Größen für jede Bohrmaschine zur Kraftübertragung und Regelung benötigt. Mit der Fremdfertigung war man bei Alzmetall allerdings unzufrieden: Sie wurde als zu teuer erachtet, verursachte lange Lieferzeiten und auch die Qualität ließ zu wünschen übrig. 

Steuerung mit Skiving-Zyklus

Als die Entscheidung fiel, die Zahnradfertigung wieder ins eigene Werk zu holen, war gleich klar, dass es kein Zurück zur früheren Produktionsweise geben sollte, denn das Stoßen auf den noch vorhandenen alten Maschinen wäre bei Losgrößen von 300 bis 400 Stück unwirtschaftlich. Eine Lösung lag nahe, denn in der Fertigung war bereits ein Fräs-Dreh-Bearbeitungszentrum GS 800/5-FDT im Einsatz, das mit der Steuerung TNC 640 von Heidenhain ausgestattet war. Auf dieser Steuerung ist bereits ein Skiving-Zyklus vorhanden, der lediglich freigeschaltet werden muss, um das Wälzschälen nutzen zu können. Die Maschine bringt mit ihrer robusten Bauweise, kinematischer Genauigkeit und einem 1.100 U/min schnellen C-Achsen-Drehtisch die Voraussetzungen für das Skiving mit. 

„Um die Spindel zu synchronisieren, braucht man die Funktionalität der Steuerung“, erklärt Ludwig Buchner, Produktmanager Anwendungstechnik Heidenhain. „Die zu fahrenden Bewegungen der Achsen sind die Kernkompetenz der Steuerung, in der das gesamte regelungstechnische Know-how vorhanden ist. Der Standardzyklus für das Skiving, der letztendlich die Eingaben des Anwenders in Achsbewegungen umsetzt, sieht auf jeder Maschine gleich aus.“ Wie für alle Optionen seiner Steuerung bietet Heidenhain auch für das Skiving eine 90-tägige Testphase an. Auch Alzmetall nutzte diese Möglichkeit, ehe der Zyklus gekauft wurde. 

Da die GS 800/5-FDT bereits seit einigen Jahren im Einsatz war, wurde zunächst die Software aktualisiert, was auch Ludwig Buchner als wichtig erachtet: „Wir bieten diese Standardzyklen seit über sechs Jahren als Option an. Während dieser Zeit wurde der Skiving-Zyklus immer weiter optimiert, um die Spindelsynchronisation zu verbessern und die Oberflächenqualität zu steigern.“ 

Ein Werkzeug für sieben Zahnräder

Werkzeuge für das Wälzschälen sind grundsätzlich Sonderwerkzeuge, die auf die betreffenden Bauteile angepasst sind. Bei Alzmetall ging es konkret um die Herstellung von sieben verschiedenen Zahnrädern für Baugruppen unterschiedlicher Bohrmaschinen. In die engere Auswahl kamen für Alzmetall drei Werkzeughersteller. Den Zuschlag erhielt Ingersoll. 

Während die Mitbewerber drei oder vier unterschiedliche Werkzeuge vorschlugen, legte Ingersoll sein Skiving-Werkzeug so aus, dass damit alle sieben Werkstücke bearbeitet werden können – und gibt dafür eine Funktionsgarantie. Für Alzmetall war das die wirtschaftlichste Lösung. Die Entscheidung für den Werkzeughersteller aus Haiger fiel damit nicht nur über den Preis, sondern auch über die Technik. „Sieben Bauteile mit einem einzigen Werkzeug herstellen zu können, das hat einen gewissen Charme“, sagt Georg Buchner. 

Voraussetzung dafür ist laut Michael Bum, Anwendungstechniker bei Ingersoll, die Ähnlichkeit der Zahnräder. Die Modul 2 Zahnräder haben alle den gleichen Zahnkopfhöhenfaktor, lediglich die Zähnezahl variiert. Als Material dient überwiegend der Vergütungsstahl C45. „Im Endeffekt geht es dann beim Prozess vor allem um die Schnittaufteilung“, erläutert Bum. „Beim Wälzschälen müssen wir immer mit degressiver Zustellung fahren, um nicht zu viel Druck auf das Werkzeug zu bekommen.“ Anzahl und Tiefe der Schnitte werden von Ingersoll genau definiert und können direkt in die Steuerung übernommen werden.  

Der Achskreuzwinkel und die Zähnezahl des Wälzschälrades mussten auf die unterschiedlichen Werkstücke und die Drehzahlen von Hauptspindel und Tischspindel abgestimmt werden. Um die angestrebte Verzahnungsqualität 7 gemäß DIN 3962 zu erzielen, hat sich Ingersoll für ein geschliffenes Wälzschälrad aus Hartmetall entschieden. Eine Lösung mit angepassten Wendeschneidplatten, für die ebenfalls Sonderanfertigungen erforderlich gewesen wären, hätte höhere Kosten verursacht. Die Zähnezahl der Bauteile ist unterschiedlich und liegt zwischen 15 und 48. Das Werkzeug hat Ingersoll mit 26 Zähnen ausgelegt. Das Wälzschälrad wird auf einen Träger aufgesetzt und mit einer Anzugsschraube geklemmt. Eine Besonderheit dieser Schraube aus dem 3D-Drucker sind integrierte Kühlkanäle, die Innenkühlung gezielt auf jede Schneide bringen.  

Bearbeitungszeit deutlich verkürzt

Mit der erreichten Verzahnungsqualität und der Bearbeitungszeit ist Dennis Springer, Teamleiter Fertigung bei Alzmetall, zufrieden: „Früher haben wir die Zahnräder in Gruppen von fünf Bauteilen gefertigt, was 10 bis 15 Minuten dauerte. Jetzt kommen wir dafür auf eine Bearbeitungszeit von 3:40 Minuten. Das entspricht einer Produktivitätssteigerung von etwa 60 Prozent.“ Auch die zugesagten Standmengen wurden auf Anhieb erreicht. Springer rechnet damit, dass sie sich durch weitere Optimierungen noch steigern lassen. 

Ingersoll hat den Prozess von der Werkzeugauslegung über das Einfahren bis zum ersten Gutteil begleitet. Praktisch sei für Alzmetall die Nutzung des Skiving-Zyklus auf der Heidenhain-Steuerung gewesen, weil dafür keine weitere Ausbildung oder Fortbildung erforderlich war. „Die Prozessdaten bekommen wir von Ingersoll und müssen das Programm nur noch damit füttern. Der Rest läuft praktisch automatisch. Für den Bediener an der Maschine ist das eine große Erleichterung“, so Georg Buchner. In Zusammenarbeit mit Heidenhain bietet Alzmetall das Skiving auch seinen Kunden als Option an.