Zahnstangenantriebe: Flügelrippen fertigen mit dem richtigen Dreh

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Die Redex-Getriebe der Serie KRP/ KRPX wurden für Zahnstangenantriebe in Werkzeugmaschinen entwickelt. Sie bieten eine hohe Positioniergenauigkeit.

Die Redex-Getriebe der Serie KRP/ KRPX wurden für Zahnstangenantriebe in Werkzeugmaschinen entwickelt. Sie zeichnen sich unter anderen in der Luftfahrtindustrie durch eine hohe Positioniergenauigkeit aus.

Für die hochpräzise Fertigung der Strukturbauteile von Flugzeugen hat die MSB GmbH & Co. KG ein Werkstückträgersystem und einen Schwenktisch der Dimension XXL projektiert. Das System führt die bis zu zehn Meter langen Aluminiumblöcke unter anderem einem Hochleistungs-Bearbeitungszentrum zu. Die vier Synchronantriebe des Schwenktischs wurden mit Zahnkranzsegmenten und Präzisions-Planetengetrieben von Redex realisiert.

Flugzeughersteller und ihre Zulieferer müssen große Anstrengungen unternehmen, um dem rasch steigenden Bedarf der Fluggesellschaften gerecht zu werden und ihre Auftragsbücher so effizient wie möglich abzuarbeiten. Ein wichtiger Arbeitsschritt der äußerst komplexen Prozesskette ist das Fräsen der Aluminium-Flügelrippen auf High-Speed-Bearbeitungszentren (BAZ), die mit hohem Tempo und ebenso hoher Präzision die Rippenstrukturen aus dem Vollen fräsen. Dabei wird teilweise mehr als 95 Prozent des Materials abgetragen.

Präzise Bearbeitung in hoher Geschwindigkeit

Ein namhafter chinesischer Zulieferer der Luftfahrtindustrie, nutzt für diese Aufgabe mehrere Bearbeitungszentren der Starrag Technology GmbH vom Typ Ecospeed 25100. Diese BAZ sind mit einem parallelkinematischen Bearbeitungskopf ausgestattet, der eine hochdynamische Fünfachs-Simultanzerspanung ermöglicht. Die Spindeln laufen dabei mit einer Nennleistung von 120 kW unterbrechungsfrei bei 30'000 U/min im S1-Modus. Mit einer Beschleunigung von 1 g auf allen fünf Achsen und Ruckwerten bis 200 m/s³ erreichen auch die Linearachsen eine sehr hohe Dynamik.

Diese Maschinen nutzt der Zulieferer für die Produktion von Flügelrippen und anderen Strukturbauteilen für verschiedene Flugzeugmodelle. Die ersten drei BAZ dieser Bauart wurden bereits 2009 Korea in in Betrieb genommen. Sie erreichen ein maximales Zerspanvolumen von bis zu 10.000 cm³/min und sind in der Lage – um nur ein Beispiel zu nennen –, einen 4-Tonnen-Aluminiumblock in weniger als zwanzig Stunden in ein komplexes Strukturbauteil von 120 kg zu verwandeln.

Drehtisch für die Horizontalbearbeitung

Charakteristisch für diesen Maschinentyp ist die horizontale Bearbeitung bei senkrecht stehendem Aluminiumblock. Sie bietet unter anderem den Vorteil, dass die vielen Späne selbsttätig, per Schwerkraft, aus dem Arbeitsbereich entfernt werden. Voraussetzung dafür ist, dass die bis zu 10 Meter langen, horizontal auf einer Trägerpalette befestigten Werkstücke zunächst in die vertikale Position gedreht werden.

Bei der neuesten Ecospeed 25100, die bei dem Luftfahrttechnik-Zulieferer in Betrieb genommen wurde, hat die MSB GmbH & Co. KG in Bischofsheim/Rhön im Auftrag der Starrag Technology GmbH das gesamte Werkstückträgersystem sowie den Schwenktisch projektiert und gefertigt – und das in einer „XXL“-Dimension: Die Werkstückträger sind 10'000 mm lang bei einer Breite von 2'500 mm und einem Gesamtgewicht von ca. 60'000 kg (incl. Werkstück).

Die Palette wird per Hydraulik auf den Träger aufgespannt, fixiert und für die Fräsbearbeitung um 90 Grad gedreht. Diese Drehbewegung muss mit großer Präzision erfolgen, denn Ungleichmäßigkeiten könnten Spannungen ins Bauteil einbringen.

Hochpräzise Zahnstangenantriebe: Mechatronik ersetzt Hydraulik

Das setzt eine sehr hohe Synchronizität der insgesamt vier Schwenkantriebe voraus. Jürgen Enders, Geschäftsführer von MSB: „Wir haben schon viele ähnliche Systeme entwickelt. Häufig realisieren wir die Schwenkbewegung mit Hydraulikzylindern. Das kam bei diesem Projekt nicht in Frage, weil die Hydraulik viel Platz beansprucht und ein Fundament mit Unterbau erfordert, der Anwender aber flexibel bleiben möchte.“ Deshalb entschieden sich die Konstrukteure für einen elektromechanischen Zahnsegmentantrieb mit Servomotoren und kompakten dreistufigen Planetengetrieben – und für Redex als Getriebehersteller.

Diese mechatronische Lösung bietet neben einem erheblich verringerten Platzbedarf auch weitere Vorteile. Da man auf ein Hydraulikaggregat mit Verrohrung und Schläuchen zu den Verbrauchern verzichten kann, gibt es kein Leckage-Risiko. Zudem ist der Leistungs- und Kühlbedarf elektromechanischer Antriebe im Vergleich zur Hydraulik deutlich geringer. Somit ist die von MSB gewählte Antriebstechnik nicht nur kompakt und hoch präzise, sondern auch sauber, sicher und energieeffizient.

Synchrone Drehbewegung mit hoher Präzision

Die Redex-Ingenieure projektierten einen Schwenkantrieb, der aus vier einzelnen Zahnkranzsegmenten besteht. Die von Servomotoren bereitgestellte rotative Bewegung wird über ein dreistufiges, direkt mit dem Motor verbundenes Planetengetriebe der Serie KRPX mit einer Übersetzung von 310 und einem maximalen Abtriebsmoment von 10'050 Nm an das Abtriebsritzel übertragen. Insgesamt muss ein maximales Drehmoment von etwa 600'000 Nm an der Drehachse aufgebracht werden.

Das Ritzel greift in ein Zahnkranzsegment mit einem Segmentwinkel von rund 95 Grad bei einem Teilkreisdurchmesser von 4.496 mm ein, das ebenfalls von Redex geliefert wurde. Die Zahnkränze mit Zähnen der Größe Modul 8 sind gehärtet und geschliffen.

KRPX: Entwickelt für hochpräzise Zahnstangenantriebe

Die Redex-Getriebe der Serie KRP/ KRPX wurden speziell für hochpräzise Zahnstangenantriebe in Werkzeugmaschinen entwickelt. Sie zeichnen sich aus durch höchste Positioniergenauigkeit, die zum Beispiel durch einen sehr exakten Zahneingriff auf dem Zahnkranzsegment gewährleistet wird. Die sehr steife Getriebekonstruktion trägt zur Präzision des gesamten Antriebssystems bei.

Vielfach werden diese Getriebe – elektrisch gegeneinander verspannt – auch als „Twin Drives“ für hochpräzise Positionierantriebe zum Beispiel von Portalfräsmaschinen oder Werkzeugtischen verwendet. Zwei weitere Vorteile für den hier beschriebenen Anwendungsfall sind die geschlossene Gehäusebauform, die das Eindringen von Spänen verhindert, und die sehr kompakten und kubischen Abmessungen des Getriebes, das direkt – ohne weitere Halterung – auf dem Grundrahmen des Schwenktischs montiert werden konnte.

Palettensystem mit Drehtisch in China installiert

Bei der Entwicklung des Drehtischantriebs arbeiteten die Konstrukteure von MSB und Redex eng zusammen. Jürgen Enders, Geschäftsführer von MSB: „Redex hat uns bei der Auswahl der Komponenten und der Projektierung sehr gut unterstützt.“

Inzwischen wurde das Palettensystem – einschließlich des Drehtischs – gemeinsam mit dem High-Speed-BAZ in China installiert. Die Anlage fertigt mit hoher Produktivität und Präzision Flügelrippen und leistet damit einen Beitrag zur zügigen Bereitstellung der hochwertigen Strukturbauteile an die Kunden in der Luftfahrtindustrie. Auch bei anderen, ähnlichen Projekten hat MSB große Drehtische realisiert. Dabei kommen die elektromechanischen Zahnstangenantriebe von Redex zum Einsatz.

Bild oben: Die CAD-Zeichnung zeigt, wie gut sich das kompakte Antriebssystem in die Umgebungskonstruktion einfügt. Bild: Redex

Weitere Informationen: http://www.redex-group.com/

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