Gelenkgehäuse gehören zu den technisch anspruchsvollsten Bauteilen in Antriebssystemen von Kraftfahrzeugen. Sie bilden zusammen mit Kugelnaben, Kugelkäfigen und Achszapfen die Basis für homokinetische Gelenke, die eine gleichförmige Kraftübertragung zwischen zwei Achsen ermöglichen – auch bei veränderlichen Winkeln und Längenausgleich. Die Fertigungsqualität der Kugellaufbahnen in diesen Komponenten bestimmt maßgeblich die Funktionalität, Laufruhe und Lebensdauer des gesamten Antriebsstrangs.
Technische Anforderungen an die Kugellaufbahnbearbeitung
Die Bearbeitung von Kugellaufbahnen in Gelenkgehäusen und Kugelnaben stellt höchste Anforderungen an Werkzeugmaschinen und Fertigungsprozesse:
- Geometrische Präzision: Kugellaufbahnen müssen mit engen Fertigungstoleranzen gefertigt werden, um ein spielfreies und reibungsloses Abrollen der Kugeln zu gewährleisten. Die Oberflächengüte ist dabei ebenso entscheidend wie die Formgenauigkeit.
- Komplexe Bahngeometrien: Je nach Gelenktyp sind gerade oder schräge Kugellaufbahnen zu fertigen. Bei homokinetischen Gelenken weisen die Laufbahnen definierte Winkelstellungen relativ zur Bauteilachse auf. Gemeint sind hierbei festgelegte Kontakt- bzw. Anstellwinkel der Kugellaufbahnen, die das Kraftübertragungs- und Bewegungsverhalten des Gelenks bestimmen. Die Umsetzung dieser Geometrien erfordert eine hochpräzise Mehrachsbearbeitung, da Winkel, Lage und Form der Laufbahnen exakt zueinander abgestimmt sein müssen.
- Hart- und Weichbearbeitung der Innengeometrie: Der Fertigungsprozess umfasst typischerweise eine Weichbearbeitung vor dem Härten sowie eine anschließende Hartbearbeitung. Einige Hersteller setzen zudem hochpräzisionsgeschmiedete Werkstücke ein, bei denen die Geometrie der Kugelbahnen bereits im Schmiedeprozess so exakt ausgeprägt ist, dass eine vorgelagerte Weichbearbeitung der Kugelbahnen entfallen kann.
- Materialspezifische Herausforderungen: Gelenkgehäuse werden aus hochfesten Stählen gefertigt, die nach dem Härten Festigkeiten von 60 HRC und mehr erreichen. In der Hartbearbeitung ist das verbleibende Aufmaß mit typischerweise nur etwa 0,2 mm pro Radius sehr gering, wodurch die Bearbeitungskräfte vergleichsweise niedrig ausfallen. Dennoch sind eine hohe Maschinenstabilität, präzise Achssysteme und leistungsfähige Antriebe erforderlich, um Maßhaltigkeit, Oberflächengüte und Prozesssicherheit zuverlässig sicherzustellen.
Bauteile eines homokinetischen Gelenks: Kugelnaben, Kugelkäfige und Achszapfen. Die präzise Bearbeitung der Kugellaufbahnen ist entscheidend für Laufruhe und Drehmomentübertragung.
Entwicklung der Gelenkgeometrien für elektrische Antriebe
Die zunehmende Verbreitung elektrischer Antriebssysteme verändert die Anforderungen an Gleichlaufgelenke grundlegend. Elektromotoren erzeugen deutlich höhere Drehmomente als Verbrennungsmotoren, was sich direkt auf die mechanische Belastung der Gelenke auswirkt. Gleichzeitig führt die fehlende Geräuschkulisse des Elektromotors dazu, dass mechanische Geräusche aus dem Antriebsstrang stärker wahrgenommen werden.
Diese veränderten Rahmenbedingungen führen zu einer Verschiebung von Tripodengelenken hin zu Doppel-Offset-Gelenken, die konstruktionsbedingt höhere Drehmomente übertragen können und eine bessere Laufruhe bieten.
Schnittmodell eines Tripodengelenks mit sichtbaren Rollen und Laufbahnen. Die Bauform ermöglicht Längenausgleich und Drehmomentübertragung im Antriebsstrang.
Prozesskette: Von Rohteil zu präziser Kugellaufbahn
Die Herstellung von Kugellaufbahnen in Gelenkgehäusen und Kugelnaben folgt keiner einheitlich festgelegten Prozesskette. In der Praxis unterscheiden sich die Prozessabfolgen von Kunde zu Kunde deutlich und können selbst innerhalb eines Konzerns variieren. Ursachen hierfür sind unter anderem unterschiedliche Rohteilkonzepte, Fertigungstiefen, Qualitätsanforderungen, Losgrößen sowie bestehende Maschinen- und Automationsstrukturen.
EMAG berücksichtigt diese Vielfalt, indem die Bearbeitungslösungen modular und flexibel ausgelegt sind. Die einzelnen Prozessschritte – von der Vorbearbeitung bis zur Hartbearbeitung der Kugellaufbahnen – lassen sich je nach Anforderung als Einzelmaschine einsetzen oder in neue oder bereits vorhandene Fertigungslinien integrieren. So entsteht für jeden Kunden eine individuell angepasste, prozesssichere und präzise Bearbeitungsumgebung, die den jeweiligen technischen und wirtschaftlichen Rahmenbedingungen entspricht.
1. Ausgangspunkt: Das Rohteil
Gelenkgehäuse und Kugelnaben werden je nach Hersteller geschmiedet, gerollt oder aus Vergütungsstahl vorbearbeitet. Die initialen Toleranzen sind vergleichsweise groß, und die Innenkontur weist noch keine funktionale Bahngeometrie auf. Entscheidend ist an dieser Stelle die Lage der Bezugsflächen, da sie die Basis für die spätere Komplettbearbeitung bilden.
2. Weichbearbeitung
2.1 Weichdrehen der Innengeometrie
Mit der VSC 315 KBU oder der VSC 315 DUO KBU werden zunächst alle relevanten Drehkonturen hergestellt:
- Bezugsdurchmesser
- Planflächen
Diese Drehbearbeitung erfolgt in derselben Aufspannung, in der später die Laufbahnfräsprozesse stattfinden. Dadurch entstehen präzise Lagebezüge, die kritische Fehlerquellen in der Prozesskette eliminieren.
Beim Weichdrehen wird die Innengeometrie des Gelenkgehäuses präzise vorbearbeitet. Dieser Schritt schafft die Lage- und Formgrundlagen für das spätere Fräsen der Kugellaufbahnen.
2.2 Vorfräsen der Kugellaufbahn (Weichfräsen)
Nach den vorbereitenden Drehoperationen erfolgt das Vorfräsen der Kugellaufbahnen als Grundlage für die spätere Hartbearbeitung. Für die Bearbeitung schräger Kugellaufbahnen ist insbesondere die Y-Achse entscheidend, da sie das präzise Verfahren der Frässpindel zur Werkstückachse ermöglicht. Gerade Kugellaufbahnen können ohne Y-Achsen gefertigt werden.
3. Wärmebehandlung – Härten der funktionalen Oberflächen
Nach der Weichbearbeitung durchlaufen die Gelenkgehäuse, Kugelnaben und Achszapfen einen Härteprozess, der für die spätere Funktionalität und Lebensdauer der Bauteile entscheidend ist. Bei Komponenten für homokinetische Gelenke kommt überwiegend das Einsatzhärten zur Anwendung, ein Verfahren, das gezielt die Randschicht der Bauteile mit Kohlenstoff anreichert und anschließend härtet.
4. Hartbearbeitung – Fertigfräsen der Kugellaufbahnen
4.1 Hartdrehen
Nach dem Härten werden auf den VSC 315 KBU, VSC 315 DUO KBU (KBU = KugelBahnUniversell) oder der VSC 315 TWIN KBG (KugelBahnGerade) das Hartdrehen der Käfigbahn und das Hartfräsen der Kugellaufbahnen in einer Aufspannung durchgeführt. Die Reihenfolge der Bearbeitung ist variabel: Sowohl das vorgelagerte Hartfräsen der Kugellaufbahnen mit anschließendem Hartdrehen des Käfigdurchmessers als auch die umgekehrte Abfolge sind prozesssicher realisierbar. Die gemeinsame Aufspannung gewährleistet dabei die erforderliche geometrische Zuordnung und eine reproduzierbar hohe Bauteilqualität.
4.2 Hartfräsen der Kugellaufbahnen
Nach dem Hartdrehen erfolgt der entscheidende Bearbeitungsschritt zur Fertigung homokinetischer Gelenke: das Hartfräsen der Kugellaufbahnen. In diesem finalen Prozess entsteht die eigentliche Funktionsgeometrie, die später die Kraftübertragung zwischen Antriebswelle und Achse bei gleichzeitiger Winkel- und Längenausgleichsfähigkeit ermöglicht. Die Anforderungen an diesen Prozessschritt sind außerordentlich hoch, da selbst minimale Abweichungen in Formtreue oder Oberflächengüte die Funktion des gesamten Gelenks beeinträchtigen können.
Die Hartbearbeitung gehärteter Stähle mit Oberflächenhärten von 58 bis 62 HRC stellt eine der anspruchsvollsten Zerspanungsaufgaben dar. Das gehärtete Gefüge zeichnet sich durch extrem hohe Festigkeit und Verschleißresistenz aus – Eigenschaften, die zwar für die spätere Funktion erwünscht sind, die Bearbeitung aber erheblich erschweren.
Beim Hartfräsen werden in der Regel sehr geringe Aufmaße von typischerweise bis zu 0,2 mm abgetragen. Dadurch liegen die Schnittkräfte deutlich unter denen der Weichbearbeitung, bei der häufig Aufmaße von mehreren Millimetern zu zerspanen sind. Die Werkzeugstandzeiten sind dennoch begrenzt, da selbst hochverschleißfeste Schneidwerkstoffe wie kubisches Bornitrid (CBN) oder keramische Werkstoffe unter den hohen mechanischen und thermischen Beanspruchungen einem kontinuierlichen Verschleiß unterliegen. Die thermische Belastung der Schneide kann dabei Temperaturen von über 800 °C erreichen und führt zusätzlich zu chemischem Verschleiß.
Besondere Herausforderungen ergeben sich aus der Randzonenstruktur einsatzgehärteter Bauteile. Die Härte fällt vom Maximum an der Oberfläche kontinuierlich zum weicheren Kern hin ab. Dieser Härtegradient bedeutet, dass das Werkzeug während eines einzigen Schnitts unterschiedlich harte Bereiche durchläuft, was zu wechselnden Schnittkräften führt. Zudem können Restaustenit-Anteile in der Randzone zu unerwarteten Zerspaneigenschaften führen.
Beim Hartfräsen werden die finalen Kugellaufbahnen mit hoher Präzision erzeugt. Die stabile Spindel und die B-Achsenanstellung gewährleisten eine gleichbleibende Form- und Lagegenauigkeit.
5. Automatisierter Teilefluss und Prozessüberwachung
Die wirtschaftliche Fertigung von Gelenkgehäusen in hohen Stückzahlen erfordert mehr als nur präzise Bearbeitungstechnologie – entscheidend ist die durchgängige Automatisierung des gesamten Materialflusses und die lückenlose Prozessüberwachung. Die VSC 315 KBU, VSC 315 DUO KBU und VSC 315 TWIN KBG sind als vollständig automatisierte Fertigungszellen konzipiert, die von der Rohteilzuführung über die Bearbeitung bis zur Fertigteilabfuhr alle Prozessschritte ohne manuelle Eingriffe durchführen können.
Integrierte Pick-up-Automation:
Das Herzstück der Automatisierung bildet die eingebaute Pick-up-Automation. Im Gegensatz zu extern angebundenen Handhabungssystemen ist diese direkt in das Maschinenkonzept integriert und bildet eine funktionale Einheit mit der Bearbeitungstechnologie.
Die Pick-up-Spindel der VSC-Baureihe übernimmt das automatische Be- und Entladen der Werkstücke. Präzise Positionierung und stabile Handhabung sorgen für einen zuverlässigen Teilefluss.
Die Maschine verfügt beidseitig über Transportbänder. Das eingangsseitige Band übernimmt die Rohteilzuführung und ist als Bevorratungsstrecke ausgeführt. Abhängig von der Bandlänge können hier typischerweise 20 bis 50 Rohteile gepuffert werden, wodurch eine wirksame Entkopplung von vor- und nachgelagerten Prozessen erreicht wird.
Automatisierte Zuführung von Werkstücken für CV-Joint-Bauteile. Sensorik, Vereinzelung und präzise Führung sorgen für einen prozesssicheren Materialfluss in der Fertigung.
Das Ergebnis: Ein hochpräzises, durchgängiges Fertigungssystem für Kugellaufbahnen
Durch die konsequente Integration aller relevanten Dreh- und Fräsprozesse in ein gemeinsames Maschinenkonzept entsteht ein Fertigungssystem, das von der Rohteilbearbeitung bis zur finalen Hartbearbeitung vollständig geschlossen ist. Die VSC 315 KBU, VSC 315 DUO KBU und VSC 315 TWIN KBG bündeln alle technologisch notwendigen Schritte in einer strukturierten Prozessfolge. Dadurch wird sichergestellt, dass weder Maß- noch Formfehler durch zusätzliche Aufspannungen oder Maschinenwechsel entstehen.
Die daraus resultierende Prozesskette zeichnet sich durch mehrere grundlegende Merkmale aus:
- Minimale Aufspannungen:
Alle entscheidenden Bearbeitungsschritte – vom Weichdrehen über das Vorfräsen bis zum Hartfräsen – erfolgen in einer oder wenigen aufeinander abgestimmten Spannungen. Dadurch werden Lagefehler, die bei konventionellen Prozessketten auftreten können, zuverlässig vermieden. - Sichere Bearbeitung gehärteter Werkstoffe:
Dank des steifen Maschinenaufbaus, der dämpfungsstarken Mineralit®-Struktur und der leistungsfähigen Frässpindeln lassen sich auch gehärtete Gehäuse mit hohen Schnittkräften prozesssicher bearbeiten. Die Hartbearbeitung liefert dabei die finale Laufbahngenauigkeit und Oberflächengüte. - Kurze Taktzeiten in der Serienproduktion:
Die Kombination aus hoher Dynamik, automatisierter Pick-up-Beladung und optionalen Doppelspindelkonzepten führt zu kurzen Nebenzeiten und hoher Ausbringung – ideal für die großvolumige CV-Joint-Produktion. - Nahtlose Integration in EMAG Fertigungslinien:
Durch identische Automationsschnittstellen, standardisierte Beladeeinheiten und EDNA-gestützte Prozessüberwachung lassen sich die Maschinen mühelos in bestehende oder neue Fertigungssysteme einbinden.
In ihrer Gesamtheit ermöglicht diese Prozesskette die wirtschaftliche und wiederholgenaue Herstellung hochpräziser Kugellaufbahnen. Sie bildet damit die technologische Grundlage für leistungsfähige Gelenkgehäuse, Gelenknaben und Achszapfen, die in modernen Antriebssträngen eingesetzt werden, und leistet einen entscheidenden Beitrag zur Funktionssicherheit, Laufruhe und Lebensdauer aktueller und zukünftiger Fahrzeugkonzepte.
Hauptkomponenten eines homokinetischen Gelenks: Gelenkgehäuse, Kugelkäfig, Kugelnabe und Kugeln
VSC 315 KBU: Einspindlige Fräs- und Drehzentren für Gelenkgehäuse
Die VSC 315 KBU ist ein vertikales Einspindel-Fräs- und Drehzentrum, das speziell für die Bearbeitung von Gelenkgehäusen und Kugelnaben konzipiert wurde. Die Maschine vereint Weich- und Hartbearbeitung in einer Aufspannung und ermöglicht damit eine durchgängige Fertigung ohne Umspannen.
Maschinenkonzept und Kinematik:
Die Hauptspindel ist vertikal angeordnet und nimmt das Werkstück auf. Die Fräsbearbeitung erfolgt über eine Frässpindel, die auf einer NC-Schwenkeinheit montiert ist. Die B-Achse dient dabei der flexiblen Werkzeugorientierung und ermöglicht einen Schwenkbereich von -30° bis +90°.
Die Bearbeitung schräger Kugellaufbahnen – insbesondere bei VL-Gelenken – wird hingegen maßgeblich über die Y-Achse realisiert. Gerade Kugellaufbahnen können entsprechend ohne Y-Achse gefertigt werden.
Der Arbeitsraum ist für Werkstücke mit einem Durchmesser bis 160 mm und einer Länge bis 280 mm ausgelegt. Die Verfahrwege betragen 935 mm in X-Richtung, 315 mm in Y-Richtung und 315 mm in Z-Richtung.
Antriebstechnik:
Die Werkstückspindel nutzt wartungsfreie AC-Synchronspindelmotoren, die eine hohe Leistungsdichte bei gleichzeitig langer Lebensdauer bieten. Die Frässpindel auf der Schwenkeinheit verfügt über ausreichend Leistung für die Weich- und/oder Hartbearbeitung.
Maschinenstruktur:
Die VSC 315 KBU verfügt über einen thermosymmetrischen Maschinenaufbau, der thermisch bedingte Verformungen minimiert. Vorgespannte Linearrollenführungen in der X-Achse mit großen Führungsabständen gewährleisten die erforderliche Präzision auch bei hohen Vorschubgeschwindigkeiten und Schnittkräften.
Die dreifache Lagerung der Spindeleinheit mit optimierten Lagerabständen und Präzisionsschulterlagern in Tandem-O-Anordnung sorgt für Steifigkeit, gute Dämpfung und hervorragende Führungsqualität.
Prozessvarianten:
Für die Weichbearbeitung lässt sich die Maschine mit zwei Frässpindeln ausrüsten, um Schrupp- und Schlichtoperationen zu trennen. In der Hartbearbeitung kommt die einzelne Frässpindel mit geeigneter Werkzeugbestückung zum Einsatz. Alle Bearbeitungen erfolgen trocken, was die Prozesssicherheit erhöht und den Aufwand für das Kühlschmierstoff-Management eliminiert.
Weitere Informationen>>
Die VSC 315 KBU ist ein vertikales Einspindel-Fräs- und Drehzentrum zur präzisen Bearbeitung von Kugellaufbahnen in Gelenkgehäusen und Kugelnaben. Mit integrierter Automation für hohe Prozesssicherheit.
VSC 315 DUO KBU: Doppelspindlige Produktionslösung
Die VSC 315 DUO KBU erweitert das Konzept der einspindligen Maschine um eine zweite Hauptspindel und ermöglicht damit die simultane Bearbeitung von zwei Gelenkgehäusen. Diese Konfiguration verdoppelt die Produktivität bei minimal größerem Platzbedarf.
Maschinenaufbau:
Die Maschine verfügt über zwei gegenüberliegende Hauptspindeln, die die Werkstücke im Pick-up-Verfahren aufnehmen. Die Bearbeitung erfolgt jeweils über eigene Frässpindeln, die auf NC-Schwenkeinheiten montiert sind. Die Bearbeitungseinheiten sind als unabhängige Kreuzschlitten ausgeführt und verfügen jeweils über eigenständige X-, Y- und Z-Achsantriebe.
Separate Messsysteme mit Linearmaßstäben in allen Linearachsen stellen eine hohe Positioniergenauigkeit und reproduzierbare Präzision sicher.
Konstruktive Besonderheiten:
Der Grundkörper besteht aus Polymerbeton, der sich durch hervorragende Dämpfungseigenschaften auszeichnet. Dies trägt zu langen Werkzeugstandzeiten und stabilen Prozessen bei. Die doppelwandige Gantry-Bauweise verstärkt die Stabilität zusätzlich und ermöglicht sowohl eine Weich- als auch eine Hartbearbeitung auf höchstem Niveau.
Individuelle Korrekturmöglichkeiten:
Da jede Spindel über eigene Achsantriebe und Messsysteme verfügt, können Durchmesser- und Längenkorrekturen individuell pro Spindel vorgenommen werden. Dies erhöht die Prozesssicherheit und vereinfacht das Einfahren neuer Werkstücke.
Weitere Informationen>>
Die VSC 315 DUO KBU ist ein zweispindliges Fräs- und Drehzentrum zur simultanen Bearbeitung zweier Werkstücke. Es ist ideal für die hochproduktive Fertigung von Kugellaufbahnen in Gelenkgehäusen und Kugelnaben geeignet.
VSC 315 TWIN KBG: Zweispindlige Produktionslösung für gerade Kugellaufbahnen
Die VSC 315 TWIN KBG ist für die Hartbearbeitung von geraden Kugellaufbahnen in Gelenkgehäusen, Achszapfen, Kugelnaben, Gelenknaben und Gelenkringen ausgelegt. Durch die simultane Bearbeitung von zwei Werkstücken in einem Arbeitsraum steigert sie die Produktivität deutlich und bleibt dabei kompakt im Platzbedarf.
Maschinenaufbau:
Die Maschine arbeitet mit zwei unabhängig verfahrbaren Portalschlitten. Jeder Schlitten und jede Spindel verfügt über eigene X- und Z-Achsantriebe. Separate Messsysteme mit Linearmaßstäben in allen Achsen sorgen für eine hochpräzise Bearbeitung. Durch diese Auslegung können zwei Werkstücke gleichzeitig mit hoher Wiederholgenauigkeit bearbeitet werden.
Konstruktive Besonderheiten:
Zu den technischen Highlights zählen Motorspindeln mit Drehzahlen bis 8.500 min⁻¹ und 15 kW Leistung bei 100 % ED. Die flüssigkeitsgekühlten Spindelgehäuse, hochpräzisen Keramik-Hybridlager und der thermosymmetrische Aufbau unterstützen eine konstante Bearbeitungsgenauigkeit auch über lange Laufzeiten. Der Maschinengrundkörper aus Mineralit® verbessert das Dämpfungsverhalten deutlich und trägt damit zu stabilen Prozessen und gleichbleibender Bearbeitungsqualität bei.
Automatisierung und Korrekturmöglichkeiten:
Die VSC 315 TWIN KBG belädt sich über eine Pick-up-Automation selbst und lässt sich über Zu- und Abführbänder einfach in Fertigungssysteme integrieren. Da beide Spindeln und Schlitten unabhängig ausgeführt sind, können Durchmesser- und Längenkorrekturen individuell pro Spindel vorgenommen werden. Das erhöht die Prozesssicherheit und erleichtert die Anpassung an das jeweilige Werkstück.
Weitere Informationen>>
Die VSC 315 TWIN KBG ist eine zweispindlige Produktionsmaschine für die Bearbeitung von Kugellaufbahnen.
Autor: Andreas Liebrich, Senior Expert Sales and Technology für CV Joint Lösungen bei der EMAG Salach GmbH
