Unter Großmodul-Zahnrädern versteht man im Fertigungsalltag Zahnräder mit einem Modul ab 20, und diese Grenze verhält sich weniger wie eine präzise Trennlinie als wie eine Tür in eine andere Engineering-Welt. Unter Modul 10 spricht man meist noch von Getrieben, Getriebemotoren und kleinen Untersetzungen, die auf normalen Horizontalfräsmaschine entstehen. Ab Modul 20 werden aus den Teilen einzelne Schwerlastkomponenten, die einzeln offeriert, konstruiert und auf vertikalen Wälzfräsmaschinen, Vertikaldrehmaschinen und Aufkohlofen von der Größe eines kleinen Raums bearbeitet werden. Die Anwendungen sind die, die niemand bemerkt, bis sie ausfallen: die Kränze und Ritzel von Drehrohröfen und Kugelmühlen in Zementwerken, die Hohlräder und Antriebe von Brechern in Bergwerken, die großen Stirnräder von Walzwerken in Stahlwerken, die Schwenkringe und Nachführantriebe von Windkraftanlagen sowie die Hauptantriebsräder von Tunnelbohrmaschinen und Schaufelradbaggern. Sie eint niedrige Drehzahl, hohes Drehmoment, stoßartiger oder reversierender Betrieb und die Erwartung von zehn bis zwanzig Jahren Dauerlauf, weshalb der Ausfall eines einzigen Zahns sich in Produktionsstillstand statt im Preis des Ersatzteils bemisst.
Die erste Entscheidung eines Großmodul-Projekts gilt dem Rohling, denn der Rohling bestimmt alles Weitere. Für Teilkreisdurchmesser ab etwa einem Meter wird ein vollständig geschmiedeter Vollscheibenrohling unpraktisch oder gar nicht beschaffbar: Gesenkschmiedepressen mit einigen zehntausend Tonnen Druckkraft sind selten, die Werkzeugkosten für Einzelgrößen unerschwinglich, und Klang geschmiedete Ringe über zwei Meter bezieht man bei einer Handvoll spezialisierter Gesenkschmieden mit langen Warteschlangen. Die meisten Großrohlinge entstehen daher als Gussstücke, meist in normalisierter oder normalisier-undangelassener Kohlenstoff- oder niedriglegierter Gussstahlqualität, die einen tragfähigen, zerspanbaren Rohling zu einem Bruchteil des Schmiedepreises und mit viel kürzerer Lieferzeit liefern. Der Kompromiss liegt in der inneren Güte: Gussrohlinge bergen ein kleines, aber reales Risiko von Porosität, Lunker und Seigerungen in den schweren Querschnitten, weshalb der Käufer vom Lieferanten Ultraschallprüfung, die Angabe der chemischen und mechanischen Eigenschaften aus der Schmelzenanalyse und großzügige Zerspanungszugaben erwarten sollte, um jede unsaubere Oberflächenhaut abzutragen. Wo die Stoßbelastung extrem ist, wo das Zahnrad eine Brecherblockade unbeschadet überstehen muss oder wo durchgehärtetes oder aufgekohltes Verhalten gefordert ist, bleibt ein geschmiedeter und danach vergüteter Rohling auch ab Modul 30 die richtige Antwort, und Terminrutsch sowie Preisaufschlag werden als Versicherung akzeptiert. Für die Anwendungen zwischen diesen Polen geht ein guter Lieferant den Guss-gegen-Schmiede-Kompromiss gemeinsam mit dem Käufer am tatsächlichen Einsatz durch, statt automatisch zu nehmen, was gerade einfacher zu beschaffen ist.
Nach dem Abdrehen und Spannungsarmglühen werden die Zähne geschnitten, und beim Großmodul-Zahnrad domiert das Verzahnen selbst die Maschinenstundenschuld. Standard ist das schwere Wälzfräsen auf einer vertikalen oder horizontalen Wälzfräsmaschine, die steif genug ist, um die Starrheit zu halten, während ein großdiger Grobteilwälzfräser Späne von zwei, drei oder vier Millimetern Tiefe aus jeder Lücke schält. Ein Modul-25-Zahn ist kein vergrößertes Modul-5-Zahn: Der Wälzfräser muss entsprechend groß sein, die Späneitmenge pro Zahn ist enorm, und die Standzeit pro Schneidkante wird zu einem echten Terminplanengpass. Daher planen Betriebe Schruppen und Schlichten getrennt, wechseln oder schärfen die Werkzeuge zwischen den Stadien und kalkulieren beschichtete oder polgeschliffene Wälzfräserplatten ein, die dem unterbrochenen Schwerstschlag standhalten. Steigt das Modul über etwa 30, oder ist die Zahnlücke so breit, dass selbst ein großer Wälzfräser die volle Breite nicht in einem Durchgang schafft, wechselt man zum Einstechen oder Profilfräsen: Ein Teilapportiert den Rohling Zahnteilung für Zahnteilung, und ein Profilfräser oder eine Messerklinge fräst die Lücke in wenigen Gängen fast auf Endtiefe, danach öffnet ein Schlichtwälzfräser oder Profilfräser die Lücke auf Druckwinkel und Profil. Einstechen ist pro Zahn langsamer als Wälzfräsen und empfindlich gegenüber Aufspannsteifigkeit, aber es skaliert auf Zahngrößen, die kein Wälzfräser dieser Welt offeriert. Für innere Hohlräder wie Schwenkräder und große Planetenradsätze ist der praktische Weg das Stoßen auf einem Vertikalstoß oder einem Innenradstoßautomaten, weil weder Wälzfräsen noch Einstechen ins Innere eines Rings gelangen; Stoßen ist pro Zahn noch langsamer, weshalb Hohlradlieferzeiten separat und konservativ angeboten werden. Die Vorschübe bei allen drei Verfahren balancieren Werkzeuglebensdauer gegen Durchsatz: Einen hohen Vorschub auf einem abgenutzten Wälzfräser auf einem Modul-30-Rohling zu fahren, bedeutet, ein Wochenende damit zu verbringen, einen abgebrochenen Fräser aus einer zwei Meter weiten Lücke zu fischen.
Die Wärmebehandlung ist der Ort, an dem Großmodul-Zahnräder ihren Ruf als langsam und unerbittlich verdienen. Der einfachste Weg ist das Durchhärten und Anlassen auf eine Gesamt-Härte von etwa 260 bis 320 HB, was für langsame, stoßbelastete Zahnräder wie Ofenkränze ausreicht, die eher verschleißen als pittingbilden, aber es liefert nicht die harte, verschleißfeste Flanke, die eine Wälzreibung verlangt. Oberflächenhärtung durch Induktion oder Flammhärtung kann einen drei bis sechs Millimeter tiefen Rand an einem einzelnen Zahn erzeugen, doch die Tiefe an einem schweren Zahn gleichmäßig zu kontrollieren ist schwer, und lokale Überhitzungen an Zahnkopf oder -fuß sind ein reales Risiko, das sich später als Riss zeigt. Aufkohlen ist der Goldstandard für die Wechselermüdungslebensdauer, doch an einem Zahnrad ab Modul 20 ändern sich die Ökonomie: Ein großer Aufkohlauf, bei dem ein mehltonnen schwerer Rohling viele Stunden lang auf 950 Grad gehalten wird, um Kohlenstoff tief genug für eine vier bis acht Millimeter starke Nutzschicht einzubringen, gefolgt von langem Ofenabkühlen und anschließender separater Abschreckung und Anlassung, kann pro Charge zwei bis vier Wochen Ofenzeit verschlingen, und der Ofen selbst existiert vielleicht nur bei einer Handvoll Spezialbetriebe. Der unvermeidliche Begleiter all dieser Wege ist der Verzug. Ein ein Tonnen schwerer Rohling biegt sich nicht ein bisschen; er wächst, schrumpft, verdreht sich und verändert seine Zahnteilung um messbare Beträge, weshalb der Käufer auf jedem Zahnrad, das wärmebehandelt wird, Schlichtzugabe lassen muss und warum die Zeichnung nach dem Härten endbearbeitet werden sollte, wo die Geometrie zählt. Ein Großmodul-Zahnrad so auszulegen, dass es vor dem Aufkohlen fertig bearbeitet wird, und dann zu hoffen, der Verzug bleibe innerhalb der Toleranz, ist ein Klassiker, um einen schönen Rohling in Schrott zu verwandeln.
Ein zwei Meter großes Zahnrad zu messen ist eine eigene Disziplin, und die Wahl der Messmittel verrät stillschweigend, wie groß das Vertrauen des Lieferanten in den Prozess ist. Die Arbeitsgeräte in der Werkstatt sind die einfachen, direkten Instrumente: eine große Außenmessschraube oder Bügelmessschraube für Rohling- und Nabenmaße, eine Messuhr auf festem Ständer für radialen und axialen Schlag des Zahnradkörpers und eine Zahnweitenlehre für die Zahndicke. Teilungs- und Profilgenauigkeit besser als etwa ISO-Grad 9 lässt sich mit Handmessmitteln nicht sicher prüfen. Der Standardweg bei Großzahnrädern ist ein dediziertes Verzahnungsmesszentrum oder ein großes Koordinatenmessgerät mit Zahnradmodul, das Evolventenprofil, Flankenlinie, Summenteilung und Schlag des gesamten Rades in einer Aufspannung aufnimmt, obwohl Maschinen dieser Klasse selbst selten sind und ihr Stundensatz hoch ist, weshalb nicht jeder Lieferant eine eigene hat und die Prüfung Wochen im Voraus eingeplant wird. Für viele Betriebe ohne Großverzahnungsmessgerät sind die praktischen Feldmessungen die über Rollen gemessene Zahnweite, bei der drei oder mehr Präzisionsrollen über ausgewählte Zähne gelegt werden, um die Zahndicke indirekt zu lesen, und die Basiszahnbreitenlänge, die die Dicke über mehrere Zähne mittelt und weniger empfindlich auf lokale Fehler reagiert als eine einzelne Messschieberablesung. Beide sind indirekt: Sie bestätigen, dass das Zahnrad in einem globalen Dickenband liegt, nicht ob die Evolvente selbst wahr ist, weshalb ein verantwortungsvoller Lieferant sie zusammen mit jedem Profil- oder Flankenlinientest an einem Beispielzahn meldet. Für abnahmeentscheidende Zahnräder an Wind- oder Brecherantrieben sollte der Käufer einen Erstmusterbericht mit Teilung, Profil, Flankenlinie, Schlag, Härteverlauf und Magnetpulver- oder Ultraschallprüfung erwarten und kein Angebot akzeptieren, das sich nicht festlegt, was dieser Bericht enthalten wird.
Käufer von Großmodul-Zahnrädern sind immer wieder überrascht, wie lang die Arbeit dauert und wo das Geld tatsächlich bleibt. Ein realistischer Zeitplan für ein Einzelstück mit Modul 25 von etwa 1,5 Metern Durchmesser gliedert sich so: Guss oder Schmieden des Rohlings plus Normalisieren und Spannungsarmglühen, sechs bis zehn Wochen; Abdrehen und grobes Verzahnen, zwei bis drei Wochen auf einer ausgelasteten Vertikalwälzfräsmaschine; Aufkohlen oder Durchhärten mit Anlassen und langem Abkühlen, zwei bis vier Wochen in einer Ofenwarteschlange; Fertigdrehen, Zahnschleifen oder Feinwälzfräsen, zwei bis drei Wochen; sowie Endprüfung und Berichtsschreibung, ein bis zwei Wochen. Alles in allem sind vierzehn bis zwanzig Wochen normal, und jedes Angebot, das sechs Wochen für ein aufgekohltes Modul-25-Rad verspricht, lässt entweder einen Prozessschritt aus oder offeriert einen Rohling, der schon im Regal liegt. Die Kostenpyramide folgt derselben Reihenfolge: Material ist bei einem schweren Stahlrad oft der kleinste Posten, selbst zu Schmiedepreisen. Die großen Kostentreiber sind Maschinenstunden auf den wenigen großkapazierten Maschinen am Markt, Wälzfräser- und Schneidverbrauch bei Modulen, bei denen ein einziger Wälzfräser so viel kostet wie ein Kleinwagen, Ofenzeit pro Tonne und Tag sowie Prüfzeit auf Verzahnungsmessgeräten und Koordinatenmaschinen, die die Käufer nie sehen, aber immer bezahlen. Die praktische Lehre für den Einkauf: Das billigste Papierangebot ist sehr oft das, das stillschweigend eine dieser vier Kostenlinien streicht, und das am günstigsten gelieferte Zahnrad ist dasjenige, das mit dem richtigen Rohlingbericht, dem richtigen Wärmebehandlungsprotokoll und dem richtigen Prüfschein schon im Umschlag ankommt.
Wenn Sie ein Großmodul-Zahnrad ausschreiben, trennt ein kurzes, konkretes Informationspaket die ernsthaften Fertiger von den Katalog-Preisschreibern. Senden Sie die fertige Zeichnung mit Modul, Zähnezahl, Eingriffswinkel, Schrägungswinkel und Zahnhöhe darauf, plus der gewünschten Genauigkeitsklasse sowie dem Material und der Wärmebehandlung, die Sie im Sinn haben. Nennen Sie den akzeptierten Rohlingsweg, ob Guss, Schmiede oder beides möglich ist, denn diese eine Entscheidung verschlägt Preis und Lieferzeit stärker als alles andere. Nennen Sie Einsatz, Drehmoment, Stoßgrad und Auslegungslebensdauer, denn der Lieferant, der weiß, dass das Rad auf einer Kugelmühle sitzt, wählt eine vernünftige Einsatztiefe und Genauigkeitsklasse, statt beide zu überdimensionieren. Nennen Sie den Prüfbericht, den Sie bei Lieferung erwarten, einschließlich der Frage, ob Magnetpulver- und Ultraschallprüfung nötig sind und ob ein Dritter oder Ihr eigener Qualitätsingenieur auf die Halle darf. Nennen Sie die Jahres- oder Einzelstückmenge, denn auch ein Großmodul-Zahnrad, das jedes Jahr zu zweit oder dritt gekauft wird, verändert die Planung von Wälzfräser und Ofenplatz. Mit diesen Zahlen auf dem Tisch kann ein spezialisierter Großradbetrieb Ihnen einen echten Preis, einen echten Termin und eine ehrliche Meinung dazu geben, ob Ihre Zeichnung besser fertigbar gemacht werden könnte, statt einer höflichen Offerte, die die Kosten jener Prozesse verbirgt, die darüber entscheiden, ob Ihr Getriebe seine ersten zehn Jahre übersteht.