Zahnradgetriebe: Prinzipien und Anwendungen der Form- und Wälzfräsmethode bei der Zahnradbearbeitung

01 Grundlagen des Wälzschneidverfahrens

1.1 Mathematische Grundlagen

• Einhüllprinzip : Die Bewegungsbahn der Schneidkante des Werkzeugs (wie z. B. Wälzfräser oder Räumwerkzeuge) bildet eine Reihe von kontinuierlichen Kurven, deren Einhüllende das theoretische Zahnradprofil (z. B. Evolvente, Zykloide) ergibt.
• Eingriffsgleichung : Erfüllt die Relativbewegungsbeziehung zwischen Werkzeug und Werkstück, um die Genauigkeit des Zahnprofils sicherzustellen.

1.2 Wesentliche Merkmale

• Hohe Präzision : Fähigkeit zur Bearbeitung komplexer Zahnprofile (z. B. Evolvente, Kreisbogenzahnräder).
• Hohe Effizienz : Kontinuierliches Schneiden ermöglicht die Serienproduktion.
• Starke Vielseitigkeit : Ein einziges Werkzeug kann Zahnräder mit unterschiedlichen Zähneanzahlen bearbeiten (vorausgesetzt, sie haben dasselbe Modul).

1.3 Typische Verfahren nach dem Wälzprinzip

1.3.1 Wälzfräsen

• Die Kommission : Nutzt die Eingriffsbewegung zwischen einem Wälzfräser (wurmähnliche Form) und dem Zahnradrohling und vollendet den Schnitt durch axiales Vorschub.
• Bewegungsbeziehung : Drehung des Fräsers (Hauptschneidbewegung) + Drehung des Werkstücks (Erzeugungsbewegung) + Axialvorschub.
• Vorteile : Hohe Effizienz, geeignet für Massenproduktion (z. B. Automobilgetriebe); kann Geradverzahnungen, Schrägverzahnungen, Schneckenräder usw. bearbeiten.
• Anwendungsbeispiele : Bearbeitung von Planeten- und Sonnenrädern in Getrieben für Windkraftanlagen.

1.3.2 Zahnstechen

• Die Kommission : Verwendet einen Zahnstecher (formähnlich einem Zahnrad), der eine hubförmige Schneidbewegung am Werkstück ausführt, während er im Eingriffsverhältnis rotiert.
• Bewegungsbeziehung : Vertikaler, hubender Schnitt des Zahnradschneidstahls + erzeugende Rotation von Werkstück und Werkzeug.
• Vorteile : Kann komplexe Strukturen wie Innenzahnräder und Doppelräder bearbeiten; bessere Zahnflankenrauheit im Vergleich zum Wälzen (Ra 0,8–1,6 μm).
• Einschränkungen : Geringere Effizienz als beim Wälzen; höhere Werkzeugkosten.
• Anwendungsbeispiele : Bearbeitung von Innenzahnringen in Getrieben und kleinen Präzisionszahnrädern.

1.3.3 Zahnradschälen

• Die Kommission : Der Schälfräser und das Werkstück drehen sich unter leichtem Druck im Eingriff, wodurch die Zahnprofilgenauigkeit durch die Schabwirkung der Fräserschneiden verbessert wird. Es handelt sich um einen Endbearbeitungsprozess, der nach dem Wälzen oder Schneiden von Zahnrädern zum Nacharbeiten verwendet wird.
• Vorteile : Kann Zahnprofilfehler korrigieren und die Laufruhe der Zahnradübertragung verbessern; Bearbeitungsgenauigkeit erreicht DIN 6–7 Qualität.
• Anwendungsbeispiele : Endbearbeitung von Getriebezahnrädern für Automobile.

1.3.4 Zahnradschleifen

• Die Kommission : Verwendet eine formgebundene Schleifscheibe oder Schleifwurm zur Schleifbearbeitung der Zahnflanke über eine erzeugende Bewegung, hauptsächlich zur Endbearbeitung gehärteter Zahnräder.
• Vorteile : Extrem hohe Präzision (bis zu DIN 3–4 Klasse); kann schwer bearbeitbare Zahnflanken (HRC 58–62) bearbeiten.
• Einschränkungen : Hohe Kosten und geringe Effizienz, typischerweise in Bereichen mit hohen Anforderungen an die Präzision eingesetzt.
• Anwendungsbeispiele : Getriebezahnräder für Luftfahrttriebwerke und Hochgeschwindigkeitsstufenräder in Windkraftgetrieben.

02 Grundlagen des Formstechens

• Hohe Werkzeugabhängigkeit : Die Genauigkeit des Zahnprofils hängt direkt von der Präzision der Werkzeugkontur ab.
• Keine Generierbewegung : Der Bearbeitungsprozess simuliert kein Verzahnungseingriff, sondern basiert nur auf der Relativbewegung zwischen Werkzeug und Werkstück.
• Hohe Flexibilität : In der Lage, nichtstandardmäßige Zahnprofile zu bearbeiten (z. B. kreisbogenförmige Zähne, rechteckige Zähne).

2.1 Mathematische Grundlagen

• Profilierprinzip : Die geometrische Form der Schneidkante des Werkzeugs entspricht perfekt dem Zahnzwischenraum des Zahnrads.
• Teilbewegung : Verwendet Teilvorrichtungen (z. B. Teilköpfe) für die zahngenaue Bearbeitung, um einen gleichmäßigen Zahnabstand sicherzustellen.

2.2 Vor- und Nachteile

Vorteile

• Einfaches Equipment : Mit herkömmlichen Fräsmaschinen durchführbar.
• Geeignet für Einzelstücke, Kleinserienfertigung oder Reparaturen : Ideal für Anpassungen und Wartungsszenarien.
• In der Lage, Extra-große Modulzahnräder zu bearbeiten : Zum Beispiel Zahnräder, die in Bergbaumaschinen verwendet werden.

Nachteile

• Geringe Genauigkeit : Typischerweise DIN 9–10 Qualität.
• Geringe Effizienz : Erfordert zahnweises Fräsen.
• Geringe Werkzeugvielseitigkeit : Für jedes Modul werden spezialisierte Werkzeuge benötigt.

2.3 Typische Formfräsverfahren

2.3.1 Zahnradfräsen

• Die Kommission : Verwendet einen Scheibenfräser oder eine Schaftfräse; der Fräser dreht sich zum Schneiden, und das Werkstück wird zahnweise über einen Teilapparat positioniert.
• Bewegungsbeziehung : Fräserdrehung (Hauptschnitt) + Axialvorschub des Werkstücks + Teilrotation.
• Anwendungsszenarien : Einzel- und Kleinserienfertigung von Geradverzahnungen und Schrägverzahnungen; Großmodul-Verzahnungen (Modul ≥20 mm) oder Reparaturverzahnungen.
• Fallstudie : Getriebezahnräder der Langsamgangstufe von Schiffsgetrieben (Modul 30, Werkstoff: 42CrMo) bearbeitet mit Endbearbeitungsfräser + CNC-Teilung, erzielt eine Zahnflankenrauheit von Ra 3,2 μm.

2.3.3 Profilschleifen

• Die Kommission : Verwendung eines Rundhobels (ein mehrzähniges stufenförmiges Werkzeug), um den gesamten Zahnzwischenraum in einem Durchgang zu hohnen.
• Bewegungsbeziehung : Lineare Bewegung des Hobels (Schnittbewegung) + feststehendes Werkstück.
• Vorteile : Sehr hohe Effizienz (fertigt einen Zahnzwischenraum pro Hub); relativ hohe Präzision (bis DIN 7-Qualität).
• Einschränkungen : Nur geeignet für die Massenproduktion von Innen- oder Außenverzahnungen; hohe Herstellungskosten für den Hobel, ideal für Großaufträge einer einzigen Spezifikation.
• Anwendungsbeispiele : Massenproduktion von Automobil-Synchronringen (Zykluszeit <10 Sekunden/Stück).

2.3.3 Profilschleifen

• Die Kommission : Verwendung einer geformten Schleifscheibe (mit Kontur, die der Zahnform entspricht) zum Schleifen gehärteter Zahnräder.
• Bewegungsbeziehung : Drehrichtung der Schleifscheibe + Werkstückverstellung.
• Vorteile : Kann hochfeste Zahnräder (HRC >60) bearbeiten; Präzision bis zu DIN 4-Grad (Zahnprofilfehler <5 μm).
• Anwendungsbereiche : Nachbearbeitung von Zahnradgetrieben für Luftfahrtmotoren und präzise Reduktionsgetriebe.

03 Vergleich und industrielle Anwendungen der beiden Verfahren

Vergleich zwischen Wälzfräsen und Profilfräsen

Industrielle Anwendungen des Erzeugungsverfahrens

3.1 Getriebe für Windenergieanlagen

• Anforderungen : Hoher Drehmoment, lange Lebensdauer (≥20 Jahre).
• Prozesskombination : Wälzfräsen (Vorformung) → Wärmebehandlung → Zahnradrundschleifen (Endbearbeitung).