Hochpräzise Zahnradfertigung: Abschrägtechnologie

"Ohne Abschrägung ist die Fähigkeit eines Tischlers unvollständig." Dieses alte Tischler-Sprichwort spiegelt nicht nur das traditionelle handwerkliche Wissen wider, sondern findet auch in der modernen Fertigung tiefgreifende Resonanz. Die Abschrägung, ursprünglich ein Begriff aus der Holzbearbeitung, hat sich zu einem entscheidenden Prozess in der heutigen industriellen Produktion entwickelt, insbesondere in der hochpräzisen Zahnradfertigung.

I. Was ist eine Abschrägung?

In der modernen industriellen Fachsprache bezeichnet Abschrägung den Vorgang, bei dem äußere oder innere rechte Winkel eines Werkstücks leicht abgeschrägt oder abgerundet werden. Ihre Kernziele sind zweifach: Erstens, Spannungskonzentrationen zu beseitigen, und zweitens, scharfe Kanten zu vermeiden, die Bediener beim Einbau und Gebrauch verletzen könnten. Über die funktionale Sicherheit hinaus verbessern abgerundete Kanten auch die ästhetische Erscheinung des Werkstücks und verleihen ihm ein ansprechenderes und raffinierteres Aussehen.
Es ist wichtig, Abschrägen von Anfasen zu unterscheiden: Während beide Verfahren eine Abrundung beinhalten, zielt das Abschrägen auf die Kanten eines Werkstücks ab, während das Anfasen sich auf die Ecken konzentriert. In der Praxis bergen nicht angefasste Ecken ein höheres Verletzungsrisiko für Benutzer im Vergleich zu nicht abgeschrägten Kanten.

II. Zahnflanken-Abschrägung: Klassifizierung & Arten

Mit der Weiterentwicklung der Automobilindustrie werden zunehmend strengere Anforderungen an Ästhetik und Leistung von Zahnrädern gestellt, wodurch die Abschrägungstechnologie bei der präzisen Steuerung verstärkt in den Fokus rückt.

1. Grundlegende Kategorien der Zahnflanken-Abschrägung

Die Zahnflanken-Abschrägung wird hauptsächlich nach Lage in drei Typen unterteilt:

Zahnhub-Abschrägung: Abschrägung am Zahnkopf des Zahnrads.
Zahnenden-Abschrägung: Abschrägung an der Stirnfläche des Zahnendes.
Zahnflanken-Abschrägung: Abschrägung entlang des Arbeitsprofils des Zahns (Schwerpunkt dieses Artikels).

2. Technische Klassifizierung der Zahnflanken-Abschrägung

Die Abschrägung des Zahnprofils wird üblicherweise in drei technische Typen unterteilt, die sich zusätzlich durch die einseitige oder doppelseitige Anwendung unterscheiden:

Technischer Typ Einseitige Eigenschaften Doppelseitige Eigenschaften
Konische Abschrägung (endet am Fußradius) Unsymmetrische Abschrägung; keine Rundung am Fuß. Symmetrische Abschrägung auf beiden Seiten; keine Rundung am Fuß.
Konische Abschrägung (endet am vollen Fußradius) Unsymmetrische Abschrägung; teilweise Rundung am Fuß. Unsymmetrische Abschrägung auf beiden Seiten; teilweise Rundung am Fuß.
Gleichmäßige Abschrägung (endet am vollen Fußradius) Symmetrische Abschrägung; gleichmäßige Rundung am Fuß. Symmetrische Abschrägung auf beiden Seiten; gleichmäßige Rundung am Fuß.

III. Gängige Bearbeitungsverfahren für die Zahnprofilabschrägung

Es stehen verschiedene Verfahren für die Abschrägung des Zahnprofils zur Verfügung, jedes mit eigenen Prinzipien, Vorteilen und Grenzen.

A. Schleifende Abschrägung

Prinzip: Verwendet eine rotierende Spindel und eine schwimmende Schleifscheibe, um Grate und scharfe Kanten vom Zahnprofil zu entfernen.
Einschränkungen: Die Fasengröße variiert aufgrund von Faktoren wie Schleifscheibendurchmesser, Steigungswinkel, Modul und Zähnezahl. Es verursacht häufig Wurzelflächenbeschädigungen und erzeugt raue abgeschrägte Kanten.
Anwendung: Weit verbreitet in traditionellen Industrien wie Windenergie und Nutzfahrzeugen für Großmodul-Getriebe.

B. Extrusions-Fasung

Prinzip: Setzt zwei spezielle Extrusionscheiben mit passenden „schraubenförmigen Zähnen“ ein, die sich mit dem Zahnrad verzahnen. Durch schnelle Verzahnungsdrehung werden die nach dem Wälzen verbliebenen Grate und scharfen Kanten „abgeschnitten“.
Einschränkungen: Harte Extrusion erzeugt Mikro-Vorsprünge auf der Zahnfläche (was nachfolgendes Schleifen/Feinräumen erschwert), erfordert zusätzliche Abkratzer zur Kontrolle von Endflächen-Vorsprüngen, erzeugt raue Kanten, verlängert die Bearbeitungszeit und ist bei Stapelscheibengetrieben unwirksam.

C. Wälz-Fasen-Wälz-Verfahren

Prinzip: Beim Wälzen wird ein geringer Bearbeitungszustand beibehalten. Nach dem Zurückziehen des Wälzstahls bearbeiten Umform- und Abstreifwerkzeuge die Fase, gefolgt von einem letzten Wälzgang zur Erzielung der Präzision.
Einschränkungen: Die Integration von Werkzeugen in die Wälzmaschine erhöht die Zykluszeit; die Werkzeugeinrichtung ist komplex, und es erbt die Einschränkungen des Umformfasens.

D. Fräsen der Fase 1 (radialer Fasenfräser)

Vorteile:

Geeignet für Wellenwerkstücke und solche mit behindernden Konturen.
Flexible Integration in Wälzmaschinen oder Einsatz als eigenständiges Gerät.
Auf dem Markt weit verbreitet.

E. Fräsen der Fase 2 (integrierte Wälzmaschine)

Aktueller Stand: Einige Wälzmaschinenhersteller (z. B. Gleason) bieten Modelle mit integrierter Zahnenden-Fasung (Fliegerschneider oder Wälzfräsfase) an.
Vorteile: Kombiniert Wälzen und Fasen in einem Arbeitsschritt; vermeidet Beschädigungen durch manuelles Neu-Spannen.
Einschränkungen: Hohe Gerätekosten (Sonder-Wälzfräser für Fasen sind teuer); nur anwendbar bei Scheibenräder (Interferenzprobleme bei Wellenrädern).

IV. Auswahl der Abschrägverfahren

Die Wahl des Abschrägverfahrens hängt vom Anwendungsbereich des Zahnrads ab und sollte eng mit den Kunden abgestimmt werden:

Empfehlung für Getriebewellen aus neuen Energien: Bevorzugung des Fräsen-Abschrägens, da die Technologie und Ausrüstung für dieses Verfahren ausgereift sind.
Abschrägmaß: Typischerweise 0,3–0,8 mm für Zahnprofilabschrägungen.
Abschrägwinkel: In Zusammenarbeit mit Konstrukteuren Winkel basierend auf Motortriebarten (Parallelachse vs. Koaxial) definieren, übliche Bereiche wie 150°±10° und 125°±10°.

V. Vorteile des Abschrägens

Sicherheitsverbesserung: Reduziert das Verletzungsrisiko beim Handling und der Bearbeitung.
Optische Verbesserung: Verbessert das Gesamterscheinungsbild des Zahnrads und steigert die Kundenzufriedenheit.
Spannungsreduzierung: Verringert die Spannungskonzentration an scharfen Zahnenden nach der Wärmebehandlung.
Schadensverhütung: Senkt das Risiko von Zahnabplatzungen durch Stoßbelastungen während der Wärmebehandlung und nachfolgender Prozesse.
Qualitätssicherung: Verhindert Oxidation und Entkohlung an den Zahnspitzen während des Aufkohlens.
Leistungsoptimierung: Verringert das Risiko von Zahnenden-Zerquetschung und -Absplitterung, wenn nur eine teilweise Zahnbreite eingriffsbereit ist.
Montageerleichterung: Die richtige Fasenbreite und -neigung vereinfachen die Getriebeverzahnung.

Vi. Schlussfolgerung

Trotz seiner nachgewiesenen Vorteile wurde das Abschrägen in Teilen der heimischen Getriebeindustrie unterschätzt, wo einige Hersteller die Funktionalität über diesen entscheidenden Prozess stellen. Doch mit dem Fortschritt der Automobiltechnologie und steigenden Qualitätsanforderungen ist das Abschrägen zu einem unverzichtbaren Schritt in der hochpräzisen Getriebeherstellung geworden. Die Akzeptanz und Weiterentwicklung der Abschrägprozesse ist entscheidend, um die Produktqualität zu verbessern und die Wettbewerbsfähigkeit auf dem Markt zu erhöhen.
In der Welt der Getriebe treiben kleine Zahnräder große Innovationen voran – und sorgfältiges Abschrägen ist die Grundlage dieser Präzision.