Zahnradherstellung

Zahnradfertigung

1. Einführung:

Das Kapitel Zahnradfertigung gibt einen Überblick über die Begriffe zur Beschreibung von den verschiedensten Arten von der Zahnradherstellung.

Zur Herstellung von Verzahnungen sind hochgenau arbeitende Werkzeugmaschinen mit teils komplexen kinematischen Bewegungskopplungen der Maschinenachsen erforderlich. Die geometrische Vielfalt der Verzahnungswerkstücke ist durch die Vielzahl der gebräuchlichen Verzahnungs- und Getriebearten bedingt. Die hier in Bild1 gezeigten Zahnradarten sind nur mit bestimmte Verzahnverfahren auf ganz bestimmte Verzahnmaschinen wirtschaftlich zu fertigen.

2. Übersicht zur Zahnradherstellung:

Im  Bild2 sind einmal die unterschiedlichen Verfahren zur Herstellung von Zahnrädern zusammengestellt. Hier unterscheidet man zwischen den Verfahren zur Vorverzahnung und zur Feinbearbeitung

Um einerseits möglichst wirtschaftlich zu fertigen, andererseits aber eine hohe Verzahnungsgenauigkeit zu erzielen, verzahnt man zunächst mit hoher Schnittgeschwindigkeit und großen Vorschüben. Danach folgt die Feinbearbeitung. Zum Vorverzahnen werden  hauptsächlich das Wälzfräsen, das Wälzstoßen und für Großverzahnungen das Wälzhobeln eingesetzt.

Bei den Feinbearbeitungsverfahren ist an erster Stelle das Schleifen (Wälz- und Formschleifen) zu nennen.

3.Verzahnverfahren zur Herstellung von Zylinderräder:

3.1. Wälzverfahren:

Bei allen Wälzverfahren führen Werkstück und Werkzeug eine Wälzbewegung aus (Bild4). Sie wälzen sich wie zwei verzahnte Getriebeelemente ab. Beim Walzen wird die Evolvente von einem Werkzeug mit geradem Bezugsprofil, bei gleichzeitiger Bewegung des Werkstückes, eingehüllt. In jeder Lage tangieren die Schneiden des Evolventenprofil, so daß die Zahnflanke aus einer Folge von Hüllschnitten entsteht.

3.1.1. Wälzfräsen:

Wälzfräsen ist ein kontinuierliches Wälzverfahren (Bild5). Der Hüllkörper des Wälzfräsers ist eine zylindrische Evolventenschnecke. Während der Wälzbewegung drehen sich Werkzeug und Werkstück. Die Schnittbewegung wird von dem umlaufenden Fräser ausgeführt. Zur Herstellung von Stirnrädern werden Fräser und Werkstück relativ zueinander, in Richtung der Werkstückachse, verschoben, während gleichzeitig die Wälzbewegung ausgeführt wird.

Anwendung: Wälzfräsen wird häufig bei der Vorverzahnung von Zahnrädern in der Serienfertigung eingesetzt. Außerdem wird dieses Verfahren bei der Vor- bzw. Fertigverzahnung von Werkstücken mit weichen, vergüteten und gehärteten Groß-, Sonder-, Kerb- und Keilwellenverzahnungen angewandt.

Vorteil: Große Spanungsrate bei breiten Rädern.

Nachteil: Langer Anschnitt und Auslauf; keine Innenverzahnung möglich.

3.1.2. Wälzstoßen:

Auch das Wälzstoßen ist ein kontinuierliches Wälzverfahren (Bild6). Während des Verzahnens wälzen Schneidrad und Werkstück, wie Rad und Gegenrad eines Stirnradgetriebes,  miteinander ab. Gleichzeitig führt das Schneidrad durch seine hin- und hergehende Stoßbewegung die Schnittbewegung aus.

Bei Geradverzahnungen verläuft die Stoßbewegung in Achsrichtung des Werkstückes. Bei Schrägverzahnungen führt das schrägverzahnte Schneidrad eine dem zu erzeugenden Schrägungswinkel entsprechende schraubenförmige Schnittbewegung aus.

Das Werkzeug ist ein Gerad- oder Schrägstirnrad, dessen Flanken nach hinten verjüngt sind. Dadurch entsteht der für die Zerspanung erforderliche Freiwinkel.

Anwendung: Wälzstoßen wird bei Werkstücken für gerade und schräge Innen- und Außenverzahnung angewandt.

Vorteil: Sehr kleiner Auslauf.

Nachteil: Leerhub; für linke und rechte Zahnschräge andere Stößelführungskurven und Werkzeuge.

3.1.3. Wälzhobeln:

Wälzhobeln ist ein Teilwälzverfahren (Gruppenteilverfahren).(Bild7) Das zu verzahnende Werkstück wälzt sich an dem Schneidkamm (Hobelwerkzeug) ab. Die Schnittbewegung (vertikale Bewegung) wird vom Werkzeug ausgeführt.

Beim Rückhub wird der Schneidkamm abgehoben. Wenn ein Zahn fertigbearbeitet ist, wird das Werkstück um eine Zahnteilung gedreht. Das Werkzeug ist eine Zahnstange, dessen Flanken nach hinten freigearbeitet sind. Es wird als Schneidkamm bezeichnet.

Anwendung: Geeignet für Gerad- und Schrägverzahnungen für relativ große Abmessungen.

Vorteil: Einfaches, preiswertes Werkzeug; kleiner Anschnitt; genaue Flankenform.

Nachteil: Leerhub; keine Innenverzahnung möglich.

3.2.. Formfräsen:

Beim Formfräsen hat der Fräser das Profil der zu fräsenden Zahnlücke. der rotierende Fräser und das Werkstück werden zueinander in Richtung der Werkstückachse verschoben.

Bei der Herstellung einer Geradverzahnung dreht sich das Werkstück nicht. Nur nach Fertigstellung einer Zahnlücke wird das werdende Zahnrad um eine Teilung weitergedreht (Einzelteilverfahren).

Bei Schrägverzahnungen führt das Werkstück eine kontinuierliche Drehbewegung aus, die dem Schrägungswinkel entspricht. Auch hier wird im Einzelteilverfahren geteilt.

Das Formfräsen kann mit Fingerfräser oder Scheibenfräser ausgeführt werden.

Anwendung: Schrupparbeiten für gerade und schräge Innen- und Außenverzahnung.

Vorteil: Auf einfache Maschinen durchführbar.

Nachteil: Den unterschiedlichen Evolventenkrümmungen sind entsprechende Schneidkanten erforderlich => d.h.: für jede unterschiedliche Zahnform und unterschiedlichen Teilkreisdurchmesser benötigt man einen anderen Fräser.

3.3. Wälzschleifen:

Beim Wälzschleifen entsteht das Evolventenprofil durch Abwälzen des Zahnrades an zwei tellerförmigen Schleifscheiben (Bild9). Die Schleifscheiben sind bei dem sogenannten 0° Verfahren parallel angeordnet. Den Schleifvorschub in axialer Richtung führt das Werkstück aus. Es wird in axialer Richtung hin- und herbewegt. Die Teilung erfolgt am Ende des Vorschubweges. In jedem Arbeitsgang werden gleichzeitig zwei Zahnflanken geschliffen. Die Spanzustellung wird durch das Zusammenrücken der Schleifscheiben erzeugt.

Anwendung: Geeignet für Gerad- und Schrägverzahnungen für relativ große Abmessungen.

Vorteil: Preiswertes, leicht abzurichtendes Werkzeug.

Nachteil: Für die unterschiedlichen Evolventen krümmungen benötigt man entsprechende Rollbogen.

4. Spanende Verzahnmaschinen:

Der Abschnitt "Verzahnende Maschinen" beschäftigt sich mit den Maschinen zur Herstellung von Zahnrädern.

4.1. Zahnradhobelmaschine:

Beim Wälzhobeln werden, wie schon gesagt, die Zahnlücken durch die oszillierende Hubbewegung des Werkzeuges herausgearbeitet.

Der Aufbau und das Antriebssystem einer Wälzhobelmaschine ist im Bild10 erkennbar. Der Stößelhubmotor treibt den Hobelkamm an und erzeugt daher die Werkzeugoszillation. Jeweils im oberen Leerhubbereich des Werkzeuges wird zyklisch eine Bewegung von der Stößelmotorspindel, über die rechts neben dem Reversiermotor gelegene Vorschubkurbel in das Wälzgetriebe eingeleitet. Durch dieses Wechselradgetriebe wird die Wälzbewegung in den Wechselradkasten übertragen, von wo sie entsprechend dem Verzahnungsmodul und der Werkradzähnezzahl als Wälzschlitten verschiebung und Rundtischdrehung ausgegeben wird.

4.2. Wälzfräsmaschine:

Bei konventionellen Maschinen werden die Vorschubbewegungen und die Wälzbewegung über einen geschlossenen Getriebezug erzeugt(Bild12). Vom Hauptmotor wird einerseits der  Fräser unmittelbar und andererseits der Werkradtisch angetrieben. Durch die Wahl der Teilwechselräder wird die Drehbewegung von Werkzeug und Werkrad in Abhängigkeit von der Werkradzähnezahl und der Fräsergangzahl koordiniert.

Bei der Herstellung von Schrägverzahnungen wird in das Werkrad relativ zum Fräservorschub eine Zusatzdrehung über das Differentialgetriebe (Summiergetriebe) eingeleitet.