Ein Zahnrad ist ein mechanisches Zahnradelement, das mit anderen Zahnrädern kämmt, um Bewegung und Kraft zu übertragen. Dadurch wird eine präzise Steuerung von Geschwindigkeit, Richtung und Drehmoment in mechanischen Systemen ermöglicht. Die Zahnradherstellung umfasst Verfahren wie Zerspanung, Gießen, Schmieden, Pulvermetallurgie und Extrusion, die jeweils einzigartige Vorteile für spezifische Anwendungen bieten. Das Verständnis dieser Methoden ist wichtig, um Kosten zu optimieren, Produktionszyklen zu verkürzen und die gewünschten mechanischen Eigenschaften von Zahnradkomponenten zu erreichen.
Inhalte
Arten von Zahnrädern
Die folgenden Abschnitte stellen allgemeine Arten von Zahnrädern, zusammen mit ihren Strukturen, Funktionen und typischen Anwendungen.
Stirnräder
Eine der am häufigsten hergestellten Zahnradarten sind Stirnräder. Sie werden mit verschiedenen Verfahren hergestellt, am häufigsten sind das Wälzstoßen und das Wälzfräsen. Stirnräder sind für ihre Effizienz und geringe Axiallast bekannt, was die Lageranordnung vereinfacht. Stirnradgetriebe erzeugen jedoch im Betrieb laute Geräusche und eignen sich daher nicht für Anwendungen, bei denen ein leiser Betrieb erforderlich ist.
Schrägverzahnungen
Ein weiterer Zahnradtyp, der durch die Zahnradfertigung hergestellt wird, ist das Schrägverzahnungsgetriebe, das für seine gewundene Zahnstruktur entlang seiner zylindrischen Form bekannt ist. Im Vergleich zu Stirnrädern bieten diese Zahnräder einen leiseren und sanfteren Lauf. Sie zeichnen sich nicht nur durch geringe Stoßbelastung aus, sondern erfordern aufgrund ihrer komplexen Geometrie auch eine präzise Fertigung. Schrägverzahnungen werden CNC-bearbeitet, um präzise gewundene Zähne durch Wälzfräsen und Verzahnungsfräsen herzustellen. Diese Zahnräder werden in Anwendungen mit hoher Belastung wie Industriemaschinen und Fahrzeuggetrieben eingesetzt.
Kegelräder
Kegelräder haben üblicherweise eine kegelförmige Form und eignen sich daher für Anwendungen, bei denen eine Änderung der Bewegungsrichtung zwischen Wellen erforderlich ist. Diese Wellen schneiden sich meist im rechten Winkel. Kegelräder eignen sich sowohl für den Betrieb mit niedriger als auch mit hoher Geschwindigkeit. Sie werden speziell durch Planfräsen, Planwälzfräsen, Stoßen, Schleifen und – für einige Innenformen – Räumen hergestellt. Diese Zahnräder werden in Differentialantrieben, Elektrowerkzeugen und verschiedenen Maschinen eingesetzt.
Wurmgänge
Schneckengetriebe bestehen üblicherweise aus zwei Komponenten: einem Schneckenrad und einem schraubenförmigen Zahnrad, die im 90-Grad-Winkel ineinander greifen. Diese Getriebe sind bei hohen Drehzahlen aufgrund der erheblichen Gleitreibung in der Regel ineffizient, eignen sich aber für Anwendungen, die ein hohes Drehmoment und eine kompakte Bauweise erfordern. Daher werden sie hauptsächlich in Förderantrieben, Hebezeugen, Aufzügen, Winden und Lenksystemen eingesetzt. Diese Getriebe bieten aufgrund der hohen Reibung eine Selbsthemmung. Um eine präzise Zahngeometrie zu erreichen, werden diese mittels Wälzfräsen und CNC-Fräsen hergestellt.
Zahnstangengetriebe
Wie der Name schon sagt, bestehen Zahnstangengetriebe aus zwei Zahnrädern: der Zahnstange und dem Ritzel. Diese Zahnräder eignen sich zur Umwandlung von Drehbewegungen in lineare Bewegungen entlang einer parallelen Achse. Zahnstangensysteme sind für ihre effektive und kontrollierte Linearbewegung bekannt. Die gängigsten Verfahren zur Herstellung solcher Zahnräder sind das Zahnradfräsen und das Zahnradformfräsen.
Verschiedene Zahnradherstellungsverfahren
Zahnradbearbeitungsprozess
Der Zahnradbearbeitungsprozess wird zur Herstellung endgültiger, verwendbarer Zahnräder verwendet. Er kann zur Herstellung von Zahnrädern von Grund auf oder zur Verfeinerung bereits hergestellter Zahnräder durch verschiedene, zuvor erläuterte Prozesse eingesetzt werden.
Wälzfräsen
Wälzfräsen ist ein spanabhebendes Bearbeitungsverfahren, bei dem die Zähne eines Zahnrads mithilfe eines Wälzfräsers spanabhebend erzeugt werden. Dieses Verfahren erfordert hohe Präzisionskenntnisse im Schneiden.
Zahnradformung
Die Zahnradformbearbeitung wird zur Herstellung von Innen- und Außenverzahnungen eingesetzt. Das Verfahren umfasst einen hin- und hergehenden Fräser in Form eines Ritzel-, Zahnstangen- oder Einschneidwerkzeugs. Dadurch wird Material vom Zahnradrohling schrittweise abgetragen, um die gewünschte Zahnabmessung zu erzeugen.
Zahnradräumen
Das Zahnradräumen ist ebenfalls ein schnelles und effizientes Verfahren zur Zahnradbearbeitung. Dabei kommt ein mehrzahniges Räumwerkzeug mit Schneidkanten zum Einsatz. Dieses Verfahren eignet sich besonders gut zur Herstellung von Innenverzahnungen und Keilwellenprofilen. Es eignet sich für die Großserienfertigung, bei der Konsistenz und Geschwindigkeit entscheidend sind.
Verzahnungsfräsen
Beim Zahnradfräsen wird ein rotierendes Schneidwerkzeug verwendet, um Zähne in einen Zahnradrohling einzubringen. Das Zahnradfräsen wird in Kombination mit CNC-Fräsmaschinen eingesetzt. Mehrachsiges CNC-Fräsen ermöglicht die präzise und effiziente Bearbeitung komplexer Zahnradprofile.
Pulvermetallurgie
Die Pulvermetallurgie ist ein umweltfreundlicher Herstellungsprozess, der nahezu endkonturnahe Produkte herstellt und nur minimalen Materialabfall erzeugt. Pulvermetallurgie-Prozess verwendet Metallpulver als Rohmaterial, das in Matrizen verdichtet und dann gesintert wird, um die endgültigen Teile herzustellen.
Pulvermetallurgie-Zahnräder zeichnen sich durch eine hohe Zahnprofilgenauigkeit aus und erfordern häufig keine Nachbearbeitung, was erhebliche Kostenvorteile bei der Massenproduktion bietet.
Pulvermetallurgiezahnräder werden häufig in folgenden Bereichen eingesetzt:
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Fahrzeuggetriebe (zB Synchronkörper, Ölpumpenräder)
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Kleine Geräte
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Elektrowerkzeuge
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Büroausstattung
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E-Bike fährt
Casting
Dieses Verfahren gilt als ideal für die Herstellung von großen Durchmessern und komplexen Rohlingen in großen Stückzahlen. Obwohl Auswahlprozess Obwohl das Gießen langlebige und kostengünstige Zahnräder produziert, eignet es sich nicht für Zahnräder, bei denen hohe Präzision und Genauigkeit erforderlich sind. Gießen wird in der Zahnradherstellung hauptsächlich für große oder kostengünstige Zahnräder eingesetzt, ist aber weniger verbreitet als spanende Verfahren wie das Wälzfräsen. Die hier hergestellten Zahnräder sind zahnlos und werden anschließend einem Bearbeitungsprozess unterzogen, um Zähne der gewünschten Form und Ausrichtung zu erzeugen.
Zahnradherstellung im Gussverfahren
- Zur Herstellung eines Zahnrads durch Gießen wird zunächst eine Form der gewünschten Gestalt vorbereitet.
- Das geschmolzene Metall wird in die Form gegossen.
- Wenn das Metall abgekühlt ist, ist das Rohzahnrad fertig.
- Dieses Rohzahnrad wird zur Zahnerzeugung einer Bearbeitung unterzogen.
Arten des Gießens
Hier sind die allgemeinen Gussarten basierend auf dem Formmaterial:
- Druckguss
- Sandguss
- Dauerformguss
Schmieden
Schmieden ist ein weiteres Verfahren zur Herstellung von Zahnrädern mit kleinem bis mittlerem Durchmesser und hoher Dauerfestigkeit in Fahrzeuggetrieben und Differenzialgetrieben. Da das Schmieden durch Hämmern und Erhitzen in einem präzise geformten Gesenk erfolgt, sind die hergestellten Zahnräder äußerst langlebig und funktionieren auch unter Belastung zuverlässig. Mit diesem Verfahren hergestellte Zahnräder werden in Schwermaschinen, beispielsweise in der Landwirtschaft, der Automobilindustrie und der Luft- und Raumfahrt, eingesetzt.
Schmiedevorgang
Materialauswahl
Um ein Zahnrad zu schmieden, wird zunächst das geeignete Zahnradmaterial ausgewählt, abhängig von der gewünschten Festigkeit, Haltbarkeit und Anwendung des Zahnrads.
Billet-Schneiden
Da das Rohmaterial hierbei in Form eines Blocks verwendet wird, wird dieser Block auf die gewünschte, durch die Zahnradgröße bestimmte Länge zugeschnitten.
Erhitzen des Blocks
Nun wird der Block über die Rekristallisationstemperatur des Materials erhitzt, um ihn in eine bestimmte Form zu bringen. Das Erhitzen verbessert nicht nur die Formbarkeit des Materials, sondern verhindert auch Rissbildung beim Schmieden.
Die Vorbereitung
Außerdem wird die Matrize mit der gewünschten Form vorbereitet, die typischerweise eine Geometrie hat umgekehrt im Vergleich zu die endgültige Zahnradform.
Schmiedevorgang
Wenn der Block eine geeignete Temperatur erreicht hat, wird er auf den unteren Teil der Matrize gelegt und der obere Teil der Matrize wird mit hohem Druck auf den Block gelegt.
Wärmebehandlung
Nach Abschluss des Schmiedeprozesses wird das Zahnrad weiter erhitzt, um seine Form und Geometrie weiter zu verfeinern. Dies geschieht durch Abschrecken und Anlassen.
Endbearbeitung
Um genaue Abmessungen, Oberflächengüte und Toleranzen zu erreichen, wird das Zahnrad einer maschinellen Bearbeitung unterzogen.
Extrusion
Das Fließpressen ist ein Verfahren zur Herstellung von Mikrozahnrädern, das zur Herstellung einfacher und weniger komplexer Zahnräder eingesetzt wird. Kalt- oder Warmfließpressen ist hauptsächlich auf Miniaturzahnräder, Keilwellen und Zahnstangen mit konstantem Profil beschränkt; für Standard-Stirnräder werden spanende Verfahren eingesetzt. Das Verfahren ist kostengünstig und wird zur Herstellung kleiner Zahnräder, beispielsweise in der Elektronik und Haushaltsgeräten, eingesetzt.
Extrusionsprozess
Materialauswahl
Der Extrusionsprozess beginnt mit der Auswahl eines geeigneten Ausgangsmetalls, normalerweise in Form eines Knüppels oder Barrens.
Billet-Vorbereitung
Sobald der Block vorbereitet ist, wird er in die Strangpresse geladen. Wird das Zahnrad durch Warmfließpressen hergestellt, wird der Block auf einen für den Werkstoff geeigneten Temperaturbereich vorgewärmt.
Kaltextrusion
Beim Kaltfließpressen erfolgt der Prozess bei Raumtemperatur, ein Vorwärmen ist daher nicht erforderlich. Der Block wird im Behälter positioniert und alle Oberflächen werden gereinigt, um Verunreinigungen während des Pressens zu vermeiden.
Extrusionsprozess
Nun wird der Block einer Extrusion unterzogen, bei der ein Stößel oder eine Schraube hohen Druck ausübt, um den erhitzten oder auf Raumtemperatur gebrachten Block in eine speziell angefertigte Matrize zu pressen.
Zahnradrohlingbildung
Diese Matrize enthält eine präzise Öffnung, die das Metall in eine vorläufige Zahnradform oder einen Zahnradrohling formt.
Nachbearbeitung der Zahnradherstellung
Schleifen
Schleifen ist ein gängiges Endbearbeitungsverfahren bei der Zahnradherstellung, bei dem eine rotierende Schleifscheibe Material entfernt, um präzise Abmessungen und eine hohe Oberflächenqualität zu erzielen.
Läppen
Läppen ist ein Veredelungsverfahren zur Herstellung glatter Oberflächen durch den Einsatz von Schleifpartikeln. Läppen eignet sich ideal für Anwendungen, bei denen eine hohe Maßtoleranz erforderlich ist.
Honig
Honen ist ebenfalls ein abrasives Veredelungsverfahren, das nicht nur die Oberflächengüte, sondern auch die Leistung des Zahnrads verbessert. Dabei wird ein kleiner Schleifstein oder eine Schleifscheibe auf die Zahnradoberfläche aufgesetzt, um kleinere Unebenheiten zu beseitigen. Das Ergebnis ist eine verfeinerte Geometrie und ein feineres Finish.
Rasieren
Beim Schabfräsen wird eine kleine Menge Metall von den Zähnen eines Zahnrads und dem Abstand entfernt. Winkel und Profil der Zähne werden verfeinert. Obwohl das Schabfräsen hervorragende Ergebnisse liefert, ist es oft teurer als andere Schabverfahren.