Zahnräder sind runde mechanische Teile mit Zähnen an den Rändern. Wenn zwei oder mehr Zahnräder ineinandergreifen, übertragen sie Bewegung und Drehmoment zwischen rotierenden Wellen. Durch die Änderung von Richtung, Geschwindigkeit oder Bewegungskraft spielen Zahnräder in vielen Maschinen und Geräten eine wichtige Rolle. Gesinterte und bearbeitete Zahnräder sind zwei gängige Typen, die von Ingenieuren in verschiedenen Branchen verwendet werden.
In diesem Artikel erfahren Sie, wie diese beiden Getriebearten hergestellt werden, welche Stärken und Schwächen sie haben und wie sie im Vergleich zu Kosten, Präzision, Haltbarkeit und Leistung abschneiden.
Inhalte
Was sind Sinterzahnräder?
Gesinterte Zahnräder sind Präzisionskomponenten, die im Pulvermetallurgieverfahren hergestellt werden. Im Gegensatz zu herkömmlichen Zahnrädern, die aus massiven Metallrohlingen gefertigt werden, werden Sinterzahnräder direkt aus Metallpulver geformt. Pulvermetallurgie-Prozess verfügt über die Fähigkeit, die Geometrie, Porosität und Materialeigenschaften des Zahnrads präzise zu steuern.
Wie werden Sinterzahnräder hergestellt?
Gesinterte Zahnräder werden aus Metallpulver auf folgende Weise hergestellt:
Vermischung
Der Prozess beginnt mit der Mischung von Metallpulvern, typischerweise Eisen oder eisenbasierten Legierungen, mit Bindemitteln wie Zinkstearat oder Lithiumstearat. Diese Bindemittel verbessern den Pulverfluss, erhöhen die Schüttdichte, verbessern die Kompressibilität und reduzieren den Kraftaufwand zum Auswerfen des verdichteten Teils aus der Matrize.
Verdichtung
Anschließend wird das Metallpulver in einer Form verdichtet (typischerweise mit einem Druck von 400 bis 800 MPa), um einen Grünling mit der gewünschten Zahnradform zu formen. Verdichtungsprozesss, die Dichte des Pulvers nimmt zu und die gewünschte Geometrie und Form wird durch kontrollierten Druck erreicht.
Sintern
Der Grünling wird anschließend in einen Sinterofen gegeben und unter kontrollierter Atmosphäre erhitzt. Bei eisenbasierten Werkstoffen liegt die typische Sintertemperatur zwischen 1120 °C und 1150 °C. Während Sinterprozess, kommt es zur Festkörperdiffusion, die die Metallpartikel miteinander verbindet und die Festigkeit und strukturelle Integrität des Teils erhöht.
Sekundäre Prozesse
Optionale Sekundärprozesse wie Dimensionierungsprozess, Wärmebehandlung oder Ölimprägnierung kann zur weiteren Verbesserung von Festigkeit, Verschleißfestigkeit und Leistung eingesetzt werden. Sinterzahnräder werden häufig in der Automobil- und Elektronikindustrie sowie in anderen Branchen eingesetzt, in denen zuverlässige Präzisionskomponenten benötigt werden.
Was sind bearbeitete Zahnräder?
Bearbeitete Zahnräder sind Bauteile, die durch Materialabtrag aus einem massiven Zahnradrohling mithilfe mechanischer Verfahren wie Fräsen, Wälzfräsen oder Formgebung hergestellt werden. Mit diesen Verfahren lassen sich Zahnprofil und Zahnradgröße präzise steuern und so präzise herstellen. Üblicherweise werden für die Herstellung von bearbeiteten Zahnrädern vorgefertigte Rohlinge aus Stahl oder Legierungen verwendet.
Wie werden bearbeitete Zahnräder hergestellt?
Der Herstellungsprozess von bearbeiteten Zahnrädern läuft ungefähr wie folgt ab:
Vorbereitung des Getrieberohlings
Maschinenzahnräder werden typischerweise aus massiven Metallrohlingen oder geschmiedeten Rohlingen hergestellt. Diese Rohlinge werden aus verschiedenen Materialien, darunter Stahl und Aluminium, hergestellt und anschließend in die gewünschte Form und Größe geschnitten, um einen Zahnradrohling zu erzeugen.
Verzahnen
Anschließend wird der Zahnradrohling bearbeitet, um die gewünschte Zahngeometrie zu erhalten. Dies geschieht durch verschiedene Schneidtechniken wie Fräsen, Wälzfräsen oder Formpressen. Jeder Zahn wird mit CNC-Maschinen oder anderen Präzisionswerkzeugen in das Metall geschnitten.
Abschlussarbeiten
Abschließend wird das Zahnrad je nach Anwendung noch weiteren Endbearbeitungsschritten unterzogen. Dabei werden Oberflächenbeschaffenheit, Härte und Maßgenauigkeit des Zahnrads entweder durch Wärmebehandlung oder Schleifen verbessert.
Gesinterte vs. bearbeitete Zahnräder: Hauptunterschiede
Maßtoleranzen
In Bezug auf die Maßtoleranz sind bearbeitete Zahnräder aufgrund ihres Herstellungsverfahrens gesinterten Zahnrädern überlegen. Da gesinterte Zahnräder durch Erhitzen des Metallpulvers hergestellt werden, weisen sie eine inhärente Porosität mit 10–20 % Hohlräumen und thermischer Schrumpfung auf. Diese Porosität und Schrumpfung verursachen die geringe Maßtoleranz.
Die bearbeiteten Zahnräder werden jedoch durch Schneiden und Schleifen hergestellt, beispielsweise durch CNC-Bearbeitung. Mit CNC-Bearbeitung hergestellte Zahnräder können eine Maßtoleranz von ±0.005 mm erreichen.
Oberflächenfinish
Bearbeitete Zahnräder weisen eine bessere Oberflächengüte mit einem niedrigeren Ra-Wert (durchschnittliche Rauheit) von etwa 0.6 μm auf als gesinterte Zahnräder mit einem Ra-Wert von etwa 0.8–1.6 μm. Dies ist im Wesentlichen auf die Präzision der CNC-Bearbeitung und des Schleifens zurückzuführen. Bei der CNC-Bearbeitung wird Material kontrolliert abgetragen, wodurch glattere Zahnprofile und eine präzisere Kontrolle der Oberflächenrauheit entstehen.
Festigkeit und Belastbarkeit
Aufgrund ihrer geringeren Dichte gelten gesinterte Zahnräder aufgrund ihrer Festigkeit und Tragfähigkeit als besonders effektiv bei geringeren Belastungen. Gesinterte Zahnräder weisen aufgrund ihrer Porosität eine geringere Kontaktermüdung und Schlagfestigkeit auf. Bearbeitete Zahnräder hingegen können aufgrund ihrer höheren Dichte aufgrund ihrer hervorragenden Ermüdungsbeständigkeit und strukturellen Integrität hohe Belastungen effektiver bewältigen.
Kostenüberlegungen
Gesinterte Zahnräder sind im Vergleich zu bearbeiteten Zahnrädern in der Regel kostengünstiger, insbesondere in der Großserienproduktion. Dies liegt am minimalen oder gar keinem Materialverlust während des Herstellungsprozesses. Dies lässt sich anhand des Ausschussanteils beider Verfahren abschätzen, da bei PM nur 3–5 % Ausschuss entsteht, während der Ausschuss bei der Bearbeitung bis zu 40–60 % betragen kann. Darüber hinaus benötigen gesinterte Zahnräder möglicherweise keine Nachbearbeitung, was ebenfalls zu ihren niedrigeren Produktionskosten im Vergleich zu bearbeiteten Zahnrädern beiträgt.
Produktionszeit
Gesinterte Zahnräder können im Vergleich zu bearbeiteten Zahnrädern in kürzerer Zeit hergestellt werden, insbesondere bei komplexen Designs und großen Produktionsmengen. Dies liegt an dem langsamen und langwierigeren Bearbeitungsprozess, der im Vergleich zur Pulvermetallurgie mehrere Schritte erfordert.
Selbstschmierfähigkeit
Die poröse Beschaffenheit gesinterter Zahnräder ermöglicht ihnen durch Ölimprägnierung während der Herstellung eine Selbstschmierung. Bei gesinterten Zahnrädern werden Schmierstoffe durch Vakuumimprägnierung in die Poren gezogen und durch Betriebswärme allmählich freigesetzt. Selbstschmierung ist keine Eigenschaft bearbeiteter Zahnräder; sie benötigen für einen ordnungsgemäßen Betrieb eine externe Schmierung.
Design-Flexibilität
Da die gesinterten Zahnräder im PM-Verfahren hergestellt werden, können von Anfang an komplexe Geometrien erstellt werden, anstatt wie bei der herkömmlichen Bearbeitung Material von einem massiven Block abzutragen. Dadurch bieten gesinterte Zahnräder gegenüber bearbeiteten Zahnrädern einen Designvorteil. PM ermöglicht nicht nur kreative und komplexe Designs, die mit CNC-Bearbeitung möglicherweise zu schwierig oder zu teuer wären.
Vorteile und Nachteile
Vor- und Nachteile von Sinterzahnrädern
Vorteile:
- Kostengünstig für die Großserienproduktion durch effiziente Batchverarbeitung
- Minimaler Materialabfall durch additives Pulvermetallurgieverfahren
- Kann komplexe Geometrien wie Schrägverzahnungen formen
- Gute Wiederholbarkeit von Teil zu Teil für die Massenproduktion
- Kontrollierte Porosität kann selbstschmierende Eigenschaften ermöglichen
- Durch die endkonturnahe Formgebung wird die Notwendigkeit einer Nachbearbeitung reduziert oder ganz vermieden.
Nachteile:
- Geringere Maßgenauigkeit im Vergleich zu bearbeiteten Zahnrädern
- Inhärente Porosität verringert die Festigkeit, sofern keine Verdichtung erfolgt
- Eingeschränkte Fähigkeit zur Bildung komplexer innerer Merkmale
- Die Oberflächenbeschaffenheit kann rauer sein und erfordert oft eine Nachbearbeitung
Vor- und Nachteile von bearbeiteten Zahnrädern
Vorteile:
- Hohe Maßgenauigkeit und enge Toleranzen
- Hervorragende Oberflächengüte direkt aus dem Bearbeitungsprozess
- Ermöglicht komplizierte und individuelle Funktionen wie Gewinde und Querbohrungen
- Geeignet für eine große Bandbreite an Materialien ohne Sinterbeschränkungen
Nachteile:
- Energieintensiver bei längeren Produktionszeiten pro Teil
- Hoher Werkzeugverschleiß bei der Bearbeitung von Hartmetallen, dadurch steigende Werkzeugkosten
- Eingeschränkte Effizienz bei hochkomplexen oder internen Geometrien ohne fortschrittliche Werkzeuge
BLUE ist ein ISO 9001:2015 zertifiziertes Lieferant für Pulvermetallurgie Vertrauenswürdig für Präzision und Zuverlässigkeit.
Wir bieten eine umfassende Auswahl an gesinterten Zahnrädern, einschließlich Stirn-, Schräg- und Kegelrädern. Unsere SHOP bietet eine große Auswahl an Standard-Sintermetallzahnrädern, die sofort einsatzbereit sind. Sollten Sie das gewünschte Zahnrad nicht finden, bieten wir auch Kundenspezifische Leistungen passend zu Ihren spezifischen Anforderungen.