CNC-Zahnradbearbeitung: Welches Verfahren ist das beste für Ihre Zahnräder?

Die Toleranz beim CNC-Zahnradfräsen liegt bei 5 bis 10 Mikrometern im Normalbetrieb. Ihre Zahnradzähne werden mit höchster Präzision geformt.
Manuelle Maschinen sind dafür nicht geeignet. Sie benötigen Computersteuerung, präzise Vorrichtungen und das richtige Schneidverfahren für Ihr Zahnrad. Wählt man die falsche Methode, erhält man nicht nur schlechtere Zahnräder, sondern auch teurere, längere Lieferzeiten und mehr Ausschuss.
Im Artikel finden Sie folgende Informationen:

1. Wie die CNC-Zahnradbearbeitung funktioniert
2. Welche Methode ist die richtige und warum?
3. Werkstoffe für die Zahnradbearbeitung
4. Der gesamte Herstellungsprozess vom Rohling bis zum fertigen Zahnrad
5. Toleranzen und wie man einen Lieferanten auswählt

Was ist CNC-Zahnradbearbeitung?

So funktioniert’s

Die CNC-Zahnradbearbeitung ist das Verfahren, bei dem Zahnprofile mithilfe computergesteuerter Maschinen in einen Zahnradrohling eingearbeitet werden. Der Rohling ist ein grober Zylinder, der auf einer Präzisionsspindel befestigt wird. Anschließend trägt das Schneidwerkzeug Material entlang einer programmierten Bahn ab, bis jeder Zahn seine endgültige Form erreicht hat.
Entscheidend ist die Synchronisation. Bei modernen CNC-Wälzfräszentren sind die Rotation des Wälzfräsers und die Rotation des Werkstücks elektronisch über ein Getriebe gekoppelt. Die Maschine berechnet die Zahngeometrie präzise, ​​sodass jeder Zahn einer Charge von 5,000 Zähnen dem ersten identisch ist.

CNC- vs. manuelle Zahnradfertigung

Die manuelle Verzahnung ist auf den Bediener angewiesen, der Vorschübe einstellt, die Ausrichtung prüft und Probleme erkennt. Sie eignet sich für Einzelanfertigungen. Allerdings kann sie keine engen Toleranzen über eine ganze Serie hinweg gewährleisten und ist langsam.
CNC Das ändert sich in zweierlei Hinsicht: engere Toleranzen und kürzere Zykluszeiten. Gleichbleibende Qualität vom ersten bis zum zehntausendsten Teil. Beispielsweise erreichen manuelle Maschinen Toleranzen von ±0.05 bis 0.10 mm. CNC-Wälzfräsen hält ±0.020 mm als Standardwert ein. Das Verzahnungsschleifen reduziert diesen Wert auf ±0.005 mm.
Erreichbare ISO-Klassen nach Verfahren:

CNC-Zahnradbearbeitungsverfahren

Es gibt sechs Hauptverfahren zur CNC-Verzahnung. Jedes Verfahren wird in der folgenden Tabelle erläutert.

Vergleich der relativen Geschwindigkeit zwischen den Methoden; die tatsächliche Zykluszeit hängt vom Modul, der Zähnezahl und dem Material ab.

Wälzfräsen

Wälzfräsen ist das am weitesten verbreitete CNC-Verfahren zur Herstellung von Stirn- und Schrägverzahnungen. Ein Mehrzahn-Wälzfräser rotiert synchron mit dem Zahnradrohling und fräst alle Zähne in einer kontinuierlichen Bewegung. Das Verfahren ist beispielsweise schnell und wiederholgenau und kostengünstig in großen Stückzahlen. Eine Schrägverzahnung mit Modul 3 und 50 Zähnen wird auf einer modernen Maschine in 18–22 Sekunden gefertigt.
Ein Rohling kann die Materialprüfung bestehen und dennoch im Querschnitt eine Härteabweichung von 5–8 HRC aufweisen. Bei Stück 80 in einer langen Fertigungsserie führt diese Abweichung zu unvorhersehbarem Wälzfräserverschleiß und Profilfehlern, die erst bei der Endkontrolle sichtbar werden.

Fräsen von Stirnrädern

5-Achs-CNC-Fräsen Zum Schneiden von Schrägverzahnungen wird ein Formfräser oder ein Vollhartmetall-Schaftfräser verwendet. Die meisten Ratgeber empfehlen das Fräsen nur für Prototypen. Diese Regel trifft jedoch bei mittleren Stückzahlen von 200 bis 2,000 Teilen nicht zu. Hierbei ist der Steigungswinkel größer als 30° oder es handelt sich um eine zähe Legierung wie 4340 oder 9310.
Bei solchen Bearbeitungsaufgaben sind für die Feinabstimmung von Steigung und Anstellwinkel an einem Wälzfräszentrum mehrere Probebearbeitungen erforderlich. Ein 5-Achs-Fräszentrum umgeht diese Variablen. Das Ergebnis: 25–40 % geringere Gesamtkosten bei der Bearbeitung von Wendelprofilen in mittleren Stückzahlen und schwierigen Werkstoffen, wenn man Rüst-, Probebearbeitungs- und Werkzeugkosten zusammenrechnet.

Zahnradformung

Das Wälzfräsen nutzt einen hin- und hergehenden Fräser, der einem kleinen Zahnrad ähnelt. Es ist zwar langsam, erreicht aber Stellen, die beim Wälzfräsen nicht zugänglich sind. Beispiele hierfür sind Innenverzahnungen, Zahnräder mit einer Schulter neben den Zähnen und Zahnradgruppen. Wenn es sich um ein Innenverzahnungsteil handelt und das Volumen für das Schälen nicht ausreicht, ist das Wälzfräsen die optimale Lösung.

Wälzschälen

Das Schälen ist ein kontinuierlicher Schneidprozess, bei dem der Fräser schräg zum Zahnradrohling geführt wird. Es ermöglicht die Herstellung von Innenringrädern etwa achtmal schneller als das Formwalzen. Voraussetzung dafür ist jedoch eine starre Spindel mit EGB-Synchronisation. Nicht jede Werkstatt verfügt über diese Ausrüstung.

Zahnradschleifen

Das Verzahnungsschleifen ist ein abschließender Bearbeitungsschritt, kein primäres Zerspanungsverfahren. Es wird nach dem Wälzfräsen oder Formfräsen angewendet, üblicherweise nach WärmebehandlungUm Verformungen zu korrigieren und eine höhere Genauigkeit zu erreichen, ist das Schleifen unerlässlich. Bei Drehzahlen über 5,000 U/min ist es zwingend erforderlich. Interessanterweise reduziert das Schleifen den Rundlauf auf ±0.005 mm und die Oberflächengüte auf Ra 0.4–0.8 µm.

Zahnradräumen

Beim Räumen wird eine Mehrzahn-Räumnadel in einem Arbeitsgang durch die Bohrung gezogen. Innenverzahnungen werden in Sekundenschnelle geschnitten. Es ist die schnellste Methode für hohe Stückzahlen. Die Werkzeugkosten sind jedoch hoch – sie lohnt sich erst ab etwa 10,000 Stück pro Produktionslauf.

Arten von Zahnrädern, die durch CNC-Bearbeitung hergestellt werden

Kundenspezifische Stirnräder

Stirnräder haben Zähne, die parallel zur Wellenachse verlaufen. Es tritt kein Axialschub auf. Aufgrund der einfachen Geometrie und der geringen Kosten eignen sie sich gut für parallele Wellen und mittlere Belastungen.

Schrägverzahnungen

Schrägverzahnte Zahnräder stehen in einem Winkel zur Welle, üblicherweise 15–30°. Da mehrere Zähne gleichzeitig im Eingriff sind, wird die Last verteilt. Das bedeutet weniger Geräuschentwicklung und eine höhere Tragfähigkeit als bei Stirnrädern gleicher Größe.

Kundenspezifische Kegelräder

Kegelräder übertragen Kraft zwischen Wellen, die in einem Winkel aufeinandertreffen. Dieser Winkel beträgt meist 90°. Gerade Kegelräder sind einfacher und kostengünstiger herzustellen. Spiralkegelräder hingegen übertragen höhere Lasten gleichmäßiger. Beide werden in Differentialen, Winkelgetrieben und Elektrowerkzeugen eingesetzt.

Wurmgänge

Ein Schneckengetriebe bietet Ihnen ein hohes Untersetzungsverhältnis auf kleinem Raum. Dieses Set beinhaltet:

1. Der Wurm
2. Eine schraubenförmige Welle
3. Verzahnt mit einem Bronzerad.

Die Schnecke wird gefräst oder CNC-gefräst. Das Rad besteht aus Bronze und läuft auf Stahl, ohne zu fressen.

Verzahnungswerkzeuge

Arten von Werkzeugen

Die wichtigsten Werkzeuge zur Zahnradbearbeitung sind:

Kochfelder

Wird zum Wälzfräsen von Stirn-, Schräg- und Schneckengetrieben verwendet. Eingängig für höhere Genauigkeit, mehrgängig für höhere Geschwindigkeit.

Zahnradformfräser

Scheiben-, Schaft- oder becherförmige Fräser zur Zahnradformung, insbesondere von Innenverzahnungen.

Schälmesser

Diese sind für das Innenzahnradschälen an EGB-Sync-Maschinen gedacht.

Schaftfräser und Scheibenfräser

Diese sind für die 5-Achs-Fräsbearbeitung von Schräg- und Kegelrädern sowie als Werkzeuge für Gewindefräsen.

CBN- und Aluminiumoxid-Schleifscheiben

Hersteller verwenden diese Werkzeuge zum Schleifen und Veredeln von Zahnrädern.

Materialien und Beschichtungen

HSS-E eignet sich für die meisten Nasswälzfräsarbeiten an Standard-Legierungsstählen. Hartmetall erreicht die dreifache Umfangsgeschwindigkeit – 180–250 m/min im Trockenverfahren – und erzeugt weniger Wärme im Werkstück.
Die Wahl der Beschichtung ist wichtiger, als den meisten Ingenieuren bewusst ist:

• TiN (für allgemeine Zwecke)
• TiAlN (zum Trockenwälzen)
• AlCrN (für Hochtemperaturlegierungen)

Werkstoffe für die Zahnradbearbeitung

Stahlzahnräder

AISI 8620 ist eine gute Wahl für einsatzgehärtete Zahnräder in der Automobil- und Luftfahrtindustrie. Durch Einsatzhärten auf 58–62 HRC entsteht eine harte, verschleißfeste Oberfläche über einem zähen Kern, der Stoßbelastungen standhält. AISI 4140 eignet sich gut für nitrierte Zahnräder. Für hochfeste Anwendungen, Titanlegierungen sind auch eine Option.
Hinweis: Bei geschmiedeten Rohlingen spiegelt der Prüfstab für die Zertifizierung nicht immer die Härte des gesamten Rohlings wider..

Nichteisenmetalle und Polymere

Bronze ist Standard für Schneckenräder, da sie gegen Stahlschnecken läuft, ohne zu verschleißen. Messing eignet sich gut für Kleinteile. Technische Kunststoffe sind übrigens geräuscharm und benötigen keine Schmierung.

Herstellungsprozess für kundenspezifische Zahnräder

Vorbereitung des Getrieberohlings

Der erste Schritt besteht darin, mit einem Schmiederohling zu beginnen, da geschmiedete Rohlinge für hochbelastete Zahnräder besser geeignet sind. Anschließend wird der Rohling auf den Bezugsdurchmesser, die Bohrung und die Stirnfläche abgedreht. Dieser Schritt ist wichtiger, als man gemeinhin annimmt.
Beispielsweise überträgt sich ein unbeabsichtigter Rundlauffehler des Rohlings in dieser Phase direkt auf den Teilkreisrundlauf des fertigen Zahnrads. Halten Sie den Rohling daher auf der Drehspindel auf einen Rundlauffehler von 0.005 mm, nicht auf 0.015 mm.

CNC-Verzahnung

Die Wahl des Schneidverfahrens hängt vom Zahnradtyp und der Produktionsmenge ab. Eine Einrichtungsprüfung, die fast nie in der Prozessbeschreibung erwähnt wird: Überprüfen Sie die axiale Ausrichtung des Wälzfräsers auf einen Rundlauffehler von 0.002–0.003 mm an der tatsächlichen Schneidspindel während des Bearbeitungsprozesses, nicht nur zu Beginn.
Die Wärmeausdehnung während eines zweistündigen Betriebs kann den Wälzfräser um 0.005 mm verschieben. Diese Verschiebung führt zu einer höheren Belastung einer Zahnflanke, wodurch das Zahnrad zwar die Maßprüfung besteht, aber im praktischen Einsatz ausfällt. Erfahrene Maschinenbediener führen diese Prüfung selbstständig durch. Sie dauert nur 30 Sekunden.

Wärmebehandlung

Bei einsatzgehärteten Zahnrädern aus 8620-Stahl erfolgt die Wärmebehandlung wie folgt: Gasaufkohlung bei 900–950 °C, Abschrecken, Anlassen auf 58–62 HRC. Wichtig zu beachten ist, dass die Wärmebehandlung das Zahnrad in der Regel so stark verformt, dass sich der Teilkreisrundlauf um 0.02–0.05 mm ändert.

Zahnradschleifen und -bearbeitung

Profilschleifen Durch das Honen oder Läppen wird der Verzug nach der Wärmebehandlung korrigiert und das Zahnrad auf die endgültige Genauigkeitsklasse gebracht. Nach dem Schleifen wird die letzte Rauheit durch Honen oder Läppen beseitigt. Beispielsweise wird eine Oberflächenrauheit (Ra) unter 0.4 µm erreicht und ein gleichmäßiges Zahnkontaktbild erzielt.

Inspektion und Qualitätskontrolle

Eine vollständige Prüfung erfolgt mit einem CNC-Verzahnungsmesszentrum – Klingelnberg, Mahr oder Wenzel. Dabei werden folgende Messungen durchgeführt:

• Profilabweichung
• Bleiabweichung
• Tonhöhenfehler
• Gesamter radialer zusammengesetzter Fehler

Eine Koordinatenmessmaschine ist kein Ersatz. Zumindest nicht dafür.
Bei einsatzgehärteten Serienzahnrädern aus 8620 mit kontrollierter Wälzfräserverschiebung und Kühlmitteltemperatur ist ein radialer Gesamtfehler von unter 0.015 mm üblich. Die meisten Datenblätter der Hersteller geben 0.025–0.035 mm als praktischen Grenzwert an. Dies zeigt, dass der Unterschied in der Prozessgenauigkeit und nicht in der Maschinenleistung liegt.

Toleranzen und Qualitätsstandards

AGMA und ISO definieren beide Qualitätsklassen für Zahnräder, aber sie gehen in entgegengesetzte Richtungen. AGMA wechselt von Q3 zu Q15Höhere Zahlen bedeuten bessere Qualität.
Die ISO/DIN-Klassifizierung reicht von Klasse 3 bis Klasse 12. Eine niedrigere Zahl bedeutet eine bessere Qualität.

Genauigkeitsparameter

Um eine vollständige Zahnradzeichnung zu erstellen, müssen Sie drei Parameter verstehen:

1. Profilabweichung
2.  Bleiabweichung
3. Gesamter radialer zusammengesetzter Fehler

Die vollständige Statistik finden Sie in der folgenden Toleranztabelle:

Fallstudie: Verbundstirnrad für Hochleistungsgetriebe

Es handelte sich um ein zusammengesetztes Stirnradgetriebe für ein Hochleistungsgetriebe. Zwei Zahnräder mit unterschiedlichen Modulen waren auf derselben Welle gefertigt und arbeiteten in einem gemeinsamen Getriebegehäuse. Der verwendete Stahl war 20CrMnTi, eine chinesische Standardlegierung, vergleichbar mit AISI 8620, die sich unter hohen Belastungen und starkem Verschleiß gut aufkohlen und abschrecken lässt.
Die Bearbeitungsreihenfolge war: auf Bezugsebene drehen, die einzelnen Zahnradteile profilieren, die Innenverzahnung schneiden und wärmebehandeln.

Zuerst: Beide Zahnradsegmente teilen sich dieselbe Welle und müssen daher konzentrisch zueinander laufen. Jede Rundlaufabweichung zwischen den beiden Segmenten verursacht gleichzeitig Eingriffsgeräusche an beiden Zahnrädern.
Zweite: Die Wärmebehandlung führte zu Verformungen des Bauteils. Sowohl die Zahnprofile als auch der Gesamtrundlauf lagen nach dem Aufkohlen und Abschrecken außerhalb der Toleranz.
LösungDie Lösung behob also beide Probleme gleichzeitig. FastPreci Vor der Wärmebehandlung wurde an den Bohrungs- und Bezugsflächen überschüssiges Material belassen. Nach dem Abschrecken wurden diese Flächen fertiggedreht, um die Bezugsfläche wiederherzustellen. Der Wälzfräsversatz wurde für jeden Abschnitt an die zu erwartende Verformungsrichtung angepasst. Nach der Wärmebehandlung wurden die wichtigen Auflageflächen der Messgeräte leicht angeschliffen.
Im ErgebnisDer Gesamtrundlauf lag über beide Zahnradsegmente innerhalb von 0.015 mm. Beide Zahnräder greifen reibungslos und ohne Nachjustierung ineinander. Die Geräuschentwicklung bei der Montageprüfung lag unterhalb der vom Kunden vorgegebenen Grenzwerte.

Wie man einen Hersteller für maßgefertigte Ausrüstung auswählt

Geräte-Checkliste

Bevor Sie eine Zeichnung senden, prüfen Sie, ob der Lieferant über die richtigen Maschinen für Ihren Auftrag verfügt:

1. CNC-Wälzfräszentren mit EGB-Synchronisierung
2. 5-Achs-Bearbeitungszentren
3. CNC-Zahnradschleifmaschinen
4. CNC-Zahnradmesszentrum

Zertifizierungen

ISO 9001:2015 ist die Mindestvoraussetzung für ein Qualitätsmanagementsystem.

1. Für die Lieferkette der Automobilindustrie benötigen Sie IATF 16949.
2. Für die Luft- und Raumfahrt: AS9100 Rev D.

Sie werden sich vergewissern, dass die Prüfverfahren des Lieferanten auf ISO 1328-1:2013 verweisen. Bitten Sie außerdem um einen vollständigen Prüfbericht einer kürzlich durchgeführten vergleichbaren Produktionsserie mit realen Messwerten.

Fähigkeit: Prototyping vs. Produktion

Ein guter Hersteller von kundenspezifischen Getrieben kann sowohl Prototypen in der Frühphase als auch Serienfertigung auf denselben Anlagen realisieren. Fragen Sie nach, ob er vor der endgültigen Zeichnungserstellung eine DFM-Prüfung anbietet.

Fazit

Die CNC-Verzahnung ist kein einheitlicher Prozess. Wälzfräsen wird für die meisten Außenverzahnungen in großen Stückzahlen verwendet, 5-Achs-Fräsen eignet sich für mittlere Serien von Schrägverzahnungen aus harten Werkstoffen, Form- und Schälverfahren werden für Innenverzahnungen eingesetzt, und schließlich kommt das Schleifen zum Einsatz.
Für Konstrukteure: Tragen Sie Abweichungen in die Zeichnung ein und fragen Sie Ihren Hersteller nach empfohlenen Profilmodifikationen, bevor Sie die Konstruktion abschließen.
Für Einkaufsmanager: Der Preis der Getriebe ist nicht der Preis. Bewerten Sie Lieferanten anhand ihrer Prozessdokumentation, ihrer Messgeräte für Getriebe und ihres Umgangs mit Problemen während der Produktion.
Letztendlich läuft es bei beiden Entscheidungen auf dasselbe hinaus: die Zusammenarbeit mit einem Hersteller, der über die Ausrüstung, die Prozessdisziplin und die Erfahrung verfügt, um Ihnen zu sagen, was die Zeichnung nicht aussagt.
Senden Sie Ihre Zeichnung und die Geschwindigkeitsdaten. an FastPreci. Wir werden es prüfen, alle Empfehlungen zur Prozess- oder Profiländerung kennzeichnen und Ihnen ein Angebot mit einem fertigen Prozesskontrollplan zusenden.

Häufig gestellte Fragen

Was sind geradverzahnte Zahnräder?

Stirnräder sind geradverzahnte Zahnräder. Ihre Zähne verlaufen parallel zur Wellenachse. Keine axiale Schubbelastung, einfache Geometrie, niedrigste Produktionskosten.

Was ist das gebräuchlichste CNC-Zahnradbearbeitungsverfahren?

Wälzfräsen. Es bearbeitet Außenstirn- und Schrägverzahnungen in mittleren bis hohen Stückzahlen schneller und kostengünstiger als alle anderen Verfahren.

Kann man durch Wälzfräsen Innenverzahnungen herstellen?

Nein. Der Wälzfräser benötigt Freiraum, um am Ende jedes Schneidvorgangs über das Werkstück hinauszulaufen. Die interne Zahnradgeometrie bietet diesen Freiraum nicht.

Welche Toleranz kann beim CNC-Zahnradschneiden erreicht werden?

Ein radialer Gesamtfehler von unter 0.015 mm lässt sich durch korrekte Wälzfräserverschiebung und Kühlmitteltemperaturregelung erreichen. In Industriedatenblättern werden häufig 0.025–0.035 mm als praktischer Grenzwert angegeben. Durch Zahnradschleifen wird der Rundlauf auf ±0.005 mm reduziert. Honen oder Läppen ermöglicht Genauigkeiten von ±0.003 mm und eine Oberflächenrauheit (Ra) unter 0.4 µm.

Wann ist das Schleifen von Zahnrädern erforderlich?

Es gibt zwei Hauptsituationen. Erstens: Das Zahnrad wurde einsatzgehärtet, und Verformungen durch die Wärmebehandlung müssen korrigiert werden. Zweitens: Die Anwendung läuft mit Drehzahlen über ca. 5,000 U/min. Bei dieser Drehzahl erfordern Geräuschentwicklung, Vibrationen und Dauerfestigkeit mindestens ISO-Klasse 5.