Was ist Zahnradschneiden: Verfahren und Arten der Zahnradbearbeitung

Das Verzahnen ist ein wichtiger Fertigungsprozess für die Herstellung von Zahnrädern, die Bewegung und Kraft zwischen Maschinen übertragen. In diesem Leitfaden erläutern wir die Funktionsweise des Verzahnens, stellen die wichtigsten Methoden zur Zahnradformung vor und beschreiben die verschiedenen Zahnraddesigns, die Sie herstellen können.

Was ist Verzahnungsschneiden?

Beim Verzahnen werden Zähne in einen einfachen Zahnradrohling eingefügt, damit dieser in andere Zahnräder eingreifen und Bewegungen übertragen kann. Ein Zahnradrohling ähnelt der endgültigen Zahnradform, weist jedoch nicht die Zwischenräume und Rippen auf, die ein reibungsloses Ineinandergreifen der Zahnräder ermöglichen. Zahnradfräser entfernen Material vom Rohling mithilfe spezieller Schneidwerkzeuge, die auf Fräsern montiert sind. Drehmaschinen, Wälzfräsmaschinen oder andere Zahnradherstellungszentren. Jeder Zahn wird einzeln geformt und das Schnittmuster entspricht dem Design des benötigten Zahnrads.

Trotz seiner Einfachheit bietet das Verzahnungsverfahren ein ausgewogenes Verhältnis zwischen Geschwindigkeit, Präzision und Kosten. Hersteller entscheiden sich für das Verzahnungsverfahren, wenn sie präzise Zahnprofile bei moderaten Produktionsraten benötigen. Andere Verfahren wie Gießen oder Schmieden können ein Zahnrad zwar gröber formen, erreichen aber nicht die feinen Details, die das Verzahnungsverfahren liefert.

Warum Verzahnung wählen?

Hersteller entscheiden sich für das Verzahnen, weil es folgende Vorteile bietet:

• Moderne Verzahnungsmaschinen erreichen Toleranzen deutlich unter wenigen Mikrometern.
• Automatisierte Schneidemaschinen können in Großserienumgebungen Dutzende von Zahnrädern pro Stunde produzieren.
• Eine große Bandbreite an Zahnradtypen – Stirnrad-, Schrägrad-, Kegelrad-, Schneckenrad- und mehr – ist möglich.
• Bei mittleren bis großen Produktionsläufen sind die Kosten pro Teil nach Abschluss der Einrichtung niedrig.

Trotz dieser Vorteile entstehen beim Verzahnen Metallspäne und Schrott. In manchen Fällen muss Restmaterial recycelt oder wiederaufbereitet werden. Bestimmte komplexe Formen oder sehr große Zahnräder erfordern möglicherweise alternative Ansätze, wie z. B. elektroerosive Bearbeitung (EDM) oder 3D Druck.

So schneiden Sie Zahnräder mit Werkzeugen und Maschinen

Das Fräsen von Zahnrädern beginnt mit der Wahl der richtigen Maschine. In den meisten Werkstätten ist die Wälzfräsmaschine die bevorzugte Maschine. Ingenieure greifen auf CNC-Wälzfräsmaschinen zurück, wenn enge Toleranzen und schnelle Zykluszeiten erforderlich sind.

Neben Wälzfräs- und CNC-Maschinen sind in Werkstätten häufig auch folgende Zahnradschneidemaschinen zu finden:

• Schleifmaschinen
• Fräsmaschinen
• Räummaschinen
• Rasierwerkzeuge
• Formmaschinen
• Honmaschinen

Jede Maschine eignet sich am besten für bestimmte Zahnradtypen, Produktionsläufe oder Anforderungen an die Oberflächenbeschaffenheit.

Wie man Zahnradschnitte durchführt

Beim Zahnradfräsen wählen Sie einen Wälzfräser, der zur Zahngeometrie und Teilung Ihres Zahnrads passt. Anschließend montieren Sie ihn auf der Werkzeugspindel und spannen den Rohling perfekt ausgerichtet auf der Arbeitsspindel ein. Sie stellen Spindeldrehzahl, Vorschub und Schnittwinkel passend zum Material ein und sorgen für einen Kühlmittelfluss, um die Hitze zu regulieren und Späne zu entfernen.

Sobald die Maschine läuft, drehen sich Wälzfräser und Rohling gemeinsam und fräsen jeden Zahn in einem gleichmäßigen Durchgang. Nach dem Schneiden lösen Sie das Zahnrad und geben ihm eine schnelle, leichte Nachbearbeitung – beispielsweise durch kurzes Schleifen oder sanftes Polieren –, um die endgültigen Präzisionsziele zu erreichen.

Hauptverzahnungsverfahren

Verschiedene Verzahnungstechniken eignen sich für unterschiedliche Anwendungen. Die Wahl hängt von Faktoren wie Produktionsvolumen, gewünschter Genauigkeit, Zahnradgröße und Budget ab. Nachfolgend sind die gängigsten Methoden aufgeführt:

1. Zahnradschleifen
2. Verzahnung
3. Zahnradfräsen
4. Zahnradformung
5. Zahnradräumen
6. Wälzfräsen

In den folgenden Abschnitten erläutern wir die Funktionsweise der einzelnen Techniken, die damit am besten geeigneten Zahnradarten und typische Anwendungsfälle.

Zahnradschleifen

Beim Zahnradschleifen wird eine mit Schleifkörnern besetzte Schleifscheibe verwendet. Die Schleifscheibe dreht sich mit hoher Geschwindigkeit. Berührt die Scheibe den Rohling, schabt das Schleifkorn winzige Metallpartikel ab. Der Materialabtrag reicht aus, um jedes Zahnprofil zu formen. Geschliffene Zahnräder haben sehr glatte Oberflächen. Das Verfahren liefert hohe Genauigkeit in Zahnform und -abstand. Viele Hersteller nutzen das Schleifen für Zahnräder, die mit hoher Geschwindigkeit oder unter hoher Belastung laufen. Dieses Verfahren eignet sich gut für gehärtete Stahlrohlinge nach der ersten Formgebung.

Das Schleifen dauert länger als einige andere Methoden. Die Räder und Maschinen kosten mehr. Das Zahnradschleifen ist jedoch die erste Wahl, wenn Sie sehr enge Toleranzen und einen geringen Geräuschpegel im Betrieb benötigen.

Verzahnung

Nachdem ein Zahnrad seine Form angenommen hat, benötigt es möglicherweise eine glattere Oberfläche oder eine feinere Kantenschärfe. Genau das leistet die Zahnradbearbeitung. Eine extrafeine Schleifscheibe bürstet die Zahnräder. Diese Scheibe entfernt feinste Metallpartikel und sorgt für glatte und präzise Zahnoberflächen.

Die Endbearbeitung erfolgt oft nach dem Formen oder Fräsen. Sie erhöht den Zeit- und Kostenaufwand. Im Gegenzug reduziert sie Reibung und Geräuschentwicklung im fertigen Zahnrad. Außerdem verlängert sie die Lebensdauer des Zahnrads unter Belastung.

Zahnradfräsen

Beim Zahnradfräsen wird ein Formfräser verwendet, der die Form eines einzelnen Zahns anpasst. Die Fräsmaschine führt den Fräser in den Rohling ein. Er entfernt Metall, um einen Zahn zu formen. Anschließend dreht sich der Rohling um einen Zahnabstand. Der Fräser wiederholt den Vorgang, bis alle Zähne vorhanden sind.

Beim Fräsen ist kein spezieller Fräser für jede Zahnradgröße erforderlich. Mit demselben Fräser können Sie Zahnräder mit gleicher Zahnform, aber unterschiedlichem Außendurchmesser herstellen. Fräsen ist langsamer als Räumen oder Wälzfräsen. Es eignet sich für kleine Serien oder Einzelanfertigungen. Fräsen ist flexibel und kostengünstig für Prototypen.

Zahnradformung

Beim Zahnradstoßen wird ein hin- und hergehendes Schneidwerkzeug verwendet, das sich beim Rotieren des Zahnradrohlings auf und ab bewegt. Das Werkzeug hat die gleiche Zahnform wie das zu fertigende Zahnrad. Während des Fräsens entfernt das Werkzeug schrittweise Material, bis die endgültige Zahnform erreicht ist.

Das Formstoßen eignet sich gut für Innen- und Außenverzahnungen und ermöglicht unterschiedliche Zähnezahlen. Es ist jedoch weniger genau als Schleifen oder Wälzfräsen.

Zahnradräumen

Räumen ist ein schnelles Verfahren, bei dem ein langes Werkzeug mit vielen Zähnen zum Einsatz kommt. Dieses Werkzeug, Räumnadel genannt, hat an jedem Schneidzahn eine leicht unterschiedliche Form. Die Räumnadel gleitet in einem Durchgang in den Rohling. Dabei schneidet sie alle Zähne des Zahnrads auf einmal. Die Räummaschine muss alles in einer geraden Linie halten. Sie muss außerdem mit ausreichend Kraft drücken, um jeden Zahn zu schneiden.

Jedes Räumwerkzeug passt nur zu einem Zahnradprofil und einer Zahnradgröße. Die Herstellungskosten eines Räumwerkzeugs können hoch sein. Aus diesem Grund eignet sich das Räumen für die Großserienproduktion identischer Zahnräder. Bei großen Stückzahlen verteilen sich die Werkzeugkosten auf viele Teile, was das Verfahren kostengünstig macht. Räumen kann Innenflächen schneiden Splines oder auch Keilnuten.

Wälzfräsen

Beim Wälzfräsen wird ein spezielles Werkzeug verwendet, das als Wälzfräser bezeichnet wird. Der Wälzfräser sieht aus wie ein Schneckengetriebe. Er hat Spiralschneiden Kanten. Der Zahnradrohling und der Wälzfräser rotieren gemeinsam. Während sich der Wälzfräser dreht, formt er den Rohling, indem er Material aus den Zahnzwischenräumen entfernt.

Wälzfräsmaschinen steuern das Drehverhältnis zwischen Wälzfräser und Rohling. Ein präzises Verhältnis stellt sicher, dass jeder Zahn an der richtigen Stelle sitzt. Wälzfräsen eignet sich gut für Gerad- und Schrägverzahnungen. Es ist schnell und präzise. Wälzfräsen kann nur Außenverzahnungen herstellen. Innenverzahnungen oder Keilwellenverzahnungen sind nicht möglich.

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Die Wahl des optimalen Verzahnungsverfahrens ist eine wichtige Entscheidung, die von verschiedenen Faktoren abhängt, die mit dem zu fertigenden Zahnrad und Ihren Fertigungszielen zusammenhängen. Jede Verzahnungstechnik hat ihre eigenen Vorteile, Einschränkungen und idealen Einsatzmöglichkeiten. Um Ihnen eine fundierte Entscheidung zu ermöglichen, sollten Sie die folgenden wichtigen Punkte beachten:

Verzahnungsmethode	Geeignet für	Vorteile	Einschränkungen
Zahnradschleifen	Hohe Präzision, Endbearbeitung	Hervorragende Verarbeitung und Genauigkeit	Langsam, teuer
Verzahnung	Oberflächenglättung, Rauschunterdrückung	Verbessert die Lebensdauer des Getriebes	Verlängert die Bearbeitungszeit
Zahnradfräsen	Kleinserien, Prototypen	Geringe Werkzeugkosten, flexibel	Langsam, weniger präzise
Zahnradformung	Mittlere Auflagen, verschiedene Getriebetypen	Mäßige Geschwindigkeit, konstant	Weniger präzise als Schleifen
Zahnradräumen	Hochvolumige, spezifische Getriebetypen	Sehr schnell, hohe Qualität	Hohe Werkzeugkosten, weniger Flexibilität
Wälzfräsen	Mittlere bis hohe Produktionsmengen	Schnell, präzise, ​​kostengünstig	Nicht für Innen-/Keilverzahnungen

Gängige Getriebetypen und Anwendungen

Verschiedene Zahnradtypen erfüllen unterschiedliche Funktionen. Mit verschiedenen Verzahnungsverfahren können Sie jeden Typ herstellen. Nachfolgend finden Sie eine Übersicht über die gängigsten Zahnräder.

Kegelradgetriebe

Ein Kegelrad ändert die Bewegungsrichtung zwischen sich kreuzenden Wellen. Die Zähne des Zahnrads liegen auf einer konischen Fläche. Geradkegelräder haben gerade Zähne. Spiralkegelräder haben gekrümmte Zähne für einen sanfteren Lauf. Winkelgetriebe sind eine Unterart mit einem Übersetzungsverhältnis von 1:1. Hypoidgetriebe haben nicht kreuzende Achsen. Diese Varianten fallen alle unter die Kategorie der Kegelräder. Sie finden Verwendung in Differentialen, Turbinen und Schwermaschinen.

Schneckengetriebe

A Schneckengetriebe hat eine schraubenförmige Welle. Die Welle greift in ein Schneckenrad ein. Das Rad hat Zähne, die sich wie ein Stirnrad um das Rad wickeln. Dreht sich die Schnecke, bewegt sie das Rad Zahn für Zahn. Schneckengetriebe bieten hohe Untersetzungsverhältnisse auf kleinem Raum. Sie wirken gleichzeitig wie eine Bremse, da das Rad die Schnecke nicht rückwärts drehen kann. Diese Getriebe sind hoher Reibung ausgesetzt. Viele Schneckengetriebe verwenden Bronzeräder anstelle von Stahlschnecken, um den Verschleiß zu verringern.

Stirnradgetriebe

Stirnräder haben Zähne parallel zur Zahnradachse. Sie sind am einfachsten zu schneiden und zu prüfen. Diese Zahnräder übertragen Kraft zwischen parallelen Wellen. Stirnräder erzeugen bei hohen Geschwindigkeiten Geräusche durch den plötzlichen Kontakt der einzelnen Zähne. Sie funktionieren am besten bei mittleren Geschwindigkeiten und Belastungen.

Fischgräten-Ausrüstung

Pfeilverzahnungen oder Doppelschrägverzahnungen kombinieren zwei spiegelbildlich schrägverzahnte Zahnräder. Die Konstruktion hebt die axiale Schubkraft auf. Diese Zahnräder bieten einen reibungslosen Lauf und eine hohe Tragfähigkeit. Sie sind aufwendig zu bearbeiten und werden oft in Abschnitten hergestellt.

Helical Gear

Schrägverzahnte Zahnräder haben abgewinkelte Zähne, die eine Spirale um das Zahnrad bilden. Die Zähne greifen allmählich ineinander und sorgen so für eine gleichmäßigere Kraftübertragung. Schrägverzahnte Zahnräder können höhere Belastungen aufnehmen als Geradverzahnte. Sie erzeugen jedoch axiale Schubkräfte auf der Welle. Diese Lasten werden durch Axiallager aufgenommen. Schrägverzahnte Zahnräder laufen zudem leiser als Geradverzahnte.

Materialauswahl für das Zahnradschneiden

Bevor Sie ein Material für Ihre Ausrüstung auswählen, stellen Sie sich die folgenden Fragen:

1. Wofür wird die Ausrüstung verwendet?
2. Wie viel Verschleiß und Reibung wird es ausgesetzt sein?
3. Wie ist die Betriebsumgebung?
4. Was sind die Leistungserwartungen?
5. Welches Herstellungsverfahren verwenden Sie?

Nachfolgend finden Sie eine Aufschlüsselung häufig verwendeter Zahnradmaterialien, ihrer Eigenschaften und ihrer idealen Anwendungsfälle.

• Kohlenstoffstahl
• Legierter Stahl
• Edelstahl
• Gusseisen
• Messing
• Bronze
• Kunststoffe (z. B. Nylon, Acetal, PEEK)

Die Wahl des Werkstoffs hat direkten Einfluss darauf, welches Verzahnungsverfahren am besten geeignet ist:

Material	Empfohlene Schneidemethoden	Notizen
Kohlenstoffstahl	Wälzfräsen, Stoßen, Fräsen	Möglicherweise ist nach dem Schneiden eine Härtung erforderlich
Alloy Steel	Schleifen, Räumen, Wälzfräsen	Gut zum Aufkohlen; nachträgliche Wärmebehandlung verbessert die Festigkeit
Edelstahl	Formen, Schleifen	Schwieriger zu bearbeiten; langsamere Schnittgeschwindigkeiten empfohlen
Gusseisen Kochgeschirr	Fräsen, Formen	Spröde; vermeiden Sie Prozesse mit hoher Geschwindigkeit oder hoher Kraft
Messing / Bronze	Wälzfräsen, Fräsen	Leicht zu bearbeiten; geeignet für gering belastete Zahnräder
Kunststoffe	Fräsen, Formen	Am besten für Anwendungen mit niedriger Geschwindigkeit und geringer Belastung

Vergleich des Verzahnungsfräsens mit anderen Verfahren

Aspekt	Verzahnen	Zahnradschleifen	Zahnradfräsen
Ciklusidő	Mittel bis schnell (Wälzfräsen)	Bremst	Bremst
Genauigkeit	Hoch (Wälzfräsen) bis mittel (Fräsen)	Sehr hohe	Niedrig bis mittel
Oberflächenfinish	Gut	Ausgezeichnet	Fair
Werkzeugkosten	Mittel (Wälzfräser, Räumnadeln)	Hoch (Schleifscheiben)	Niedrig (Formfräser)
Volumeneignung	Mittel bis hoch	Niedrig (Abschluss)	Niedrig (Prototypen, Kleinserien)
Abfallaufkommen	Mittel (Pommes)	Niedrig (feine Körnung)	Mittel (Pommes)

Verzahnungsfräsen vs. Schleifen

Das Verzahnungsschleifen bietet im Vergleich zum Verzahnungsfräsen eine höhere Präzision und Oberflächengüte, ist aber langsamer und teurer. Verzahnungsfräsen wird bevorzugt, wenn Geschwindigkeit und Kosteneffizienz im Vordergrund stehen, während Mahlen wird für die Endbearbeitung und Zahnräder mit engen Toleranzen gewählt.

Verzahnen vs. Fräsen

Das Verzahnungsfräsen ist eine Form des Verzahnungsschneidens. Der Begriff Fräsen bezieht sich jedoch oft auf allgemeine Schlitzen oder Formgebung. Beim Fräsen lassen sich viele verschiedene Merkmale schneiden, während sich das Verzahnen auf die Zähne konzentriert. Beim Fräsen werden Formfräser verwendet, um jeweils einen Zahn zu fertigen. Verzahnungsfräser wie Räumnadeln oder Wälzfräser können mehrere Zähne oder das gesamte Zahnrad in weniger Durchgängen schneiden.

Tipps zum erfolgreichen Verzahnen

1. Passen Sie die Spezifikationen Ihrer Ausrüstung – Größe, Material, Toleranz – an den Schneidvorgang an.
2. Verwenden Sie für Ihre Werkzeuge die Vorschub- und Geschwindigkeitsdiagramme des Herstellers.
3. Halten Sie die Schneidzonen mit Kühlmittel geflutet, um Hitze und Spanschweißen zu reduzieren.
4. Wenn Sie mehrere Größen herstellen, schneiden Sie zuerst kleine Zahnräder, um den Ausschuss zu reduzieren, wenn Parameter angepasst werden müssen.
5. Verwenden Sie ein Gut/Schlecht-Messgerät oder eine Koordinatenmessmaschine (CMM) nach Schlüsselübergaben, um Fehler frühzeitig zu erkennen.
6. Schwere Schruppdurchgänge beschleunigen den Materialabtrag; leichte Schlichtdurchgänge sorgen für die endgültige Genauigkeit.

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Fazit

Ob Sie nur wenige kundenspezifische Zahnräder oder große Stückzahlen benötigen – das Verzahnungsfräsen ist nach wie vor eine der effizientesten und effektivsten Methoden zur Herstellung hochwertiger Zahnräder. Berücksichtigen Sie bei der Wahl des Fräsverfahrens stets Ihre Zahnradspezifikationen, den Produktionsumfang und Ihr Budget. Mit den richtigen Werkzeugen und Techniken stellen Sie sicher, dass Ihre Zahnräder jahrelang reibungslos und zuverlässig funktionieren.

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