Radial Gear Chamfering – ein neues und innovatives Verfahren, das keine Störkonturen kennt

Zahnräder schnell und präzise anfasen

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Radial Gear Chamfering nennt sich ein neues und innovatives Verfahren für die Zahnradbearbeitung, das keine Störkonturen kennt. Hervorgegangen aus einem Forschungsprojekt der DHBW Lörrach, lässt sich damit ein Zahnrad mit 24 Zähnen, Modul 2,5, beidseitig in nur 11 Sekunden präzise anfasen. Autoren: Niklas Müller, Prof. Dr.-Ing. Manfred Schlatter, Tec for Gears GmbH & Co. KG

Das typische Symbol des Maschinenbaus ist seit Hunderten von Jahren das Zahnrad, das Maschinen oder Fahrzeuge bewegt und ganz allgemein bewirkt, dass Drehbewegungen übertragen und/oder übersetzt werden können. Zahnräder werden durch Gießen, Schmieden, Feinschneiden oder mit spanenden Bearbeitungsverfahren wie Wälzfräsen, Wälzstoßen, Wälzschälen oder Räumen hergestellt. Die spanenden Verfahren werden vor allem bei Zahnrädern genutzt, wenn große Kräfte übertragen wer-den müssen und wenn die Getriebe auch bei hohen Drehzahlen laufruhig und besonders leise arbeiten sollen. Alle spanenden Verfahren produzieren beim Austritt des Verzahnungswerkzeugs aus der Zahnlücke mehr oder weniger große Grate auf den Planflächen der Zahnräder (Bild 1).

Nicht alle Grate sind so stark ausgeprägt wie in Bild 1 dargestellt, aber auch kleinere Grate oder scharfe Kanten können ein Zahnrad für den vorgesehenen Einsatz unbrauchbar machen. Wenn solche Zahnräder weiterverarbeitet und für den Gebrauch in ein Getriebe montiert werden, können folgende Probleme auftreten:

  • Die weitere Handhabung kann das beteiligte Personal verletzen.
  • Das Zahnrad kann beim Transport an den Zahnstirnkanten beschädigt wer-den.
  • Ein Überkohlen der Kanten bei der Wärmebehandlung durch Einsatzhärten kann im späteren Einsatz Kantenausbrüche verursachen.
  • Die Planflächen der Zahnräder werden oft als Anschlagfläche oder als Spannfläche für eine nachfolgende Hartfeinbearbeitung genutzt; nur gratfreie Planflächen können eine störungsfreie Weiterverarbeitung garantieren.
  • Die Standzeiten der Werkzeuge für eine nachfolgende Hartfeinbearbeitung wie Schleifscheiben oder Honwerkzeuge werden beeinträchtigt.
  • Es können Probleme bei der Montage von Getrieben auftreten, insbesondere wenn diese automatisch erfolgt.
  • Durch beschädigte Flanken oder Restgrate an den Zahnrädern kommt es zu einer größeren Lärmemission der Getriebe.
  • Gratreste können ein Getriebe infolge ihrer abrasiven Wirkung zerstören.

Ohne Entgraten geht es nicht

Aus diesen Gründen werden alle spanend gefertigten Zahnräder entgratet. Die meisten mechanischen Entgratverfahren hinterlassen scharfe Kanten, die aufgrund der steigenden Anforderungen an die Zahnräder und Getriebe zunehmend ungenügende Ergebnisse liefern.

Wenn die geforderte Entgratqualität von Zahnrädern nicht außergewöhnlich hoch ist, kann eines der einfacheren Verfahren eingesetzt werden. Neben ungezielt arbeitenden Verfahren wie Gleitschleifen, elektrochemisches Badentgraten oder Thermisches Entgraten (TEM) existiert die Methode mit Entgratscheiben oder Feilscheiben. Sie alle sind in der Lage, Grate vom Verzahnungsprozess sicher zu entfernen, hinterlassen aber scharfe Kanten, teilweise mit Restgrat (Bild 2).

Um ein Zahnrad mit guter Entgratqualität ohne Restgrate und scharfe Kanten zu produzieren, ist die beste Methode das Anbringen einer definierten Fase. Dies stellt sicher, dass keinerlei Gratreste die Planflächen der Zahnräder beeinträchtigen und er-möglicht z. B. die Montage in ein Getriebe ohne jede Beschädigung des Gegenzahnrads aufgrund einer scharfen und ggf. gehärteten Zahnstirnkante.

Neben den am Markt bestehenden Verfahren, die Zahnräder wie gefordert und beschrieben anfasen können, fehlte bisher eine Methode, die speziell bei Bauteilen mit Störkonturen schnell und präzise Fasen an den Zahnstirnkanten erzeugt. Besonders durch die aktuell aufkommende Elektromobilität, aber auch bei Verbrennungsmotoren, werden aus Gründen von Leichtbau und Energieeffizienz die Getriebe und somit Zahnräder kleiner und mehr verschachtelt. Das wiederum hat zur Folge, dass vermehrt Werkstücke mit Störkonturen aufkommen (Beispiel siehe Bild 3), die wiederum nur sehr schwer oder auch gar nicht automatisiert zu entgraten sind. Diese Werkstücke müssen manuell entgratet werden, mit den entsprechenden Schwankungen bei Qualität und Taktzeit – eine monotone, ermüdende Tätigkeit bei gleichzeitig vergleichsweise hohen Kosten.

Mit dem neuentwickelten Radial Gear Chamfering Verfahren können die oben aufgeführten Forderungen gleichermaßen erfüllt werden. Dabei kommt ein radial angestellter Schaftfräser mit einer auf Basis der Zahngeometrie und der geforderten Fasenausführung berechneten Geometrie zum Einsatz. Die für diese Technologie entwickelte Anfasmaschine RGC350 stellt sicher, dass die Drehzahl des Fräsers sowie seine Position zu den Zähnen des Zahnrads exakt synchronisiert werden.

Nach der Synchronisation xwird das Zahnrad innerhalb von wenigen Sekunden präzise angefast. Dies kann bei recht einfach zu bearbeitenden Zahnformen wie im Beispiel in Bild 4 genauso verwirklicht werden wie bei beispielsweise spiralverzahnten Kegelrädern.

Das untenstehende Bild 4 zeigt ein Planetenrad vor der Bearbeitung mit massivem Grobgrat aus dem vorangegangene Wälzfräsprozess (links), das so dem Radial Gear Chamfering Prozess zugeführt wurde. In der rechten Bildhälfte ist das Planetenrad nach der Bearbeitung in nur 11 Sekunden an Ober- und Unterseite definiert angefast.

Kurze Zykluszeiten

Die Vorteile des Radial Gear Chamfering Verfahrens liegen nicht nur in der kurzen Bearbeitungszeit und der guten Qualität der Fase, auch die große Flexibilität besonders bei Werkstücken mit Störkonturen macht dieses Verfahren interessant. Die dabei entstehenden Kosten je Werkstück machen das Verfahren aufgrund der kurzen Zykluszeiten technisch und wirtschaftlich attraktiv.

Die Maschine RGC350 für diese Bearbeitung kann flexibel als Stand-alone-Maschine genutzt werden (Bild 4). Über eine entsprechende Automationslösung lässt sich die Maschine aber auch problemlos mit Wälzfräs- oder Wälzstoßmaschinen verketten und in eine Fertigungslinie einbinden.

Mit einer Aufstellfläche von etwa 2 m2 kann diese Maschine schnell und einfach in der Produktion installiert werden. Leistungsfähige Werkstück- und Werkzeugspindeln garantieren die kurzen Zykluszeiten. Zahnräder mit einem Durchmesser von bis zu 350 mm Durchmesser oder Getriebewellen mit einer Länge von bis zu 350 mm lassen sich bearbeiten. Die am Markt verfügbaren, bestehenden Standard-Werkstückaufnahmen können verwendet werden; Sonderspannmittel werden nicht benötigt.

Die Maschine RGC350 mit dem Radial-Gear-Chamfering-Prozess arbeitet sehr wirtschaftlich bei kleineren und mittleren Serien. Aber auch bei großen Stückzahlen ist es eine echte Alternative zu den bestehenden Verfahren. Besonders interessant ist die Anwendung bei Zahnrädern oder Getriebewellen in sehr schwierig zu bearbeitenden Situationen, z. B. bei eng beieinander liegenden Verzahnungen (beispielsweise Werkstücke wie in den Bildern 3 und 6) oder bei Störkonturen.

Tec for Gears GmbH & Co. KG
www.tecforgears.de

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