Kundenzeichnung gefräste Zahnstangen

Eine Zahnstange wandelt Drehung in Verfahrweg um. Das Ritzel dreht, die Zahnstange verfährt, und alles, was auf einer langen Achse schiefgeht — sich anhäufende Teilung, eine Stoßstelle, die hakt, ein Zahn, der sich zu einer Stufe abnutzt —, kommt als Positionsfehler am Werkzeug oder am Laserkopf an.

PinyiGear schneidet und schleift Zahnstangen nach Zeichnung statt nach Lagerkatalog. Modul, Eingriffswinkel, Schrägungswinkel, Stangenlänge, Stoßstellen, Werkstoff, Wärmebehandlung und Genauigkeitsklasse stammen alle aus der Zeichnung. Diese Seite behandelt, was auf eine Zahnstangenzeichnung gehört, wie der Zahn gefertigt und gemessen wird und welche Entscheidungen tatsächlich darüber bestimmen, ob eine lange Achse ihre Toleranz nach zwei Jahren im Einsatz noch hält.

Was eine Zahnstangenzeichnung festlegen muss

Den meisten unvollständigen Zahnstangenzeichnungen fehlt eine von drei Informationsgruppen. Alle drei treiben den Preis, also gehören alle drei auf die Zeichnung.

Zahngeometrie. Modul oder Diametral Pitch, Eingriffswinkel, Schrägungswinkel, falls die Zahnstange schrägverzahnt ist, Zahnhöhe, Zahnbreite und das Profil selbst. Wenn die Zahnstange ein vorhandenes Teil ersetzt, kann das Profil nicht normgerecht sein, was machbar ist — aber es muss bemaßt, nicht beschrieben werden.

Länge und Stoßstellen. Stangenlänge, aus wie vielen Abschnitten die Achse besteht, wo die Stoßstellen liegen und wie die Enden bearbeitet werden. Eine 2-m-Achse aus 1-m-Stangen hat eine Stoßstelle; eine 6-m-Achse hat fünf, und jede davon ist eine Stelle, an der die Genauigkeit verloren gehen kann.

Werkstoff, Wärmebehandlung und Genauigkeitsklasse. Stahlsorte, Oberflächenhärte, wo angegeben, und die Klasse, gegen die der fertige Zahn gemessen wird. Ohne benannte Klasse bedeutet „genau“, was der Lieferant darunter versteht.

Eine Zeichnung mit diesen drei Gruppen lässt sich direkt kalkulieren. Eine ohne sie erzeugt üblicherweise eine Runde von Rückfragen, bevor irgendetwas bepreist werden kann.

Zahngeometrie: was jeder Parameter entscheidet

Modul legt die Zahngröße fest und mit ihr die Last, die ein Zahn tragen kann. PinyiGear arbeitet von Modul 1 bis Modul 12. Kleine Module eignen sich für Instrumenten- und leichte Automatisierungsachsen; große Module erscheinen dort, wo das Ritzel ein schweres Portal oder einen Maschinentisch mit Werkstück bewegen muss.

Eingriffswinkel entscheidet, wie viel der Last entlang der Flanke läuft und wie viel radial drückt. Die gängigen Werte sind 20° und 14,5°. 20° ist der Arbeitsstandard für Werkzeugmaschinen, weil er mehr Last pro Einheit Zahnbreite trägt, ohne bei niedrigen Zähnezahlen zu unterschneiden.

Schrägungswinkel gilt für schrägverzahnte Zahnstangen. Eine Schrägung erhöht die Überdeckung — mehr Zähne teilen die Last in jedem Moment —, was die Last verteilt, den Stoß pro Zahn mildert und Geräusch senkt. Unsere schrägverzahnten Zahnstangen werden rechtssteigend mit 19°31'42" bei 20° Eingriffswinkel geschnitten, aber die Zeichnung ist maßgebend: Wenn das Gegenritzel linkssteigend oder einen anderen Winkel verlangt, folgt die Zahnstange. Eine schrägverzahnte Zahnstange erzeugt außerdem Axialschub, und dieser Schub muss von Lagern und Führungen aufgenommen werden, nicht von der Zahnstange.

Zahnbreite und Zahnhöhe ergeben sich aus der Lastberechnung auf Kundenseite. Wir schneiden nach Zeichnung, statt eine Größe vorzuschlagen, weil die Zahnstange nur die Last sieht, die die Maschinenkonstruktion durch sie hindurchführt.

Gerade oder schräg: der Kompromiss

Die Wahl liegt üblicherweise beim Maschinenkonstrukteur, nicht beim Zahnstangenlieferanten. Auf unserer Seite zählt, dass Zahnstange und Gegenritzel Modul, Eingriffswinkel, Schrägungswinkel und Steigungsrichtung teilen — eine Abweichung dort erzeugt Geräusch und Verschleiß, die keine Zahngenauigkeit korrigieren kann.

Werkstoff und Wärmebehandlung

Der Werkstoff folgt der Beanspruchung. Die Sorten, die wir am häufigsten bearbeiten:

Zwei Entscheidungen wiegen schwerer als der Sortenname.

Ob das Teil nach dem Härten noch spanend bearbeitet werden muss. Wenn die Zahnstange nach der Montage gebohrt, genutet oder mit Gewinde versehen werden muss, ist das Fräsen im vergüteten Zustand — und das anschließende Härten oder der Verzicht darauf — oft der praktikable Weg. Wird zuerst gehärtet, werden diese Arbeitsgänge zu Schleifarbeit.

Ob die Montageflächen geschliffen sind. Das Härten begegnet Flankenverschleiß und Grübchenbildung. Es bewirkt nichts für eine Zahnstange, die nicht plan aufliegt. Das Schleifen aller vier Flächen macht die Montageflächen zum Bezug, sodass Kontaktfläche und die nach dem Anziehen der Schrauben verbleibende Verformung vorhersagbar werden. Dieser Schritt wird bei einem Kostenvergleich am häufigsten weggelassen, und er entscheidet darüber, ob eine lange Achse gerade bleibt.

Genauigkeitsklasse und wie der Zahn gemessen wird

Die Genauigkeit von Zahnstangen wird üblicherweise als DIN-Klasse plus eine auf eine Länge bezogene kumulative Teilungsabweichung angegeben. Die drei Stufen, die in der Praxis vorkommen:

Diese Werte beschreiben die Verzahnung. Sie beschreiben nicht die Achse. Eine Verfahrlänge von 6 m, aufgebaut aus sechs 1-m-Segmenten, summiert jeden Fehler, den jede Stoßstelle zusätzlich zur eigenen Teilungsabweichung der Zahnstange beiträgt, sodass bei langem Verfahrweg die Stoßstelle wichtiger sein kann als die Klasse auf der Zeichnung.

Stoßstellen: wo lange Achsen an Genauigkeit verlieren

Segmente werden üblicherweise in Längen von 500 mm und 1000 mm geliefert, sodass jede lange Achse eine Kette von Stoßstellen ist. Drei Mechanismen verursachen Probleme:

• Teilungslinienversatz — die beiden Segmente liegen auf unterschiedlicher Höhe gegenüber dem Montagebezug, sodass das Ritzel bei jedem Durchlauf steigt und fällt.
• Winkelfehlausrichtung — benachbarte Zahnflanken sind nicht kollinear, und das Ritzel trifft auf einen Knick statt auf eine durchgehende Flanke.
• Kumulative Teilungsabweichung — der Zahnabstand eines Segments setzt das Muster des vorherigen nicht fort.

Ein Versatz oder Spalt von etwa 0,05 mm genügt, damit ein Ritzelzahn auf die Kante einer Zahnlücke trifft, statt in sie hineinzurollen, was Stoßbelastung erzeugt, die mit der Drehzahl wächst. Dieser Wert liegt in derselben Größenordnung wie die Teilungsabweichung einer geschliffenen Zahnstange, weshalb eine schlecht gefertigte Stoßstelle den Großteil der Genauigkeit zunichtemachen kann, die die Klasse liefern sollte.

Es gibt zwei Wege, damit umzugehen. Der erste ist Montagedisziplin: ein Bezug, aufeinander abgestimmte Segmenthöhen, über jede Stoßstelle hinweg geprüfte Zahnausrichtung, bevor die Schrauben endgültig angezogen werden. Der zweite ist Fehlerkompensation — Segmente einzeln vermessen und dann so angeordnet, dass ihre Fehler einander entlang der Achse ausgleichen. Kompensation erfordert rückführbare Messdaten für jedes Stück, was etwas anderes ist als ein Zertifikat, das besagt, dass die Charge bestanden wurde.

Wir liefern Segmente mit als Bezugsflächen bearbeiteten Stoßflächen und mit pro Segment ausgewiesener gemessener Teilungsabweichung, sodass das Montageteam sie gezielt statt zufällig anordnen kann.

Bearbeitung und Prozessroute

Eine Zahnstange durchläuft je nach Zeichnung einige oder alle dieser Schritte:

1. Rohteilvorbereitung — Sägen, dann Fräsen oder Drehen des Querschnitts auf Maß.
2. Spannungsarmglühen bei schwerem Querschnitt oder enger Klasse, damit die Verformung vor dem Zahnschneiden herauskommt.
3. Zahnschneiden — Wälzfräsen oder Fräsen des Zahnraums je nach Modul und Profil; Schrägzahnstangen werden mit auf der Maschine eingestelltem Schrägungswinkel geschnitten.
4. Wärmebehandlung — Einsatzhärten, Induktionshärten oder Vergüten, gemäß Zeichnung.
5. Schleifen — Flankenschleifen für Arbeiten der Klasse DIN 6, Vierseitenschleifen, wo die Montageflächen funktional sind.
6. Sekundäroperationen — Endbearbeitung, Montagelöcher, Positionierelemente, Fasen.
7. Kennzeichnung — Abschnittsnummer, Orientierungsmarke und Stoßfolge, damit die Montage kein Rätselraten ist.

Die Reihenfolge zählt. Das Schleifen der Montageflächen nach dem Härten und das Bohren der Löcher nach dem Spannungsarmglühen sind die Sequenzdetails, die entscheiden, ob die fertige Zahnstange plan aufliegt.

Prüfung

Jede Charge wird vermessen, und der Bericht begleitet die Teile:

• Zahnprofil, Flankenlinie und Teilung auf einem Zahnradmesszentrum, Messwerte gegen die Klasse auf der Zeichnung verglichen
• Kumulativer Teilungsfehler über die Messlänge berichtet, nicht nur Gut oder Schlecht
• Härte — Oberfläche, und Kern wo spezifiziert
• Einsatzhärtungstiefe bei einsatzgehärteten Teilen
• Oberflächenrauheit auf geschliffenen Flanken
• Geometrie — Geradheit, Ebenheit der Montagefläche, Abschnittslänge, auf einem KMG oder auf der Messplatte
• Paarungsprüfung mit dem Gegenritzel, wo der Kunde es liefert oder das Paar bestellt

Ein Zertifikat mit der Aufschrift „konform" sagt einem Käufer nichts darüber, welches Glied versagt hat, wenn eine Achse beginnt, Teile zu markieren. Messwerte tun das.

Verpackung und Versand

Zahnstangen sind lang, dünn und im Transport leicht zu verbiegen. Abschnitte werden mit Kantenschutz verpackt und, für den Export, in Holz- oder Sperrholzkisten, wobei Orientierungsmarken erhalten bleiben, damit die Stoßfolge die Reise übersteht. Mehrteilige Bestellungen verlassen das Werk nummeriert in der Reihenfolge, in der sie montiert werden sollen.

Wo Zahnstangen eingesetzt werden

Werkzeugmaschinenachsen, Laser- und Wasserstrahlschneidportale, Automatisierungs- und Robotersiebte Achsen, Holzbearbeitungs- und Plattenverarbeitungsanlagen, Pressenvorschübe, Verpackungslinien, Bühnen- und Hebeausrüstung. In den meisten dieser Fälle arbeitet die Zahnstange als Hälfte eines Paares, sodass eine Anfrage üblicherweise zwei Zeichnungen benötigt: die Zahnstange und das Ritzel. Flankenspiel und Achsabstand sind Einstellungen zwischen zwei Teilen, keine Eigenschaften der Zahnstange allein.

Was mit einer Anfrage zu senden ist

• Zahnstangenzeichnung (PDF, DXF, STEP, DWG oder IGES) mit Zahngeometrie, Länge und Stoßpositionen
• Ritzelzeichnung, wenn das Paar zusammen bestellt wird
• Werkstoff und Wärmebehandlung, wenn sie festgelegt sind; wenn nicht, die Belastung angeben und die Güte kann ausgewählt werden
• Genauigkeitsklasse, oder die Achslänge und die Positionstoleranz, die die Maschine einhalten muss
• Menge, und ob die Bestellung ein Prototyp, eine erste Charge oder eine Wiederholproduktion ist

Senden Sie diese, und das Angebot umfasst den Zahn, die Montageflächen, die Stöße und die Prüfung — nicht nur einen Preis pro Meter.

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FAQ

Können Sie eine Zahnstange mit einem Nicht-Standardprofil schneiden? Ja. Das Profil kommt aus der Zeichnung. Was wir benötigen, ist ein bemaßtes Profil statt einer Beschreibung, damit der Fräser und der Prüfplan darauf abgestimmt werden können.

Liefern Sie auch das Ritzel? Ja, und das ist der bessere Weg, ein Paar zu kaufen. Flankenspiel und Achsabstand werden zwischen den beiden Teilen eingestellt, sodass die Fertigung beider gegen dieselbe Referenz eine Quelle der Fehlpaarung beseitigt.

Wie lang kann eine einzelne Zahnstange sein? Standardabschnitte sind 500 mm und 1000 mm. Längere Abschnitte sind je nach Modul, Werkstoff und Klasse möglich; darüber hinaus wird die Achse aus verbundenen Abschnitten aufgebaut. Die praktische Grenze wird durch die Verformung während der Wärmebehandlung gesetzt, nicht durch die Maschine.

Reicht eine induktionsgehärtete Zahnstange aus, oder muss sie geschliffen werden? Für viele Automatisierungs- und Holzbearbeitungsachsen reicht induktionsgehärtet aus. Wo die Achse lang, die Geschwindigkeit hoch oder die Positionstoleranz eng ist, sind der Teilungsfehler und die Stoßdisziplin einer geschliffenen Zahnstange das, was die Zahl hält, und der Preisunterschied kauft genau das.

Was benötigen Sie, um einen stoßabgestimmten Satz anzubieten? Stoßpositionen, das Montagebezugsmaß und die Genauigkeitsklasse für die gesamte Achse, nicht nur pro Abschnitt. Fehlerkompensation entlang einer langen Achse funktioniert nur, wenn das Ziel für den gesamten Verfahrweg definiert ist.

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