Auswahl der Verzahnungsbearbeitungsroute: Vergleich von Wälzfräsen, Wälzstoßen, Schaben und Schleifen

Auswahl der Verzahnungsbearbeitungsroute: Wälzfräsen, Wälzstoßen, Schaben und Schleifen im Vergleich

Kernaussage: Die Verzahnungsbearbeitungsroute wird rückwärts aus dem auf der Zeichnung angegebenen Genauigkeitsgrad abgeleitet, nicht aus dem Angebotspreis. Reines Wälzfräsen erreicht GB 6~7; Wälzstoßen erreicht GB 5~6; Schaben bringt etwa einen Grad mehr als Wälzfräsen; geschliffene Zähne können GB 4~5 erreichen, und Formschleifen kann bis DIN 4-5 gehen. Nur Wälzstoßen kann Innenverzahnungen, Doppelzahnräder und Zahnräder mit Bund herstellen; Außen-Stirn- und Schrägverzahnungen können jede der vier Routen durchlaufen. Die Wärmebehandlung verschiebt die Maße um 0,01~0,05 mm, sodass die vor der Wärmebehandlung gemessene Genauigkeit nicht auf das Fertigteil übertragbar ist – daher die feste Reihenfolge: Grobbearbeitung → Wärmebehandlung → Fertigbearbeitung (Zahnschleifen/Honen). Allgemeine Getriebezahnräder, die auf der Zeichnung mit DIN 7~8 angegeben sind, werden durch Wälzfräsen plus Wärmebehandlung ausreichend bedient; wo die Zeichnung DIN 4-5 und geringes Verdrehspiel bei geringem Geräusch verlangt, muss genügend Aufmaß für das Schleifen nach der Wärmebehandlung vorgesehen werden.

I. Genauigkeitszuwachs Grad für Grad

Zwei Zahnräder, die aus identischem Material auf derselben Wälzfräsmaschine geschnitten werden, können mehrere Grade auseinanderliegen, je nachdem, ob nachgelagert geschabt oder geschliffen wird:

• Route Wälzfräsen als letzte Operation: 6~7 Grad
  • Zahnflankenlinie: 6~7 Grad
  • Summenteilungsabweichung: 7 Grad
  • Zahnkranz-Rundlauf: 7 Grad
  • Oberflächenrauheit Ra: ≤3,2 µm
• Route Wälzfräsen, dann Schaben: 5~6 Grad
  • Zahnflankenlinie: 5~6 Grad
  • Summenteilungsabweichung: 6 Grad
  • Zahnkranz-Rundlauf: 6 Grad
  • Oberflächenrauheit Ra: ≤1,6 µm (Präzisionsschaben Ra0,8)
• Route Wälzfräsen/Wälzstoßen, dann Aufkohlen und Härten, dann Zahnschleifen: 4~5 Grad
  • Zahnflankenlinie: 4~5 Grad
  • Summenteilungsabweichung: 4~5 Grad
  • Zahnkranz-Rundlauf: 4~5 Grad
  • Oberflächenrauheit Ra: ≤0,4 µm (Wälzschleifen)
• Route Wälzfräsen, dann Aufkohlen und Härten, dann Formzahnschleifen: Bis DIN 4-5 Grad
  • Zahnflankenlinie: Bis DIN 4-5 Grad
  • Summenteilungsabweichung: Bis DIN 4-5 Grad
  • Zahnkranz-Rundlauf: Bis DIN 4-5 Grad
  • Oberflächenrauheit Ra: Je nach Prozess bestätigen

Ein Hinweis verdient Beachtung: Das Schaben erfolgt vor der Wärmebehandlung, sodass der Ofenzyklus noch folgt und die von ihm eingebrachte Verzerrung die gerade durch das Schaben gewonnene Genauigkeit wieder aufzehrt. Die Schabroute eignet sich daher für Aufträge, deren Endziel GB 6~7 ist und bei denen Schleifkosten vermieden werden sollen. Sollte die Zeichnung GB 5 oder enger verlangen, ist der direkte Weg über Aufkohlen und Härten plus Zahnschleifen normalerweise die bessere Wahl – er bleibt besser vorhersagbar als Schaben, Wärmebehandlung und anschließende Nacharbeit.

II. Von der Zeichnungsgrad rückwärts zur Route

Fasst man die beiden obigen Punkte zusammen, ergibt sich die Route weitgehend von selbst. Übliche Zeichnungsangaben lassen sich wie folgt Routen zuordnen:

• Zeichnungsgenauigkeitsgrad DIN 9~12 / GB 9~12 Grade: Niedrigtourige Schwerlast, Landmaschinen
  • Empfohlene Verzahnungsprozessroute: Wälzfräsen oder Wälzstoßen, je nach Anforderung vergütet oder induktionsgehärtet
• Zeichnungsgenauigkeitsgrad DIN 7~8 / GB 7~8 Grade: Allgemeine Industriegetriebe, Portalkrane
  • Empfohlene Verzahnungsprozessroute: Wälzfräsen → Aufkohlen und Härten/Induktionshärten → Fertigbearbeitung (je nach Zeichnung)
• Zeichnungsgenauigkeitsgrad DIN 6 / GB 6 Grade: Automobilgetriebezahnräder, anspruchsvolle Industriegetriebe
  • Empfohlene Verzahnungsprozessroute: Wälzfräsen → Zahnschaben → Aufkohlen und Härten (ob nach der Wärmebehandlung geschliffen wird, hängt von den Anforderungen ab)
• Zeichnungsgenauigkeitsgrad nach DIN / GB gemäß Kundenangabe: Präzisions-Werkzeugmaschinenspindeln, hochtourige Präzisionsgetriebe
  • Empfohlene Verzahnungsprozessroute: Wälzfräsen → Aufkohlen und Härten → Zahnschleifen (Wälz- oder Formschleifen)
• Zeichnungsgenauigkeitsgrad DIN 4-5 Grad: Hochpräzisions-Messtechnik, Präzisionsspindeln
  • Empfohlene Verzahnungsprozessroute: Wälzfräsen → Aufkohlen und Härten → Formzahnschleifen
• Zeichnungsgenauigkeitsgrad Innenverzahnungen / Zahnradblöcke / Verzahnungen: Planetenmechanismen, Getriebemechanismen
  • Empfohlene Verzahnungsprozessroute: Wälzstoßen ist vorrangig (Wälzfräsen kann sie nicht bearbeiten)

Jede Verschärfung um einen Genauigkeitsgrad treibt sowohl die Bearbeitungs- als auch die Prüfkosten eine Stufe nach oben. Was Ingenieure stattdessen üblicherweise tun, ist, aus dem tatsächlichen Lastzyklus – Drehzahl, Last, zulässiges Geräusch, Verdrehspielgrenzen – einen „ausreichenden“ Grad festzulegen und dann die Route an diesen Grad anzupassen, anstatt jedes Zahnrad in Richtung DIN 4-5 zu ziehen.

Zahnstangen stehen auf einem eigenen Gleis: Gerad- und Schrägzahnstangen werden durch Präzisionsfräsen und -schleifen hergestellt und gehören nicht zur Zahnradprozessfamilie. Für geschliffene Zahnstangen liegt der erreichbare Wert bei DIN 6h25 (Gesamt-Summenteilungsabweichung 0,036 mm/1000 mm), während präzisionsgefräste Grade DIN 8e27 (0,08 mm) und DIN 10e27 (0,13 mm) ergeben; S45C und SCM440 sind die üblichen Werkstoffe, wobei die Zähne hochfrequenzinduktionsgehärtet auf HRC 48~52 oder vergütet auf HRC 18~20 werden. Nimmt man eine geradverzahnte geschliffene Zahnstange M2×1000 mm: Ihre Bezeichnung lautet GY-CSTGH-020-10-S, und die fünf Felder – Werkstoff, Zahnprofil, Form, Zahnbearbeitung, Wärmebehandlung – sind auf einen Blick lesbar; das abschließende S kennzeichnet ein Standardteil, während C eine Anpassung nach Kundenzeichnung kennzeichnet.

III. Das Gebiet, das jedes der vier Verfahren abdeckt

Wälzfräsen, Wälzstoßen, Schaben und Schleifen können einander nicht einfach ersetzen; Zahnform und Genauigkeitsband unterscheiden sich von Verfahren zu Verfahren.

• Verfahren Wälzfräsen: Wälzfräser und Werkstück wälzen ab
  • Bearbeitbare Zahnprofile: Außen-Stirnräder, Schrägräder, Schneckenräder
  • Genauigkeitsfähigkeit (GB/T 10095): GB 6~7 Grad
  • Typische Prozessposition: Schruppen / Schlichten; kann als Endbearbeitung für allgemein genaue Teile dienen
• Verfahren Wälzstoßen: Wälzstoßwerkzeug pendelt auf und ab + Wälzbewegung
  • Bearbeitbare Zahnprofile: Innenverzahnungen, Doppel-/Dreifach-Zahnradblöcke, Zahnräder mit Bund, Verzahnungen
  • Genauigkeitsfähigkeit (GB/T 10095): GB 5~6 Grad (CNC-Wälzstoßen kann Grad 5 erreichen)
  • Typische Prozessposition: Hauptverfahren für Innenverzahnungen und eingeschränkte Strukturen
• Verfahren Schaben: Schabwerkzeug und Werkstück kämmen frei
  • Bearbeitbare Zahnprofile: Außen-Stirnräder, Schrägräder
  • Genauigkeitsfähigkeit (GB/T 10095): Verbessert etwa 1 Grad gegenüber der Basis vor dem Schaben (6~7 Grad → 5~6 Grad)
  • Typische Prozessposition: Zahnflanken-Fertigbearbeitung vor der Wärmebehandlung
• Verfahren Schleifen: Formschleifscheibe oder Schneckenschleifscheibe mit Wälzbewegung
  • Bearbeitbare Zahnprofile: Außen-Stirnräder, Schrägräder
  • Genauigkeitsfähigkeit (GB/T 10095): GB 4~5 Grad; Formschleifen kann DIN 4-5 Grad erreichen
  • Typische Prozessposition: Zahnflanken-Fertigbearbeitung nach der Wärmebehandlung

Die Leistungsgrenzen von Wälzstoßmaschinen sind ziemlich klar definiert: Die CNC-Zahnradstoßmaschine YKX5132 nimmt Modul M1~M8, Außendurchmesser Φ320 mm, Innendurchmesser Φ250 mm; Y54A verarbeitet bis M6, Außendurchmesser Φ500 mm, Innendurchmesser Φ400 mm; YKX5150 geht bis M10, mit Außen- und Innendurchmessern von Φ500 mm bzw. Φ400 mm und Zahnbreite bis 120 mm. Innenzahnkränze und ähnliche Arbeiten liegen außerhalb der Reichweite einer Wälzfräsmaschine – Wälzstoßen ist die einzige Option.

Schabmaschinen decken ebenfalls einen weiten Bereich ab: Y4232C und Y4245A erreichen M6, YK4232 erreicht M8, der maximale Bearbeitungsdurchmesser reicht von Φ320~Φ450 mm, und Schrägungswinkel von ±30°~±35° liegen im Bereich. Schaben senkt die Zahnflankenrauheit von Ra≤3,2 µm auf Ra≤1,6 µm; Präzisionsschaben erreicht Ra0,8 µm.

Das Schleifen teilt sich in zwei Wege. Formschleifen abrichtet eine Profilscheibe per CNC und arbeitet Zahn für Zahn, was für große Module und ungewöhnliche Profile geeignet ist; Wälzschleifen führt eine Schneckenscheibe kontinuierlich und gewinnt bei der Serieneffizienz, wobei die Zahnflankenrauheit auf Ra≤0,4 µm gehalten wird. Das Schleifen nach der Wärmebehandlung ist der entscheidende Schritt, um die Verzerrung durch Aufkohlen und Härten rückgängig zu machen, und es ist auch das, was Zahnräder mit geringem Verdrehspiel und geringem Geräusch von gewöhnlichen Industriezahnrädern unterscheidet.

IV. Wo die Wärmebehandlung steht und wie die Verzerrung das Schleifaufmaß bestimmt

Die Wärmebehandlung ist mehr als eine Härteangabe – sie ist die Trennlinie der Prozessfolge. Jedes Verfahren verschiebt die Maße anders, und diese Verschiebung bestimmt, wie viel Aufmaß für die spätere Zerspanung verbleiben muss:

• Wärmebehandlungsverfahren Aufkohlen und Härten: 20CrMnTi, 20CrMo, 20CrNiMo
  • Härtebereich: HRC 58~63
  • Verformungsbetrag: 0,02~0,05 mm
  • Anforderungen an nachfolgende Prozesse: Schleifaufmaß muss an den Zähnen vorgesehen werden; Zahnschleifen nach der Wärmebehandlung
• Wärmebehandlungsverfahren Nitrieren: 38CrMoAl, 40Cr
  • Härtebereich: HV 850~1100
  • Verformungsbetrag: ≤0,01 mm
  • Anforderungen an nachfolgende Prozesse: Geringe Verformung; Fertigbearbeitung vor der Wärmebehandlung möglich; kein oder wenig Schleifen nach dem Nitrieren
• Wärmebehandlungsverfahren Induktionshärten (Hochfrequenz): 40Cr, 42CrMo, 45#
  • Härtebereich: HRC 50~55
  • Verformungsbetrag: 0,01~0,03 mm
  • Anforderungen an nachfolgende Prozesse: Lokales Härten; Zahnflanken können in nachfolgenden Operationen fertigbearbeitet werden
• Wärmebehandlungsverfahren Vergüten: 40Cr, 42CrMo, 35CrMo
  • Härtebereich: Bestimmt durch Werkstoff und Querschnitt
  • Verformungsbetrag: —
  • Anforderungen an nachfolgende Prozesse: Verbessert das Gefüge für die nachfolgende Zerspanung; sekundäre Bearbeitung möglich

Werkstoffwahl und Prozessdefinition stützen sich beide auf diese Tabelle, und ihre Anwendung ist unkompliziert. Wo eine harte Zahnflanke gewünscht wird und die Kosten für das Schleifen nach der Wärmebehandlung akzeptabel sind, ist Aufkohlen und Härten die Antwort. Wo die Verzerrung den Konstrukteur beunruhigt und das Schleifen übersprungen werden soll, wird Nitrieren gewählt – aber die Nitrierschicht ist dünn, ihre Tragfähigkeit ist nicht mit einer aufgekohlten Randschicht vergleichbar, und Schwerlastzahnräder fallen daher aus dem Anwendungsbereich. Da Aufkohlen und Härten die Maße um 0,02~0,05 mm verschiebt, sollte das Schleifaufmaß mindestens in dieser Größenordnung festgelegt werden: Lässt man zu wenig, kann die Scheibe die Zahnflanke nicht sauber bearbeiten; lässt man zu viel, kann die Scheibe die aufgekohlte Randschicht durchschneiden, sodass die effektive Einsatzhärtungstiefe unter der Spezifikation bleibt.

V. Sechs Punkte, die festgezurrt werden müssen, wenn der Prozess auf Zeichnungen und Bestellungen kommt

1. Den Genauigkeitsgrad und die dahinterstehende Norm benennen: DIN 3962, GB/T 10095.1 und AGMA 2000 definieren jeweils ihre eigenen Toleranzen. Schreibt man nur „Grad 6“ ohne genanntes System, rechnet jede Seite nach einem anderen Regelwerk.
2. Wärmebehandlungsverfahren mit Härte und Einsatzhärtungstiefe paaren: Für Aufkohlen und Härten die effektive Einsatzhärtungstiefe angeben (durch Modul festgelegt); „HRC 58~62“ allein sagt nichts über die Tragfähigkeit aus.
3. Angeben, ob die Prüfung vor oder nach der Wärmebehandlung erfolgt: Ein Zahnrad kann vor der Wärmebehandlung gegenüber nach dem Schleifen nach der Wärmebehandlung ein oder zwei Grade unterschiedlich messen, daher gehört die Prüfstufe in die technischen Anforderungen.
4. Den Prozessanbieter das Schleifaufmaß gegen die Wärmebehandlungsverzerrung bestätigen lassen: Niemals ein Aufmaß einseitig festlegen und dem Bearbeitungslieferanten aufzwingen; zu wenig Aufmaß lässt die effektive Einsatzhärtungstiefe außerhalb der Spezifikation.
5. Innenverzahnungen, Zahnradblöcke und abgesetzte Strukturen frühzeitig kennzeichnen: Solche Teile werden gestoßen statt gewälzfräst, was die Werkzeugvorbereitung und die Lieferzeit ändert; eine frühzeitige Meldung vermeidet eine Klärungsrunde.
6. Prüfverfahren und Versandbericht vorab festlegen: Ob ein Zahnradmesszentrum oder eine Kammprüfung verwendet wird und ob der Bericht mit der Ware mitgeht oder eine Drittparteien-Begutachtung erforderlich ist, sollte vorab in die Bestellung aufgenommen werden.

VI. Von Pinyi Electromechanical akzeptierter Verzahnungsbearbeitungsumfang

Modul, Durchmesser, Zähnezahl und Genauigkeitsklasse richten sich nach der Kundenzeichnung.