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Verzahnungsmaschinen und die Herstellung von Zahnrädern

Zahnräder gibt es in vielen verschiedenen Verzahnungsarten: geradverzahnte und schrägverzahnte Stirnradpaare oder Kegelradpaare, Schneckenräder und Innenstirnräder sind nur eine kleine Auswahl an vielgenutzten Grundformen. Diese große Auswahl an Formen hat eine ebenso große Breite an benötigten Verfahren, Maschinen und Werkzeugen zur Herstellung von Zahnrädern zur Folge. Hierfür wurde eine Reihe an Verzahnungsmaschinen entwickelt, welche bei der Zahnradherstellung unterstützen.

Grundarten von Verzahnungsmaschinen

Verzahnungsmaschinen sind in der Regel spanende Werkzeugmaschinen, welche zur Herstellung von Zahnrädern genutzt werden. Wie auch bei anderen Werkzeugmaschinen gibt es die konventionellen Maschinen, welche manuell per Hand bedient werden und die programmierbaren Maschinen. Hierbei kann durch eine programmierte CNC-Steuerung eine vereinfachte und genauere Herstellung der Zahnräder gewährleistet werden.

Grundlegend können Verzahnungsmaschinen anhand ihres genutzten Erzeugungsverfahren in unterschiedliche Kategorien klassifiziert werden. Eine grobe Unterteilung für das Entstehen der Verzahnung ist zum einen das wälzende Verfahren und zum Anderen das formgebende Verfahren.

Zahnrad-Erzeugungsverfahren

Beim wälzenden Verfahren entsteht das Zahnrad bzw. die Verzahnung des Werkstückes durch eine Bewegung zwischen Werkstück und Werkzeug. Diese wälzende Bewegung wird durch die Verzahnungsmaschine durchgeführt.

Die Abwälzbewegung des Werkzeuges erzeugt wie bei einer Abwälzfräsmaschine das zu erzeugende Zahnprofil im Werkstück. Die rotatorische und translatorische Wälzbewegung sind in der Werkzeugmaschine gekoppelt, sodass die meisten Wälzverfahren kontinuierlich arbeiten. Diese Kopplung muss mit hoher Präzision erfolgen, um eine gute Qualität der Zahnräder zu gewährleisten. In der Regel wir dies bei CNC-gesteuerten Verzahnungsmaschine durch ein elektronischen Wälzmodul realisiert. Bei manuell gesteuerten Werkzeugmaschinen muss für die Kopplung das Wälzmodul auch manuell gesteuert werden, was eine herausfordernde Aufgabe ist und viel Übung erfordert.

Ein großer Vorteil der wälzenden Verfahren ist, dass das Werkzeug bei gleichem Modul des Zahnrades für alle zu erzeugenden Werkstückzähnezahlen genutzt werden kann.

Beim Formen werden Profilwerkzeuge genutzt, die dem Gegenbild des gewünschten Zahnrades entsprechen. Das bedeutet, dass die Verzahnungsmaschine die herzustellende Zahnlücke im Werkstück durch das genutzte Werkzeug erreicht. Dabei müssen für unterschiedliche Zähnezahlen unterschiedliche Formen des benötigten Werkzeuges genutzt werden, da diese das hergestellte Zahnrad beeinflussen. Im Gegensatz zum wälzenden Verfahren kann das Werkzeug somit nicht universell eingesetzt werden kann.

Das Vorgehen einer Wälzstoßmaschine

Das Wälzstoßen kann mit der generellen Wirkungsweise eines Zahnradpaares verglichen werden. Das Werkzeug, ein sogenanntes Schneidrad, benutzt Zähne mit Evolventenform, welche mit einer Stoßbewegung in das Werkstück schneiden können. Dadurch entsteht die Zahnlücke des Zahnrades. Anschließend muss das Schneidrad vom herzustellenden Zahnrad abghoben und mit einem Rückhub in seine Ausgangslage gebracht werden. Dieser Rückhub ist keine wertschöpfende Bewegung und damit unproduktiv.

Werkstück und Werkzeug besitzen beide eine rotatorische Bewegung, um das benötigte Profil im Werkstück durch das so genannte Wälzstoßen zu erzeugen. Das hergestellte Zahnrad bildet somit den Gegenpart zum genutzten Schneidrad.

In der Regel eignen sich konventionelle Wälzstoßmaschinen für geradverzahnte Stirnräder. Ein Umrüsten auf eine Schrägverzahnung ist nur mit einem hohen Aufwand und daraus resultierend hohen Kosten möglich. Anders sieht es bei programmierbaren Maschinen aus: die CNC-Steuerung bringt eine deutliche Verbesserung, da mithilfe der Computersteuerung auch schrägverzahnte Werkstücke ohne ein vorheriges Umrüsten hergestellt werden können.

Wälzfräsmaschinen und ihre Vorteile

Wälzfräsen zählt im Gegensatz zum Wälzstoßen zu den kontinuierlich arbeitenden Verzahnungsverfahren. Die kontinuierliche Schnittgeschwindigkeit wird durch den drehenden Fräser erzeugt, welcher flexibel eingestellt werden kann. Somit kommt es bei Wälzfräsmaschinen auch zu keiner Einschränkung der herstellbaren Profile und Schrägungswinkel. Durch ein einfaches Umstellen können sowohl geradverzahnte als auch schrägverzahnte Zahnräder erzeugt werden.

Zusätzlich ist beim Wälzfräsen jede Bewegung eine wertschöpfende Bewegung. Es gibt keinen unproduktiven Rückhub, wodurch es eine erhöhte Produktivität im Vergleich zu anderen Verzahnungsverfahren, wie bspw. dem Wälzstoßen erreicht. Durch die schneidende Bewegung verschleißen die Zähne des Fräsers, welcher jedoch zuerst verschoben werden kann, sodass eine bisher ungenutzt Stelle die schneidende Bewegung ausführt. Erst sobald der Fräserkopf über seine gesamte Länge verschlissen ist, muss das Werkzeug gewechselt werden.