Bearbeitungsprozess von Zahnrädern, Schnittparameter und Werkzeuganforderungen, wenn das Zahnrad zu hart zum Drehen ist und die Bearbeitungseffizienz verbessert werden muss.

Zahnräder sind die wichtigsten Antriebselemente in der Automobilindustrie. Üblicherweise verfügen Automobile über 18 bis 30 Zähne an ihren Zahnrädern. Die Qualität der Zahnräder beeinflusst direkt Geräuschentwicklung, Stabilität und Lebensdauer des Fahrzeugs. Werkzeugmaschinen zur Zahnradbearbeitung sind komplexe Anlagen und Schlüsselkomponenten der Automobilindustrie. Die weltweit führenden Automobilhersteller wie die USA, Deutschland und Japan sind gleichzeitig auch bedeutende Hersteller von Werkzeugmaschinen zur Zahnradbearbeitung. Statistiken zufolge werden in China über 80 % der Automobilzahnräder mit inländischen Maschinen gefertigt. Gleichzeitig verbraucht die Automobilindustrie über 60 % aller Werkzeugmaschinen zur Zahnradbearbeitung und wird auch in Zukunft der größte Abnehmer von Werkzeugmaschinen bleiben.

Zahnradbearbeitungstechnologie

1. Gießen und Rohlingsherstellung

Das Warmschmieden ist nach wie vor ein weit verbreitetes Gussverfahren für Rohlinge von Automobilgetriebeteilen. In den letzten Jahren hat sich das Kreuzkeilwalzen in der Wellenbearbeitung stark etabliert. Dieses Verfahren eignet sich besonders für die Herstellung von Rohlingen für komplexe Türwellen. Es zeichnet sich nicht nur durch hohe Präzision und geringe Nachbearbeitungszugaben aus, sondern auch durch eine hohe Produktionseffizienz.

2. Normalisierung

Ziel dieses Prozesses ist es, die für die nachfolgende Verzahnung erforderliche Härte zu erzielen und das Mikrogefüge für die abschließende Wärmebehandlung vorzubereiten, um so die Verformung durch die Wärmebehandlung effektiv zu reduzieren. Als Werkstoff wird üblicherweise 20CrMnTi-Getriebestahl verwendet. Aufgrund des großen Einflusses von Personal, Anlagen und Umgebungsbedingungen sind die Abkühlgeschwindigkeit und die Abkühlgleichmäßigkeit des Werkstücks schwer zu kontrollieren. Dies führt zu einer großen Härtestreuung und einem ungleichmäßigen metallografischen Gefüge, was sich direkt auf die Zerspanung und die abschließende Wärmebehandlung auswirkt und große und unregelmäßige thermische Verformungen sowie eine unkontrollierbare Teilequalität zur Folge hat. Daher wird ein isothermes Normalglühverfahren angewendet. Die Praxis hat gezeigt, dass das isotherme Normalglühen die Nachteile des herkömmlichen Normalglühens wirksam behebt und eine stabile und zuverlässige Produktqualität gewährleistet.

3. Drehung

Um die Positionieranforderungen der hochpräzisen Zahnradbearbeitung zu erfüllen, werden die Zahnradrohlinge ausschließlich auf CNC-Drehmaschinen bearbeitet und dabei mechanisch eingespannt, ohne dass das Drehwerkzeug nachgeschliffen werden muss. Die Bearbeitung von Bohrungsdurchmesser, Stirnfläche und Außendurchmesser erfolgt synchron in einem Arbeitsgang. Dies gewährleistet nicht nur die Einhaltung der Vertikalitätsanforderungen an Bohrung und Stirnfläche, sondern auch eine geringe Maßstreuung der Zahnradrohlinge. Dadurch wird die Genauigkeit der Zahnradrohlinge verbessert und die Bearbeitungsqualität der nachfolgenden Zahnräder sichergestellt. Darüber hinaus reduziert die hohe Effizienz der NC-Drehbearbeitung den Maschineneinsatz erheblich und ist somit wirtschaftlich.

4. Wälzfräsen und Zahnradformen

Herkömmliche Wälzfräsmaschinen und Zahnradformmaschinen werden nach wie vor häufig zur Zahnradbearbeitung eingesetzt. Obwohl sie einfach einzustellen und zu warten sind, ist ihre Produktionseffizienz gering. Bei größeren Stückzahlen müssen mehrere Maschinen gleichzeitig eingesetzt werden. Dank der Entwicklung von Beschichtungstechnologien lassen sich Wälzfräser und Stempel nach dem Schleifen sehr einfach nachbeschichten. Die Standzeit beschichteter Werkzeuge kann dadurch deutlich, in der Regel um mehr als 90 %, verlängert werden. Dies reduziert effektiv die Anzahl der Werkzeugwechsel und die Schleifzeit und bietet somit erhebliche Vorteile.

5. Rasieren

Die Radialzahnradschabtechnologie findet aufgrund ihrer hohen Effizienz und der einfachen Umsetzung von Modifikationsanforderungen hinsichtlich Zahnprofil und Zahnrichtung breite Anwendung in der Automobil-Serienfertigung. Seit das Unternehmen 1995 eine spezielle Radialzahnradschabmaschine eines italienischen Herstellers zur technischen Modernisierung erwarb, verfügt es über ausgereifte Kenntnisse in der Anwendung dieser Technologie und erzielt eine gleichbleibend hohe Bearbeitungsqualität.

6. Wärmebehandlung

Automobilzahnräder müssen aufgekohlt und abgeschreckt werden, um ihre guten mechanischen Eigenschaften zu gewährleisten. Stabile und zuverlässige Wärmebehandlungsanlagen sind unerlässlich für Produkte, die nach der Wärmebehandlung nicht mehr geschliffen werden müssen. Das Unternehmen hat die kontinuierliche Aufkohlungs- und Abschreckanlage von German Lloyd eingeführt, die zufriedenstellende Wärmebehandlungsergebnisse erzielt.

7. Schleifen

Es wird hauptsächlich zur Nachbearbeitung der wärmebehandelten Zahnradinnenbohrung, Stirnfläche, des Wellenaußendurchmessers und anderer Teile verwendet, um die Maßgenauigkeit zu verbessern und die geometrische Toleranz zu verringern.

Bei der Zahnradbearbeitung wird eine Teilkreisvorrichtung zum Positionieren und Spannen verwendet, wodurch die Bearbeitungsgenauigkeit der Zähne und die Montagereferenz effektiv sichergestellt und eine zufriedenstellende Produktqualität erzielt werden kann.

8. Abschluss

Dies dient der Überprüfung und Reinigung der Unebenheiten und Grate an den Zahnradteilen des Getriebes und der Antriebsachse vor der Montage, um Geräusche und sonstige Störungen nach der Montage zu vermeiden. Die Geräuschentwicklung wird durch Einzeleingriffe geprüft oder die Eingriffsabweichung mit einem Prüfgerät beobachtet. Die vom Hersteller produzierten Getriebegehäuseteile umfassen Kupplungsgehäuse, Getriebegehäuse und Differentialgehäuse. Kupplungsgehäuse und Getriebegehäuse sind tragende Teile und werden in der Regel im Druckgussverfahren aus Aluminiumlegierung hergestellt. Ihre Form ist unregelmäßig und komplex. Der allgemeine Prozessablauf ist: Fräsen der Fügefläche → Bearbeitung von Bohrungen und Verbindungslöchern → Vorbohren der Lagerbohrungen → Feinbohren der Lagerbohrungen und Passstiftbohrungen → Reinigung → Dichtheitsprüfung.

Parameter und Anforderungen an Zahnradschneidwerkzeuge

Zahnräder verformen sich nach dem Aufkohlen und Abschrecken stark. Insbesondere bei großen Zahnrädern ist die Maßverformung des aufgekohlten und abgeschreckten Außenkreises und der Innenbohrung in der Regel sehr groß. Für das Drehen des aufgekohlten und abgeschreckten Zahnradaußenkreises gab es bisher jedoch kein geeignetes Werkzeug. Das von „Valin Superhard“ entwickelte Werkzeug bn-h20 für das hochfeste intermittierende Drehen von abgeschrecktem Stahl korrigiert die Verformung der Innenbohrung und Stirnfläche des aufgekohlten und abgeschreckten Zahnradaußenkreises und stellt somit ein geeignetes Werkzeug für das intermittierende Schneiden dar. Dies bedeutet einen weltweiten Durchbruch auf dem Gebiet des intermittierenden Schneidens mit superharten Werkzeugen.

Verformung beim Aufkohlen und Abschrecken von Zahnrädern: Die Verformung beim Aufkohlen und Abschrecken von Zahnrädern wird hauptsächlich durch das Zusammenwirken von Eigenspannungen, die bei der Bearbeitung entstehen, thermischen und strukturellen Spannungen, die bei der Wärmebehandlung entstehen, sowie der Eigenverformung des Werkstücks verursacht. Insbesondere bei großen Zahnkränzen und Zahnrädern verstärkt sich die Verformung nach dem Aufkohlen und Abschrecken aufgrund ihres hohen Elastizitätsmoduls, der tiefen Aufkohlungsschicht, der langen Aufkohlungszeit und ihres Eigengewichts. Verformungsgesetz großer Zahnradwellen: Der Außendurchmesser des Kopfkreises zeigt eine deutliche Verengungstendenz, während sich die Zahnwelle in der Mitte verjüngt und an den Enden leicht ausdehnt. Verformungsgesetz des Zahnkranzes: Nach dem Aufkohlen und Abschrecken dehnt sich der Außendurchmesser großer Zahnkränze aus. Bei unterschiedlicher Zahnbreite nimmt die Verformung in Richtung der Zahnbreite eine konische oder trichterförmige Gestalt an.

Zahnraddrehen nach dem Aufkohlen und Abschrecken: Die Verformung des Zahnkranzes durch das Aufkohlen und Abschrecken lässt sich bis zu einem gewissen Grad kontrollieren und reduzieren, aber nicht vollständig vermeiden. Im Folgenden wird kurz auf die Machbarkeit von Dreh- und Schneidwerkzeugen nach dem Aufkohlen und Abschrecken eingegangen, um die Verformung zu korrigieren.

Drehen des Außenkreises, der Innenbohrung und der Stirnfläche nach dem Einsatzhärten und Abschrecken: Drehen ist die einfachste Methode, die Verformung des Außenkreises und der Innenbohrung des eingesetzten und abgeschreckten Zahnkranzes zu korrigieren. Bisher konnte kein Werkzeug, auch nicht ausländische Superhard-Werkzeuge, das Problem des stark diskontinuierlichen Schneidens des Außenkreises des abgeschreckten Zahnkranzes lösen. Valin Superhard wurde mit der Werkzeugforschung und -entwicklung beauftragt. „Das diskontinuierliche Schneiden von gehärtetem Stahl war schon immer ein schwieriges Problem, insbesondere bei gehärtetem Stahl mit einer Härte von etwa HRC60 und großen Verformungszugaben. Beim Drehen von gehärtetem Stahl mit hoher Geschwindigkeit und diskontinuierlichem Schneiden des Werkstücks erfährt das Werkzeug beim Schneiden des gehärteten Stahls mehr als 100 Schläge pro Minute, was eine große Herausforderung für die Schlagfestigkeit des Werkzeugs darstellt“, so die Experten des Chinesischen Messerverbandes. Nach einem Jahr wiederholter Tests hat Valin Superhard ein Superhard-Schneidwerkzeug für das Drehen von gehärtetem Stahl mit starker Diskontinuität auf den Markt gebracht. Der Drehversuch wird am Außenkreis des Zahnrads nach dem Aufkohlen und Abschrecken durchgeführt.

Experiment zum Drehen von zylindrischen Zahnrädern nach dem Aufkohlen und Abschrecken

Das große Zahnrad (Zahnkranz) war nach dem Aufkohlen und Abschrecken stark verformt. Die Verformung des Außenkreises des Zahnkranzes betrug bis zu 2 mm, und die Härte nach dem Abschrecken lag bei HRC 60–65. Zu diesem Zeitpunkt war es für den Kunden schwierig, eine Schleifmaschine mit großem Durchmesser zu finden, die Bearbeitungszugabe war groß und die Schleifleistung zu gering. Schließlich wurde das aufgekohlte und abgeschreckte Zahnrad gedreht.

Schnittgeschwindigkeit: 50–70 m/min, Schnitttiefe: 1,5–2 mm, Schnittabstand: 0,15–0,2 mm/Umdrehung (angepasst an die Rauheitsanforderungen)

Beim Drehen des gehärteten Zahnrad-Exkreises erfolgt die Bearbeitung in einem Arbeitsgang. Das ursprünglich importierte Keramikwerkzeug musste mehrfach nachbearbeitet werden, um Verformungen zu beseitigen. Zudem war der Kantenbruch gravierend, und die Werkzeugkosten waren sehr hoch.

Ergebnisse des Werkzeugtests: Das Werkzeug ist schlagfester als das ursprünglich importierte Siliziumnitrid-Keramikwerkzeug und seine Standzeit ist bei dreifacher Schnitttiefe sechsmal so hoch! Die Schnittleistung hat sich verdreifacht (vorher drei Schnitte, jetzt nur noch einer). Die Oberflächenrauheit des Werkstücks entspricht den Anforderungen des Anwenders. Besonders hervorzuheben ist, dass das Werkzeug nicht durch einen Schneidkantenbruch, sondern durch normalen Verschleiß der Rückseite ausfällt. Dieser Experiment zur intermittierenden Drehbearbeitung von gehärteten Zahnrädern widerlegte den Mythos, dass hochharte Werkzeuge nicht für die intensive intermittierende Drehbearbeitung von gehärtetem Stahl geeignet sind! Er sorgte in Fachkreisen der Zerspanungstechnik für großes Aufsehen!

Oberflächenbeschaffenheit der hartgedrehten Innenbohrung des Zahnrads nach dem Abschrecken

Am Beispiel des intermittierenden Schneidens einer Zahnradinnenbohrung mit Ölnut lässt sich zeigen: Die Standzeit des Testschneidwerkzeugs erreicht über 8000 Meter, und die Oberflächenrauheit liegt innerhalb von Ra 0,8. Bei Verwendung eines superharten Werkzeugs mit polierter Schneide kann die Oberflächenrauheit des gehärteten Stahls beim Drehen etwa Ra 0,4 erreichen. Dadurch wird eine gute Werkzeugstandzeit erzielt.

Bearbeitung der Stirnfläche des Zahnrads nach dem Einsatzhärten und Abschrecken

Als typische Anwendung des Drehens anstelle des Schleifens findet die Bearbeitung von Zahnradstirnflächen durch Hartdrehen nach dem Erhitzen breite Anwendung. Im Vergleich zum Schleifen verbessert das Hartdrehen die Arbeitseffizienz erheblich.

Bei einsatzgehärteten und abgeschreckten Zahnrädern sind die Anforderungen an die Schneidwerkzeuge sehr hoch. Erstens erfordert die intermittierende Zerspanung eine hohe Härte, Schlagfestigkeit, Zähigkeit, Verschleißfestigkeit, Oberflächenrauheit und weitere Eigenschaften des Werkzeugs.

Überblick:

Für das Drehen nach dem Aufkohlen und Abschrecken sowie für das Stirnflächendrehen haben sich herkömmliche, geschweißte Verbundwerkzeuge aus kubischem Bornitrid etabliert. Die Abtragung der Maßverformung am Außenkreis und der Innenbohrung von aufgekohlten und abgeschreckten großen Zahnkranzringen stellt jedoch nach wie vor eine Herausforderung dar. Das intermittierende Drehen von abgeschrecktem Stahl mit dem superharten kubischen Bornitrid-Werkzeug BN-H20 von Valin ist ein bedeutender Fortschritt in der Werkzeugindustrie. Es fördert die breite Anwendung des Verfahrens „Drehen statt Schleifen“ in der Zahnradindustrie und bietet eine Lösung für das seit Jahren bestehende Problem der Werkzeuge zum zylindrischen Drehen gehärteter Zahnräder. Darüber hinaus trägt es wesentlich zur Verkürzung des Fertigungszyklus von Zahnkranzringen und zur Senkung der Produktionskosten bei. Die Fräser der BN-H20-Serie gelten in der Branche als weltweit führendes Werkzeug für das intermittierende Drehen von abgeschrecktem Stahl.