Zahnradbearbeitungsprozess, Schnittparameter und Werkzeuganforderungen, wenn das Zahnrad zu schwer zum Drehen ist und die Bearbeitungseffizienz verbessert werden muss

Zahnräder sind das wichtigste Antriebselement in der Automobilindustrie. Jedes Auto hat in der Regel 18 bis 30 Zähne. Die Qualität der Zahnräder wirkt sich direkt auf Geräuschentwicklung, Stabilität und Lebensdauer des Fahrzeugs aus. Zahnradbearbeitungsmaschinen sind komplexe Werkzeugmaschinensysteme und ein Schlüsselelement der Automobilindustrie. Weltweit führende Automobilhersteller wie die USA, Deutschland und Japan sind auch führende Hersteller von Zahnradbearbeitungsmaschinen. Laut Statistik werden in China über 80 % der Autozahnräder von inländischen Zahnradherstellern hergestellt. Gleichzeitig verbraucht die Automobilindustrie über 60 % der Zahnradbearbeitungsmaschinen und wird auch in Zukunft den größten Teil des Werkzeugmaschinenverbrauchs ausmachen.

Zahnradbearbeitungstechnologie

1. Gießen und Rohlingherstellung

Das Warmschmieden ist nach wie vor ein weit verbreitetes Rohlingsverfahren für Automobilgetriebeteile. In den letzten Jahren hat sich die Querkeilwalztechnologie in der Wellenbearbeitung stark etabliert. Diese Technologie eignet sich besonders für die Herstellung von Knüppeln für komplexe Türwellen. Sie zeichnet sich nicht nur durch hohe Präzision und geringe Nachbearbeitungszugaben aus, sondern auch durch eine hohe Produktionseffizienz.

2. Normalisieren

Der Zweck dieses Prozesses besteht darin, die für das anschließende Zahnradschneiden geeignete Härte zu erhalten und die Mikrostruktur für die abschließende Wärmebehandlung vorzubereiten, um so die Verformung durch die Wärmebehandlung wirksam zu reduzieren. Als Material für den verwendeten Zahnradstahl wird üblicherweise 20CrMnTi verwendet. Aufgrund des großen Einflusses von Personal, Ausrüstung und Umgebung sind Abkühlgeschwindigkeit und Abkühlungsgleichmäßigkeit des Werkstücks schwer zu kontrollieren, was zu einer großen Härtestreuung und einer ungleichmäßigen metallografischen Struktur führt, die sich direkt auf das Metallschneiden und die abschließende Wärmebehandlung auswirkt und zu großer und unregelmäßiger thermischer Verformung und unkontrollierbarer Teilequalität führt. Daher wird das isotherme Normalisierungsverfahren angewendet. Die Praxis hat gezeigt, dass isotherme Normalisierung die Nachteile der allgemeinen Normalisierung wirksam beheben und die Produktqualität stabil und zuverlässig machen kann.

3. Drehen

Um den Positionierungsanforderungen der hochpräzisen Zahnradbearbeitung gerecht zu werden, werden die Zahnradrohlinge ausschließlich auf CNC-Drehmaschinen bearbeitet, die mechanisch gespannt werden, ohne dass der Drehmeißel nachgeschliffen werden muss. Die Bearbeitung von Lochdurchmesser, Stirnfläche und Außendurchmesser erfolgt synchron durch einmaliges Spannen. Dies gewährleistet nicht nur die Vertikalität von Innenloch und Stirnfläche, sondern auch eine geringe Größenstreuung der Zahnradrohlinge. Dadurch wird die Genauigkeit des Zahnradrohlings verbessert und die Bearbeitungsqualität nachfolgender Zahnräder sichergestellt. Darüber hinaus reduziert die hohe Effizienz der NC-Drehbearbeitung den Maschinenbedarf erheblich und sorgt für eine hohe Wirtschaftlichkeit.

4. Wälzfräsen und Wälzstoßen

Herkömmliche Wälzfräsmaschinen und Wälzstoßmaschinen werden nach wie vor häufig zur Zahnradbearbeitung eingesetzt. Obwohl sie einfach einzustellen und zu warten sind, ist die Produktionseffizienz gering. Bei großen Kapazitäten müssen mehrere Maschinen gleichzeitig produziert werden. Dank der Weiterentwicklung der Beschichtungstechnologie ist es sehr einfach, Wälzfräser und Stößel nach dem Schleifen erneut zu beschichten. Die Lebensdauer beschichteter Werkzeuge kann deutlich verbessert werden, in der Regel um mehr als 90 %, wodurch die Anzahl der Werkzeugwechsel und die Schleifzeit effektiv reduziert werden, was erhebliche Vorteile mit sich bringt.

5. Rasieren

Die Radialzahnradschabetechnologie wird aufgrund ihrer hohen Effizienz und der einfachen Umsetzung von Anpassungsanforderungen an Zahnprofil und Zahnrichtung häufig in der Massenproduktion von Automobilgetrieben eingesetzt. Seit dem Erwerb der speziellen Radialzahnradschabemaschine eines italienischen Unternehmens zur technischen Transformation im Jahr 1995 ist die Anwendung dieser Technologie ausgereift und die Verarbeitungsqualität stabil und zuverlässig.

6. Wärmebehandlung

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

7. Schleifen

Es wird hauptsächlich zum Fertigbearbeiten der wärmebehandelten Innenbohrung, der Stirnfläche, des Wellenaußendurchmessers und anderer Teile von Zahnrädern verwendet, um die Maßgenauigkeit zu verbessern und die geometrische Toleranz zu verringern.

Bei der Zahnradbearbeitung wird zur Positionierung und Klemmung eine Teilkreisvorrichtung verwendet, die die Bearbeitungsgenauigkeit des Zahns und der Installationsreferenz wirksam sicherstellen und eine zufriedenstellende Produktqualität erzielen kann.

8. Fertigstellung

Dies dient dazu, die Unebenheiten und Grate an den Zahnradteilen des Getriebes und der Antriebsachse vor der Montage zu prüfen und zu reinigen, um so die dadurch verursachten Geräusche und ungewöhnlichen Geräusche nach der Montage zu beseitigen. Hören Sie das Geräusch beim Einkuppeln eines einzelnen Paares oder beobachten Sie die Einkuppelabweichung auf einem umfassenden Tester. Die vom Hersteller produzierten Getriebegehäuseteile umfassen Kupplungsgehäuse, Getriebegehäuse und Differentialgehäuse. Kupplungsgehäuse und Getriebegehäuse sind tragende Teile, die normalerweise durch spezielles Druckgießen aus einer Aluminiumlegierung hergestellt werden. Die Form ist unregelmäßig und komplex. Der allgemeine Prozessablauf ist Fräsen der Verbindungsfläche → Bearbeiten von Prozesslöchern und Verbindungslöchern → Grobbohren der Lagerlöcher → Feinbohren der Lagerlöcher und Positionierstiftlöcher → Reinigen → Dichtheitsprüfung und -erkennung.

Parameter und Anforderungen an Verzahnungswerkzeuge

Zahnräder verformen sich nach dem Aufkohlen und Abschrecken stark. Insbesondere bei großen Zahnrädern ist die Dimensionsverformung des aufgekohlten und abgeschreckten Außenkreises und der Innenbohrung im Allgemeinen sehr groß. Für das Drehen des aufgekohlten und abgeschreckten Außenkreises gab es jedoch bisher kein geeignetes Werkzeug. Das von „Valin Superhard“ entwickelte BN-H20-Werkzeug für das starke intermittierende Drehen von gehärtetem Stahl korrigiert die Verformung des aufgekohlten und abgeschreckten Außenkreises, der Innenbohrung und der Stirnfläche des Zahnrads und stellt ein geeignetes intermittierendes Schneidwerkzeug dar. Es stellt einen weltweiten Durchbruch auf dem Gebiet des intermittierenden Schneidens mit superharten Werkzeugen dar.

Verformung durch Aufkohlen und Abschrecken von Zahnrädern: Die Verformung durch Aufkohlen und Abschrecken von Zahnrädern wird hauptsächlich durch das Zusammenspiel der bei der Bearbeitung entstehenden Restspannungen, der bei der Wärmebehandlung entstehenden thermischen und strukturellen Spannungen sowie der Verformung durch das Eigengewicht des Werkstücks verursacht. Besonders bei großen Zahnkränzen und Zahnrädern verstärken große Zahnkränze aufgrund ihres hohen Moduls, ihrer tiefen Aufkohlungsschicht, ihrer langen Aufkohlungszeit und ihres Eigengewichts die Verformung nach dem Aufkohlen und Abschrecken. Verformungsgesetz großer Zahnradwellen: Der Außendurchmesser des Zahnkopfkreises zeigt eine deutliche Kontraktionstendenz, in Richtung der Zahnbreite einer Zahnradwelle ist die Mitte jedoch kleiner und die beiden Enden sind leicht aufgeweitet. Verformungsgesetz des Zahnkranzes: Nach dem Aufkohlen und Abschrecken vergrößert sich der Außendurchmesser eines großen Zahnkranzes. Bei unterschiedlichen Zahnbreiten verläuft die Zahnbreite konisch oder trommelförmig.

Zahnraddrehen nach dem Aufkohlen und Abschrecken: Die Verformung des Zahnkranzes durch das Aufkohlen und Abschrecken kann kontrolliert und bis zu einem gewissen Grad reduziert werden, sie lässt sich jedoch nicht vollständig vermeiden. Im Folgenden wird kurz auf die Durchführbarkeit von Dreh- und Schneidwerkzeugen nach dem Aufkohlen und Abschrecken eingegangen, um die Verformung nach dem Aufkohlen und Abschrecken zu korrigieren.

Drehen des Außenkreises, der Innenbohrung und der Stirnfläche nach dem Aufkohlen und Abschrecken: Drehen ist die einfachste Methode, um die Verformung des Außenkreises und der Innenbohrung eines aufgekohlten und abgeschreckten Hohlrads zu korrigieren. Bisher konnte kein Werkzeug, auch keine ausländischen superharten Werkzeuge, das Problem der stark unterbrochenen Schnitte am Außenkreis des abgeschreckten Zahnrads lösen. Valin Superhard wurde beauftragt, Forschungs- und Entwicklungsarbeiten an dem Werkzeug durchzuführen: „Die unterbrochene Schnitte in gehärtetem Stahl waren schon immer ein schwieriges Problem, ganz zu schweigen von gehärtetem Stahl mit einer Härte von etwa HRC60 und einer großen Verformungstoleranz. Beim Drehen von gehärtetem Stahl mit hoher Geschwindigkeit und unterbrochenen Schnitten führt das Werkzeug die Bearbeitung mit über 100 Schlägen pro Minute durch, was eine enorme Herausforderung für die Schlagfestigkeit des Werkzeugs darstellt“, so die Experten der Chinese Knife Association. Nach einem Jahr wiederholter Tests hat Valin Superhard die Marke superharter Schneidwerkzeuge zum Drehen von gehärtetem Stahl mit starker Unterbrechung auf den Markt gebracht; Der Drehversuch wird am Außenkreis des Zahnrades nach dem Aufkohlen und Abschrecken durchgeführt.

Experiment zum Drehen von Stirnrädern nach dem Aufkohlen und Abschrecken

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

Lineare 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 Zahnrads wird die Bearbeitung auf einmal abgeschlossen. Das ursprünglich importierte Keramikwerkzeug kann nur mehrmals bearbeitet werden, um die Verformung zu beseitigen. Darüber hinaus ist der Kanteneinbruch schwerwiegend und die Nutzungskosten des Werkzeugs sind sehr hoch.

Ergebnisse des Werkzeugtests: Es ist schlagfester als das importierte Siliziumnitrid-Keramikwerkzeug und hat eine sechsmal höhere Lebensdauer als Siliziumnitrid-Keramikwerkzeuge, wenn die Schnitttiefe um das Dreifache erhöht wird! Die Schnittleistung ist um das Dreifache erhöht (früher dreimal, jetzt nur noch einmal). Auch die Oberflächenrauheit des Werkstücks entspricht den Anforderungen des Anwenders. Besonders hervorzuheben ist, dass die endgültige Ausfallform des Werkzeugs nicht der besorgniserregende Kantenbruch, sondern der normale Verschleiß der Rückseite ist. Dieses Experiment mit dem intermittierenden Drehen von gehärteten Zahnrädern widerlegte den Mythos, dass superharte Werkzeuge in der Industrie nicht für das intermittierende Drehen von gehärtetem Stahl geeignet sind! Es hat in der Fachwelt der Schneidwerkzeuge für großes Aufsehen gesorgt!

Oberflächenbeschaffenheit der Hartdreh-Innenbohrung eines Zahnrads nach dem Abschrecken

Am Beispiel des intermittierenden Fräsens einer Zahnradinnenbohrung mit Ölnut: Die Standzeit des Probeschneidwerkzeugs beträgt über 8000 Meter, und die Oberflächengüte liegt innerhalb von Ra0,8. Bei Verwendung eines superharten Werkzeugs mit Polierkante kann die Drehgüte von gehärtetem Stahl etwa Ra0,4 erreichen. Dadurch werden gute Standzeiten erreicht.

Bearbeitung der Stirnfläche des Zahnrads nach dem Aufkohlen und Abschrecken

Als typische Anwendung von „Drehen statt Schleifen“ werden Klingen aus kubischem Bornitrid häufig in der Produktionspraxis zum Hartdrehen von Zahnradstirnflächen nach dem Erhitzen eingesetzt. Im Vergleich zum Schleifen verbessert das Hartdrehen die Arbeitseffizienz erheblich.

Bei aufgekohlten und abgeschreckten Zahnrädern sind die Anforderungen an die Fräser sehr hoch. Erstens erfordert das intermittierende Schneiden eine hohe Härte, Schlagfestigkeit, Zähigkeit, Verschleißfestigkeit, Oberflächenrauheit und andere Eigenschaften des Werkzeugs.

Überblick:

Zum Drehen nach dem Aufkohlen und Abschrecken sowie zum Stirnflächendrehen haben sich herkömmliche geschweißte Verbundwerkzeuge aus kubischem Bornitrid etabliert. Bei der Dimensionsverformung des Außenkreises und der Innenbohrung von aufgekohlten und abgeschreckten großen Zahnkränzen ist es jedoch immer schwierig, diese Verformung stark zu reduzieren. Das intermittierende Drehen von gehärtetem Stahl mit dem superharten Valin-Werkzeug aus kubischem Bornitrid bn-h20 stellt einen großen Fortschritt in der Werkzeugindustrie dar und fördert die breite Verbreitung des Verfahrens „Drehen statt Schleifen“ in der Zahnradindustrie. Zudem bietet es eine Lösung für das seit Jahren bestehende Problem gehärteter zylindrischer Drehwerkzeuge für Zahnräder. Es ist außerdem von großer Bedeutung, den Herstellungszyklus von Zahnkränzen zu verkürzen und die Produktionskosten zu senken. Fräser der Serie bn-h20 gelten in der Branche als Weltmodell für robustes intermittierendes Drehen von gehärtetem Stahl.