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Montag, 14 September 2020 08:40

Entgraten und Anfasen von Zahnrädern

von Niklas Müller
Geschätzte Lesezeit: 6 - 12 Minuten

Zahnräder werden in allen Bereichen der Technik genutzt und arbeiten nur dann störungsfrei, wenn sie optimal entgratet oder angefast werden. Untersuchungen zeigen, dass die Ausbildung der Grate von der Herstellung der Zahnräder abhängt, in der Regel das Gefüge des Werkstoffs in der Nähe der Grate deformiert ist und daher durch Anfasen entfernt werden muss. Große Grate entstehen z. B. beim Austritt des Fräsers aus dem Werkstück, aber auch beim Beginn des Wälzfräsens entsteht ein sogenannter Poissongrat. Das Verfahren, das solche Grate auch an geometrisch schlecht zugänglichen Stellen anfasen kann, nutzt Fräser, die nach einer eigens entwickelten Synchronisation der Drehwinkel von Werkzeug und Werkstück in sehr kurzer Zeit Fasen in einer Größe bis zu 2 mm in sehr guter Qualität anbringen kann. Die Präzision der Fasen wird anhand einer Konturmessung sowie durch Analyse der entstehenden Späne nachgewiesen.

Abb. 1: Durch Wälzfräsen hergestelltes Zahnrad mit  ausgeprägter Gratbildung auf der Austrittsseite des WälzfräsersAbb. 1: Durch Wälzfräsen hergestelltes Zahnrad mit ausgeprägter Gratbildung auf der Austrittsseite des WälzfräsersDas typische Symbol des Maschinenbaus ist seit hunderten von Jahren das Zahnrad, das Maschinen oder Fahrzeuge bewegt und ganz allgemein bewirkt, dass Drehbewegungen übertragen und/oder übersetzt werden können. Zahnräder werden durch Gießen, Schmieden, Feinschneiden oder mit spanenden Bearbeitungsverfahren wie Wälzfräsen, Wälzstoßen, Wälzschälen oder Räumen hergestellt. Die spanenden Verfahren werden vor allem bei Zahnrädern genutzt, wenn große Kräfte übertragen werden müssen und/oder wenn die Getriebe auch bei hohen Drehzahlen laufruhig und besonders leise arbeiten sollen. Alle spanenden Verfahren produzieren mehr oder weniger große Grate beim Austritt des Verzahnungswerkzeugs aus der Zahnlücke auf die Planflächen der Zahnräder (Abb. 1).

Nicht alle Grate sind so stark ausgeprägt wie in Abbildung 1, aber auch kleinere Grate oder scharfe Kanten können ein Zahnrad für den vorgesehenen Einsatz unbrauchbar machen. Wenn solche Zahnräder weiterverarbeitet und für den Gebrauch in ein Getriebe montiert werden, können folgende Probleme auftreten:

  • Die weitere Handhabung kann das beteiligte Personal verletzen
  • Das Zahnrad kann beim Transport an den Zahnstirnkanten beschädigt werden
  • Ein Überkohlen der Kanten bei der Wärmebehandlung durch Einsatzhärten kann im späteren Einsatz Kantenausbrüche verursachen
  • Die Planflächen der Zahnräder werden oft als Anschlagfläche oder als Spannfläche für eine nachfolgende Hartfeinbearbeitung genutzt; nur gratfreie Planflächen können eine störungsfreie Weiterverarbeitung garantieren
  • Die Standzeiten der Werkzeuge für eine ­nachfolgende Hartfeinbearbeitung wie Schleifscheiben oder Honwerkzeuge werden beeinträchtigt
  • Es können Probleme bei der Montage von Getrieben auftreten, insbesondere wenn diese automatisch erfolgt
  • Durch beschädigte Flanken oder Restgrate an den Zahnrädern kommt es zu einer größeren Lärmemission der Getriebe
  • Gratreste können ein Getriebe infolge ihrer abrasiven Wirkung zerstören

Aus diesen Gründen werden alle spanend gefertigten Zahnräder entgratet. Die meisten mechanischen Entgratverfahren hinterlassen scharfe Kanten, die aufgrund der steigenden Anforderungen an die Zahnräder und Getriebe zunehmend ungenügend sind.

Wenn die geforderte Entgratqualität von Zahnrädern nicht außergewöhnlich hoch ist, kann eines der einfacheren Verfahren eingesetzt werden. Neben ungezielt arbeitenden Verfahren wie Gleitschleifen, elektrochemisches Badentgraten oder das Thermische Entgraten (TEM) existiert die Methode mit Entgratscheiben oder Feilscheiben. Sie alle sind in der Lage, Grate vom Verzahnungsprozess sicher zu entfernen, hinterlassen aber scharfe Kanten, teilweise mit Restgrat (Abb. 2)

 Abb. 2: Aufnahme eines mit einer Entgratscheibe  bearbeiteten Zahnrads. Deutlich erkennbar sind neben  der „verschnittenen“ Oberfläche die Restgrate an den  ZahnstirnkantenAbb. 2: Aufnahme eines mit einer Entgratscheibe bearbeiteten Zahnrads. Deutlich erkennbar sind neben der „verschnittenen“ Oberfläche die Restgrate an den Zahnstirnkanten

 Abb. 3: Gratentstehung beim Austritt eines Fräsers unter  verschiedenen Winkeln [1]Abb. 3: Gratentstehung beim Austritt eines Fräsers unter verschiedenen Winkeln [1]

Um ein Zahnrad mit guter Entgratqualität, ohne Restgrate und scharfe Kanten zu produzieren, ist die beste Methode das Anbringen einer definierten Fase. Dies stellt sicher, dass keinerlei Gratreste die Planflächen der Zahnräder beeinträchtigen und ermöglicht z. B. die Montage in ein ­Getriebe ohne jede Beschädigung des Gegenzahnrads aufgrund einer scharfen und gehärteten Zahnstirnkante.

Dies kann mit einer Analyse der entstehenden Grate ­bestätigt werden, die auch zeigt, warum und in welcher Größe solche Grate bei den genannten Verzahnungsverfahren entstehen müssen und nicht zu vermeiden sind.

Makroskopische Graterfassung

Abb. 4: Abgelöste Grate vom Zahnrad wie in Abb. 1; Vergrößerung ca. 50-fachAbb. 4: Abgelöste Grate vom Zahnrad wie in Abb. 1; Vergrößerung ca. 50-fachDie Beschreibung der Gratgeometrie wird anhand der ­Geradverzahnung aus Abbildung 1 durchgeführt, weil dies besonders anschaulich ist. Die Gratausbildung wurde unter anderem im metallurgischen Schliff untersucht und kann daher quantifiziert werden. Aus den Schliffbildern lassen sich Rückschlüsse auf die Veränderung des Werkstoffs in der Randzone bei der Gratausbildung ziehen.

Die Graterfassung erfolgt zuerst makroskopisch. In Abbildung 1 ist zu erkennen, dass beim Austritt des Fräsers sowohl an den Zahnflanken als auch im Grund zwischen den Zähnen ein sehr großer Grat herausgedrückt wird, u. a. weil der Spanwinkel des Fräsers wegen der Zahngeometrie 0 ° sein muss. Bei den Graten in der Nähe des Zahnfußes handelt es sich oben um einen Grat im Zahnzwischenraum sowie am Fuß der benachbarten Zähne, darunter um einen Grat fast nur im Zahnzwischenraum (roter Pfeil) und unten vorwiegend um einen Grat rechts und links des Zahnzwischenraums. Diese Unregelmäßigkeit ist typisch für diese Art der Zerspanung und hängt mit dem aktuellen Winkel zum Zeitpunkt des Fräseraustritts in die Planfläche zusammen. Dies erschwert das Entgraten mit herkömmlichen Systemen, jedoch nicht mit dem System der Maschine aus dem vorliegenden Projekt.

Die Art der entstehenden Grate deckt sich mit der Literatur, in der ein sehr großer Grat beim Fräseraustritt unter 90 ° ermittelt wurde (Abb. 3). Die Grate selbst sind mehrere Millimeter groß und rollen sich meist durch die Stauchung bei der Zerspanung auf (Abb. 4)

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Abb. 5: Verformungszonen beim Fräseraustritt (links: schematisch, rechts: Schliff)

In der Literatur wird die Gratbildung bei Zerspanprozessen so beschrieben, dass der zu zerspanende Werkstoff der Zerspankraft ausweicht. An der Werkstückkante „klappt“ der gestauchte Werkstoff über die Kante hinweg und erzeugt so den Grat (Abb. 5). Diese Gratentstehung kann an den vorhandenen Testmustern mikroskopisch nachgewiesen werden (Abb. 6 und 7)

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 Abb. 6 und 7: Deformierter Grat vom Wälzfräsen (Querschliff aus dem Zahnrad von Abb. 1)

Erst bei höherer Vergrößerung wird auch die Veränderung der Gefügestruktur deutlich (Abb. 8 und 9). Hier ist sichtbar, dass das Gefüge des Werkstoffs durch den Fräser bis in eine Tiefe von mehreren µm geschädigt wird, was sich bis in den Grat fortsetzt und dessen komplett gestauchtes Gefüge mit dem des Grundwerkstoffs nicht mehr übereinstimmt. Hier liegt eine der Begründungen für ein großzügiges Anfasen der Zahnkanten, nämlich in der Entfernung des geschädigten Gefüges. 

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 Abb. 8 und 9: Gratfußgefüge, Ausschnitte aus den Abb. 6 und 7, 1000-fach

Neben den oben beschriebenen Graten wird in der Literatur die Bildung von Graten auch an der Werkzeugeintrittsseite beschrieben. Dies wird ebenfalls durch das Ausweichen des Werkstoffs bei Einwirkung der Zerspankraft begründet. Bei den Testmustern können sowohl Grate an der Werkzeugeintrittsseite als auch am Kopfkreisdurchmesser bzw. am Kopfkegel nachgewiesen werden. Die Ausprägung dieser Grate, in der Literatur [3] als „Poissongrate“ bezeichnet, ist deutlich geringer als an der ­Austrittsstelle des Werkzeugs.

So entstehen Poissongrate

In Abbildung 10 sind die Grate auf der Stirnfläche auf der Werkzeugeintrittsseite abgebildet. Im Bereich des Übergangs von der Zahnflanke in den Fußkreis wurde eine ­besonders ausgeprägte Gratbildung festgestellt. 

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 Abb. 10: Grat auf der Werkzeugeintrittsseite – sogenannter Poissongrat, 100-fach

Neben den Stirnflächen, können auch die Kopfflächen am Zahnrad von der Bildung von Poissongraten betroffen sein (nach [3]). In Abbildung 11 ist ein solcher Grat am Kopf­kegel eines Kegelritzels abgebildet.

Mit Abbildung 12 kann die Größe dieser Grate abgeschätzt werden. Es können Aufwürfe auf der Plan- und Kopffläche bis ca. 90 µm entstehen. 

 Abb. 11:  Poissongrat am Kopfkegel,  100-fachAbb. 11: Poissongrat am Kopfkegel, 100-fach

 Abb. 12:  Poissongrat auf Stirnfläche, Ausschnitt aus  Abb. 10, 500-fachAbb. 12: Poissongrat auf Stirnfläche, Ausschnitt aus Abb. 10, 500-fach

Somit können sich die Poissongrate schädlich auf nachfolgende Prozesse auswirken, insbesondere weil sie aufgrund der geringen Ausprägung nicht so offensichtlich zu erkennen sind. Auch aus diesem Grund ist das beidseitige Anfasen des Werkstücks sinnvoll.

Neues Verfahren für bessere Ergebnisse

Abb. 13: Schwierig anzufasendes Zahnrad; speziell in dem engen  Zwischenraum der beiden jeweiligen Verzahnungen bildet sich ein  Grat aus dem Wälzstoß- oder Wälzschälprozess; dieser kann mit  dem Radial Gear Chamfering Verfahren entfernt werdenAbb. 13: Schwierig anzufasendes Zahnrad; speziell in dem engen Zwischenraum der beiden jeweiligen Verzahnungen bildet sich ein Grat aus dem Wälzstoß- oder Wälzschälprozess; dieser kann mit dem Radial Gear Chamfering Verfahren entfernt werdenNeben den am Markt bestehenden Verfahren, die Zahnräder wie gefordert und beschrieben anfasen können, fehlte bisher eine Methode, die speziell bei Bauteilen mit Störkonturen schnell und präzise Fasen an den Zahnstirnkanten erzeugt. Besonders durch die aktuell aufkommende Elektromobilität werden aus Gründen von Leichtbau und Energieeffizienz, aber auch bei Verbrennungsmotoren, die Getriebe und somit Zahnräder kleiner und verschachtelter. Das wiederum hat zu Folge, dass vermehrt Werkstücke mit Störkonturen aufkommen (Beispiel siehe Abb. 13), die nur sehr schwer automatisiert oder automatisiert gar nicht zu entgraten sind.

Diese Werkstücke müssen manuell entgratet werden, mit den entsprechenden Schwankungen bei Qualität und Taktzeit einer monotonen, ermüdenden Tätigkeit bei ­vergleichsweise hohen Kosten.

Mit dem neuentwickelten Radial Gear Chamfering Verfahren können die oben aufgeführten Forderungen gleichermaßen erfüllt werden. Dabei kommt ein radial angestellter Schaftfräser mit einer auf Basis der Zahngeometrie und der geforderten Fasenausführung berechneten Geometrie zum Einsatz. Die für diese Technologie entwickelte Anfasmaschine RGC 350 stellt sicher, dass die Drehzahl des Fräsers sowie seine Position zu den Zähnen des Zahnrads exakt synchronisiert werden.

Nach der Synchronisation wird das Zahnrad innerhalb von wenigen Sekunden präzise angefast. Dies kann bei einfach zu bearbeitenden Zahnformen wie im Beispiel in Abbildung 1 genauso verwirklicht werden wie bei beispielsweise schrägverzahnten Stirnrädern oder spiralverzahnten Kegelrädern.

Die Vorteile des Radial Gear Chamfering Verfahrens liegen nicht nur in der kurzen Bearbeitungszeit und der guten Qualität der Fase, sondern auch die große Flexibilität besonders bei Werkstücken mit Störkonturen macht dieses Verfahren interessant. Die dabei entstehenden Kosten je Werkstück machen das Radial Gear Chamfering Verfahren aufgrund der kurzen Zykluszeiten nicht nur technisch, sondern auch wirtschaftlich attraktiv.

Nach der Synchronisierung der Drehwinkel von Zahnrad und Fräser wird der Drehwinkel des Fräsers zu Beginn der Bearbeitung festgelegt. Gleichzeitig wird die Fräsergeometrie berechnet, damit Fräser aus geeigneten Schneidstoffen gefertigt und auf die jeweiligen Zahnräder angepasst und bearbeitet werden können. Bei einer ersten Bearbeitung konnte die Verzahnung trotz sehr starkem Grat an den Zahnstirnkanten angefast und entgratet werden. Die dabei angestrebte Fasentiefe betrug 0,5 mm (wählbar zwischen 0,2 und 2 mm); alternativ könnte auch die Fasenbreite vorgegeben werden. Um in diesem Fall die tatsächlich erzeugte Fasentiefe exakt bestimmen zu können, wurde die die Kontur der Fase mit einem Konturmessgerät (Fabrikat Hommel-Etamic, Typ T8000 RC) erfasst und sichtbar gemacht. In Abbildung 14 ist ein Ausschnitt aus dem Messprotokoll abgebildet, der einen Schnitt im Bereich der Zahnhöhenmitte zeigt. Die Winkelabweichung der beiden Fasen beträgt weniger als 3°. Bei der weiteren Optimierung konnte dieser Fehler deutlich reduziert werden. 

 Abb. 14: Messprotokoll der Fase mit einer angestrebten Tiefe  von 0,5 mmAbb. 14: Messprotokoll der Fase mit einer angestrebten Tiefe von 0,5 mm

 Abb. 15: Ergebnis mit dem Fräser der aktuellen GenerationAbb. 15: Ergebnis mit dem Fräser der aktuellen Generation

Sekundärgrate reduzieren

Die Fräser wurden inzwischen mehrfach weiterentwickelt und in der aktuellen Generation wurde die Werkzeuggeometrie so optimiert, dass die Fertigung der Fräser aus Hartmetall möglich wird. Der bereits früher eingeführte, positive Spanwinkel hat sich bei allen Bauteilen bewährt, die Zerspanung wurde optimiert und die Bildung von ­Sekundärgrat erheblich reduziert. Die jetzt gewonnenen Fasen haben eine nahezu ideale Form und es treten keine nennenswerten Sekundärgrate in der Zahnflanke mehr auf. Die Oberfläche ist deutlich glatter, wie dem Glanz in der Fase in Abbildung 15 zu entnehmen ist. Allerdings gibt es hier eine leichte Asymmetrie an den Bauteilen, die bei verbesserter Einstellung der Maschine leicht vermieden werden kann. 

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 Abb. 16: Späne aus den finalen Versuchsreihen mit einem Fräser der aktuellen Generation

Abb. 17: Der Wärmefluss bzw. die Temperaturströme bei der Zerspanung von Stahl (nach [4, 5])Abb. 17: Der Wärmefluss bzw. die Temperaturströme bei der Zerspanung von Stahl (nach [4, 5])Die Späne weisen trotz einer Schnittgeschwindigkeit von vc = 170 m/min und Trockenbearbeitung keinerlei Anzeichen einer thermischen Beanspruchung des Werkzeugs oder gar eine Schädigung auf (Abb. 16). In einem solchen Fall wären die Späne mit Anlauffarben verfärbt. Da ca. 75 % der dem Prozess zugeführten Energie in den Span fließt (Abb. 17), ist die Wärmeentwicklung beim Prozess bei kleinen Fasentiefen insgesamt als sehr gering einzustufen.

Die Späne haben eine gleichmäßige und ebene Schnittfläche, was auf einen schälenden und somit harmonisch ablaufenden Schnittprozess schließen lässt. In der Abbildung 16 ist teilweise die Zahnlückenform des Bauteils am Span erkennbar, was auf ein kontinuierliches Durchlaufen der Werkzeugschneide durch die Zahnlücke hin deutet, wie es auch geplant ist. Es kommt an keiner Stelle zu einem Abreißen der Zerspankraft durch Vibrationen oder andere schädliche Einflüsse.

Der Arbeitsraum der Entgratmaschine RGC 350 ist übersichtlich und offen gestaltet (Abb. 18). So ist zum einen ein freier Spänefall im Trockenschnitt gewährleistet und zum anderen werden Kollisionen im Arbeitsraum vermieden. Sämtliche Führungen, Kabel und alle beweglichen Teile sind hinter den Abdeckungen vor den im Prozess entstehenden Nadelspänen gut geschützt. Die ­Maschine RGC 350 kann flexibel als Stand-alone Maschine genutzt werden; über eine entsprechende Automationslösung lässt sich die Maschine aber auch problemlos mit Wälzfräs- oder Wälzstoßmaschinen verketten und in eine ­Fertigungslinie einbinden. Mit einer Aufstellfläche von etwa 2 m² kann diese Maschine schnell und einfach in der Produktion aufgestellt werden. Mit den leistungsfähigen Werkstück- und Werkzeugspindeln können die kurzen Zykluszeiten realisiert werden. Zahnräder mit einem Durchmesser von bis zu 350 mm oder Getriebewellen mit einer Länge von bis zu 350 mm können bearbeitet werden. Die am Markt verfügbaren Standard-Werkstückaufnahmen können verwendet werden, Sonderspannmittel werden nicht benötigt (Abb. 19). Der Einrichtvorgang der Maschine erfolgt schnell und einfach, Kenntnisse der CNC-Programmierung sind aufgrund der intuitiven bedienbaren, grafischen Bedienoberfläche nicht erforderlich (Abb. 20). Es müssen lediglich die mit dem Werkzeug beigestellten Einrichtdaten in die entsprechenden Masken eingetragen werden. Auch ein Vermessen der Werkzeuge entfällt, sämtliche Daten sind den Werkzeugen beigestellt.

 Abb. 18: Maschine RGC 350 zum Anfasen von Zahnrädern. Seitlich am rechten Bildrand die BedieneinheitAbb. 18: Maschine RGC 350 zum Anfasen von Zahnrädern. Seitlich am rechten Bildrand die Bedieneinheit

 Abb. 19: Einrichten der Maschine mit einem passenden Spannmittel für ein neues ZahnradAbb. 19: Einrichten der Maschine mit einem passenden Spannmittel für ein neues Zahnrad

Die Maschine RGC 350 mit dem Radial Gear Chamfering Prozess arbeitet sehr wirtschaftlich bei kleineren und mittleren Serien. Aber auch bei großen Stückzahlen ist sie eine echte kostengünstige Alternative zu den bestehenden Verfahren. Besonders interessant ist die Anwendung bei Zahnrädern oder Getriebewellen in sehr schwierig zu bearbeitenden Situationen, z. B. bei eng beieinander ­liegenden Verzahnungen (beispielsweise Werkstücke wie in Abb. 21) oder bei Störkonturen.

 Abb. 20: Bedienoberfläche der Maschine RGC 350Abb. 20: Bedienoberfläche der Maschine RGC 350

 Abb. 21: Anfasmaschine RGC 350 beim Entgraten eines zweistufigen KettenradsAbb. 21: Anfasmaschine RGC 350 beim Entgraten eines zweistufigen Kettenrads

Weitere Informationen

  • Ausgabe: 9
  • Jahr: 2020
  • Autoren: Niklas Müller, Dr. Manfred Schlatter

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