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Zahnräder Herstellung: Wälzfräsen

Drehung des Werkrads wird durch kinematische Kopplung der Drehung des schneckenförmigen Werkzeugs (Wälzfräser) in der Weise angepaßt, als würden beide Elemente wie Getriebeschnecke mit Schneckenrad wälzen. Mittels der zusätzliche Überlagerung einer Vorschubbewegung (radial, axial, radial-axial, tangential oder axial-tangential zum Werkradzylinder) zerspant der Wälzfräser den Werkstoff der Zahnlücken. Wälzbewegung entsteht durch Überlagerung der Werkraddrehbewegung mit ideeller Tangentialbewegung der Fräserzähne (bei einer Fräserumdrehung kommen aufeinander folgende tangential versetzte Fräserzähne des Schneckengangs zum Eingriff). Das Werkradprofil setzt sich polygonartig aus Hüllschnitten zusammen.

Zahnräder Fertigung: Wälzfräsen und Axialverfahren
Fräservorschubrichtung axial zum Werkradzylinder. Am meisten angewendetes Verzahnverfahren für Zylinderräder auf Wälzfräsmaschine.

Zahnräder Fertigung: Wälzfräsen und Diagonalverfahren
Fräservorschubrichtung zugleich axial und tangential zum Werkradzylinder. Anwendung für Zylinderräder. Tangentialbewegung des Fräsers sollte durch gleich große Zusatzdrehung des Werkrads ausgeglichen werden (analog: Zahnstange wälzt mit Werkrad).

Zahnräder Fertigung: Wälzfräsen und Tangentialerverfahren
Fräservorschubrichtung tangential zum Werkradzylinder. Anwendung für Schneckenräder. Kinematik verhält sich wie beim Diagonalverfahren (kein Axial Vorschub!).

Zahnräder Fertigung: Wälzfräsen und Radialverfahren
Fräservorschubrichtung radial zum Werkradzylinder. Anwendung für Schneckenradverzahnen, Verzahnen von sehr schmalen Rädern.

Anwendung
Vorverzahnungen von KFZ-Getrieberädern in Serienherstellung. Vor- und Fertigverzahnen von weichen, vergüteten und gehärteten (mit Hartmetall-Schälwälzfräser) Großverzahnungen bis
ungefähr 4.000 mm Außendurchmesser, Vor- und Fertigverzahnen von Schneckenrädern und Sonderverzahnungen (Keilwellen- und Kerbverzahnungen, Axialverdichter-Rotoren, Kettenräder).

Maschine
NC-gesteuerter Antrieb: Alle Achsen werden von einem eigenen Motorer angetrieben.
Die kinematische Kopplung läuft über den Steuerungsrechner. Aus den Winkelinformationen des Fräserwinkel-Meßsystems und den Weg-Informationen des Axialantrieb- und des Shiftantrieb-Meßsystems wird per Computer die Sollvorgabe für die Tischdrehung errechnet. Verglichen mit den Informationen der Werkstückbewegung kommt eine Differenz zustande, die über den Tischantrieb ausgeregelt wird. Die Werkraddrehung des zu erzeugenden Zahnrads verhält sich zur Fräserdrehung wie die Fräsergangzahl zur Werkstückzähnezahl. Zur Fertigung von Schrägverzahnungen sollte der Axialvorschub mit der Werkstückdrehung und der Fräserdrehung gekoppelt werden. Je nach Steigungsrichtung der Werkradverzahnung kommt daraus eine verkleinerte oder vergrößerte Tischdrehzahl zustande.

Zahnräder Fertigung: Wälzfräsen und mechanischer Antrieb
Alle Bewegungen werden von einem Zentralmotor abgeleitet. Über ein stufenloses Getriebe wird eine Variation der Wälzfräserdrehzahl (Schnittgeschwindigkeit) ermöglicht. Die Fräserdrehung ist über Teilwechselradgetriebe mit der Werkraddrehung gekoppelt. Anpassung an Werkradzähnezahl sowie Fräsergangzahl durch Austausch der Wechselräder. Axialvorschub wird stufenlos einstellbar vom Tischantriebstrang abgenommen. Zur Fertigung von Schrägverzahnungen wird der Axialvorschub mit der Werkstückdrehung und der Fräserdrehung über ein Differentialgetriebe gekoppelt und als Zusatzdrehung der Tischdrehung überlagert.

Werkzeug
Für Evolventenverzahnungen ist Hüllfläche des Wälzfräsers geradflankige Evolventenschnecke, die quer zu Schneckengängen von Spannuten unterbrochen ist. Die Zähne sind so hinterarbeitet, daß an Zahnkopf und Zahnflanken Freiflächen zustande kommen, die nachträgliches Schleifen der Spanfläche unter konstantem Spanwinkel bei gleichbleibendem Zahnprofil erlauben. Zahnprofile sind als Bezugsprofile in DIN 3972 genormt.

Zahnräder Fertigung: Blockwälzfräser
Hergestellt aus einem Stück, HSS oder HM mit Beschichtung aus TiN, Ti(C, N), Ti (AI, N).

Zahnräder Fertigung: Kippstollenwälzfräser
Schneidstollen werden in Hilfsvorrichtung wie Evolventen-Schnecke geschliffen, dann erfolgt ein Kippen der Schneidstollen in Arbeitsstellung im Grundkörper, so daß Kopf- und Flankenfreiwinkel entstehen. Schneidstollen HSS oder HM / Grundkörper Werkzeugstahl.

Schneidenbelastung ist entlang des Eingriffsbereichs zwischen Werkrad u. Fräser verschieden, somit erfolgt keine gleichmäßige Verschleißverteilung in Fräserlängsrichtung. Eine Lösung stellt die schrittweise Tangentialverschiebung des Fräserarbeitsbereichs dar, wenn der Fräser nach Erreichen der zulässigen Verschleißmarkenbreite außer Eingriff ist oder ein fortlaufendes tangentiales Verschieben durch das Diagonalverfahren.

Feinbearbeitung von Zahnrädern/Verzahnungen
Feinbearbeitung erfolgt bei gehärteten Rädern durch Schälwälzfräsen, Schleifen oder Schälwälzstoßen oder in weichem Zustand durch Schaben (vor der Wärmebehandlung) . Das Augenmerk bei der Feinbearbeitung liegt auf der Beseitigung der geometrischen Abweichungen wie Vorschub- und Hüllschnittmarkierungen an den Werkrädern. Größere Bedeutung kommt vermehrt dem Anbringen von Zahnflankenkorrekturen zu. Wie Bild 24 zeigt, läßt sich durch Zurücknehmen des Kopfbereichs oder Korrekturen in Zahnbreitenrichtung das Lauf- und Beanspruchungsverhalten der Zahnräder verbessern. Durch topologische Korrekturen sind die dynamischen Laufeigenschaften gezielt zu beeinflussen.