Ein Zahnrad entsteht nicht in einem einzigen Arbeitsgang, sondern in einer Kette aus Rohteil, Verzahnen, Härten, Feinbearbeitung und Messen. Jeder Schritt braucht einen eigenen Maschinentyp und baut auf dem vorherigen auf. Diese Seite führt durch die gesamte Zahnradfertigung, vergleicht die Verfahren mit ihren Grenzen, nennt erreichbare Verzahnungsqualitäten und ordnet jedem Schritt die passende Maschine zu. Den Überblick über alle Maschinentypen finden Sie unter Ankauf Verzahnungsmaschinen, die Grundlagen unter Verzahnung.
Zahnrad herstellen: der Ablauf im Überblick
Die industrielle Zahnradfertigung folgt einer festen Prozesskette: Rohteil, Verzahnen in der Weichbearbeitung, Wärmebehandlung, Hartfeinbearbeitung und Messen. Die Tabelle zeigt, welches Verfahren in welchem Schritt eingesetzt wird und welche Maschine es ausführt.
| Schritt | Verfahren | Maschinentyp | Mehr dazu |
|---|---|---|---|
| 1. Rohteil | Sägen und Drehen; bei Serien auch Schmieden, Gießen oder Sintern | Säge, Drehmaschine, Schmiedepresse | – |
| 2. Weichbearbeitung, Außenverzahnung | Wälzfräsen | Wälzfräsmaschine | Wälzfräsen, Ankauf Wälzfräsmaschinen |
| 2. Weichbearbeitung, Innenverzahnung und Störkonturen | Wälzstoßen | Wälzstoßmaschine (Zahnradstoßmaschine) | Wälzstoßen, Ankauf Wälzstoßmaschinen |
| 2. Weichbearbeitung, innen und außen | Wälzschälen | Wälzschälmaschine | Wälzschälen |
| 2. Weichbearbeitung, Kegelräder | Kegelradfräsen | Kegelradfräsmaschine | Ankauf Kegelradverzahnungsmaschinen |
| 2. Entgraten und Anfasen | Anfasen, Entgraten | Anfaseinheit an der Verzahnmaschine oder separate Maschine | Ankauf Verzahnungsmaschinen |
| 3. Wärmebehandlung | Einsatzhärten | Härterei und Härteanlagen | – |
| 4. Hartfeinbearbeitung | Wälzschleifen, Profilschleifen | Zahnradschleifmaschine | Verzahnungsschleifen, Ankauf Zahnradschleifmaschinen |
| 4. Hartfeinbearbeitung | Honen, Schaben | Hon- oder Schabmaschine | Ankauf Verzahnungsmaschinen |
| 5. Messen | Prüfen von Profil, Flankenlinie, Teilung, Rundlauf | Verzahnungsmessmaschine | Ankauf Verzahnungsmessmaschinen |
Schritt 1: Das Rohteil
Am Anfang steht ein Rohteil mit Aufmaß. Es wird typischerweise gesägt und gedreht. Zahnräder lassen sich aber auch urformen oder umformen: Gießen und Sintern sind möglich, bei Kunststoff kommt Spritzgießen zum Einsatz, und in der Großserie werden Zahnräder zum Beispiel für Differentialgetriebe gesenkgeschmiedet. Gegossene, gesinterte oder spritzgegossene Zahnräder erreichen allerdings nur die gröberen Qualitätsstufen 8 bis 12 (siehe Tabelle zur Verzahnungsqualität weiter unten).
Schritt 2: Verzahnen in der Weichbearbeitung
Im weichen, noch ungehärteten Zustand wird die Verzahnung erzeugt. Bei allen Wälzverfahren entsteht die Zahnform aus der Hüllkurve der Schneiden; beim Profilfräsen und Profilräumen entsteht sie dagegen direkt aus der Schneidengeometrie des Werkzeugs. Die Tabelle vergleicht die Verfahren.
| Verfahren | Werkzeug | Einsatz und Stärke |
|---|---|---|
| Wälzfräsen | schneckenförmiger Wälzfräser | Außenverzahnung, Innenverzahnung nur in Sonderfällen; sehr hohe Zerspanleistung, ein Werkzeug für beliebige Zähnezahlen einer Modulreihe |
| Wälzstoßen | Schneidrad | Innen- und Außenverzahnung; Verzahnung ohne Auslauf, nicht durchgehende Bohrungen |
| Wälzschälen | Schälwerkzeug mit Achskreuzwinkel | Innen- und Außenverzahnung; kontinuierlich, ohne unproduktiven Hub, gut bei Störkonturen |
| Wälzhobeln | Schneidkamm | sehr große Zahnräder; geringe Zerspanleistung, keine Innenverzahnung |
| Profilfräsen | Scheibenfräser in Lückenform | auf normalen Fräsmaschinen möglich; eigenes Werkzeug je Modul und Zähnezahl |
| Profilräumen | Räumwerkzeug | vor allem Innenverzahnungen; hohe Zerspanleistung, nur Massenfertigung |
Zahnrad fräsen: das Wälzfräsen
Das Wälzfräsen ist das wichtigste Verfahren für die Grobbearbeitung von Zahnrädern. Der Wälzfräser ist geometrisch eine ein- oder mehrgängige Schnecke mit Spannuten und bildet mit dem Werkstück ein Schneckengetriebe: Bei einem eingängigen Fräser schiebt sich das Zahnrad pro Fräserumdrehung um einen Zahn weiter. Der Schnitt ist kontinuierlich und ohne Rückhub, die Zerspanleistung sehr groß, sodass sich selbst dicke Zahnräder in kurzer Zeit herstellen lassen. Mit einem Wälzfräser lassen sich Zahnräder beliebiger Zähnezahl innerhalb derselben Modulreihe fräsen und miteinander paaren. Bei sehr kleinen Zähnezahlen kann Unterschnitt entstehen, und Störkonturen schränken das Verfahren ein.
Wälzfräsmaschinen gibt es horizontal und vertikal. Moderne CNC-Maschinen koppeln Werkzeug- und Werkstückachse elektronisch statt mechanisch, was Qualität und Werkzeugstandzeit verbessert. Erfunden wurde das Wälzfräsen 1856 von Christian Schiele. Mehr zum Verfahren steht auf der Seite Wälzfräsen, die zugehörigen Maschinen finden Sie unter Ankauf Wälzfräsmaschinen.
Wälzstoßen und Wälzschälen: Innenverzahnungen und Störkonturen
Beim Wälzstoßen führt ein Schneidrad, das man sich als Zahnrad mit Schneiden vorstellen kann, eine oszillierende Hubbewegung aus und wälzt gleichzeitig am Rohling ab; dazu kommt eine radiale Zustellung. Das Verfahren eignet sich für Innenverzahnungen bei kleineren Stückzahlen, für Innenverzahnungen in nicht durchgehenden Bohrungen und für Außenverzahnungen ohne Auslauf, bei denen ein Wälzfräser nicht ausläuft. Details finden Sie unter Wälzstoßen und Ankauf Wälzstoßmaschinen; für die Bearbeitung von Nabenprofilen siehe auch Innenverzahnung.
Das Wälzschälen (englisch Power Skiving) synchronisiert ein Werkzeug über einen Achskreuzwinkel mit der Werkstückachse und fährt es axial. Nach EMAG liegt der Achskreuzwinkel beim Wälzschälen zwischen 10° und 25°. Im Gegensatz zum Stoßen ist das Verfahren kontinuierlich und vermeidet den unproduktiven Hub und die Abhebebewegung; es eignet sich für die Weichbearbeitung von Innen- und Außenverzahnungen und besonders für Verzahnungen mit Störkonturen. Vom Wälzschälen zu unterscheiden ist das Schälwälzfräsen, das mit wälzfräserähnlichem Werkzeug die Flanken gehärteter Räder feinbearbeitet: Nach dem Wälzfräsen erreicht man Qualitäten zwischen 6 und 8 nach ISO 1328, durch Schälwälzfräsen wieder 6 bis 7, und Weich- und Hartbearbeitung lassen sich auf derselben Maschine durchführen.
Wälzhobeln, Profilfräsen und Profilräumen
Das Wälzhobeln arbeitet mit einem geradflankigen Schneidkamm und wird vor allem bei sehr großen Zahnrädern und Zahnkränzen angewendet; die Zerspanleistung ist im Vergleich zum Wälzfräsen gering. Das Profilfräsen kommt ohne Spezialmaschine aus, weil es auf normalen Fräsmaschinen möglich ist, verlangt aber für jedes Modul und jede Zähnezahl einen eigenen Scheibenfräser. Das Profilräumen erzeugt die Zahnform mit mehreren hintereinander angeordneten Schneiden in einem Durchgang und wird wegen der werkstückspezifischen Werkzeuge nur in der Massenfertigung angewendet.
Kegelräder: eigene Maschinen
Kegelräder werden nicht auf Stirnrad-Wälzfräsmaschinen gefertigt, sondern auf Kegelradfräsmaschinen. Im Klingelnberg-System kommt beim Palloid-Verfahren ein kegeliger Wälzfräser zum Einsatz, beim Zyklo-Palloid-Verfahren ein Messerkopf; Gleason-Kreisbogen-Spiralkegelräder entstehen auf Kegelradfräs- und Kegelradschleifmaschinen. Nach dem Härten werden Kegelräder geläppt oder geschliffen. Geläppte Verzahnungen werden in der Großserie wegen der kürzeren Verzahnzeiten in der Regel im kontinuierlichen Verfahren gefräst. Die Maschinenfamilie finden Sie unter Ankauf Kegelradverzahnungsmaschinen.
Entgraten und Anfasen
Nach dem Vorverzahnen, meist durch Wälzfräsen, bleiben an den Stirnseiten Grate. Sie sind eine Verletzungsgefahr, stören die Spannung in Folgeprozessen und erhöhen im Getriebe Verschleiß und Geräusch. Häufig wird deshalb gezielt angefast: Das schützt beim Transport, verhindert das Verspröden der Zahnkanten durch Überkohlung beim Einsatzhärten und ist bei manchen Hartfeinbearbeitungsverfahren, zum Beispiel dem Verzahnungshonen, Voraussetzung. Das Anfasen kann in separaten Maschinen oder direkt in der Verzahnmaschine erfolgen; maschinenintegrierbar sind das Gratomat-Verfahren mit Frässtiften, das Drückentgraten (Kaltumformung, vor allem für die Großserie) und das ChamferCut-Verfahren mit Anfasfräsern.
Schritt 3: Wärmebehandlung und Härteverzug
Nach dem Verzahnen werden Zahnräder häufig gehärtet, in der Praxis oft im Einsatzverfahren (Einsatzhärten). Die Zahnflanken werden dadurch verschleißfester, besonders gegen Grübchenbildung, und das Zahnrad erträgt höhere Belastungen. Der Preis ist Härteverzug: Die Zahngeometrie ändert sich beim Härten. Deshalb müssen die Flanken in der Regel nach dem Härten durch Schleifen nachbearbeitet werden, um die gewünschte Verzahnungsqualität zu erreichen. Bei geläppten Kegelrädern muss der Verzug schon beim Verzahnungsfräsen vorgehalten werden, die sogenannte Härteverzugskompensation, weil das Läppen ihn nur in geringem Maß korrigieren kann; beim Schleifen lassen sich wegen des höheren Materialabtrags deutlich größere Härteverzüge eliminieren.
Schritt 4: Hartfeinbearbeitung
Die Hartfeinbearbeitung stellt nach dem Härten die geforderte Verzahnungsqualität her. Zur Wahl stehen Wälz- und Profilschleifen, Verzahnungshonen und, vor dem Härten, das Schaben.
| Verfahren | Prinzip | Wann sinnvoll |
|---|---|---|
| Wälzschleifen | kontinuierlich, Schleifschnecke mit Zahnstangenprofil, Evolvente durch Abwälzen | hohe Rundlauf- und Teilungsgenauigkeit, kurze Bearbeitungszeiten, lange Werkzeugstandzeit |
| Profilschleifen | diskontinuierlich, profilierte Scheibe | Profil, Teilung und Rundlauf tendenziell weniger genau als beim Wälzschleifen |
| Verzahnungshonen | kontinuierlich, geometrisch unbestimmte Schneide, innenverzahnter Werkzeugring | Qualität 1 bis 6, genannt bei hohen Geräuschanforderungen; Flankenaufmaß im beschriebenen Prozess höchstens 130 µm |
| Schaben | vor dem Härten, außenverzahnte Räder | bestes Preis-Leistungs-Verhältnis, Großserie mit geringer Teilevarianz |
| Schälwälzfräsen | Feinbearbeitung gehärteter Flanken mit wälzfräserähnlichem Werkzeug | Qualität 6 bis 7 nach ISO 1328, Weich- und Hartbearbeitung auf derselben Maschine |
Das Wälzschleifen arbeitet mit einer Schleifschnecke, die synchron mit dem Werkstück rotiert; auf modernen Maschinen werden nach einem Fachportal für Schleiftechnik Teilungsgenauigkeiten von unter 2 µm erreicht. Das Profilschleifen bearbeitet Zahn für Zahn entweder die ganze Zahnlücke oder die Zahnflanke. Moderne Schleifmaschinen erzeugen außerdem gezielte Profil- und Flankenlinienmodifikationen, das sogenannte topologische Schleifen. Mehr zum Verfahren steht unter Verzahnungsschleifen, die Maschinen unter Ankauf Zahnradschleifmaschinen.
Das Verzahnungshonen ist ein kontinuierliches Verfahren mit geometrisch unbestimmter Schneide: Ein innenverzahnter Werkzeugring kämmt mit dem Werkstück, wobei die Drehachsen in einem definierten Winkel zueinander stehen. Mit dem Wegfall des Verbrennungsmotors werden Getriebegeräusche deutlicher wahrgenommen, weshalb Schleifen und Honen für die Elektromobilität an Bedeutung gewinnen. Das Schaben verbessert die Qualität außenverzahnter Zahnräder vor dem Härten um mindestens zwei DIN-Klassen. Es hat wegen der Verformungen beim Härten qualitative Grenzen; für höhere Anforderungen nach dem Härten empfiehlt sich das Wälzschleifen. Geschliffene Räder sind nicht zwingend leiser und erfordern höhere Investitionen.
Schritt 5: Messen
Am Ende der Kette steht die Prüfung. Gemessen werden bei Stirnrädern Profil, Flankenlinie, Teilung, Rundlauf und Zahndicke; aus den Abweichungen ergeben sich Gesamtabweichung, Formabweichung und Winkelabweichung. Präzisionsmesszentren wie die P-Serie von Klingelnberg decken neben der Verzahnungsmessung auch allgemeine Koordinatenmessung, Form- und Lagemessung sowie Rauheits-, Kontur- und optische Messung ab. Manche Fertiger messen in vollklimatisierten Messräumen und liefern Prüfprotokolle mit. Die Messwerte dienen nicht nur der Freigabe: In einem Closed Loop, wie ihn Klingelnberg für das Kegelradschleifen beschreibt, werden die Abweichungen der Verzahnung erfasst, daraus Korrekturdaten berechnet und der Schleifprozess angepasst. Die Maschinen dazu finden Sie unter Ankauf Verzahnungsmessmaschinen.
Verzahnungsqualität: was welches Verfahren erreicht
Die Verzahnungsqualität hängt vom Verfahren ab. Die Tabelle nennt die Qualitätsstufen nach der zurückgezogenen DIN 3961; sie unterscheidet zwölf Stufen, wobei 1 die feinste und 12 die gröbste ist. Heute gilt DIN ISO 1328 für die Verzahnungstoleranzen; die Zahlen sind daher als Größenordnung zu lesen.
| Verfahren | Erreichbare Qualität (DIN 3961) |
|---|---|
| Honen | 1 bis 6 |
| Schleifen | 1 bis 7 |
| Schaben, Kaltwalzen | 5 bis 7 |
| Wälzfräsen, Wälzhobeln, Wälzstoßen | 5 bis 9 |
| Formfräsen, Formstoßen, Räumen | 7 bis 12 |
| Stanzen, Pressen, Sintern, Spritzgießen | 8 bis 12 |
Ein Zahnradfertiger nennt für seine Prozesskette aus Verzahnen, Härten und Schleifen Qualitäten bis DIN-Qualität 2.
Welches Verfahren für welche Stückzahl?
Die Wahl des Verfahrens folgt vor allem der Stückzahl und der geforderten Qualität:
- Einzelteile und Prototypen: Das 5-Achs-Simultanfräsen mit unprofilierten Werkzeugen ist eine neuere Methode für Einzelteile und geringe Stückzahlen. Auch das Profilfräsen auf einer normalen Fräsmaschine ist möglich. Nachfertigungen nach Muster, etwa für Ersatzteile älterer Anlagen ohne Zeichnung, sind bei Lohnfertigern üblich.
- Kleine und mittlere Serien: Das Wälzfräsen deckt mit einem Werkzeug viele Zähnezahlen derselben Modulreihe ab; das Wälzstoßen kommt bei Innenverzahnungen und kleineren Stückzahlen zum Einsatz. Ein Lohnfertiger nennt Losgrößen von 1 bis 1.000 Stück.
- Große Serien: Das Wälzfräsen ist für große Losgrößen sehr wirtschaftlich, das Profilräumen nur in der Massenfertigung sinnvoll. Für die Feinbearbeitung vor dem Härten ist im Automobilbau das Schaben verbreitet.
Sonderformen und weitere Verzahnungsarten
Nicht jede Verzahnung ist ein Stirnrad. Zahnradfertiger liefern neben Stirnrädern unter anderem Kettenräder, Kegelräder, Zahnriemenräder, Schneckenräder und Schnecken, Keilwellen und Keilnaben sowie Zahnwellen und Zahnstangen. Wellenverzahnungen wie die Kerbverzahnung werden auf denselben Maschinentypen gefertigt wie Zahnräder: Die Welle wird wälzgefräst, die Nabe geräumt oder wälzgestoßen. Stirnkupplungsverzahnungen wie die Hirth-Verzahnung entstehen dagegen durch Fräsen und Profilschleifen auf Stirnflächen; das Schleifprinzip ähnelt dem Profilschleifen von Zahnrädern.
Alternative Herstellungswege
Neben dem Zerspanen gibt es Alternativen. Das Präzisionsschmieden mit Kalibrieren erzeugt zum Beispiel geradverzahnte Kegelradsätze in hohen Stückzahlen durch warmes oder halbwarmes Umformen. In einer untersuchten Prozesskette aus Umformen, Einsatzhärten, Kalibrieren und einfacher Bearbeitung von Bohrung und Stirnflächen bleibt der Faserverlauf ununterbrochen erhalten. Weitere Wege sind das 5-Achs-Fräsen, die klassische pulvermetallurgische Prozesskette und das Binder Jetting als additives Verfahren. Für Kunststoffzahnräder ist Spritzgießen üblich.
Die Prozesskette und der Gebrauchtmarkt
Jeder Schritt der Kette hat seine Maschine, und Käufer gebrauchter Verzahnmaschinen wählen sie nach dem Verfahren, das sie brauchen: Wer Außenverzahnungen in Serie fräst, sucht eine Wälzfräsmaschine, wer Innenprofile braucht, eine Wälzstoßmaschine, wer nach dem Härten feinbearbeitet, eine Zahnradschleifmaschine. Für den Wert einer solchen Maschine zählen Werkstückdurchmesser und maximaler Modul, Werkstücklänge, Baujahr und Baureihe, Steuerung und Generation (mechanisch gekoppelt oder CNC mit elektronischer Kopplung), Achsenzahl, Betriebsstunden und Zustand der Spindeln, Genauigkeitsnachweis, Zubehör und Retrofit-Historie. Wie wir das gewichten, steht unter Was ist meine Verzahnungsmaschine wert.
Verzahnungsmaschine verkaufen
Wenn Sie eine Maschine aus dieser Prozesskette abgeben möchten, ist der Weg kurz. Wir kaufen Ihre Verzahnungsmaschine an oder vermitteln sie an einen Käufer aus unserem Netzwerk. Wir bewerten die Maschine, koordinieren Demontage und Transport und sorgen für Zahlung vor Abholung; die erste Einschätzung erhalten Sie in der Regel innerhalb von 24 Stunden. Den Ablauf beschreibt die Seite So funktioniert es, die Maschinentypen finden Sie unter Ankauf Verzahnungsmaschinen.
Quellen
- tec-science: Herstellung von Zahnrädern, Wälzfräsen, Wälzstoßen, Wälzhobeln, Profilfräsen und Profilräumen im Vergleich. tec-science.com
- Wikipedia: Zahnrad, Herstellung, Wärmebehandlung und Verzahnungsqualitäten nach DIN 3961. de.wikipedia.org
- EMAG: Wälzfräsen vs. Schälwälzfräsen vs. Wälzschälen, Achskreuzwinkel und erreichbare Qualitäten. emag.com
- WZL der RWTH Aachen: Fertigung von Zahnrädern, Weichbearbeitung, Hartbearbeitung und alternative Verfahren. wzl.rwth-aachen.de