Gear Manufacturing 101:Ein Leitfaden zu den Zahnradproduktionsprozessen

Das Konzept der Zahnräder gibt es schon seit einiger Zeit, da sie zu den ältesten mechanischen Komponenten gehören, die noch heute relevant sind. Sei es die Automobilindustrie, die Luft- und Raumfahrt, alle Industriemaschinen oder etwas Einfaches wie eine Uhr. Zahnräder werden überall benötigt und vielleicht möchten Sie etwas über die Herstellung von Zahnrädern lernen.

Die Frage ist also, wie Zahnräder hergestellt werden.

Vorwort:Zahnradherstellungsprozess

Es gibt keinen einzelnen Prozess für die Herstellung von Zahnrädern, da je nach Typ und Anwendung unterschiedliche Prozesse erforderlich sind.

Im Allgemeinen arbeiten Getriebe unter sehr anstrengenden Bedingungen, da die Kraftübertragung (der eigentliche Zweck des Getriebes) mehrere Anforderungen stellt. Zum einen müssen die Zahnräder in absolut einwandfreiem Zustand sein. Dann müssen sie immer zuverlässig sein, minimale Restspannungen haben und eine geringe bis keine Chance auf Rissausbreitung haben.

All diese Anforderungen sind naturgemäß nur sehr schwer zu erfüllen. Allerdings kann niemand ihre Bedeutung leugnen. Aus diesem Grund ist die Zahnradproduktion ein hochspezialisiertes Gebiet mit begrenzten Toleranzen und Spielraum für Fehler.

Dieser Artikel führt Sie zurück zu den Grundlagen der Zahnradherstellung, in Bezug auf die gängigen Materialien für Industriezahnräder, die Prozesse zur Herstellung von Zahnrädern und wie Zahnräder all diese Belastungen ohne Ausfall aushalten können.

Häufige Arten von Zahnrädern und ihre Anwendungen

Bevor es zu den Details rund um das Verzahnungs- und Fertigungsverfahren kommt, ist es wichtig, einen Blick auf die Grundlagen zu werfen. Sie sind verschiedene Arten von Getrieben und ihre Anwendung und Vorteile.

Ihre Anwendung, Leistungsparameter und zahlreiche andere Faktoren spielen eine wichtige Rolle bei der Art der von Ihnen verwendeten Getriebe. Es gibt mehrere Möglichkeiten, den Zahnradtyp zu charakterisieren, aber die beste und relevanteste aus Sicht der Zahnradherstellung ist das Zahnprofil.

Hier sind die 5 Arten von Zahnrädern, denen Sie begegnen werden.

Stirnräder

Zeichne ein ungefähres Bild davon, wie Ausrüstung in deinem Kopf aussieht. Es besteht eine hohe Wahrscheinlichkeit, dass Sie an Zahnrad mit geraden Zähnen denken. Genau so sieht ein Stirnradgetriebe aus.

Das Stirnrad ist der gebräuchlichste Zahnradtyp und hat zahlreiche Anwendungen in Kraftwerken, Luft- und Raumfahrtkomponenten, Industriemaschinen und vielem mehr. Gerade Zähne sind am einfachsten herzustellen und halten hohen Geschwindigkeiten und hohen Belastungen stand. Sie erzeugen jedoch viel Lärm und eignen sich nicht für Anwendungen, bei denen Sie auch einen reibungslosen Betrieb benötigen.

Darüber hinaus können Stirnräder mit anderen Zahnrädern des gleichen Typs und Innen-/Außenzahnrädern zusammenpassen. Sie finden Stirnräder in vielen Getriebemechanismen wie einem einfachen Zahnstangen/Ritzel-System oder einem Planetengetriebe.

Ihre Einfachheit bedeutet, dass es für Sie einfacher ist, sie herzustellen. Daher fällt es Ihnen leichter, die Präzision während der Zahnradproduktion aufrechtzuerhalten. Stirnräder haben auch wenig bis gar keine axiale Belastung, daher sind sie sehr effizient für einen Getriebezug, bei dem Sie mechanische Verluste minimieren möchten.

Schrägverzahnungen

Schrägstirnräder sind Stirnrädern ziemlich ähnlich, aber sie haben Zähne, die um einen zylindrischen Körper gedreht sind. Diese Qualität ermöglicht es ihnen, problemlos sowohl mit parallelen als auch mit nicht parallelen Wellen zu arbeiten. Ihre Paarung funktioniert jedoch nur mit anderen Schrägstirnrädern mit gleichem Schrägungswinkel (Verdrehungswinkel vom Originalzylinder).

Die meisten Anwendungen von Schrägstirnrädern sind die gleichen wie bei Stirnrädern. Die abgewinkelten Zähne spielen jedoch eine große Rolle bei der Reduzierung der Stoßbelastung und machen die Operationen reibungsloser. Das bedeutet auch weniger Lärm, aber auf Kosten der Effizienz. Im Vergleich zu Stirnrädern hat ein Schrägstirnradgetriebe mehr Verluste und benötigt aufgrund der Form auch Axiallager.

Aus fertigungstechnischer Sicht sind Schrägstirnräder zäher als Stirnräder. Die Steigungswinkel sind mit einem geringen akzeptablen Toleranzbereich ziemlich schwer zu replizieren. Darüber hinaus machen die Herstellungskosten und dann das Hinzufügen anderer axialer Elemente sie für begrenzte Operationen geeignet.

Kegelräder

Kegelräder sind keine gewöhnlichen Stirnräder. Sie haben eine konische Oberfläche, mit der Sie die Richtung der Übertragung auf sich kreuzenden Wellen ändern können. Kegelradgetriebe arbeiten in der Regel mit 90 ⁰ Winkel. Sie können sie jedoch auch für andere Konfigurationen verwenden.

Hier sind einige gängige Arten von Kegelrädern, die Sie in einer Vielzahl von Anwendungen finden können.

• Gerade Kegelräder
• Spiralkegelräder
• Gehrungsgetriebe
• Kronenräder
• Hypoidgetriebe

Schneckengetriebe

Das Schneckengetriebe ist eine Kombination aus zwei Komponenten. Ein Schneckenrad und ein schraubenförmiges Zahnrad. Sie werden überwiegend in der Luft- und Raumfahrt, Industriemaschinen, Aufzügen und Automobilsteuerungen eingesetzt.

Das Schneckenrad-Setup bietet nicht viel Geschwindigkeit oder Effizienz. Es bietet jedoch eine einzigartige Eigenschaft, die für selbsthemmende Mechanismen erforderlich ist. In vielen Fällen kann die Schnecke das Rad drehen, aber umgekehrt kann es aufgrund der Zahnradwinkel nicht passieren. Darüber hinaus ist es wichtig zu beachten, dass Schneckenradgetriebe viel Reibung haben und möglicherweise eine kontinuierliche Reibung erfordern, um ordnungsgemäß zu funktionieren.

Zahnstange und Ritzel

Das Zahnstangensystem ist eine weitere Kombination, die hauptsächlich dazu dient, Drehbewegungen in Linearbewegungen und umgekehrt zu übertragen. Die Zahnradzähne können sowohl mit Gerad- als auch mit Schrägverzahnung zusammenpassen, sodass Sie sowohl auf parallelen Achsen als auch in einem Winkel arbeiten können. Einige der häufigsten Anwendungen dieses Systems finden sich in Automobilsystemen, Waagen und anderen ähnlichen Systemen.

Materialien zur Herstellung von Zahnrädern

Bei Zahnrädern gibt es keine Materialbeschränkung. Die frühesten waren aus Holz, und Sie können in der gesamten Branche verschiedene Materialzahnräder finden. Von großen Industriezahnrädern aus Stahl oder Eisen bis hin zu kleinen Kunststoffzahnrädern in Spielzeug. Die Materialkombinationen sind endlos.

Nichtsdestotrotz werden die folgenden Artikel am häufigsten bei der Zahnradherstellung und den Zahnradumformprozessen verwendet:

• Gusseisen
• Stahl
• Bronze
• Kunststoffe

Zahnräder haben sehr spezifische Kriterien für die Materialauswahl. Je nach Anwendung sollte das von Ihnen gewählte Material die entsprechende Zugfestigkeit und Haltbarkeit aufweisen.

Darüber hinaus ist der Reibungskoeffizient eine weitere Überlegung, da Zahnräder ständigen Kontakt benötigen. Schließlich sollten Sie auch Materialien auswählen, die sich gut verarbeiten lassen. Ein starkes Material mit geringer Herstellbarkeit ist schwieriger zu handhaben, da die Herstellung von Zahnrädern extreme Präzision und Genauigkeit erfordert.

Die oben genannten Materialien verfügen über die perfekte Balance dieser Eigenschaften für ihre Anwendungen. Deshalb werden Sie sie normalerweise in den meisten Gängen sehen, denen Sie begegnen.

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Gebräuchliche Herstellungsverfahren für Zahnräder

Die Herstellung von Zahnrädern ist aufgrund der erforderlichen Präzision ziemlich kompliziert. Heutzutage ist die Zahnradherstellung eine eigene Branche, die sich auf mehrere traditionelle und moderne Prozesse stützt, um das richtige Gleichgewicht zwischen Kosten, Qualität und Betrieb zu gewährleisten.

Hier ist eine Liste gängiger Verzahnungs- und Herstellungsverfahren zusammen mit ihren offensichtlichen Vor- und Nachteilen.

1 – Casting

Gießen ist ein einfacheres Verfahren, das überwiegend zur Herstellung von Rohlingen oder Zylindern für Zahnräder verwendet wird, während die Zähne durch spanende Bearbeitung vorbereitet werden. Aufgrund seiner Massenproduktionsfähigkeit und relativen Einfachheit ist es jedoch für viele Anwendungen ein praktikabler Zahnradherstellungsprozess für das Ganze.

Es gibt jedoch einen Bereich, in dem Gießen das am meisten bevorzugte Herstellungsverfahren in der Industrie ist. Das ist die Produktion von sehr großen Zahnrädern. Bearbeitungsverfahren und andere Verzahnungsverfahren sind bei großen Durchmessern nicht so praktikabel. Im Allgemeinen sind größere Zahnräder fast immer vom Stirnradtyp. Ihre relative Einfachheit macht das Casten also zu einer sehr guten Option.

Unter den gebräuchlichsten Arten von Gießverfahren sind Schalenguss, Druckguss, Sandguss und Kokillenguss die gängigsten für die Zahnradproduktion. Andere Verfahren haben in einigen Anwendungen eine begrenzte Verwendung. Die oben genannten sind jedoch die gängigsten in der Branche.

2 – Schmieden

Dies ist ein weiterer Umformprozess, der Ihnen je nach Ihren Anforderungen sowohl Rohlinge als auch vorbereitete Zahnräder liefern kann. Schmieden ist in Fällen, in denen Sie relativ einfache Zahnräder haben, durchaus praktikabel.

Theoretisch ist das Schmieden aus einem einfachen Grund ein hervorragendes Herstellungsverfahren für Zahnräder für Hochleistungsanwendungen. Das Schmieden erfordert eine Wärmebehandlung, was bedeutet, dass das resultierende Zahnrad bessere Ermüdungseigenschaften aufweisen würde. Die enorme Kraft, die für den Schmiedeprozess erforderlich ist, begrenzt jedoch die Größe und Dünnheit dieses Prozesses.

Im Allgemeinen funktioniert das Schmieden gut für Zahnräder mit einem Durchmesser von 6 bis 10 Fuß. Abhängig von der Art des Schmiedens, z. B. Präzisionsschmieden, müssen Sie die Zahnräder am Ende möglicherweise maschinell bearbeiten.

3 – Strangpressen und Kaltziehen

Dies ist ein weiterer Verzahnungsprozess, der sowohl vielseitig als auch einfacher ist. Extrudieren hat zwar einen geringeren Werkzeugaufwand, bedeutet aber nicht, dass es das wirtschaftlichste Verfahren ist.

Extrusion ist, wie der Name schon sagt, der Prozess, bei dem ein erhitztes Metallprofil durch eine kleinere, vorbestimmte Form geführt wird. Als Ergebnis erhalten Sie einen Stab Ihrer gewünschten Form mit einer gehärteten und glatten Außenfläche.

Das Kaltziehverfahren ist dem Strangpressen sehr ähnlich. Es gibt zwei Unterschiede. Beim Strangpressen wird der Rohling durch eine Ziehdüse geschoben, die ihn zieht. Der andere Unterschied ist die Temperatur. Beim Kaltziehen wird der Knüppel nicht erhitzt. Dadurch Erhöhung der mechanischen Eigenschaften auf Kosten der Kosten.

4 – Pulvermetallurgie

Die Pulvermetallurgie ist ein fortschrittliches Verfahren, das in den letzten Jahren erhebliche Fortschritte gemacht hat. Heute wird es für mehrere Herstellungsprozesse einschließlich der Zahnradproduktion verwendet.

Wie funktioniert also die Pulvermetallurgie? Von der Perspektive her ist es ganz einfach. Es gibt jedoch viele Feinheiten.

Alles beginnt mit Metallpulver. Der erste Schritt besteht darin, das gesamte Pulver zu nehmen und ihm eine endgültige Form zu geben, die Sie wünschen. Sobald Sie fertig sind, stellt der nächste Schritt sicher, dass der gesamte Aufbau ziemlich kompakt ist, da dies zu besseren mechanischen Eigenschaften führt. Erhitzen Sie den gesamten Aufbau vorsichtig und Sie sind fertig.

Die Pulvermetallurgie ist äußerst effizient, einfach und für große Mengen geeignet. Sie müssen sich um keine Nachbearbeitung kümmern, da das Produkt sofort einsatzbereit ist. Die resultierenden Zahnräder können jedoch nicht zu viel Last tragen und es gibt auch Größenbeschränkungen.

Darüber hinaus sind die Anschaffungskosten für jede Pulvermetallurgieeinrichtung ziemlich hoch, was sie für eine Kleinserienproduktion unrentabel macht.

5 – Ausblenden

Stanzen ist ein dem Extrudieren sehr ähnlicher Prozess, hat aber begrenzte 3-dimensionale Möglichkeiten. Bei diesem Zahnradformungsprozess wird Blech verwendet, um mit Hilfe mehrerer Matrizen die gewünschte Form zu erzeugen. Mit dem Stanzverfahren können Sie verschiedene Arten von Zahnrädern herstellen. Mit Stirnrädern erzielen Sie jedoch die besten Ergebnisse.

Heutzutage wird der Stanzprozess der Zahnradherstellung von mehreren Branchen für Leichtbauanwendungen eingesetzt. Zum Beispiel Bürogeräte, Hydraulik, kleine medizinische Geräte und andere Anwendungen mit geringen Lastanforderungen.

6 – Zahnradbearbeitung

Die spanende Bearbeitung gehört aufgrund ihrer Vielseitigkeit zu den gängigsten Herstellungsverfahren für Zahnräder. Die traditionelle Bearbeitung war für das Verzahnungsschneiden und die Herstellung weit verbreitet, aber die Fortschritte der CNC-Bearbeitung haben ihre Popularität vorangetrieben.

Die folgenden 4 Verzahnungsverfahren sind in der Branche am gebräuchlichsten.

Fräsen

Wälzfräsen verwendet eine konische Schneidvorrichtung, die als Wälzfräser bezeichnet wird. Sowohl der Wälzfräser als auch das Werkstück drehen sich, wenn sich der Wälzfräser um den Zahnradrohling dreht. Bisher sind Außenstirn- und -schrägverzahnungen die einzigen Produkte, die Sie durch Wälzfräsen herstellen können.

Der Prozess ist sehr vielseitig und schnell. Sie können Ihre Produktionsraten auch steigern, indem Sie mehrere Stapel zusammen verarbeiten. Es erfordert jedoch mehr Geschick und Präzision.

Formen

Das Formen ist ein fortschrittliches Schneid- und Herstellungsverfahren, das Zahnräder entwickelt, mit denen Hobbing nicht umgehen kann. Der Fräser kann jede Form haben, wie z. B. ein Ritzel, eine Zahnstangenform oder eine Einpunktform. Es sieht Zahnrädern sehr ähnlich und funktioniert, indem es in der gewünschten Form in den Rohling schneidet. Mit dem Stoßverfahren können Sie Innen- oder Clusterverzahnungen erstellen.

Räumung

Räumen ist vielleicht die schnellste Methode zum Formschneiden von Zahnrädern. Es setzt auf ein Vielzahnwerkzeug mit eingebetteten Schneiden, die tiefer gehen als ihr Vorgänger. Dies führt zu kleineren, inkrementellen Schnitten, die einfacher auszuführen sind und Ihnen schnell die gewünschte Form geben, ohne die Präzision zu beeinträchtigen.

Dieses Zahnradherstellungsverfahren ist typisch für Innenverzahnungen, aber Sie können damit auch Außenverzahnungen herstellen. Dafür benötigen Sie ein spezielles Werkzeug zum Topfräumen, mit dem Sie die gleiche Präzision und Effizienz reproduzieren können.

Fräsen

Dies ist ein grundlegendes Verzahnungsverfahren, bei dem Sie einzelne Verzahnungen nacheinander herstellen. Es ist jedoch sehr vielseitig, insbesondere wenn Sie eine CNC-Fräsmaschine verwenden. Während Sie auf einer Fräsmaschine jede Art von Zahnrad herstellen können, lässt die Präzision dieser Methode zu wünschen übrig. Deshalb ist Fräsen nicht mehr so ​​verbreitet wie früher.

Die jüngsten Entwicklungen im CNC-Bereich und bei Mehrachsen haben die Dinge jedoch geändert. Die Zahnradfertigung auf Fräsmaschinen wird immer häufiger. Also wird es mit der Zeit noch besser.

Nachbearbeitung der Zahnradherstellung

Abhängig von der verwendeten Zahnradherstellungsmethode müssen Ihre Zahnräder nachbearbeitet werden, bevor sie zu 100 % fertig sind. Diese Nachbearbeitung kann von der Wärmebehandlung für verbesserte Ermüdungseigenschaften bis hin zur Maßkorrektur und Oberflächenveredelung reichen.

Hier sind die 5 häufigsten Oberflächenveredelungsverfahren, die in der Zahnradproduktion üblich sind.

• Schleifen: Wie der Name schon sagt, ist das Schleifen ein gängiges Oberflächenveredelungsverfahren, das Ihnen ein glattes Finish auf der gesamten Oberfläche verleiht. Sie können es intermittierend oder kontinuierlich durchführen und es hat keinen Einfluss auf die Ergebnisse.
• Läppen: Dieses Verfahren eignet sich für empfindliche Zahnräder, bei denen extreme Präzision erforderlich ist. Beim Läppen werden kleine Schleifpartikel verwendet, um eine Oberfläche bei niedrigen oder mittleren Geschwindigkeiten zu glätten.
• Honen: Dies ist ein weiterer gängiger Prozess, der die Oberfläche poliert und glatt macht. Darüber hinaus können Sie auch einige kleinere Fehler in Ihrer Zahngeometrie korrigieren.
• Rasieren: Dieser Prozess entfernt hauchdünne Schichten von der Oberfläche, um ein glattes Profil zu erzielen. Rasieren ist im Allgemeinen teuer, daher wird es in der Zahnradproduktion selten verwendet.
• Polieren: Im Wesentlichen ist das Polieren der Prozess, bei dem die Oberfläche durch Kompression geglättet wird.

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Die Zahnradfertigung ist ein hochspezialisierter Bereich, der extreme Präzision und Genauigkeit erfordert. Zahnräder sind eine wesentliche Komponente für jedes mechanische System und selbst der kleinste Herstellungsfehler kann viele katastrophale Folgen haben. Daher müssen Sie bei der Auswahl des Dienstes vorsichtig sein.

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