Zahnradfertigung: Verfahren, Typen und Prozesse im Detail

Zahnräder sind das Herzstück jeder Kraftübertragung. Ihre Herstellung erfordert höchste Präzision – von der Urform bis zum Feinschliff. Dieser Artikel systematisiert die Fertigungsverfahren: Gießen, Umformen, spanende Bearbeitung (Profilieren & Generieren) mit Fokus auf industrielle Relevanz.

Einführung

Ein Zahnrad überträgt Drehmoment und Bewegung zwischen Wellen. Zahneingriff erfordert exakte Geometrie (Involute, Zykloide), hohe Tragfähigkeit, Laufruhe und Wirtschaftlichkeit. Die Fertigung erfolgt auf spezialisierten Maschinen – Universaldrehmaschinen sind für Großserien ungeeignet.

Historischer Abriss

Antike: Reibräder (Kraftschluss). 1897: Herman Pfauter erfindet die erste Zahnradschneidemaschine → Basis moderner Verzahnungstechnik.

Hauptfertigungswege

1. Gießen (Sandguss, Kokillenguss, Feinguss, Spritzguss)
2. Umformen (Walzen, Strangpressen, Kaltziehen)
3. Spanende Bearbeitung (Profilverfahren & Generierverfahren)

1. Gießen

• Sandguss: Großräder, niedrige Kosten, rauh/ungenau → niedrige Laufqualität
• Feinguss (Wachsausschmelz): Hohe Maßhaltigkeit, gute Oberfläche, belastbare Werkstoffe
• Spritzguss (Thermoplaste): Kleinteile, geringe Last, hohe Genauigkeit
• Kokillenguss/Shell-Molding: Kleinserien, kleine Moduln

Gießen deckt Massenfertigung nicht ab (Nachbearbeitung nötig).

2. Umformen

2.1 Walzverzahnen (Roll Forming)

Rohling walzt gegen Profilwalzen → Kaltverfestigung der Zahnflanken → hohe Festigkeit, exzellente Genauigkeit, kein Nacharbeiten. Heiß oder kalt. Hohe Werkzeugkosten, aber Materialersparnis.

2.2 Strangpressen & Kaltziehen

Stange durch Profilmatrize → durchgehende Verzahnung → Abschneiden einzelner Räder. Feinste Moduln (Uhren, Drucker, Schreibmaschinen). Heute auch Stahl bis 60 mm Ø.

3. Spanende Bearbeitung

3.1 Profilverfahren (Formschnitt)

Werkzeug hat Zahnlückengeometrie. Jeder Zahn einzeln gefräst/gestochen/gezogen.

Methoden:

1. Fräsmaschine mit Scheiben- oder Schaftfräser (Modulfräser)
2. Streich-/Planhobelmaschine mit Einmeißel
3. Ziehmaschine (Broaching)
4. Scher-Geschwindigkeitsverfahren (Shear Speed)

3.1.1 Fräsen mit Modulfräser

Rohling auf Teilapparat. Fräserachse ⊥ Rohlachse. Ein Zahn pro Hub + Indexieren. Einfach, wirtschaftlich, für Stirn-, Kegel-, Schneckenräder & Zahnstangen. Genauigkeit begrenzt (Teilapparat).

3.1.2 Schrägverzahnung & Schnecken

Universalfräsmaschine + Spiralfräsaufsatz. Zwei Fräser (Schruppen/Schlichten). Großmodulige Zahnstangen → Schaftfräser.

3.1.3 Streichen/Hobeln/Zeichnen

Einmeißel, hin- und hergehend. Rohling stationär (Streich/Zeichen) oder beweglich (Hobel). Wirtschaftlich, aber langsam → keine Großserie.

Vergleich:

Merkmal	Streichmaschine	Planhobelmaschine	Zeichenmaschine
Rohling	stationär (Spannfutter)	beweglich (Tisch)	stationär (Spannvorrichtung)
Werkzeug	hubt	steht	hubt
Schnitttiefe	gering	hoch	gering

3.1.4 Ziehen (Broaching)

Ziehmesser (Broach) mit ansteigenden Zähnen → ein Hub, alle Zähne, innen/außen. Schnell, gute Oberfläche. Hohe Werkzeugkosten → erst ab Großserie wirtschaftlich.

3.1.5 Scher-Geschwindigkeitsverfahren

Radiale Mehrmeißel-Anordnung → alle Zähne in 1–3 Hüben. Sehr schnell. Innen-/Außenverzahnung, Splines, Kupplungsverzahnung. Höhere Werkzeugkosten als Ziehen.

Vergleich Ziehen vs. Shear Speed:

Merkmal	Ziehen	Shear Speed
Werkzeug	Einmeißel (Broach)	Radiale Formmeißel
Zähne pro Hub	1	Alle
Geschwindigkeit	Schnell	Sehr schnell
Werkzeugkosten	Mittel	Hoch

3.2 Generierverfahren (Wälzverzahnen)

Werkzeug & Rohling führen Wälzbewegung aus → Evolvente entsteht kinematisch. Industriestandard für Großserien.

Hauptverfahren:

1. Wälzfräsen (Gear Shaping)
2. Wälzstoßen (Rack Planing / Sunderland / Maag)
3. Wälzschälen (Gear Hobbing)

3.2.1 Wälzfräsen (Gear Shaping)

Prinzip: Rohling auf Spindel, Fräser auf Stummelwelle. Fräser: Hubbewegung (Schnitt/Leerhub) + langsame Relativdrehung (Teilung).

Zwei Varianten:

• Rundfräser (Rotary Shaper Cutter): Hahnenradform, gleiche Zähnezahl wie Rohling. Universell (außer Schnecken), hohe Ausbringung. Auch Innenverzahnung. Vertikal/Horizontal.
• Zahnstangenfräser (Rack Type): Zahnstangenprofil, hin- und hergehend. Jede Zähnezahl möglich. Nachteil: Rücklauf nach jeder Zahnstangenlänge.

3.2.2 Wälzstoßen (Rack Planing)

Erzeugt Evolventenverzahnung (Stirn-/Schrägverzahnung). Maschinen: Sunderland, Maag. Rohling starr, Zahnstangenfräser hubt. Jeder Hub schneidet 2 volle + 2 Teilzähne → Evolvente durch Überlagerung. Rohling wird langsam gefüttert + indexiert.

3.2.3 Sunderland-Verfahren

Zahnstange bewegt sich mit, dann schneller Rückzug um eine Teilung. Getriebesynchronisation. Bediener kann Hubgeschwindigkeit materialspezifisch wählen.

3.2.4 Maag-Verfahren

Rohling vertikal auf Drehtisch, Zahnstange auf Schlitten. Fräser neigbar → beliebige Schrägungswinkel.

3.2.5 Wälzschälen (Gear Hobbing) – Industriestandard

Prinzip: Wälzschäler (Schneckenform mit axialen Nuten) + Rohling wälzen gegeneinander. Kontinuierlicher Schnitt.

• Alle Evolventenradtypen (außen)
• Mehrere Rohlinge gleichzeitig auf Spindel
• Schrägverzahnung durch Schwenken der Rohlachse
• Hohe Stückleistung, flexible Zähnezahl (ein Schäler)
• Limit: Keine Innenverzahnung

Warum Wälzschälen dominiert:

1. Wirtschaftlichster Generierprozess
2. Kontinuierlich, hohe Schnittgeschwindigkeit
3. Alle Außenzahnradtypen
4. Hohe Genauigkeit (DIN 3962)
5. Stapelbearbeitung mehrerer Rohlinge
6. Ein Schäler für beliebige Zähnezahlen

Nachbehandlung

Alle Verfahren → Wälzschleifen, Wälzstoßen (Shaving), Honen, Glätten (Burnishing) für Endqualität (ISO 1328 / AGMA).