Verzahnen (Wälzfräsen, Wälzstoßen)

Wälzfräser oder Stoßräder erzeugen Zahnräder

Beim Verzahnen erhält ein runder Rohling seine Zähne. Bei den zwei wichtigsten Verfahren drehen sich Werkzeug und Rohling gemeinsam, als wären sie bereits ineinandergreifende Zahnräder, sodass jeder Zahn dasselbe präzise gekrümmte Profil erhält. Die Zahnräder in einem Autogetriebe, einem Akkuschrauber oder einer Windkraftanlage entstehen so.

Foto: Kolossos, CC BY-SA 3.0, via Wikimedia Commons

Verzahnen · Wälzfräsen und Wälzstoßen, Seitenansichten, 5 SchritteDie eingekreisten Zahlen entsprechen den Schritten unten: Die Schritte 1–3 sind das Wälzfräsen (links), die Schritte 4–5 das Wälzstoßen (rechts).

So funktioniert es

Den Rohling aufspannen. Ein Zahnradrohling (eine bereits auf Maß gedrehte Scheibe mit einem Mittelloch) wird auf der rotierenden Werkstückspindel der Maschine gespannt.
Wälzfräsen: Fräser und Rohling im Gleichlauf drehen. Der Wälzfräser (ein schneckenförmiges Werkzeug mit vielen Schneidzähnen) dreht sich, während sich der Rohling in einem festen Verhältnis dreht, wie eine Schnecke, die ihr Rad antreibt.
Über die Breite vorschieben. Der Wälzfräser fährt langsam entlang der Achse des Rohlings. Jede Zahnlücke wird bei jeder Umdrehung ein Stück weiter geschnitten, sodass alle Zähne gemeinsam wachsen.
Wälzstoßen: auf und ab stoßen. Für Zahnräder, die das Wälzfräsen nicht erreicht, bewegt sich ein zahnradförmiges Werkzeug wie ein Hobel auf und ab und schneidet bei jedem Abwärtshub.
Langsam im Eingriff abwälzen. Zwischen den Hüben drehen sich Werkzeug und Rohling jeweils ein Stück, als wären sie im Eingriff, bis alle Zähne geformt sind. Das Wälzstoßen kann Innenverzahnungen und Zähne direkt neben einer Schulter (einer Stufe am Teil) schneiden.

Nach dem Schneiden werden Zahnräder für Autos und Maschinen meist wärmebehandelt (gehärtet), und präzise werden dann geschliffen oder gehont.

Wichtige Fakten

Werkstoffe: Stähle (die meisten Zahnräder), Gusseisen, Bronze, Messing, Aluminium, Kunststoffe
Typische Teile: Gerad- und Schrägzahnräder (gerade oder schräge Zähne), Kettenräder, Keilwellen, Schneckenräder
Bauteilgröße: Von Uhrenzahnrädern mit wenigen Millimetern Durchmesser bis zu Zahnrädern für Windkraft und Bergbau von mehreren Metern
Präzision: Meist AGMA 8–10 oder ISO-Qualität 7–9 nach dem Wälzfräsen, grob 0,01–0,03 mm Zahnfehler; Schleifen erreicht etwa ISO 4–5
Oberfläche: Meist Ra 1,6–3,2 µm (Ra = mittlere Rauheit; 1 µm ist ein Tausendstel Millimeter) an den Zahnflanken
Geeignete Losgröße: Einzelne Zahnräder bis Millionen; ein Wälzfräser schneidet jede Zähnezahl mit gleicher Zahngröße
Werkzeug- und Maschinenkosten: Wälzfräser und Stoßräder kosten hunderte bis tausende Dollar; CNC-Verzahnmaschinen kosten hunderttausende
Geschwindigkeit: Sekunden bis etwa eine Minute pro kleinem Autozahnrad; viele Stunden bei einem Zahnrad von Metern Durchmesser

Stärken und Grenzen

Stärken

Genaue, gleichmäßige Zahnformen an jedem Zahn
Ein Wälzfräser bedient viele Zahnradgrößen mit gleicher Zahngröße
Wälzfräsen ist schnell und kontinuierlich, ideal für große Stückzahlen
Wälzstoßen erreicht Innen- und Blockzahnräder

Grenzen

Spezielle, teure Maschinen
Wälzfräsen kann keine Innenverzahnungen oder Zähne neben einer Schulter schneiden
Wälzstoßen ist langsamer, weil die Hälfte jedes Hubs nichts schneidet
Gehärtete Zahnräder müssen für höchste Präzision noch geschliffen werden

Wo es eingesetzt wird

AutomobilbauGetriebezahnräder, Differenzialzahnräder, Anlasser- und Pumpenzahnräder
EnergieGetriebe von Windkraftanlagen, große Industrieantriebe
MaschinenbauUntersetzungsgetriebe, Förderanlagen, Werkzeugmaschinenantriebe
KonsumgüterElektrowerkzeuge, Küchenmaschinen, Fahrrad- und Motorrad-Kettenräder
Luft- und RaumfahrtHubschraubergetriebe, Nebenaggregategetriebe von Triebwerken

So erkennen Sie es

Identische Zähne mit gekrümmten (Evolventen-)Flanken, dem Profil, mit dem Zahnräder gleichmäßig aufeinander abrollen.
Feine Spuren quer über jede Zahnfläche, in der Richtung, in der der Wälzfräser lief.
Ein Innenzahnrad oder ein Zahnrad direkt an einer Schulter deutet auf Wälzstoßen statt Wälzfräsen hin.

Im Vergleich mit

Räumen5.4kopiert ein komplettes Innenzahnrad oder Keilprofil in einem Zug, braucht aber für jede Größe ein teures Werkzeug.Fräsen5.2ein Formfräser kann Zahnräder Lücke für Lücke schneiden; langsamer und weniger genau, genutzt für einzelne Reparaturen.Schleifen5.7bringt gehärtete Zahnflanken nach dem Wälzfräsen auf höhere Präzision.

Ansehen

ProdMach · Ein Einsteigervergleich von Wälzfräsen und Wälzstoßen

Evolvent Design · Nahaufnahmen eines Stirnrads, das in einer Werkstatt wälzgefräst wird

Gleason Corporation · Wälzfräsen in der Produktion auf einer modernen Maschine, mit Anfasen

Liebherr · Eine sehr große Wälzfräsmaschine bei der Arbeit

Echte Fotos ansehen

Wikipedia: Verzahnen — Überblick über Wälzfräsen, Wälzstoßen, Räumen, Fräsen und Endbearbeitungsverfahren
Wikipedia: Wälzfräsen — Foto eines Wälzfräsers und einer Wälzfräsmaschine
Fotosuche auf Wikimedia Commons

Merken

Zahnräder werden erzeugt: Das Werkzeug wälzt sich mit dem Rohling ab wie ein Gegenrad.
Wälzfräsen ist kontinuierlich und schnell; Wälzstoßen stößt auf und ab und erreicht Innenzahnräder.
Die meisten präzisen Zahnräder werden weich geschnitten, gehärtet, dann geschliffen.