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Rekordverdächtig 50-Zentimeter-Zahnrad umformtechnisch hergestellt

Von Fraunhofer IWU 2 min Lesedauer

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Fraunhofer-Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik IWU
Georg Martin GmbH
KISSsoft AG
Heraeus AMLOY Technologies GmbH

Im Projekt Gearform hat das Fraunhofer IWU mit Industriepartnern ein Warmwalzverfahren zur Herstellung langlebiger, großmoduliger Zahnräder entwickelt. Damit fertigten sie das bisher größte umformtechnisch hergestellte Zahnrad.

Für das Projekt fertigten die beteiligten Organisationen eigens eine Warmwalzanlage. (Bild: Fraunhofer IWU)
Für das Projekt fertigten die beteiligten Organisationen eigens eine Warmwalzanlage.
(Bild: Fraunhofer IWU)

Zahnradschäden an Offshore-Windkraftanlagen zu beheben, ist sehr teuer. Stehen die Anlagen wegen defekter Getriebe still, ist eine Reparatur oft nur unter Einsatz von Spezialkränen möglich. Im Projekt Gearform entwickelte das Fraunhofer IWU daher gemeinsam mit Industriepartnern ein Warmwalzverfahren, mit dem sich langlebige und großmodulige Zahnräder herstellen lassen. Gegenüber dem Wälzfräsen hat das Warmwalzen einen höheren Materialnutzungsgrad und kürzere Fertigungszeiten. Nun stellten die Projektpartner ein Zahnrad mit einem Durchmesser von 500 Millimetern und einem Modul (Zahngröße) von 9,5 Millimetern her. Es ist vermutlich das bislang größte umformtechnisch hergestellte Zahnrad weltweit.

Dazu bauten die Projektpartner eigens eine Warmwalzanlage, die den Walzrohling auf 1200 Grad Celsius erwärmt und die Verzahnung unter rotatorischer Bewegung in das Bauteil einbringt. In diesem Umformprozess entstehen keine Späne. Und da das Volumen bei der Bearbeitung nicht reduziert wird (Volumenkonstanz), lassen sich immerhin 20 Prozent Material einsparen. Erwähnenswert ist auch die Zeitersparnis: Sechseinhalb Minuten dauere der Walzprozess, etwa 60 Minuten würde das Wälzfräsen in Anspruch nehmen, so das Fraunhofer IWU.

Für die Windkraftanlagen zahlen sich besonders standfeste Zahnräder aus. (Bild: Fraunhofer IWU)
Für die Windkraftanlagen zahlen sich besonders standfeste Zahnräder aus.
(Bild: Fraunhofer IWU)

Das Warmwalzen verbessert die Langlebigkeit eines Zahnrades. Denn beim Umformen wird der Faserverlauf des Materials nicht getrennt, sondern lediglich an die geometrische Außenkontur angepasst. Dies erhöht sowohl die Zahnfußfestigkeit (unterer Bereich der Verzahnung) als auch die Tragfähigkeit der Zahnflanke (Kontaktbereich mit anderen Zahnrädern) . Dazu kommen umformbedingte Verfestigungseffekte wie die Beeinflussung der Versetzungsverdichtung und der Feinkornbeeinflussung: Die plastische Verformung als Folge des Warmwalzprozesses bewirkt eine deutlich höhere Versetzungsdichte im Kristallgitter des Metalls, wodurch dessen Festigkeit und Härte gesteigert werden. Gleichzeitig führt eine Kornfeinung zu mehr Zähigkeit des Materials. Ebenfalls dem Härten dient eine anschließende Wärmebehandlung; durch eine zerspanende Bearbeitung (Schleifen) erhalten Oberflächen des Zahnrads schließlich ihre endgültige Kontur.

Das Projekt "Gearform: Energie- und ressourceneffiziente Umformung großmoduliger Zahnräder" wurde aus Mitteln des Bundesministeriums für Wirtschaft und Klimaschutz gefördert. Projektpartner sind neben dem Fraunhofer IWU (Koordination) die Firmen: Ema-Tec, Härterei Reese Chemnitz, Dreiling Maschinenbau und Flender. (dm)

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