02.02.2022

Leichte Getriebe für Triebwerke

Neue Prozesskette für die Fertigung doppelschrägverzahnter Zahnräder.

Der Einsatz doppelschräg­verzahnter Planeten­radgetriebe macht Flugzeug­triebwerke effizienter: Die Verzahnungen gewährleisten eine hohe Lastaufnahme und eine beständige Laufruhe. Konventionelle Fertigungs­verfahren für Verzahnungen können bei diesen Zahnrad­geometrien nur mit großen Abstrichen beim Bauteil­gewicht eingesetzt werden. Ein Forschungsteam des Fraunhofer-Instituts für Produktions­technologie IPT in Aachen hat nun in einem Konsortial­projekt eine neue Prozesskette entwickelt, bei der doppelschräg­verzahnte Zahnräder mittels Fünf-Achs-Fräsen mit anschließendem Fünf-Achs-Schleifen gefertigt werden.

Abb.: Entwicklung einer Prozesskette zur Fertigung der Zahnräder mittels...
Abb.: Entwicklung einer Prozesskette zur Fertigung der Zahnräder mittels 5-Achs-Fräsen mit anschließendem 5-Achs-Schleifen. (Bild: Fh.-IPT)

Üblicherweise werden Doppelschräg­verzahnungen durch Walzfräsen und Wälzschleifen hergestellt. Die Fräs- und Schleif­werkzeuge benötigen allerdings große Ein- und Auslaufzonen, die ihrerseits breite Nuten zwischen den Radteilen erfordern. Das hat zur Folge, dass Getriebe, die auf diese Weise gefertigt werden, vergleichs­weise schwer sind und große Abstände zwischen den einzelnen Zähnen aufweisen – beides ist nachteilig für die Verwendung in Flugzeug­triebwerken. Im Forschungs­projekt „CompactGears4Turbo“ hat das Fraunhofer IPT gemeinsam mit fünf Industrie­partnern neue Prozess­ketten zur Herstellung kompakter und leichter Zahnräder mit schmalen Nuten für Luftfahrt­getriebe entwickelt.

Die Prozessketten reichen von der digitalen Modellierung der Zahnräder (CAD) über die computer­basierte Prozess­auslegung (CAM) bis zur Fertigung und der anschließenden Qualitäts­prüfung. Die Projekt­partner realisierten erstmals eine Prozesskette zur Fertigung der Zahnräder mittels Fünf-Achs-Fräsen mit anschließendem Fünf-Achs-Schleifen. Das Schleifen der Bauteil­oberfläche ist für den Betrieb des Bauteils von großer Bedeutung, da eine geringere Oberflächenrauheit die Reibung zwischen den Zahnflanken im Getriebe vermindert. Eine besondere Heraus­forderung war die Integration des Schleifens in die Prozesskette, denn das Fünf-Achs-Schleifen von Verzahnungen war bis dahin so gut wie unerforscht. Die beiden Verfahren – Fräsen und Schleifen – in einer solchen Prozesskette zu kombinieren, war also Pionier­arbeit. Zunächst waren deshalb umfangreiche grundlegende Unter­suchungen erforderlich, um geeignete Prozessstrategien zu erarbeiten. Besonders die Identi­fikation der passenden Werkzeuge für die Fünf-Achs-Schleif­bearbeitung der Zahnräder war eine große Aufgabe.

Bei den praktischen Unter­suchungen stellte sich heraus, dass die Fünf-Achs-Fräs­bearbeitung die maximal erreichbare Form­genauigkeit der Zahnräder vorgibt. Das anschließende fünf-achsige Schleifen hat keinerlei positive Auswirkungen auf die Makro­geometrie der Zahnräder, vielmehr wirkt es sich eher nachteilig aus. Der Schleifprozess muss deshalb so ausgelegt werden, dass sich die Zahnrad­geometrie nur noch geringfügig verändert, die Rauheit der Zahnrad­oberfläche dabei aber so weit wie möglich verringert. Diese und weitere Erkenntnisse für die Auslegung der neuen Prozesskette flossen als weiteres Projektergebnis in die Entwicklung eines CAM-Planungs­softwarepakets für Siemens NX ein. Die Software dient zur Prozessplanung und umfasst auch die Bahnplanung für das Fräsen und Schleifen der komplexen Doppelschräg­verzahnungen.

Fh.-IPT / JOL

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