Stabilere Zahnräder für Windkraftanlagen

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 – hoher Wellengang, kräftige Winde und schlechte Sicht­verhältnisse können Einsatzteams behindern und die Stillstandszeiten weiter verlängern. Im Projekt „Gearform“ entwickelte das Fraunhofer-Institut für Werkzeug­maschinen und Umformtechnik IWU daher gemeinsam mit Industriepartnern ein Warmwalz­verfahren zur Herstellung langlebiger, großmoduliger Zahnräder. Gegenüber dem Wälzfräsen kann dieses Verfahren zusätzlich mit besonders hohem Material­nutzungsgrad und erheblich kürzeren Fertigungs­zeiten punkten.

Mit einem Durchmesser von 500 Millimetern und einem Modul (Zahngröße) von 9,5 Millimetern ist das für das Projekt gefertigte Zahnrad das größte bisher umform­technisch hergestellte Zahnrad. Dazu fertigten die Projektpartner eigens eine Warmwalz­anlage, die den Walzrohling auf 1200 Grad erwärmt und die Verzahnung unter rotatorischer Bewegung in das Bauteil einbringt. In diesem Umformprozess entstehen keine Späne; da das Volumen bei der Bearbeitung nicht reduziert wird (Volumenkonstanz), lassen sich immerhin zwanzig Prozent Material einsparen. Noch beeindruckender ist die Zeit­ersparnis. Sechseinhalb Minuten dauert der Walzprozess, etwa eine Stunde würde das Walzfräsen in Anspruch nehmen. 

Auf die Langlebigkeit eines Zahnrads wirkt sich das Warmwalzen besonders positiv aus. 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. 

Fh.-IWU / JOL