Bei mechanischen Getriebesystemen bestimmen der Rundlauf (Anforderung ≤0,05 mm) und der Planlauf (≤0,04 mm) von Zahnrädern mit einem Teilkreisdurchmesser von Φ300–500 mm direkt die Getriebeeffizienz und die Lebensdauer der Anlage. Ein Hersteller von Hochleistungszahnrädern, der Zahnräder aus dem Werkstoff 40CrNiMoA mit herkömmlichen Verfahren bearbeitet, benötigt drei Arbeitsschritte: 'Grobspanen an einer Horizontaldrehmaschine → Fräsen der Stirnseite an einer Vertikalfräsmaschine → Profilschneiden am Zahnradstosser'. Mehrfache Aufspannvorgänge führen dazu, dass der Rundlauf die Toleranz um 0,08–0,12 mm überschreitet, die Geräuschentwicklung über 90 dB liegt (zulässiger Wert ≤85 dB) und der Bearbeitungszyklus pro Werkstück bis zu 10 Stunden beträgt. Zudem weist 40CrNiMoA nach dem Anlassen eine Härte von 280–320 HB auf, was zu hohem Schneidwiderstand führt. Schnellarbeitsstahl-Werkzeuge halten dabei nur 2–3 Werkstücke pro Schneidkante, und die Werkzeugkosten pro Zahnrad liegen über 1500 Yuan.
Kundennutzungsszenarien
Um dieses Dilemma zu überwinden, hat das Unternehmen die CNC-Vertikaldrehmaschine Kunming Machine Tool TK6513 von Shenyang Machinery Group eingeführt, um ein exklusives Fertigungssystem für Zahnräder nach dem Prinzip „schwerlastfeste starre Bearbeitung + Präzisionsdrehen in einer Aufspannung“ aufzubauen. Die Anlage verfügt über einen geschlossenen Bettkörper aus Grauguss (mit einer Wanddicke von 120 mm), der einer doppelten Spannungsrelaxation unterzogen wurde („natürliches Altern über 18 Monate + Schwingungsentspannung über 96 Stunden“). In Kombination mit der Portal-Querträger- und Kasten-Schlittenstruktur wird die Steifigkeitsverteilung durch Finite-Elemente-Analyse optimiert. Die radiale Schneidsteifigkeit erreicht 40 kN/mm und kann somit stabil eine radiale Kraft von 25 kN beim Schneiden von 40CrNiMoA aushalten. Ausgestattet mit dem Siemens 828D Advanced CNC-System und einer vollständig geschlossenen Regelung mittels Messschieber (Auflösung 0,05 μm) erzielt sie eine Positioniergenauigkeit von ± 0,008 mm und eine Wiederholgenauigkeit von ± 0,005 mm, wodurch die Anforderung an das radiale Laufspiel des Zahnkranzes von ± 0,03 mm exakt erfüllt wird. Für hochfeste Legierungswerkstoffe ist die Anlage mit einem 18,5 kW Hochleistungsspindel (maximale Drehzahl 1000 min⁻¹) sowie einem Hochdruck-Emulsionskühlsystem (Kühlungsdruck 1,2 MPa, Durchflussmenge 35 L/min) ausgestattet und wird zusammen mit CBN-Werkzeugen aus kubischem Bornitrid (Härte HV3000) eingesetzt, wodurch Werkzeugverschleiß und Spanbildung effektiv unterdrückt werden.
Zahnradklemmung
In Bezug auf technologische Innovation hat die Anlage einen doppelten Durchbruch bei der „Prozessintegration + präzisen Vorkontrolle“ in der Zahnradbearbeitung erzielt: Durch die Integration einer hydraulischen Vierbacken-Spannfutter mit Φ 650 mm, eines 8-Stationen-Elektroturms (Werkzeugwechselzeit 2,0 Sekunden) und einer radialen Bohreinheit können Außenrund-Feinbearbeitung des Zahnrads (Toleranz IT6), Stirnfräsen (Ebenheit ≤ 0,02 mm), Innenbohrung (Zylindrizität ≤ 0,01 mm) sowie Positionierlochbearbeitung (Positionsgenauigkeit ≤ 0,1 mm) in einem einzigen Arbeitsgang vollständig abgeschlossen werden. Um der Schwierigkeit der Präzisionskontrolle beim Zahnkranz zu begegnen, setzen wir erstmals innovativ die „methode der einheitlichen Bezugsbearbeitung“ ein: Dabei wird das Innenloch des Zahnradrohlings als Positionierungsbezug verwendet, wobei mithilfe des Maschinenmesssystems (Messgenauigkeit ± 0,0015 mm) Echtzeitdaten von Stirnfläche und Außenradius erfasst werden, und die durch das Gewicht des Werkstücks verursachte Verformung automatisch kompensiert wird (Kompensationsgenauigkeit 0,003 mm), sodass das Rundlaufen des Zahnkranzes stabil innerhalb von ≤ 0,04 mm gehalten wird. Für verschiedene Modulzahnräder (Modul 8–20 mm) ist die Anlage mit 30 Satz Prozessparameter-Vorlagen ausgestattet, wodurch die Umrüstzeit von traditionell 3 Stunden auf 30 Minuten verkürzt wurde.
Die Implementierungsergebnisse entsprechen vollständig den Standards für Getriebe schwerer Maschinen: Der Bearbeitungszyklus pro Werkstück wurde von 10 Stunden auf 6 Stunden verkürzt, und die tägliche Produktionskapazität stieg von 8 auf 14 Stück; Der Rundlauf des Zahnkranzes beträgt ≤ 0,04 mm, der Planlauf ≤ 0,03 mm, und die Oberflächenrauheit erreicht Ra0,8 μm, was vollständig den Anforderungen der Norm GB/T 10095.1-2021 „Zylindrische Verzahnung – Genauigkeitssystem – Teil 1: Definition und zulässige Werte von Zahnflankenabweichungen einseitig“ sowie dem ISO 1328-1-Standard genügt; Die Getriebegeräuschentwicklung sank von 90 dB auf 82 dB, und der Zahnradwirkungsgrad stieg um 8 %; Durch optimierte Materialanpassung und Kühlung verlängerte sich die Standzeit der Werkzeuge um 200 % (bis zu 6–8 Stück/Schneide), und die Kosten je Getriebewerkzeug reduzierten sich auf 500 Yuan; Das am Gerät installierte intelligente Überwachungsmodul erfasst in Echtzeit die Spindellast (Genauigkeit ± 1 %) und die Schneidtemperatur (Auflösung 0,1 °C). In Kombination mit einem Algorithmus zur Vorhersage des Werkzeugverschleißes erhöhte sich die Gesamtnutzungsrate der Anlage von 75 % auf 93 %, und die jährliche Stillstandszeit verringerte sich um 520 Stunden.
TK6513 hat es uns ermöglicht, einen Sprung von der 'qualifizierten Bearbeitung' zur 'Präzisionsfertigung' von Zahnrädern zu vollziehen. Der technische Leiter des Unternehmens erklärte: „Unsere Zahnräder wurden erfolgreich in schweren Anlagen wie Bergbaumaschinen und metallurgischen Geräten eingesetzt. Sie haben nicht nur die Lieferantenzertifizierung von Liebherr in Deutschland bestanden, sondern erfüllen auch die strengen Anforderungen eines störungsfreien Dauerbetriebs über 15.000 Stunden, wodurch wir uns eine Kernwettbewerbsfähigkeit auf dem Zahnradmarkt erarbeitet haben.“ Dieser Fall bestätigt, dass CNC-Vertikal-Drehmaschinen durch die tiefe Integration von „schwerer Starrkonstruktion + präziser geschlossener Regelung + innovativer Prozessintegration“ zu einem Schlüsselgerät in der Zahnradfertigung geworden sind, um Engpässe bei Genauigkeit und Effizienz zu überwinden.
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