Aktuell / 20.02.2015

Großzahnräder energie- und ressourcensparend herstellen

Die Abbildung zeigt eine warmgewalzte Verzahnung, skaliert auf derzeit in der Versuchsanlage realisierbaren Durchmesser. © Fraunhofer IWU
Die Grafik zeigt das Verfahrensprinzip Verzahnungswalzen mit gleichsinnig rotierenden Rundrollenwerkzeugen. © Fraunhofer IWU
Zu sehen ist der Arbeitsraum der Walzmaschine mit erwärmtem Bauteil. © Fraunhofer IWU

Die Herstellung von großen Zahnrädern für den Einsatz in Windrädern oder Schiffsantrieben soll wirtschaftlicher werden. Für solche Zahnräder mit einem Durchmesser von bis zu einem Meter wollen Wissenschaftler und Experten aus der Industrie ein neues Walzverfahren entwickeln. Mit diesem Warmumformverfahren wird es möglich, die Vorverzahnung der Räder ressourcen- und energiesparend herzustellen.

Schneller und materialsparend produzieren

Die Anlage soll die gewünschte Zahnradkontur in das vorgewärmte Werkstück einbringen. Die Entwickler wollen mit dem im Forschungsprojekt eingesetzten Umformverfahren bis zu 15 Prozent des für die Herstellung benötigten Materials einsparen. Durch eine deutlich verkürzte Fertigungszeit erwarten sie weitere Energieeinsparungen.
Das Fraunhofer-Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik IWU koordiniert das Projekt, weitere Forschungspartner sind der Getriebe-Hersteller für Windkraftanlagen Moventas, der Induktionstechnik-Spezialist SMS Elotherm, die Härterei Reese und die Dreiling Maschinenbau.
Für die Entwicklung des neuen Umformverfahrens bearbeiten sie im Projekt die Schwerpunkte:

  • Warmumformung von Großrädern,
  • Entwicklung einer Induktionseinheit, schnittstellengerechte Einbindung in die Vorrichtung
  • Wärmebehandlung von Großverzahnungen und Werkzeugen, Härteuntersuchungen der Großräder
  • Warmwalzversuchseinrichtung
  • Fertigschleifen von Großverzahnungen, Qualitätsuntersuchungen

Mit Querwalzen Verzahnungen herstellen

Das gemeinsame Ziel ist es, das Querwalzen mit Rundrollenwerkzeugen zum Vorverzahnen von großen Zahnrädern als Warmumformverfahren weiterzuentwickeln. Beim Walzen von Verzahnungen nach diesem Prinzip werden zwei außenverzahnte Rundrollenwerkzeuge eingesetzt. Diese führen eine gleichsinnige Rotation aus und dringen allmählich in die ebenfalls rotierende Werkstückausgangsform ein. Das Werkstückmaterial wird dabei in die Zahnlücken der Werkzeuge verdrängt. Durch diese abwälzende Kinematik wird die Werkstückverzahnung erzeugt. Das Werkstück wird vor dem Umformen erwärmt. Dadurch verringern sich die erforderlichen Kräfte und das Umformvermögen des Werkstoffes verbessert sich.
Mit dem Querwalzverfahren ist es möglich, endkonturnahe Grundformen für eine nachfolgende spanende Fertigung sowie Fertigformen ohne weitere Bearbeitung herzustellen.

Große Zahnräder mit Durchmessern von 400 bis 1.000 Millimeter werden beispielsweise eingesetzt für

  • Windkraftgetriebe (Hauptantriebe, Azimut- und Pitchverstellung)
  • Bahngetriebe (Niederflurbahnen, Triebwagen, Hochgeschwindigkeitszüge)
  • Bergbautechnik (Brecher - Zerkleinerung von Stücken aus der Mine, Wasserkraftturbinen)
  • Kranbau (Drehwerksantriebe zum Positionieren von Arbeitsmaschinen)
  • Walzenpressen (Vermahlung von feinkörnigen Materialien zu gleichförmigen Körpern
  • Kugelmühlen (Rohmaterial- und Zementvermahlung)
  • Schiffsgetriebe (Einmotoren- und Mehrmotorenschiffe, Schiffgeneratoren)
  • Dieselmotoren (Bootsmotoren)

Mit Umformverfahren lässt sich bei kurzen Prozesszeiten ein hoher Materialausnutzungsgrad erreichen. Das spart Material und Energie. Für schrittweise ablaufende, sogenannte inkrementelle Umformverfahren reichen zudem relativ geringe Maschinenkräfte. Dadurch ist es möglich, kompakte Umformmaschinen zu konstruieren. Das Profilwalzen mit Rundrollenwerkzeugen wird zum Beispiel dafür genutzt, Verzahnungen und Gewinde effizient und kostengünstig zu fertigen.

Die Versuchsanlage wird aufskaliert

Bei ersten Versuchen im kleineren Maßstab mit bestehender Anlagentechnik erzielte das Fraunhofer IWU bereits gute Ergebnisse. Für die Anwendung im vorgesehenen Durchmesserbereich soll eine entsprechend dimensionierte und für das Warmwalzen angepasste Maschinentechnik entwickelt werden. Es ist geplant, bis zum Ende des Projektes im Jahr 2018 eine Versuchseinrichtung mit integrierter Erwärmungseinheit aufzubauen und erste Demonstratoren zu fertigen.

Das am 01.12.2014 gestartete Forschungsprojekt GEAR FORM „Energie- und ressourceneffiziente Umformung großmoduliger Zahnräder“ will die Vorteile dieser Umformtechnologie für ein erweitertes Bauteilspektrum nutzbar zu machen Es wird vom Bundeswirtschaftsministerium im Rahmen des 6. Energieforschungsprogramms mit mehr als 4,4 Millionen Euro gefördert.

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Mehr zum Projekt

Verbundvorhaben GEAR FORM: Energie- und ressourceneffiziente Umformung großmoduliger Zahnräder

Projektbeteiligte:
Projektkoordination, Warmumformung von Großrädern
Fraunhofer-Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik (IWU), Chemnitz
mike.lahlatiwu.fraunhofer.de

SMS Elotherm GmbH
Entwicklung einer Induktionseinheit

Härterei Reese Chemnitz GmbH& Co. KG
Wärmebehandlung von Großverzahnungen und Werkzeugen

Dreiling Maschinenbau GmbH

Warmwalzversuchseinrichtung

Moventas GmbH
Fertigschleifen von Großverzahnungen

Förderkennzeichen:
03ET1201A-E

Laufzeit:
2014-2018