Präzisionsschleifen von Zahnrädern in der Luft- und Raumfahrt

Das Präzisionsschleifen von Zahnrädern in der Luft- und Raumfahrt bezieht sich auf die Fertigungstechnologie von Zahnrädern durch Präzisionsschleifverfahren für hochzuverlässige Anwendungen wie Flugzeugtriebwerke, Raketensysteme, Hubschraubergetriebe und Satellitengetriebe. Diese Zahnräder erfordern höchste Präzision (Zahnformfehler ≤ 2-5 μm, Oberflächenrauheit Ra ≤ 0,2 μm), Ermüdungsbeständigkeit und geringe Geräuschentwicklung, um hohen Geschwindigkeiten (> 5000 U/min), hohen Belastungen und extremen Umgebungen (z. B. hohe Temperaturen > 800 °C, niedrige Temperaturen -50 °C, Vakuum) standzuhalten. Das Schleifen von Zahnrädern ist der Kernschritt der Zahnradfeinbearbeitung, bei dem mit Schleifscheiben die Verformungen und Oxidschichten der wärmebehandelten Zahnräder entfernt werden, um die Zahneingriffsgenauigkeit und Lebensdauer der Zahnräder zu gewährleisten. Im Vergleich zum Fräsen oder Wälzfräsen kann das Schleifen von Zahnrädern die Zahnradgenauigkeit um 2-3 Stufen erhöhen (AGMA Q12-Q15 Standard) und wird häufig in der Verteidigungsindustrie (z. B. F-35-Kampfjetgetriebe) und in der Raumfahrt (z. B. Raketenturbopumpenzahnräder) eingesetzt.

1. Materialeigenschaften

In der Luft- und Raumfahrt werden für Zahnräder häufig hochfeste, hitzebeständige Legierungen verwendet, um die Zuverlässigkeit unter hoher Beanspruchung zu gewährleisten:

• Hochtemperaturlegierungen (z. B. Inconel 718, GH4169): Hitzebeständig, oxidationsbeständig, geeignet für Triebwerkszahnräder.
• Titanlegierungen (z. B. Ti-6Al-4V): Leicht, hohes Festigkeits-Gewichts-Verhältnis, geeignet für Satelliten- und Drohnenzahnräder.
• Pulvermetallurgische Legierungen (z. B. 17-4PH): Hohe Härte (HRC > 45), leicht präzise formbar.
• Andere: Wolframkarbid- oder Keramikverbundwerkstoffe für extreme Verschleißanwendungen.

Diese Materialien sind schwer zu zerspanen, daher muss beim Schleifen die Wärmeeinflusszone (WEZ < 50 μm) kontrolliert werden, um Mikrorisse zu vermeiden.

2. Bearbeitungsmethoden

Beim Präzisionsschleifen von Zahnrädern werden mehrachsige Kopplung, CNC-Steuerung und Automatisierung eingesetzt, um komplexe Zahnformen (z. B. Schraubrad, Kegelrad) zu realisieren. Zu den gängigen Methoden gehören:

• Profilschleifen: Verwendung von Profilschleifscheiben zum einmaligen Schleifen der Zahnform, geeignet für Kleinserien von militärischen Zahnrädern. Hohe Präzision (Teilungsfehler ≤ 3 μm), aber häufiges Abrichten der Schleifscheibe.
• Wälzschleifen: Z. B. Schneckenschleifen, simuliert das Wälzfräsverfahren, geeignet für die Massenproduktion. Werkzeugmaschinen wie Liebherr oder Kapp, hohe Effizienz (Bearbeitungszeit um 40 % verkürzt).
• 5/6-Achsen-CNC-Schleifmaschinen: Integrieren CBN-Schleifscheiben (kubisches Bornitrid), geeignet für komplexe gekrümmte Zahnräder. In Kombination mit Online-Messsystemen (z. B. Marposs-Taster) werden Fehler in Echtzeit kompensiert.
• Elektrolytisches Schleifen: Berührungslose Bearbeitung, geeignet für Titanlegierungen, vermeidet thermische Verformung. Oberflächenrauheit Ra < 0,1 μm, geeignet für hochpräzise Bauteile in der Luft- und Raumfahrt.
• Hilfsprozesse: Schleifen nach der Wärmebehandlung (z. B. Aufkohlen und Härten + Schleifen) oder Laserauftragschweißen zur Erhöhung der Verschleißfestigkeit der Zahnoberfläche.