Eine gut bearbeitete kundenspezifische Welle ist Ausdruck einer präzisen CNC-Fertigungsarbeit (Computer Numerical Control). Trotz der scheinbar einfachen zylindrischen Form gehören Wellen zu den Hauptkomponenten solch komplizierter Mechanismen wie dem Antriebsstrang von Kraftfahrzeugen, der aus einem Motor, einem Getriebe, einer Antriebswelle, Achsen und einem Differential besteht. Sie alle erfordern entsprechend konstruierte Wellen, um Kraft und Drehmoment auf die Räder zu übertragen. Bei nahezu allen Fahrzeugen mit Verbrennungsmotor muss die Antriebswelle zudem das Gewicht des gesamten Fahrzeugs tragen und gleichzeitig als Brücke zwischen Motor und Achsen fungieren. Was das Differential betrifft, so müssen seine Wellen die Kraftübertragung so steuern, dass sich einige Räder bei Kurvenfahrten mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten drehen können.
Angesichts ihrer komplexen Funktionen sind sorgfältige Planung und präzise Programmierung im CNC-Wellenfertigungsprozess von größter Bedeutung. Jeder Schritt im gesamten Arbeitsablauf, vom frühen Designkonzept bis zur Oberflächenveredelung, erfordert eine fast obsessive Liebe zum Detail.
CNC-Drehen ist wahrscheinlich die gebräuchlichste Methode zur Herstellung kundenspezifischer Wellen, es ist jedoch auch möglich, alternative Verfahren wie CNC-Schleifen oder das fortschrittlichere EDM (Electrical Discharge Machining) zu verwenden. Unabhängig von der Methode bleibt das Ziel jedoch dasselbe: speziell angefertigte maßgeschneiderte Wellen gemäß der vorgegebenen Spezifikation auf möglichst effiziente Weise herzustellen. Jede Methode folgt außerdem mehr oder weniger demselben grundlegenden Arbeitsablauf.
Der Herstellungsprozess von CNC-Wellen beginnt mit dem Verständnis der Spezifikationen, der beabsichtigten Anwendungen der Produkte, der Betriebsbedingungen und der Anforderungen für die Genehmigung entweder durch ein internes Prüfteam oder eine unabhängige Drittorganisation (falls erforderlich). Sobald alle Beteiligten eine Vereinbarung getroffen haben, dreht sich der erste Schritt des Arbeitsablaufs um Design und Programmierung.
Der Maschinist muss die Abmessung, einschließlich Länge und Durchmesser, sowie das Material der Wahl festlegen. Im Rahmen des Entwurfsschritts erfasst und überprüft ein Ingenieurteam die Spezifikationen. Falls der Kunde keine technische Zeichnung vorlegt, sollte der Hersteller eine CAD-Datei (Computer-Aided Design) der herzustellenden kundenspezifischen Wellen erstellen. Abhängig von den Projektanforderungen müssen Designer und Ingenieure möglicherweise zusammenarbeiten, um simulierte Festigkeitstests und Fehleranalysen am Computer durchzuführen.
Wenn alles verifiziert und freigegeben ist, erfolgt im nächsten Schritt die Erstellung von Werkzeugwegen für die CNC-Maschine mithilfe einer CAM-Software (Computer-Aided Manufacturing). Bei den Pfaden handelt es sich im Wesentlichen um maschinenlesbare Anweisungen, die festlegen, wie die CNC arbeiten soll. Solche Anweisungen bestehen aus geometrischen Codes, die der Maschine mitteilen, wie sie sich in einem kartesischen Koordinatensystem (X-, Y- und Z-Achse) bewegen soll, und können Rotationsgeschwindigkeit, Reihenfolge der Bewegungen, Startpunkt, Vorschubgeschwindigkeit, Stopppunkt, Winkel und Wartezeit umfassen Zeit usw. Ein Maschinist lädt dann die Codes in die CNC-Steuerung.
Neben der Erstellung von Werkzeugwegen muss der Hersteller auch die Maschine selbst richtig einrichten. Es gibt kaum etwas Wichtigeres als die Vorbereitung des richtigen Maschinentyps, zum Beispiel einer Dreh- oder Fräsmaschine, und der Schneidwerkzeuge. Das Werkstück (das Material, das in eine Welle umgewandelt werden soll) muss fest an den entsprechenden Vorrichtungen befestigt werden. Sofern der Hersteller keine neuen Schneidwerkzeuge verwendet, muss ein Maschinist sicherstellen, dass alle so scharf wie möglich oder zumindest scharf genug sind, um das Werkstück zu formen.
CNC-Drehen ist die Standardoption für die kundenspezifische Wellenfertigung. Entweder ein Maschinist oder ein automatisierter Prozess sorgt dafür, dass das Werkstück an der Maschine befestigt wird. Da sich das Werkstück mit hoher Geschwindigkeit dreht, ziehen die Schneidwerkzeuge eine bestimmte Materialmenge ab, bis die gewünschte Form erreicht ist. Eine Vielzahl spezialisierter Schneidwerkzeuge können nacheinander eingesetzt werden und aus vielen verschiedenen Punkten und Winkeln mit dem Werkstück in Kontakt kommen.
Der größte Vorteil des CNC-Drehens bei der Wellenfertigung ist die hohe Effizienz und Genauigkeit bei der Bearbeitung zylindrischer Bauteile. Und nahezu jeder Custom-Schaft wird aus einer bereits zylindrischen Metallstange gefertigt. Aufeinanderfolgende Präzisionsschnitte sind beim CNC-Drehen natürlich einfach, da die Maschine tatsächlich für die Bearbeitung jedes Werkstücks mit zylindrischer Form ausgelegt ist. Bei genauen Werkzeugwegen und korrekten Schneidwerkzeugen kann die Maschine in einer einzigen Sitzung zumindest nahezu vollständige kundenspezifische Wellen herstellen. Um die Qualität sicherzustellen, ist eine ständige Überwachung während des gesamten Schneidprozesses erforderlich.
Es stehen verschiedene Endbearbeitungsmethoden (für kundenspezifische Wellen) zur Verfügung, z. B. Eloxieren, Passivieren und Perlenstrahlen. Der Hauptzweck der Oberflächenveredelung besteht darin, das äußere Erscheinungsbild zu verbessern, gleichzeitig aber auch die Funktionalität zu verbessern, indem raue Kanten geglättet und jegliche Materialreste aus dem Schneidprozess entfernt werden. Darüber hinaus umfasst die Endbearbeitung auch eine Endkontrolle, um sicherzustellen, dass die gefertigte Welle bis auf den kleinsten Millimeter genau die erforderlichen Abmessungen aufweist.
Die bevorzugte Methode ist in der Regel das CNC-Drehen, es ist jedoch nicht die einzige Option, die dem Hersteller zur Verfügung steht. Tatsächlich wird eine kundenspezifische Welle mit komplexem Design wahrscheinlich mithilfe einiger verschiedener Prozesse hergestellt, um eine hochwertige Oberflächengüte und enge Toleranzen zu erreichen. Zu den gängigsten Wellenherstellungsmethoden gehören:
Solange das Werkstück eine zylindrische Form hat, CNC-Drehen ist die ideale subtraktive Fertigungstechnik. Während des Prozesses wird eine Stange aus massivem Werkstück an den Spannfuttern befestigt und mit hoher Geschwindigkeit gedreht, während spezielle Schneidwerkzeuge unnötige Materialien präzise davon entfernen. Die Hochgeschwindigkeitsrotation sorgt dafür, dass jeder Schnitt gleichmäßig über den gesamten Umfang des zylindrischen Werkstücks erfolgt. Das CNC-Drehen ist eine effiziente Maschine, um den angegebenen Durchmesser und die glatte Oberfläche in einem Arbeitsgang zu erreichen. Es ist auch die bevorzugte Option für die Massenproduktion.
Wenn beim CNC-Drehen eine beträchtliche Materialmenge aus dem Werkstück herausgeschnitten wird, wird beim CNC-Schleifen Material mithilfe einer Schleifscheibe entfernt. Ansonsten sind die Grundprozesse beider Methoden im Wesentlichen gleich. Auch hinsichtlich der Qualität sind sie gleichermaßen zuverlässig, wenngleich das Schleifen in puncto Produktionsgeschwindigkeit etwas hinterherhinkt. In den meisten Fällen wird das CNC-Schleifen zur Oberflächenbearbeitung einer bereits bearbeiteten Welle eingesetzt.
Manche Wellen bestehen nicht nur aus zylindrischen Metallstäben, sondern sind auch mit Löchern und Nuten ausgestattet, sodass sie an Zahnrädern und anderen rotierenden Bauteilen befestigt werden können. Bohren Erstellt Nuten unterschiedlicher Tiefe und Breite, um auch Zahnräder unterschiedlicher Größe aufzunehmen. Je nach Winkel, Form und Position der Nuten können sich entweder die bearbeitete Welle oder die Bohrwerkzeuge drehen und bewegen.
Wenn eine bearbeitete Welle an bestimmten Positionen Keilnuten, Keilnuten oder Abflachungen haben muss, CNC-Fräsen ist die erste Wahl, um die Features herzustellen. Die Schneid-/Fräswerkzeuge rotieren mit hoher Geschwindigkeit und entfernen Material von der Welle, um die gewünschte Form zu erzeugen. Während des Vorgangs kann die Welle stationär bleiben oder sich leicht bewegen und neigen, um die Position anzupassen.
Beim Erodieren gibt es kein Schneid-, Bohr- und Fräswerkzeug. Im Inneren des Systems wird das Werkstück befestigt und an einen Pluspol (Anode) angeschlossen, während das „Formwerkzeug“ an eine Kathode angeschlossen wird. Wenn sie nahe beieinander platziert werden, erzeugt der erzeugte elektrische Strom Funken. Die durch die Funken erzeugte extreme Hitze kann Materialien aus dem Werkstück schmelzen und verdampfen lassen. EDM wird am häufigsten verwendet, wenn die bearbeitete Welle komplizierte kleine Schnitte erfordert.
Abhängig von der Art und dem Verwendungszweck kann eine maßgeschneiderte Welle mit zwei oder mehr Bearbeitungsmethoden hergestellt werden. Durch metallurgische Analysen kann ermittelt werden, welche Methoden für bestimmte Materialien am besten geeignet sind.
Der Grundgedanke der kundenspezifischen Fertigung besteht darin, alle verschiedenen Arten von Wellen für eine Reihe spezifischer Zwecke herzustellen. Zu den häufigsten Typen und ihren Anwendungen gehören die folgenden.
Wie der Name schon sagt, handelt es sich bei Hohlwellen im Wesentlichen um zylindrische Rohre, die den Durchgang von Luft, Wasser, Öl, Drähten und anderen Komponenten/Gegenständen ermöglichen. Dank des Hohlraums in der Mitte sind sie leichter als ihre massiven Gegenstücke mit gleichem Durchmesser und gleicher Länge. Zu den typischen Anwendungen gehören medizinische Geräte, Fördersysteme, Sanitärsysteme und Pumpen. Wenn Hohlwellen aus hochfesten Materialien hergestellt werden, könnten sie zum Bau von Komponenten für leistungsstarke Autos und Flugzeuge verwendet werden, um das Gewicht zu reduzieren.
Ein charakteristisches Merkmal von Keilwellen ist, dass sie Längsrillen aufweisen oder über die gesamte Länge geschnitten sind. Die Rillen passen auf Getriebe, Riemenscheiben oder andere entsprechende Komponenten, um eine stabile Verbindung zu bilden und eine reibungslose Übertragung von Drehbewegungen zu gewährleisten. Eine solche Baugruppe wird bei Anwendungen beobachtet, die eine präzise Positionierung erfordern, wie z. B. Zahnkupplungen und Getriebe in Kraftfahrzeugen.
Einige Wellen erfordern Außen- oder Innengewinde, um eine starke Verbindung mit anderen mechanischen Komponenten wie Bolzen oder Schrauben herzustellen. Gewindeschäfte werden in Anwendungen eingesetzt, die eine einfache und dennoch sichere Befestigung und Trennung mehrerer Teile erfordern.
Konische Wellen, die am häufigsten in Riemenscheibensystemen, Radnaben und Zahnrädern für Kraftfahrzeuge verwendet werden, weisen über ihre Länge eine allmähliche Verringerung des Durchmessers auf. Der Durchmesserunterschied zwischen einem Ende und dem anderen gewährleistet eine sichere Montage, wenn die Verbindungspunkte eines Mechanismus – überbrückt durch die Welle – unterschiedlich groß sind.
Die Nut in einer Welle mit Passfeder entspricht einer Passfeder (oder einem Zahn) anderer Komponenten und verhindert so, dass die Welle aus ihrer Position rutscht oder sich selbstständig dreht. Man findet es normalerweise in Mechanismen mit Kettenrädern, Zahnrädern und Riemenscheiben. Keilwellen werden häufig für Anwendungen verwendet, bei denen die Aufrechterhaltung einer festen Verbindung zwischen Komponenten in Mechanismen mit hohem Drehmoment erforderlich ist, beispielsweise Pumpen und Motoren.
Aluminium und Edelstahl sind wahrscheinlich die am häufigsten verwendeten Materialien für die Herstellung von CNC-Wellen, aber auch andere Metalle oder sogar Legierungen eignen sich für bestimmte Zwecke.
Es ist ein ausgezeichnetes Material der Wahl für Präzisionswellen, die für Hochleistungsanwendungen verwendet werden. Aufgrund seiner hervorragenden Korrosionsbeständigkeit und seines außergewöhnlichen Verhältnisses von Festigkeit zu Gewicht werden Titanwellen am häufigsten für Hochleistungsautos und in der Luft- und Raumfahrtindustrie verwendet.
Edelstahl ist wohl das am häufigsten verwendete Material für die Herstellung von CNC-Wellen und ein rundum zuverlässiges Metall mit guter Korrosionsbeständigkeit, Haltbarkeit und Festigkeit. Das Material ist in verschiedenen Qualitäten und Qualitäten erhältlich und eignet sich für ein breites Anwendungsspektrum, von der chemischen Verarbeitung und medizinischen Geräten bis hin zum Automobilsektor und Meeresumgebungen.
Der Kohlenstoffstahl der Güteklasse 1045 ist ein vorbildliches Material; weich genug für eine effiziente Bearbeitung, hält jedoch einer Wärmebehandlung zur Erhöhung der Härte stand. Kohlenstoffstahl ist zwar nicht so korrosionsbeständig wie Edelstahl, eignet sich aber dennoch hervorragend als Material für Motorwellen oder Pumpenwellen.
Aluminium ist ein leichtes und korrosionsbeständiges Metall, relativ weich und daher gut bearbeitbar. Es ist das ideale Schaftmaterial, wenn Gewichtsreduzierung für die beabsichtigten Anwendungen von entscheidender Bedeutung ist.
Zunächst einmal: Legierter Stahl und Stahllegierung sind zwei verschiedene Dinge. Die Zusammensetzung von legiertem Stahl besteht zu etwa 5 % aus Legierungselementen, zu denen Chrom, Nickel, Wolfram, Vanadium und Mangan gehören können. Wenn Korrosionsbeständigkeit und Bearbeitbarkeit unerlässlich sind, gibt es nur wenige Materialien, die besser sind als der legierte Stahl 4340 oder 4140.
Mit außergewöhnlicher Korrosionsbeständigkeit und bemerkenswerter Festigkeit ist Nickellegierung das geeignete Material für Präzisionswellen, die in Hochtemperaturanwendungen und Hochleistungsturbinen eingesetzt werden.
Material | Haltbarkeit | Stärke | Gewicht | Korrosionsbeständigkeit |
Titan | Außergewöhnlich | Sehr hoch | Mäßig | Hoch |
Edelstahl | Exzellent | Hoch | Schwer | Sehr hoch |
Kohlenstoffstahl | Sehr gut | Hoch | Schwer | Mäßig |
Aluminium | Gut | Mäßig | Licht | Hoch |
Legierter Stahl | Außergewöhnlich | Sehr hoch | Schwer | Hoch |
Nickellegierungen | Exzellent | Sehr hoch | Schwer | Hoch |
Die letztendliche Leistung der Welle wird stark von mindestens drei verschiedenen Faktoren beeinflusst, darunter Gewicht, Korrosionsbeständigkeit und Zugfestigkeit. Auch die Härte spielt eine Rolle, aber die meisten Metalle sind im Allgemeinen für jede Anwendung hart genug, obwohl einige besser formbar/bearbeitbar sind als andere. Während Titan und Kohlenstoffstahl Aluminium und Edelstahl in Bezug auf Gewichtsreduzierung und Festigkeit/Haltbarkeit überlegen sind, sind sie auch teurer.
Die Herstellung von CNC-Wellen umfasst eine Reihe detailorientierter Prozesse vom ersten Designkonzept bis zur Oberflächenveredelung und Qualitätskontrolle. Daher ist es am besten, zunächst ein gutes Verständnis der Projektanforderungen, Arbeitsbedingungen und beabsichtigten Anwendungen der fertigen Welle zu haben, da diese letztendlich die Wahl des Materials, die Bearbeitungsmethode und die Gesamtqualität des fertigen Produkts beeinflussen. Bedenken Sie, dass jedes Material seine eigenen Stärken und Schwächen hat, ebenso wie jede Bearbeitungsmethode. Als allgemeine Faustregel gilt daher, ein gutes Gleichgewicht zwischen Qualität und Budget zu finden.
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