Wellenbearbeitung: Werkstoff, Wärmebehandlung, Lösung

Die Welle ist ein zentrales Bauteil einer Maschine. Sie ist über Lager mit dem Rahmen verbunden, und die darauf montierten Komponenten führen eine Drehbewegung um die Wellenmittelachse aus. Zusammen bilden diese Elemente eine Wellenbaugruppe.

Übersicht der Schächte

Eine Welle ist ein rotierendes Bauteil einer Maschine mit kreisförmigem Querschnitt. Sie dient der Kraftübertragung zwischen zwei Teilen oder von einer Energiequelle zu einem Verbraucher. Um diese Kraftübertragung zu ermöglichen, ist ein Ende der Welle mit dem Antrieb und das andere mit der Maschine verbunden. Wellen können je nach Anwendung massiv oder hohl sein; Hohlwellen bieten Vorteile hinsichtlich der Gewichtsreduzierung. Als wichtiges mechanisches Element tragen Wellen rotierende Komponenten wie Riemenscheiben und Zahnräder. Sie sind typischerweise in Lagern innerhalb eines stabilen Gehäuses gelagert, wodurch Zahnräder und Riemenscheiben die Bewegung effektiv übertragen können.

Viele weitere rotierende Elemente sind mittels Keilen auf der Welle befestigt. Dadurch sind die Wellen sowohl Biegemomenten als auch Drehmomenten ausgesetzt, die durch die Reaktionskräfte der gelagerten Bauteile und das bei der Kraftübertragung erzeugte Drehmoment entstehen.

Je nach Belastungsart werden Wellen in folgende drei Typen eingeteilt:

• Spindelwelle: Eine Welle, die ausschließlich Biegemomenten ohne Drehmoment ausgesetzt ist. Spindelwellen lassen sich weiter in rotierende und nicht rotierende Spindelwellen unterteilen.
• Antriebswelle: Eine Welle, die ausschließlich Drehmoment überträgt, ohne nennenswerte Biegemomente aufzunehmen, oder bei der die Biegemomente vernachlässigbar sind. Beispiel: die Welle, die das Getriebe mit der Hinterachse eines Kraftfahrzeugs verbindet.
• Getriebewelle: Eine Welle, die sowohl Biegemomenten als auch Drehmomenten standhält, wie beispielsweise die Wellen in Untersetzungsgetrieben. Ein Beispiel ist die Antriebswelle, die das Getriebe eines Kraftfahrzeugs mit der Hinterachse verbindet.

Wellen lassen sich anhand ihrer Form in verschiedene Typen einteilen. Die folgende Tabelle zeigt die verschiedenen Wellentypen nach Form und Konstruktion.

Bearbeitungsgenauigkeit von Wellen

Die Oberflächen von Wellenbauteilen werden im Allgemeinen in Stützzapfen und Passzapfen unterteilt.

• Stützzapfen: Diese passen in den Innenring eines Lagers, um die Welle zu positionieren und zu stützen. Sie erfordern hohe Maßtoleranzen, typischerweise IT5–IT7.
• Passende Journale: Diese dienen als Schnittstelle zu verschiedenen Übertragungskomponenten. Ihre Toleranzanforderungen sind im Allgemeinen geringer, typischerweise IT6–IT9.

Geometrische GenauigkeitBezieht sich primär auf die Rundheit und Zylindrizität kritischer Oberflächen wie Lagerzapfen, Außenkegel und Kegelbohrungen. Fehler sollten generell innerhalb der Maßtoleranzzone liegen. Bei Präzisionswellen müssen geometrische Toleranzen in den technischen Zeichnungen genau definiert werden.

Positionsgenauigkeit: Umfasst die Koaxialität der Innen- und Außenflächen, den Rundlauf, die Rechtwinkligkeit der kritischen Endflächen zur Achse und die Parallelität zwischen den Endflächen.

OberflächenrauheitAlle bearbeiteten Oberflächen unterliegen spezifischen Rauheitsanforderungen, die durch die Machbarkeit und Wirtschaftlichkeit der Bearbeitung bestimmt werden. Lagerzapfen erfordern typischerweise eine Rauheit von Ra 0.2–1.6 μm, während passende Lagerzapfen für Getriebekomponenten eine Rauheit von Ra 0.4–3.2 μm erfordern.

Werkstoffe für Wellen

Wellen werden hauptsächlich aus Kohlenstoffstahl und legiertem Stahl gefertigt. Kohlenstoffstahl 1045 ist die gängigste Wahl und erfordert in der Regel Normalglühen oder Anlassen, um die mechanischen Eigenschaften zu verbessern. Legierte Stähle bieten im Vergleich zu Kohlenstoffstahl überlegene mechanische Eigenschaften und eine bessere Wärmebehandlungsbeständigkeit, reagieren jedoch empfindlicher auf Spannungskonzentrationen und sind teurer. Daher werden sie für Anwendungen mit hohen Drehzahlen, hoher Beanspruchung oder speziellen Bedingungen (z. B. Verschleißfestigkeit, hohe/niedrige Temperaturen) eingesetzt. Da der Elastizitätsmodul von legiertem Stahl und Kohlenstoffstahl bei Raumtemperatur nahezu identisch ist, führt der Austausch von Kohlenstoffstahl durch legierten Stahl nicht zu einer signifikanten Erhöhung der Wellensteifigkeit.

Für Wellen, die hohen Belastungen ausgesetzt sind oder hohe Festigkeit, kompakte Bauweise oder verbesserte Verschleißfestigkeit erfordern, werden legierte Stähle wie 5140, 5120 oder 9255 verwendet. Da legierter Stahl sehr empfindlich auf Spannungskonzentrationen reagiert, muss die Konstruktion diese Auswirkungen minimieren. Eine sachgemäße Wärmebehandlung ist unerlässlich, um die Materialeigenschaften optimal zu nutzen.

Wellenrohlinge werden aus warmgewalztem Rundstahl oder Schmiedeteilen hergestellt. Für komplexe Formen wie Kurbelwellen und Nockenwellen kann Gussstahl oder Sphäroguss verwendet werden, wobei letzterer eine ausgezeichnete Schwingungsdämpfung, geringe Empfindlichkeit gegenüber Spannungskonzentrationen und Kosteneffizienz bietet.

Wärmebehandlung der Welle

Mittelkohlenstoffhaltige und mittelkohlenstofflegierte Stähle (z. B. 1035, 1040, 1045, 1050, 5140, 3140 oder 1541) sind gängige Werkstoffe. Diese werden üblicherweise normalisiert oder vergütet. Ist eine hohe Verschleißfestigkeit an den Lagerzapfen erforderlich, kann eine Oberflächenhärtung erfolgen.

Die Werkstoffauswahl hängt von der Belastungsart, den Bauteilabmessungen und der Härtbarkeit ab. Bei Wellen unter Biege- und Torsionsbelastung, bei denen die Spannung von der Oberfläche zum Kern abnimmt, ist eine hohe Härtbarkeit nicht unbedingt erforderlich. Bei Wellen unter Zug- oder Druckbelastung hingegen, bei denen die Spannung über den Querschnitt gleichmäßig verteilt ist, ist hochhärtbarer Stahl notwendig.

Für hohe Stoßbelastungen oder extreme Anforderungen an Zähigkeit und Verschleißfestigkeit werden legierte Einsatzstähle wie 5120 oder 4320 verwendet, gefolgt von Einsatzhärten, Abschrecken und Anlassen bei niedriger Temperatur. Für Wellen mit geringer Bedeutung und minimaler Belastung können Standard-Kohlenstoffstähle wie 1015 und 1025 eingesetzt werden.

Die Wärmebehandlung bei der Wellenbearbeitung ist in der Abbildung dargestellt.

1. Normalisieren oder Tempern: Vor der maschinellen Bearbeitung angeordnet, um das Korn zu verfeinern, Schmiedespannungen abzubauen und die Bearbeitbarkeit zu verbessern.
2. Härten und Anlassen (Q&T): Wird üblicherweise nach dem Schruppdrehen, aber vor dem Vorschlichtdrehen durchgeführt, um optimale mechanische Eigenschaften zu erzielen.
3. Oberflächenhärtung: Diese erfolgt vor der Endbearbeitung, um eventuelle durch das Abschrecken verursachte Verformungen zu korrigieren.
4. Alterung bei niedrigen Temperaturen: Erforderlich für hochpräzise Wellen nach lokalem Abschrecken oder Vorschleifen.

Auswahl der Positionierungsbezugssysteme

Die übliche Bezugsfläche für Wellenteile sind die beiden Zentrierbohrungen. Da Koaxialität und Rechtwinkligkeit die wichtigsten Genauigkeitsanforderungen darstellen, ist die Konstruktionsbezugsfläche in der Regel die Wellenmittellinie.

Mittellöcher können jedoch nicht verwendet werden, wenn:

• Für die Grobbearbeitung ist eine höhere Steifigkeit erforderlich; in diesem Fall wird die Außendurchmesserfläche verwendet.
• Der Schaft ist hohl und hat eine durchgehende Bohrung.

Verfahren für Hohlwellen:

1. Kleine Löcher: Fasen Sie an der Lochöffnung einen 60°-Innenkegel (Breite ≤ 2 mm) an.
2. Zylindrische Bohrungen: Verwenden Sie einen Kegelstopfen (1:500 Kegel).
3. Große Kegelbohrungen: Verwenden Sie einen Dorn mit Kegelstopfen.

Bearbeitungsprozessrouten

Der Bearbeitungsschwerpunkt liegt auf den äußeren zylindrischen Oberflächen der Zapfen. Der Bearbeitungsprozess ist auf die Abfolge der Außendurchmesserbearbeitung ausgelegt, wobei sekundäre Merkmale wie Gewinde, Keilwellen und Passfedern dazwischengelegt werden.

(1) Einsatzgehärtete Stahlwellen

Materialvorbereitung → Schmieden → Normalisieren → Bohren von Zentrierlöchern → Schruppen → Vorschlichten/Fertigdrehen → Aufkohlen → Härten und Anlassen bei niedriger Temperatur → Schruppen → Bearbeitung von Nebenmerkmalen → Fertigschleifen.

(2) Standard-Präzisions-Q&T-Stahlwellen

Materialvorbereitung → Schmieden → Normalisieren (Glühen) → Bohren von Zentrierlöchern → Schruppen → Qualifizieren → Vorschlichten/Fertigdrehen → Oberflächenhärten und Anlassen → Schruppen → Bearbeitung von Nebenmerkmalen → Fertigschleifen.

(3) Nitrierte Stahlwellen

Materialvorbereitung → Schmieden → Normalisieren (Glühen) → Zentrierbohrungen bohren → Schruppen → Qualifizieren → Vorschlichten/Fertigdrehen → Kaltlagern → Schruppschleifen → Nitrieren → Bearbeitung von Sekundärmerkmalen → Fertigschleifen → Läppen/Polieren.

Bearbeitungsbeispiel: Stufenwelle

Bei diesem Bauteil handelt es sich um eine gestufte Welle, die aus zylindrischen Flächen, Wellenschultern, Gewindegängen und einem quadratischen Kopfabschnitt besteht.

(1) Material- und Rohlingsherstellung

Die Welle besteht aus Stahl 45 (entspricht AISI 1045). Obwohl die Produktionsmenge gering ist, variiert der Durchmesser der Zapfen erheblich (von maximal ø50 mm bis minimal ø13 mm). Um die Materialausnutzung zu optimieren, wird ein Schmiedeteil als Rohling verwendet und anschließend normalisiert.

(2) Technische Anforderungen

Maßgenauigkeit: Der Zapfen mit ø25 mm Durchmesser muss der Toleranzklasse IT7 entsprechen. Die Oberflächenrauheit ist mit Ra 0.8 μm spezifiziert. Ausgehend von der Schulter mit ø50 mm Durchmesser beträgt die Rechtwinkligkeitstoleranz der Achse mit ø25 mm Durchmesser 0.02 mm und die Parallelitätstoleranz zwischen den beiden Stirnflächen der Schulter ebenfalls 0.02 mm.

(3) Bezugspunkte

Um die Koaxialität der verschiedenen Zapfen zu gewährleisten, dienen die Zentrierbohrungen an beiden Enden als Feinbezugspunkt. Dieser Positionierungsbezugspunkt bleibt während der gesamten Dreh-, Fräs- und Schleifprozesse konstant, um Rüstfehler zu minimieren.

(4) Bearbeitungsverfahren

Da die Welle hauptsächlich aus Rotationsflächen besteht, sind Drehen und Schleifen die wichtigsten Umformverfahren. Da der Zapfen mit 25 mm Durchmesser und die Schulterflächen mit 50 mm Durchmesser neben der Maßgenauigkeit auch eine hohe geometrische Präzision erfordern, erfolgt das Schleifen nach dem Drehen. Die Bearbeitungsreihenfolge für die Außenflächen ist: Schruppen → Vorschlichten → Schleifen.

(5) Bearbeitungsroute

Bei Bauteilen mit hohen Präzisionsanforderungen müssen Schrupp- und Schlichtbearbeitung getrennt erfolgen, um die Qualität zu gewährleisten. Die Bearbeitung dieser Welle ist in drei Schritte unterteilt: Schruppdrehen, Vorschlichtdrehen und Schleifen.

(6) Wärmebehandlung

Der Querschnitt ø25 mm × 35 mm und die Flächen des Vierkantkopfes müssen gehärtet werden. Dies erfolgt nach der Vorbearbeitung und vor dem Feinschleifen. Das Normalglühen wird nach dem Schmieden des Rohlings durchgeführt, um innere Spannungen abzubauen, das Gefüge zu verfeinern und die Bearbeitbarkeit zu verbessern.

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