Visioplastische Untersuchungen beim Walzen von Hochverzahnungen

• Antragsteller: Dr.-Ing. Roland Müller
• Fachliche Zuordnung: Ur- und Umformtechnik, Additive Fertigungsverfahren
• Förderung: Förderung von 2011 bis 2013
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 159419949

Ziel des Vorhabens ist die Schaffung von Grundlagen für die Analyse der Wechselwirkungen zwischen Umformwerkzeug und Werkstück beim Querwalzen von Hochverzahnungen. Im Vordergrund stehen visioplastische Untersuchungen der Umformung während des Walzvorganges, speziell des stufenweisen Eindringprozesses der Werkzeugverzahnung in den rotationssymmetrischen Walzrohling. Die Methode der Visioplastizität erlaubt durch Auftragen von Punkt- oder Kreuzlinienrastern in Symmetrieebenen von massiven Umformproben und Ausmessen charakteristischer Rasterpunkte nach der Umformung die Berechnung des temporären und lokalen Formänderungszustandes. Dabei werden der zeitliche Verlauf und die örtliche Verteilung der Werkstoffverschiebungen und Formänderungskenngrößen wie j1, j2 und j3 betrachtet. Der instationäre Charakter des Umformvorganges erfordert die Auswertung mehrerer Augenblickszustände. Um die im Inneren der Probe gelegenen Raster auswerten zu können, muss der Umformprozess stufenweise über den Eindringweg pro Werkstücküberrollung unterbrochen, das Werkstück demontiert und hinsichtlich des ablaufenden Materialflusses ausgewertet werden. Die wissenschaftliche Durchdringung des Werkstoffflusses beim Querwalzprozess von Evolventenverzahnungen sowie eine davon abhängige und optimiert an die Verzahnungsparameter angepasste Werkzeugkonstruktion könnten dem Verzahnungswalzen perspektivisch das Vordringen in bisher als für nicht walzbar geltende Zahnhöhenbereiche eröffnen. Eine exakte visioplastische Analyse soll dabei speziell bei evolventischen Hochverzahnungen mit Zahnhöhenfaktor y größer 2 durchgeführt werden. Am Fraunhofer-Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik Chemnitz konnte in jüngster Vergangenheit erstmals eine prinzipielle Walzbarkeit dieser getriebetypischen Verzahnungsdimensionen nachgewiesen werden. Im Forschungsprojekt soll an dem verzahnungstypischen Stahlwerkstoff 16MnCr5 anhand elektrochemisch aufgetragener Messraster die geometrische Verschiebung entsprechender Messpunkte über den stufenweisen Eindringprozess ins Walzteil analysiert werden. In Voruntersuchungen haben sich die Methoden der Grauwertkorrelation bzw. Laserberasterung als ungeeignet erwiesen. Im Ergebnis werden Abhängigkeiten zwischen den technologischen Parametern und den sich einstellenden Formänderungszuständen an den Werkstücken erwartet. Eine Verifizierung der Simulationsergebnisse wird ermöglicht und erhöht die Vorhersagegenauigkeit weiterer Simulationen. Im Vorfeld ist es bereits gelungen, bei einer Rastergröße von x = 2 mm für Simulation und visioplastische Videogrammetrie gleiche Umformgrade und Spannungsverteilungen innerhalb der Umformzone im Walzteil zu ermitteln. Die dadurch gewonnen Erkenntnisse führen zu einer verbesserten Abwälzkinematik sowie zu einem homogeneren Werkstofffluss durch den Einsatz so genannter flankenkorrigierter Walzwerkzeuge. Des Weiteren können die ermittelten Resultate zukünftige Simulationen durch exaktere Rand- und Kontaktbedingungen sowie präzisere Modelle deutlich verbessern.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen