Entwicklung eines Modells zur Vorhersage der Bearbeitungskräfte beim Dichtwalzen pulvermetallurgischer Bauteile am Beispiel eines Zahnrads

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Thomas Bergs, seit 7/2019
• Fachliche Zuordnung: Ur- und Umformtechnik, Additive Fertigungsverfahren
• Förderung: Förderung von 2016 bis 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 316100692

Pulvermetallurgische Verzahnungen sind porös und haben daher eine geringere Festigkeit als Zahnräder aus schmelzmetallurgischem, volldichten Material. Das Dichtwalzen ermöglicht es, die Dichte an der Zahnradoberfläche und damit auch deren Festigkeit zu erhöhen. Das Ziel des Forschungsvorhabens ist die Entwicklung eines Modells zur Vorhersage der Bearbeitungskräfte beim Dichtwalzen, um die Walzmaschinen auf diese Belastung auszulegen. Existierende Modelle zur Berechnung der Walzkraft beim Blechwalzen können diese Kräfte aufgrund der hohen Prozesskomplexität nicht abbilden. Diese Komplexität besteht aus dem zweiflankigen Zahnkontakt, den Überdeckungsverhältnissen und den sich ständig ändernden Kontaktgeometrien. Weiterhin ändern sich ständig die Materialeigenschaften aufgrund von abnehmender Porosität und zunehmender Kaltverfestigung. Für die Auslegung von Werkzeugmaschinen und Prozessen ist die Kenntnis der Bearbeitungskräfte bereits in einer frühen Phase der Entwicklung notwendig. Sind die Bearbeitungskräfte bekannt, können Iterationen vermieden und die Entwicklungszeit reduziert werden. Dies ist besonders wichtig, da die Prozessabfolge Pressen - Sintern - Dichtwalzen die Prozesskette gegenüber spanenden Verfahren deutlich verkürzt. Somit erfolgt eine grundlegende Entwicklung, um langfristig die Befähigung dieser Prozesskette für den Einsatz in der Wirtschaft zu ermöglichen. Zur Entwicklung eines Vorhersagemodells für die Walzkraft beim Zahnradwalzen von PM Zahnrädern müssen folgende Teilziele erreicht werden: 1. Das erste Teilziel ist die Entwicklung eines konstitutiven Materialmodells, welches die Dichteänderung im Walzprozess berücksichtigt. 2. Das zweite Teilziel ist die mathematische Beschreibung der theoretischen Durchdringung von Werkzeug und Werkstück, abhängig von der Ausgangsgeometrie, der Werkzeuggeometrie und der Kinematik. 3. Das dritte Teilziel ist die Konzeption und Durchführung von Analogieversuchen zum Zahnradwalzen zur Generierung einer Datenbasis, bei denen unterschiedliche Kontaktverhältnisse unabhängig voneinander abgebildet und die erzeugten Kräfte direkt erfasst werden. 4. Das vierte Teilziel ist die Formulierung eines Dichtwalzkraftmodells basierend auf den Versuchsdaten des Analogieversuchs. 5. Das fünfte Teilziel ist die Übertragung des Modells auf die Kontaktverhältnisse beim Zahnradwalzen und die Verifikation der Ergebnisse. Die Entwicklung eines Walzkraftmodells für das Dichtwalzen von Zahnrädern führt zu einem besseren Prozessverständnis und ermöglicht eine anforderungsgerechte Auslegung des Prozesses, der Maschinen und der Werkzeuge.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Ehemaliger Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Fritz Klocke, bis 6/2019