Ermittlung einer Methodik zur Vorhersage der prozess- und verschleißbedingten Werkstückgeometrieabweichungen beim Zahnradschaben
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Gegenstand des abgeschlossenen Vorhabens war die experimentelle und simulationstechnische Grundlagenuntersuchung des Zahnradschabens, insbesondere die Untersuchung des Einflusses von Prozesskräften und Werkzeugverschleiß auf die resultierenden Profilabweichungen. Übergeordnetes Projektziel war die Entwicklung einer Methodik zur Vorhersage der Werkstückgeometrieabweichungen beim Zahnradschaben in Abhängigkeit der Prozesskräfte und des Werkzeugverschleißes. Hierfür wurden in der ersten Projektphase zahlreiche Zerspanversuche in einem Analogieversuch durchgeführt. Es konnten gezielt verschiedene Lastzustände variiert und die Werkzeugbelastungen mit Hilfe von Verschleiß-, Eigenspannungsund Schnittkraftmessungen bewertet werden. Auch wurden Grundlagenuntersuchungen zum Einfluss der Beschichtung auf die Zerspankräfte beim Schaben durchgeführt. Aufgrund der Vielzahl der Einflussgrößen ist die Spanungsgeometrie, die aus der Bahn der Schneide durch die Werkstückflanke resultiert, analytisch nur schwer zu ermitteln. Am WZL wurde daher ein Simulationsprogramm entwickelt, das es erlaubt, den Schabprozess auf Basis der Durchdringungsrechnung unter Berücksichtigung aller geometrischen Randbedingungen zu simulieren. Mit Hilfe dieser Durchdringungsrechnung konnten die Kontaktverhältnisse analytisch berechnet werden. Basierend auf den berechneten Kontaktbedingungen und Eingriffsverhältnissen konnte ein Modell für eine zweidimensionale FE-Zerspansimulation entwickelt werden. Hierbei galt es nicht nur die im Prozess auftretenden Axial- und die Radialkräfte zu ermitteln, sondern auch den Einfluss des Werkzeugverschleißes auf die Zerspankräfte. Der Werkzeugverschleiß wurde in der FE-Simulation durch eine Schneidkantenverrundung von ρ = 20 µm abgebildet. Hierbei wurden mit Hilfe einer zweidimensionalen FE-Zerpansimulation verschiedene Profilpunkte auf der Werkstückflanke hinsichtlich der auftretenden Prozesskräfte in Abhängigkeit des Werkzeugverschleißes untersucht. Die Ergebnisse im beschriebenen Projekt haben gezeigt, dass die maximalen Lastzustände beim Schaben in der Umformphase eines Schnitts auftreten. Während dieser Phase liegen negative kinematische Freiwinkel vor, so dass unterhalb der Werkzeugflanke plastische Verformung des Werkstückmaterials stattfindet. Entsprechend treten die Lastmaxima auch an der Flanke (Freifläche) am Übergang zur Spanfläche auf. Weiterhin wurden die elastischen Verformungen der Zähne von Werkstück und Werkzeug ermittelt. Es wurde ein dreidimensionales FE-Modell, bestehend aus Schabrad und Werkstück, für eine FE-Abwälzsimulation erstellt und unter dem prozesstypischen Achskreuzwinkel abgewälzt. Die simulierten Zahnverformungen wurden für eine Berechnung der resultierenden verschleißbedingten Profilabweichungen im Realprozess herangezogen. Die durchgeführten Arbeiten und der Vergleich der berechneten mit real gemessenen Verzahnungsabweichungen haben gezeigt, dass mit der Methodik die Profilabweichungen beim Zahnradschaben vorhergesagt werden können. Zusammenfassend kann festgehalten werden, dass das genannte Ziel des Forschungsprojektes erreicht wurde.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Gear Shaving – Simulation and Technological Studies. DETC’03, ASME 2003 Design Engineering Technical Conferences and Computers and Information in Engineering Conference, Chicago, Illinois USA, 2.-6. September 2003
Klocke, F.; Schröder, T.
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Optimierung des Schabprozesses zur Erhöhung der Wirtschaftlichkeit und der Prozesssicherheit. Seminar „Feinbearbeitung von Stirnrädern in der Serie“, Aachen, 3.-4. Dezember 2003
Klocke, F.; Schlattmeier, H., Schröder, T.
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Simulationsrechnungen zur Optimierung des Schabprozesses. In: Tagungsunterlagen: 45. Arbeitstagung „Zahnrad- und Getriebeuntersuchungen“. Aachen, 12. – 13. Mai 2004
Klocke, F.; Schlattmeier, H. Schröder, T.
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Optimisation of Gear Shaving by Application of Simulation Techniques. In: Proceedings: International Conference on Gears. Hrsg.: GmbH, V., VDI-Verlag Düsseldorf 2005, ISBN 3-18-091904-3, S. 823 – 842
Klocke, F.; Schröder, T.
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Simulation des Zahnradschabens - Prozessanalyse auf Basis der Durchdringungsrechnung und der FE-Zerspansimulation. In: wt Werkstattstechnik online 1436-4980 (2005), 6, S. 440-446
Klocke, F.; Schröder, T.
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Untersuchung der Werkzeugbelastungen und Verschleißmechanismen beim Zahnradschaben. 46. Arbeitstagung Zahnrad- und Getriebeuntersuchung, Aachen, 2005
Klocke, F.; Schröder, T.
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Gear Shaving – Process Simulation Helps to Comprehend an Incomprehensible Process. Gear Technology 2006 (2006), September/October, S. 46 – 54
Klocke, F.; Schröder, T.
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Analyse der Werkzeugbelastungen beim Zahnradschaben. Dissertation RWTH Aachen, 2007
Schröder, T.
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Vorhersage der Werkstück-geometrieabweichungen beim Zahnradschaben – Motivation und Ansatz. In: Tagungsband zur 49. Arbeitstagung „Zahnrad- und Getriebeuntersuchung“, WZL, RWTH Aachen 2008
Brecher, C.; Gorgels, C.; Hardjosuwito, A.
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Vorhersage der Werkstück-geometrieabweichungen beim Zahnradschaben – Ermittlung der elastischen Zahnverformung. In: Tagungsband zur 50. Arbeitstagung „Zahnrad- und Getriebeuntersuchung“, WZL, RWTH Aachen 2009
Brecher, C.; Gorgels, C.; Hardjosuwito, A.
