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antriebstechnik 1-2/2016

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07 Transformation der

07 Transformation der gemessenen Kräfte 08 Validierung der Zahnradgeometrie In Bild 08 sind die Ergebnisse der geometrischen Validierung dargestellt. Im oberen linken Bildbereich ist die zerspante Werkstückmasse für Simulation und Messung gegenübergestellt. Theoretisch sollten alle Werte auf einer Diagonalen liegen. Aufgrund geringer Fertigungsabweichungen können die Werte abweichen. Dunkelgrau eingefärbt ist ein Bereich, in dem Messung und Simulation 10 % voneinander abweichen. In diesem Bereich liegen 70 % aller Versuchspunkte. Zusätzlich ist ein Bereich von 20 % Abweichung zwischen Simulation und Messung hellgrau eingefärbt, in dem 95 % aller Versuchspunkte liegen. Als ein weiterer Parameter zur geometrischen Validierung des Modells wird die Zahnweite nach der Berechnung herangezogen. Das Ergebnis ist im oberen rechten Bildteil von Bild 08 dargestellt. Es zeigt, dass Modell und Messung zu 100 % übereinstimmen. Zuletzt wurde eine visuelle Überprüfung der Kontaktlinien zwischen Werkzeug und Werkstück vorgenommen. Bild 08 zeigt im unteren linken Teil die Kontaktlinie, die sich bei der Bearbeitung zwischen Werkzeug und Werkstück einstellt. Die Kontaktlinie wird im Modell ebenfalls berechnet, da diese Linie die Grundlage der Geometrieberechnung bildet. Der Vergleich von berechneter und gefertigter Kontaktlinie zeigt eine gute Übereinstimmung. Gemäß der Ergebnisse beschreibt die Diskretisierung des Prozesses durch die Abbildung einzelner Wälzstellungen die Endgeometrie hinsichtlich Masse und Zahnweite. Zudem scheint die Anzahl von Wälzstellungen, welche für die Modellierung gewählt wurde, ausreichend zu sein. Eine Konvergenzanalyse ergab keine signifikante Veränderung der Zahngeometrie bei Steigerung der simulierten Wälzstellungen. Abweichungen zwischen Simulation und Messung für die zerspante Masse können auf geringe Fertigungs- und Messungenauigkeiten sowie Rundungsungenauigkeiten zurückgeführt werden. Im zweiten Schritt werden die berechneten Zerspankräfte mit den gemessenen Werten verglichen. Bild 09 zeigt die Simulationsund Messergebnisse gegeneinander aufgetragen. Für die Berechnung der Zerspankräfte mit dem Modellansatz nach Geargrind3D sind die empirischen Parameter spezifische Schnittkraft k und Einfluss des Spanungsquerschnitts n notwendig. Beide Parameter wurden auf Grundlage der zuvor durchgeführten Analogie und Wälzschleifversuche ermittelt. Die spezifische Schnittkraft wurde für die Simulationen der gröberen Schnecke (F60) mit k F60 = 200 N und für die feinere Schnecke mit k F150 = 400 N festgelegt. Der Einfluss des Exponenten zur Beschreibung des degressiven Einflusses des Spanungsquerschnittes ist rein geometrieabhängig und wird für alle Simulationen auf n = 0,9 definiert, entsprechend den Ergebnissen aus Analogie- und Wälzschleifversuchen der Geradverzahnung. Bild 09 ist zu entnehmen, dass die Zerspankräfte für die feinere Körnung (F150) generell über den Kräften der gröberen Körnung (F60) liegen. Im Bild farblich markiert sind die Bereiche mit einer Abweichung von 10 % und 20 % zwischen Simulation und Messung. Die Hälfte aller Versuchspunkte weist eine Abweichung zwischen Simulation und Messung von bis zu 10 % auf. Weitere 30 % liegen in einem Bereich von bis zu 20 % Abweichung. Damit gibt das Modell Tendenzen korrekt wieder F cF150 > F cF60 . Allerdings existieren Varianten, welche nicht korrekt abgebildet werden konnten. Diesen Abweichungen ist durch zwei Maßnahmen zu begegnen. Zum einen sollten die Ergebnisse durch Wiederholversuche abgesichert werden, sodass Messungenauigkeiten ausgeschlossen werden können. Aufgrund des verwendeten D optimalen Versuchsplanes wirken sich Messungenauigkeiten bzw. Ausreißer sehr stark auf das Gesamtergebnis der Untersuchungen aus. Zum anderen ist zu überprüfen ob Gleichung 1 für das kontinuierliche Wälzschleifen hinsichtlich mikrogeometrischer Einflüsse optimiert werden sollte. Eine genauere Betrachtung von Messung und Modell einer Beispielverzahnung zeigt Bild 10. Sowohl für die Messung als auch im Modell zeigt sich ein ausgeprägter Einlaufbereich der Schnecke, in dem die Zerspankraft auf einen Maximalwert ansteigt (Bild 10, oben). Das Modell zeigt im Anschluss einen konstanten Verlauf der Zerspankraft im Vollschnittbereich, bevor die Kraft im Auslaufbereich abfällt. Dieses Verhalten ist in der Messung ebenfalls zu beobachten. In der Messung verringert sich allerdings die Kraft im Vollschnittbereich leicht. Eine Begründung hierfür könnte in einem leichten Schneckenverschleiß oder Einflüsse, die aus dem Kühlschmierstoff resultieren. Im unteren Bereich auf der linken Seite von Bild 10 ist die linke Flanke der Beispielverzahnung abgebildet. Bei diesem Bauteil konnte Schleifbrand durch Nitalätzung nachgewiesen werden. Ein Vergleich mit den lokal aufgelösten Zerspankräften, im rechten unteren Bildbereich, zeigte einen Anstieg der Zerspankräfte im Einlaufbereich der Schleifschnecke. Dieser Bereich erstreckt sich von Kopf bis Fuß der Verzahnung und läuft in Richtung des axialen Vorschubes aus. Somit weißt das vorgestellte Modell eine Kongruenz mit dem realen Schleifprozess auf. Zusammenfassung und Ausblick Aufgrund der begrenzten wissenschaftlichen Untersuchungen werden Verzahnungsschleifprozesse aktuell häufig auf Basis von Erfahrungswissen ausgelegt und optimiert. Dies liegt an den, im Vergleich zu konventionellen Schleifprozessen, komplexen geometrischen und kinematischen Zusammenhängen. Aufgrund der 64 antriebstechnik 1-2/2016

WÄLZSCHLEIFEN 09 Validierung der Zerspankräfte 10 Zerspankraftmessung und -modell für eine Beispielverzahnung veränderlichen Kontaktbedingungen beim kontinuierlichen Wälzschleifen kann es zu einer ausgeprägten Dynamik im Prozess kommen. Diese Dynamik stellt sowohl für die Maschinenentwicklung, die Regelungstechnik als auch die Prozessauslegung eine Herausforderung dar. Die Kenntnis der zu erwartenden Bearbeitungskräfte und ihres zeitlichen Verlaufs ist notwendig, um die Dynamik des Prozesses beschreiben und optimieren zu können. Allerdings existieren bisher keine veröffentlichten Modelle für das kontinuierliche Wälzschleifen, die es ermöglichen Zerspankräfte zu berechnen. Aus diesem Grund wurde ein von der DFG das Forschungsvorhaben KL 500/94-1 initiiert, welches die Entwicklung eines Zerspankraftmodells für das Wälzschleifen zum Ziel hat. In diesem Bericht werden die abschließenden Arbeiten am Modell gezeigt, in denen das Zerspankraftmodell für das kontinuierliche Wälzschleifen anhand einer Beispielverzahnung für verschiedene Prozessparameter, Schleifschnecken und Aufmaße validiert wird. Es konnte gezeigt werden, dass die Berechnung der Zerspankräfte für das kontinuierliche Wälzschleifen mit der Prozessanalyse Geargrind 3D möglich ist. Die berechneten Zahnlückengeometrien weisen eine hohe Übereinstimmung mit gemessenen Werten auf. Zudem kann gezeigt werden, dass die Simulation Geargrind 3D, die gemessenen Kräften abbilden kann. Leider sind für die Bestimmung der Zerspankräfte aktuell Kraftmessungen zwingend erforderlich, da das Modell zum Teil auf empirischen Parametern basiert, die nicht ohne Weiteres auf andere Verzahnungsfälle zu übertragen sind. Daher sind weitere Zerspankraftm essungen notwendig um das Modell abzusichern. Die in diesem Bericht vorgestellte Methodik zur Messung der Zerspankräfte lässt sich mit einem geringen Aufwand auf verschiedene Zahnradgeometrien und weitere Prozesse wie z. B. den Profilschleifprozess übertragen. Die empirischen Parameter können durch weitere Unter su ch ungen ermittelt werden. Hierfür wurde ein Nachfolgeprojekt namens „Weiterentwicklung eines Zerspankraftmodells für das kontinuierliche Wälzschleifen unter Berücksichtigung von mikrogeometrischen Einflüssen“ (KL 500/133-1) genehmigt. Hier werden die empirischen Schnittkraftfaktoren basierend auf Ein- und Mehrkornritzversuchen sowie weiteren Messungen an Zahnrädern optimiert, mit dem Ziel empirische Parameter möglichst zu eliminieren. Die Autoren danken der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) [Projektkennzeichen KL500/94-1] für die Bereitstellung der finanziellen Mittel zur Durchführung des den vorgestellten Ergebnissen zugrunde liegenden Forschungsprojekts. Für die softwaregestützte Ermittlung von Simulationsergebnissen mit dem Programmsystem Geargrind 3D wird der Förderung durch den WZL-Getriebekreis gedankt Literaturverzeichnis: [1] Schriefer, H; Thyssen, W; Wirz, W; Scacchi, G; Gretler, M.: Reishauer Wälzschleifen: Eigenverlag Reishauer, Walisellen, 2008. [2] Bausch, T.: Innovative Zahnradfertigung: Verfahren und Maschinen zur kostengünstigen Herstellung von Stirnrädern mit hoher Qualität. 3.th ed.: Expert Verlag, Renningen-Malmsheim, 2006. [3] Türich, A.: Werkzeugprofilgenerierung beim Wälzschleifen. Dissertation, Universität Hannover, 2002. [4] Klocke F; Gorgels C; Reimann J, 2009: Kontinuierliches Wälzschleifen von Verzahnungen: Softwareunterstützte Prozessoptimierung. WB Werkstatt und Betrieb, 2009:62–63. [5] Reimann, J.: Randzonenbeieinflussung beim kontinuierlichen Wälzschleifen von Stirnradverzahnungen. Dissertation, RWTH Aachen, 2014. [6] Winkel, O.: Steigerung der Leistungsfähigkeit von Hartmetallwälzfräsern durch eine optimierte Werkzeuggestaltung. Dissertation, RWTH Aachen, 2005. [7] Sulzer, G.: Leistungssteigerung bei der Zylinderradherstellung durch genaue Erfassung der Zerspankinematik. Dissertation, RWTH Aachen, 1973. [8] Klocke F; Kobialka C; Stuckenberg A; Krömer M; Weber G: Simulation-based process design for gear hobbing. In: Höhn B. International Conference on Gears: Europe invites the world. VDI Berichte 2199, VDI Verlag, München, 2013. [9] Röthlingshöfer, T.: Auslegungsmethodik zur Optimierung des Einsatzverhaltens von Beveloidverzahnungen. Dissertation, RWTH Aachen, 2012. [10] Brecher C; Brumm M; Hübner F: Manufacturing simulation for generatinggear grinding of large-module gears. In: Höhn B. International Conference on Gears: Europe invites the world. VDI Berichte 2199, VDI Verlag, München, 2013. 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