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antriebstechnik 5/2016

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Beide Prozessvarianten

Beide Prozessvarianten weisen eine gleichmäßige Oberfläche am Zahnkopf und am Wälzkreis auf. Es lassen sich nur geringfügige Bearbeitungsspuren erkennen. Erst im Zahnfuß sind Riefen in Bearbeitungsrichtung erkennbar. Prozessvariante B weist im Zahnfuß ebenfalls Riefen und Materialaufwerfungen auf, welche allerdings bis in den nutzbaren Bereich der Flanke reichen. Es werden Material aufwerfungen festgestellt werden, welche auf Überwalzungen hindeuten. Im direkten Vergleich der Flanken der beiden Prozessvarianten fällt vor allem die unterschiedliche Oberflächenqualität über der Zahnhöhe auf. Die Ursache ist in den Kontaktbedingungen zwischen Werkzeug und Werkstück zu suchen. Die unterschiedliche Qualität der Oberfläche über der Zahnhöhe korreliert dabei mit der Überlagerung von negativem Schlupf mit abnehmenden Ersatzkrümmungsradien. Prozessvariante A weist zwar eine stärkere Schlupfüberhöhung als Prozessvariante B, aber einen kleineren Bereich des negativen Schlupfs auf. Da die Spannungen senkrecht zur Oberfläche nach Hertz proportional zur Wurzel des Kehrwertes des Ersatzkrümmungsradius ρ Ers sind, liegt durch den größeren Werkzeugkopfradius und den daraus resultierenden größeren Ersatzkrümmungsradius, eine geringere Materialbeanspruchung an Prozessvariante A vor. Da der Ersatzkrümmungsradius zwischen Werkzeug und Werkstück auf der Flankenmitte am größten ist, herrschen dort niedrigere Spannungen als an Zahnkopf und Zahnfuß. Durch die hohen Spannungen an Kopf und Fuß kann es zu Aufschmierungen in Flankenrichtung des Zahns kommen. Die Aufschmierungen reißen in Richtung des Schlupfes ab, verbleiben im Wälzkontakt, werden in jedem weiteren Zustellschritt erneut durch die Werkzeuge überrollt und verursachen die Riefen oder Überwalzungen in Bearbeitungsrichtung [KAUF13]. Mittels der REM-Aufnahmen ist eine qualitative Bewertung der Oberfläche erfolgt. Rauheitsmessungen liefern quantitative Werte, die eine genauere Beurteilung der Zahnflankenoberfläche ermöglichen. Die REM-Aufnahmen zeigen unterschiedliche Ausprägungen der Oberflächenqualität der beiden Prozessvarianten. Ziel der Rauheitsmessungen ist es, die durch die unterschiedlichen Werkzeugauslegungen hervorgerufenen Rauheitswerte über den Zahn zu ermitteln, um so die im REM sichtbaren Ausprägungen zu quantifizieren. Bild 09 zeigt die Rauheitsmessschriebe der rechten Flanke von Prozessvariante A und B im Vergleich. Die Rauheit der verschiedenen Messpositionen ist auf der Ordinate in μm aufgetragen. Die Abszisse zeigt die Messstrecke in mm. Die linke Seite von Bild 09 zeigt Prozessvariante A, die rechte Seite Prozessvariante B. Die Messposition an Zahnkopf, an und den unterschiedlichen Wälzkreisdurchmesser und im Zahnfuß ist in den jeweiligen REM-Bildern gekennzeichnet. Am rechten Zahnkopf zeigen beide Varianten eine vergleichbare Oberflächenqualität mit Rauheitswerten um R z = 0,5 µm. Für Prozessvariante A liegt die Oberflächenqualität am Wälzkreis bei Werten um R zA = 0,4 µm, für Prozessvariante B bei etwa R zB = 1,1 µm. Im Zahnfuß nimmt die Oberflächenqualität für beide Prozessvarianten deutlich auf Werte von etwa R z = 4 µm ab. Die Rauheitsmessschriebe quantifizieren die in den REM-Aufnahmen ermittelten Unterschiede und zeigen Gemeinsamkeiten der Oberflächenbeschaffenheit der beiden Prozessvarianten auf. Übereinstimmend ist bei beiden Varianten, dass die Oberfläche am Zahnkopf mit R z = 0,5 μm eine hohe Güte aufweist. Auf der Zahnflanke und im Zahnfuß zeigen sich die Unterschiede der beiden Prozessvarianten. An Prozessvariante A bleiben die Oberflächenkennwerte auf der Flanke auf demselben Niveau wie am Zahnkopf. An Prozessvariante B hingegen wird die Qualität der Oberfläche auf der Flanke im Vergleich zum Zahnkopf geringfügig herabgesetzt. Im Zahnfuß zeigt sich quantitativ der größte Unterschied. Die Qualität der Oberflächenkennwerte liegt an beiden Prozessvarianten im Fuß signifikant unter den an Zahnkopf und Zahnflanke gemessenen Werten. 6. Zusammenfassung und Ausblick Die hier vorgestellten Ergebnisse sollen dazu beitragen, dass pulvermetallurgische Zahnräder durch eine optimierte Bauteilgestaltung und Fertigung eine gegenüber konventionellen Zahnrädern gleiche Festigkeit bei höherer Ressourceneffizienz erreichen. Das Ziel ist die gezielte Beeinflussung des Materialflusses. Damit wird ermöglicht, dass eine defektfreie Oberfläche und eine Verdichtung entsprechend der Auslegung erreicht werden können. Beim Dichtwalzen wird Material verdrängt und fließt normal und tangential zur Oberfläche. Der Materialfluss, der normal zur Oberfläche fließt, führt zur Verdichtung. Der tangentiale Materialfluss kann zu Überwalzungen, Profilabweichungen und allgemeinen Formabweichungen führen. Zur Untersuchung des Materialflusses wurde die Analogie des Zylinderwalzens gewählt, da hierbei eine geometrieunabhängige Untersuchung ermöglicht wird. Die Untersuchungen wurden hauptsächlich simulativ durchgeführt und experimentell ergänzt. In der Simulation werden zu verschiedenen Zeitpunkten während des Dichtwalzprozesses der Schlupf, die Reibung, die Werkstückund Werkzeugkontaktradien sowie die Zustellung variiert. Die Verdichtung wird über die Verdichtungstiefe bzw. die inkrementelle Zunahme dieser Tiefe untersucht. Der tangentiale Materialfluss wird anhand des Winkels untersucht, den das verformte Material zur Oberfläche annimmt. Es soll nun der tangentiale Materialfluss verringert und ein Winkel des verformten Materials zur Oberfläche von ca. 90 ° erreicht werden, wobei die Verdichtung konstant gehalten oder vergrößert wird. Das lokale Aufmaß, das verdichtet wird, eignet sich nicht zu dieser Optimierung, da mit mehr zu verdrängendem Material der tangentiale und der normale Materialfluss erhöht wird. Die Untersuchungen zeigen außerdem bei negativem Schlupf deutlich mehr tangentiales Fließen des Materials als bei positivem Schlupf. Experimentelle Untersuchungen zeigen außerdem, dass der Schlupf die Reibung wesentlich beeinflusst. Eine zunehmende Reibung führt zu mehr tangentialem Materialfluss. Daher ist der Schlupf eine Größe, die bei der Prozessauslegung berücksichtigt werden muss. Dazu wurde eine kinematische Analyse entwickelt, die es ermöglicht, den auftretenden Schlupf zwischen Werkzeug und Werkstück zu ermitteln. Dabei zeigt sich auch, dass der Schlupf wesentlich durch die Werkzeugauslegung beeinflussbar ist. Die Vergrößerung des Werkzeugkontaktradius hat ein großes Potenzial den tangentialen Materialfluss zu reduzieren und den normalen zu erhöhen. Bei sehr kleinen Werkzeugkontaktradien fließt das Material vor allem tangential, weshalb diese zu vermeiden sind. Die Werkzeugauslegung bietet daher das wesentliche Potenzial zur Optimierung des Dichtwalzprozesses. Da die Werkzeugauslegung maßgeblich durch die Werkstückgeometrie bestimmt wird, beeinflusst diese den Materialfluss direkt und indirekt. Beim direkten Ein­ 74 antriebstechnik 5/2016

DICHTWALZEN fluss zeigt sich, je größer der Kontaktwinkel von Werkzeug und Werkstück, desto geringer der tangentiale Materialfluss. Das bedeutet, dass bei konkav-konvexem Kontakt im Zahnfuß Werkstück- und Werkzeugkontaktradien ähnlich sein sollten, da dann ein größerer Kontaktwinkel vorliegt. Der Einfluss der Kontaktbedingungen zeigt die Untersuchung der Oberflächenqualität von zwei Werkzeugen mit unterschiedlichen Profilverschiebungen und, daraus resultierend, unterschiedlichen Kontaktbedingungen im Werkzeug-Werkstück Kontakt. Über der Zahnhöhe bilden sich für beide Werkzeugvarianten unterschiedliche Oberflächenqualitäten aus. Während an Zahnkopf und Zahnflanke hochwertige Oberflächen vorliegen, ist die Qualität der Oberfläche im Zahnfuß deutlich vermindert. Die über der Zahnflanke variierende Oberflächenqualität korreliert mit der Überlagerung von Schlupf und Ersatzkrümmungsradien des Werkzeug-Werkstück Kontaktes. Aufbauend auf der Bestimmung des Materialflusses können, neben der Oberflächenqualität, die Verdichtung, die Gefüge und Verzahnungsqualität bestimmt werden. Die Untersuchungen werden im von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) geförderten Anschlussprojekt fortgesetzt. Über die Gestaltung des Werkzeugs kann Einfluss auf die Kontaktbedingungen genommen werden, um so die Eigenschaften eines PM-Zahnrads gezielt zu beeinflussen. Die Untersuchung des Kugelstrahlens als alternatives Verdichtungsverfahren und die Bestimmung des tribologischen Einflusses von Walzölen bieten weitere Ansatzpunkte für eine ganzheitliche Optimierung des Verzahnungswalzens. 08 REM Aufnahme der rechten Zahnflanke von Prozessvariante A und B Literaturverzeichnis: [BARG08] Bargel, H.-J.; Hilbrans, H.; Schulze, G.: Werkstoffkunde. In: VDI-Buch 10. Aufl., Berlin [u. a.]: Springer, 2008 [BAUD04] Bauder, H.-J.: Entwicklung eines Hochleistungsharnisches für Luftdüsenwebmaschinen. Diss. Göttingen, 2004 [BEIS13] Beiss, P.: Pulvermetallurgische Fertigungstechnik Springer, Berlin, 2013 [DUDL94] Dudley, D. W.: Handbook of practical gear design. Lancaster, Pa: Technomic Publ, 1994 [GRUE51] Gruener, P.; Brüggemann, T.: Fehlerquellen beim Walzen. In: Stahl und Eisen: Zeitschrift für das Deutsche Eisenhüttenwesen. Bd. 71, Herausgegeben von Verein Deutscher Eisen-und Stahlindustrieller Verein Deutscher Eisenhüttenleute, 1951, S. 20-28 & 71-77 [ILLG52] Illgner, K.: Materialtrennungen in Schrauben und Muttern. In: Drahtwelt, Band 56/12, 1952 [ISSL03] Issler, L.; Häfele, P.; Ruoß, H.: Festigkeitslehre. Grundlagen. Berlin: Springer, 2003 [KAUF13] Kauffmann, P.: Walzen pulvermetallurgisch hergestellter Zahnräder. Diss. Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2013 [KLOC14] Klocke, F., Brumm, M.: Zahnrad und Getriebetechnik Apprimus, Aachen, 2014 [KOTT03] Kotthoff, G.: Neue Verfahren zur Tragfähigkeitssteigerung von gesinterten Zahnrädern. Shaker, Aachen, 2003 [LANG88] Lange, K.: Umformtechnik. 2. Aufl., Berlin [u. a.]: Springer, 1988 [LICK66] Lickteig, E.: Schraubenherstellung. In: Stahleisen-Bücher. Bd. 4 Düsseldorf: Verlag Stahleisen M.B.H., 1966, S. 61–75 [WIMM06] Wimmer, A. J.: Lastverluste von Stirnradverzahnungen. Konstruktive Einflüsse, Wirkungsgradmaximierung, Tribologie. In: FZG / FZG, Lehrstuhl für Maschinenelemente, Forschungsstelle für Zahnräder und Getriebebau, Bd. 152 Aachen: Shaker, 2006 09 Rauheitsmessungen auf der rechten Flanke an Bauteilen von Prozessvariante A und B Danksagung Die Autoren danken der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) [KL500/93-1 & KL500/93-2] für die Bereitstellung der finanziellen Mittel zur Durchführung des den vorgestellten Ergebnissen zugrunde liegenden Forschungsprojekts. antriebstechnik 5/2016 75

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