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antriebstechnik 9/2016

antriebstechnik 9/2016

05 Spanungsgeometrien

05 Spanungsgeometrien für verschiedene Anschnittwinkel bei konstanter Hauptzeit 06 Kenngrößen bei konstanter Spanungsdicke für verschiedene Anschnittwinkel Fräser und Werkstück berechnet. Die Größe dieser Ellipse ist von der aktuellen Tauchtiefe des Werkzeugs abhängig. Der Maximalwert in z-Achsenrichtung der Maschine gibt die Höhe über dem Fräsermittelpunkt an, bei dem der erste Span für eine bestimmte Tauchtiefe erzeugt werden kann. Der Verlauf ist im mittleren Bildteil unten dargestellt. Dieser wird mit dem Weg abgeglichen, den der Fräser im Anschnitt zurücklegt. Der Weg des Fräsers ist durch Geraden im Diagramm dargestellt. Der Schnittpunkt der Kurven gibt hier jeweils die Position des 1. Schnitts an. So liegt der erste Kontaktpunkt für den axialen Anschnitt bei einer Höhe von z A = 25,6 mm. Zur Bestimmung des benötigten Bahnvorschubs zum Erreichen einer konstanten Hauptzeit wird im Folgenden der Abstand zwischen dem ersten Fräserkontakt und dem Erreichen der vollen Tauchtiefe ermittelt. Der Quotient aus diesem Wert und der zurückgelegten Länge im axialen Anschnitt wird für die Ermittlung des Bahnvorschubs mit dem Axialvorschub im Vollschnitt multipliziert. Alternativ kann der Anschnittweg auch simulativ bestimmt werden. Durch die beschriebene Vorgehensweise kann der Axialvorschub, der zu einer konstanten Hauptzeit und damit zu einer konstanten Produktivität des Prozesses führt, ermittelt werden. In Bild 5 sind die mit der Software SPARTApro ermittelten Spanungskenngrößenverläufe für diese Prozesse dargestellt. In der linken Bildhälfte sind die maximale Spanungsdicke (h cu,max ) und die maximale Schnittbogenlänge (l cu,max ) über den Werkstückumläufen im Anschnitt dargestellt. Die Umläufe sind vom Erreichen der Profilausbildungszone zurückgezählt. Mit steigendem Anschnittwinkel wird eine geringere maximale Spanungsdicke erreicht. Die Schnittbogenlänge hingegen weist mit steigendem Anschnittwinkel höhere Werte auf. In der rechten Bildhälfte sind die über dem gesamten Schnittbogen im Anschnitt gemittelte Spanungsdicke (h cu,mit ) und die Anzahl an Schnitten im Anschnitt über der abgewickelten Schneidkante dargestellt. Die mittlere Spanungsdicke weist hier eine Abnahme der Maxima im Kopfbereich des Werkzeugs mit steigendem Anschnittwinkel auf. Des Weiteren kommt es zu einer leichten Reduktion der Anzahl an Schnitten über dem Einlauf mit steigendem Anschnittwinkel. Anschnitt bei konstanter maximaler Spanungsdicke Für die genaue Bestimmung des Vorschubs zum Erreichen einer konstanten maximalen Spanungsdicke (h cu,max ) über dem Prozess werden zuerst Berechnungen für einen konstanten Bahnvorschub und eine konstante Hauptzeit für die betrachteten Anschnittwinkel durchgeführt. Zur Ermittlung des Vorschubs bei konstanter Spanungsdicke über dem Anschnitt wird zwischen den berechneten Spanungsdicken interpoliert. Die ermittelten Vorschubwerte für die betrachteten Anschnittwinkel sind in Bild 6 unten links dargestellt. Die Diagramme zeigen verschiedene charakteristische Kennwerte des Anschnitts für eine konstante Spannungsdicke (h cu,max ). Im Gegensatz zu den Untersuchungen bei gleicher Hauptzeit ergeben sich bei dieser Auslegung geringere Anzahlen von Werkstückumdrehungen im Anschnitt mit steigendem Anschnittwinkel und damit auch eine geringere Hauptzeit. Die maximale Spanungsdicke weist entsprechend der Auslegung nur geringe Abweichungen zwischen den verschiedenen Fällen auf. Die maximale Schnittbogenlänge erreicht auch bei dieser Auslegung zum Ende des Anschnitts für alle Fälle den gleichen Wert. Während die maximale Spanungsdicke entsprechend der Auslegung konstant ist, unterliegt die mittlere Spanungsdicke Änderungen. Dieser Wert steigt mit steigendem Anschnittwinkel an. Demnach werden die Späne mit steigendem Anschnittwinkel massiver bei gleichzeitig sinkender Anzahl der durchgeführten Schnitte. Eine Vorhersage zur erreichbaren Werkzeugstandlänge kann also auf Basis dieser Betrachtung nicht getroffen werden. Auslegung für eine konstante Standlänge Zur Untersuchung des dritten Ansatzes zur Prozessauslegung ist die Frage der erzielbaren Werkzeugstandlängen in Abhängigkeit von dem Anschnittwinkel zu beantworten. Der Einsatz von PM-HSS Werkzeugen zum Wälzfräsen wurde in [10, 19] mithilfe des Schlagzahnversuchs untersucht. Eine Variation des Anschnittwinkels wurde hierbei nicht betrachtet. Zur Ermittlung der erzielbaren Werkzeugstandlängen sind daher Zerspanuntersuchungen durchgeführt worden, bei denen Bauteile unter einer Anschnittwinkelvariation bis zum Erreichen des Vollschnitts zerspant wurden. Die Werkzeugstandzeit wurde erreicht, sobald eine Kolktiefe von KT max = 100 µm vorliegt. Eine Betrachtung der Simulationsergebnisse der vorangegangenen Untersuchungen mit den erreichten Standlängen ergibt eine Korrelation zwischen der gemittelten Spanungsdicke und der Standlänge der Werkzeuge mit einem Bestimmtheitsmaß von R 2 = 0,993. Das Ergebnis ist für die durchgeführten Zerspanversuche in Bild 7 dargestellt. Leistungsfähigkeiten der untersuchten Anschnittstrategien Ausgehend von den ermittelten Standzeiten kann die Produktivität des Anschnitts für die verschiedenen Auslegungsvarianten verglichen 88 antriebstechnik 9/2016

WÄLZFRÄSEN 07 Korrelation zwischen mittlerer Spanungsdicke und Werkzeugstandlänge 08 Erzielte Leistungsfähigkeiten verschiedener Anschnittstrategien werden. Ein Vergleich der erreichten Hauptzeiten und der im Anschnitt erreichten Standmenge für die Bearbeitung eines vollständigen Bauteils in Abhängigkeit von dem Anschnittwinkel ist in Bild 8 dargestellt. Die Versuche bei konstanter Hauptzeit weisen hier ein hohes Potenzial zu höheren Standlängen im Anschnittbereich auf. Eine direkte Übertragung auf die Standlängen bei einer Bearbeitung des gesamten Werkstücks ist auf Basis der bisherigen Daten nicht zulässig. Grundsätzlich ist jedoch eine Steigerung der Standlängen mit steigendem Anschnittwinkel zu beobachten. Eine Steigerung des Vorschubs dahin gehend, dass eine konstante maximale Spanungsdicke erreicht wird, führt zu einer Reduzierung der Hauptzeit im Anschnitt von bis zu 38 %. Diese führt jedoch für einen Anschnittwinkel von φ = 90° zu einem Einbruch der Standmenge. Die Auslegung nach der mittleren Kopfspanungsdicke (h cu,mit ) führt hier für den radialen Anschnitt zu Standlängen, die mit denen im axialen Schnitt vergleichbar sind. Auch bei diesen Auslegungen werden geringere Hauptzeiten erreicht als im axialen Anschnitt. Die Anschnittdauer kann im radialen Anschnitt um über 20 % reduziert werden. Bezogen auf das gesamte Werkstück mit Vollschnitt und Austritt ergibt sich für die hier betrachtete Verzahnung eine um 9 % geringere Hauptzeit. Zusammenfassung Im Wälzfräsprozess benötigt das Werkzeug beim Eintritt in das Bauteil einen Einlaufweg, bevor die Lückenkontur im Vollschnittbereich profiliert wird. Dieser Anschnitt wird in vielen Fällen entsprechend der Bearbeitung im Vollschnitt axial durchgeführt. Da in diesem Bereich die endgültige Kontur der Lücke noch nicht beeinflusst wird, können hier auch weitere Verfahren eingesetzt werden. Ein Anschnitt in diagonaler oder radialer Richtung wird dann nötig, wenn Störkonturen am Bauteil oder der Vorrichtung bei axialem Anschnitt zu Kollisionen führen. Hierzu wurden theoretische Analysen des Anschnitts auf Basis der geometrischen Durchdringungsrechnung mit dem Software SPARTApro sowie Werkzeugverschleißanalysen im Schlagzahnversuch durchgeführt. In diesen Untersuchungen wurden drei Ansätze betrachtet. Zum einen wurde der Anschnittwinkel bei einer konstanten Hauptzeit des Prozesses variiert. Hierzu wurden der Anschnittweg im Prozess und der benötigte Vorschub ermittelt. Zweitens wurde der Vorschub im Anschnitt so ausgelegt, dass eine konstante maximale Spanungsdicke erreicht wird. In der letzten Auslegung sollte eine Strategie entwickelt werden, die zu einer konstanten Standlänge der Werkzeuge führt. Dies wurde durch eine konstante mittlere Spannungsdicke im Anschnitt erreicht. Es konnten Potenziale einer Erhöhung der Standlänge im axialen Anschnitt bei konstanter Hauptzeit aufgezeigt werden, die zu einer Reduktion von Werkzeugkosten führen können. Des Weiteren wurde gezeigt, dass im radialen Anschnitt bei nahezu identischer Standlänge der Werkzeuge, eine Reduktion der Anschnittdauer von 20 % zu erreichen ist. z Literaturverzeichnis [1] Bausch, T.; et. al.: Innovative Zahnradfertigung: Verfahren, Maschinen und Werkzeuge zur kostengünstigsten Herstellung von Stirnrädern mit hoher Qualität, Renningen, 5. Auflage, Expert Verlag, 2015 [2] Hoffmeister, B.: Über den Verschleiß am Wälzfräser. Dissertation RWTH Aachen, 1970 [3] Kleinjans, M.: Einfluss der Randzoneneigenschaften auf den Verschleiß von beschichteten Hartmetallwälzfräsern. Dissertation, RWTH Aachen, 2003 [4] Knöppel, D.: Trockenbearbeitung beim Hochgeschwindigkeitswälzfräsen mit beschichteten Hartmetall-Werkzeugen. 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