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antriebstechnik 1-2/2016

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Numerische Untersuchung

Numerische Untersuchung der Zerspankräfte für das kontinuierliche Wälzschleifen Fritz Klocke, Christoph Löpenhaus, Florian Hübner Zentrale Bauteile in Antriebssträngen sind Verzahnungen, welche in stetig anwachsenden Stückzahlen bei gleichzeitig hoher Qualität benötigt werden. Das kontinuierliche Wälzschleifen stellt ein besonders wirtschaftliches Verfahren zur Feinbearbeitung von Verzahnungen dar, über welches nur begrenzt wissenschaftliche Kenntnisse vorliegen. Zur Steigerung des Prozessverständnisses wurde daher ein Zerspankraftmodell entwickelt. Prof. Dr.-Ing. Dr.-Ing. E.h. Dr. h.c. Dr. h.c. Fritz Klocke ist Direktor im Werkzeugmaschinenlabor der RWTH Aachen Dipl.-Wirt.-Ing. Christoph Löpenhaus ist Oberingenieur im Werkzeugmaschinenlabor der RWTH Aachen Dipl.-Ing. Florian Hübner ist Gruppenleiter im Werkzeugmaschinenlabor der RWTH Aachen Zum Erreichen der Qualitätsanforderungen von geschliffenen Verzahnungen werden effiziente und stabile Fertigungsprozesse benötigt. Einer dieser Prozesse ist das kontinuierliche Wälzschleifen von Verzahnungen. Es handelt sich dabei um ein Verfahren, welches bei Verzahnungen kleinen und mittleren Moduls in der Großserien fertigung nach der Einsatzhärtung genutzt wird [1]. Das kontinuierliche Wälzschleifen ist insbesondere im Anwendungsbereich automobiler Verzahnungen eines der dominierenden Hartfeinbearbeitungsverfahren. Obwohl das kontinuierliche Wälzschleifen ein in der Industrie etabliertes Verfahren ist, liegen bisher nur begrenzt wissenschaftliche Kenntnisse über den Prozess vor [2], [3], [4], [5]. Dies liegt unter anderem an den komplexen Kontaktbedingungen. Während des Schleifprozesses befinden sich stets mehrere Zahnflanken des Werkstücks mit der Schleifschnecke im Eingriff. Durch die kinematische Kopplung zwischen Werkstück und Schleifschnecke ist die Anzahl der sich im Kontakt befindenden Zahnflanken jedoch nicht konstant, sondern variiert kontinuierlich. Die linke Bildhälfte von Bild 01 verdeutlicht diese Veränderung der Kontaktverhältnisse während der Bearbeitung. Im oberen Bereich verteilt sich der Kontakt zwischen Werkstück und Schleifscheibe auf vier Punkte, im unteren Bereich liegt nur an drei Punkten Kontakt vor. Bedingt durch die veränderlichen Kontaktbedingungen beim Wälzschleifen, ergeben sich veränderliche Bearbeitungskräfte und Krafteinleitungen, die zu einer erhöhten Prozessdynamik führen können [4], was in einer charakteristischen Profilformabweichung 60 antriebstechnik 1-2/2016

WÄLZSCHLEIFEN 01 Kontinuierliches Wälzschleifen von Verzahnungen 02 Analyse des Kontaktvolumens zwischen Schleifschnecke und Werkstück resultieren kann. Ein Schritt zur Vermeidung der Profilformabweichungen stellt damit die Berechnung der auftretenden Zerspankräfte und der Kontaktbedingungen beim kontinuierlichen Wälzschleifen dar. Zusätzlich wird durch das Zerspankraftmodell das Prozessverständnis gesteigert, woraus Optimierungspotenziale für die eingesetzten Werkzeugmaschinen aufgezeigt werden können. Ebenfalls kann der kraftabhängige Energieeintrag in das Bauteil auf Grundlage des entwickelten Zerspankraftmodells bestimmt werden, sodass das Risiko für thermische Randzonenschädigungen beurteilt werden kann [5]. Daher ist es das Ziel, ein Zerspankraftmodell für das kontinuierliche Wälzschleifen zu entwickeln. Hierfür wird in vier Schritten vorgegangen. Zunächst werden die variierenden Kontaktbedingungen für den Wälzschleifprozess abgebildet. Im Anschluss daran werden Analogieversuche durchgeführt, um dominante Einflussfaktoren auf die Zerspankraft und -leistung zu ermitteln. Zusätzlich werden empirische Parameter bestimmt, auf welchen das Zerspankraftmodell unter anderem basiert. Darauf aufbauend wird das Zerspankraftmodell mit dem Kontaktmodell gekoppelt und anhand von Wälzschleifversuchen abgeglichen. Abschließend wird das Kraftmodell durch weitere Wälzschleifversuche validiert. Berechnung der Kontaktverhältnisse Die Berechnung der lokalen Kontaktverhältnisse für das Wälzschleifen stellt die Grundlage für die Berechnung der Zerspankräfte dar. Während der Berechnung der Kontaktverhältnisse werden nicht nur die Anzahl und Abfolge der Kontaktpunkte berechnet, sondern auch Kennwerte zur Auswertung der Durchdringungsgeometrie. Hierzu zählt z. B. die Kontaktdicke sowie das zur Berechnung der Kräfte notwendige durchdrungene Volumen. Um diese Rechnungen durchführen zu können, müssen effiziente Algorithmen gewählt werden, die eine möglichst hohe Auflösung von Werkstück und Schleifschnecke ermöglichen. Die Ergebnisse sollen in einer möglichst kurzen Zeit berechnet werden können. Diese Anforderungen erfüllen numerische Ansätze, wie sie zurzeit in verschiedenen Modellen, welche am WZL entwickelt wurden, eingesetzt werden [7], [6], [8]. Aus diesem Grund wurde der in [7], [6], [8] verwendete Ansatz ausgehend vom Wälzfräsen für das kontinuierliche Wälzschleifen erweitert. Das Modell benötigt Eingabedaten zur Beschreibung von Werkzeug und Werkstück. Basierend auf diesen Daten wird eine makrogeometrische Oberfläche der Schleifschnecke und des vorverzahnten Werkstücks erstellt. Zudem werden Prozessdaten, mit denen sich die Prozesskinematik beschreiben lässt, benötigt. Schleifwerkzeug und Werkstück werden entsprechend der Prozessdaten zueinander positioniert und der Zerspanvorgang durch eine diskret ablaufende Durchdringungsrechnung durchgeführt. Nach der Berechnung des Schnittes zwischen Werkzeug und Werkstück kann der Prozess anhand von Kennwerten analysiert werden. Eine wesentliche Ausgabegröße ist die geschliffene Zahngeometrie inklusive Vorschubmarkierungen sowie verfahrensbedingten Abweichungen, wie zum Beispiel Verschränkungen und gezielt aufgebrachten Modifikationen des Zahnprofiles. Zudem kann eine ideale Flanke erzeugt werden und mit der geschliffenen Geometrie verglichen werden, sodass die Abweichungen aus dem Prozess quantifizierbar werden. Außerdem können die Daten zur Weiterverarbeitung in Methoden, wie z. B. einer FE-basierten Zahnkontaktanalyse [9], verwendet werden. Des Weiteren können die Kontaktgeometrie und die -folge bestimmt werden. Als Kontaktfolge wird die Anzahl und Abfolge der Kontaktpunkte zwischen Schleifschnecke und Werkstück bezeichnet. Aus den berechneten Kontaktgeometrien lassen sich verschiedene Kenngrößen ableiten, auf die im folgenden Abschnitt genauer eingegangen wird. Das Durchdringungsvolumen wird von der Schnittfläche des Werkzeuges AWZG und des Werkstückes AWST begrenzt. Diese Flächeninhalte sind mit der entwickelten Methode berechenbar. Zudem kann die Dicke hk des durchdrungenen Volumens normal zur Zahnflanke bestimmt werden. Aus der Dicke und dem Flächeninhalt ist es möglich, das Spanvolumen zu ermitteln. Des Weiteren kann die Kontaktlänge l k und die Kontaktbreite b k für jedes einzelne Kontaktvolumen berechnet werden. Eine Zusammenfassung der Auswertemöglichkeiten zeigt Bild 02. Alle Werte antriebstechnik 1-2/2016 61

Aktuelle Ausgabe

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