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antriebstechnik 3/2019

antriebstechnik 3/2019

T 01 Schematischer

T 01 Schematischer Aufbau und Wirkungsweise des Inline-Festwalzwerkzeugs Inline-Festwalz- Werkzeugsystem Schnitt A-A Zahnrad Festwalzrollen Festwalzkraft F hintereinander angeordnete Festwalzrollen r k3 r k2 r k2 r k1 A r k1 r k1 v w A 30°-Tangente Messeinrichtung Hartmetallrolle Zahnrad, geradverzahnt Druck nach Walzen hintereinander angeordnete Festwalzrollen Vierkantprobe Tiefe z vor Walzen Zug Kraftmessplattform © HSH/WFM 02 Durchführung der Analogieversuche 03 Einfluss des Vorschubs f auf den Eigenspannungstiefenverlauf Hydrauliköl Adapterplatte Druckmessumformer Hydrauliköl Eigenspannungen 0 MPa –800 –1.200 –1.600 –2.000 f= 0,3 mm geschliffen f= 0,5 mm f= 0,1 mm f= 0,2 mm r k f –2.400 0 100 200 300 400 500 600 µm 800 Abstand von der Oberfläche z © HSH/WFM d Verfahren: Festwalzen (ebene Fläche) Schleifen Festwalzparameter: F= 2.000 N v w = 440 mm/ min f= 0,1 mm; 0,2 mm; 0,3 mm; 0,5 mm Festwalzrolle: Hartmetall d= 31 mm r k = 0,8 mm Werkstück: Vierkantstahl 28 mm x 28 mm 18CrNiMo7-6 CHD = 1 mm bis 1,2 mm 60 bis 62 HRC 04 Versuchsstand zum Zahnfußfestwalzen Druckspeicher Inline-Festwalzwerkzeug Einlaufzahnrad Auslaufzahnrad Verfahrrichtung Versuchszahnrad Aufnahmevorrichtung Möglichkeit geboten, das Werkzeug direkt in die Fertigung zu integrieren und die Durchlaufzeiten zu minimieren. Analogieversuche zur Parameterermittlung Zur Auslegung des Zahnfußfestwalzprozesses und für die anforderungsgerechte Konstruktion des Inline-Festwalzwerkzeugsystems finden zunächst Analogieversuche Anwendung, die auf der Basis von Eigenspannungsuntersuchungen qualitative Rückschlüsse auf die Wechselwirkungen zwischen den einzelnen Stellgrößen ermöglichen. Neben den prozessspezifischen Parametern Walzgeschwindigkeit v w , Festwalzkraft F und Vorschub f, also der Distanz zwischen den Walzgründen zweier nebeneinander positionierter Walzbahnen, stellt die Ausarbeitung optimaler Rolleneigenschaften (Werkstoff, Durchmesser d, Kontaktradien r k ) die zentrale Zielsetzung dar. Die Versuche werden an einer CNC-Fräsmaschine WF 600 MC der Kunzmann Maschinenbau GmbH durchgeführt. Als Werkzeug wird ein mit einer Adapterplatte modifiziertes Gewinde-Festwalzwerkzeug EF-90 der Ecoroll AG eingesetzt, welches für maximale Kräfte von 8 000 N ausgelegt ist und über Blattfedern im Grundkörper verfügt. Eine spezielle Messeinrichtung dient zur indirekten Anzeige der Feder- bzw. Walzkraft, die zusätzlich durch die Montage eines piezoelektrischen Dynamometers des Typs 9193AA der Kistler Instrumente AG auf dem Maschinentisch überwacht wird (s. Bild 02). Zur Vermeidung eines Abgleitens der Rolle in eine zuvor aufgebrachte Walzbahn wird die Hartmetallrolle beidseitig über Passscheiben aus Messing axial fixiert, ohne die Rotationsbewegung hierbei einzuschränken. Nach den Ver suchen aufgenommene Oberflächenmessschriebe belegen die Wirksamkeit dieser konstruktiven Lösung. Die Rollenspezifikationen können durch den Austausch der Festwalzrolle variiert werden. Über die Maschinensteuerung sind die Geschwindigkeit der translatorischen Bewegung, der Vorschub und die Festwalzkraft flexibel gestaltbar. In Anlehnung an den in den Hauptversuchen ausgewählten Zahnradwerkstoff wird Vierkantmaterial aus dem Einsatzstahl 18CrNiMo7-6 verwendet, um werkstoffspezifische Abweichungen weitestgehend auszuschließen. Da dieser nur als Rundmaterial zu erwerben ist, wird die komplette Lieferung einer Fräsbearbeitung unterzogen, bevor die gefertigten Prüfkörper in einer Charge auf 60 bis 62 HRC einsatzgehärtet werden. Zur Abbildung der gesamten fertigungstechnischen Historie der Zahnradherstellung schließt sich der Wärmebehandlung ein allseitiges Planschleifen der Probenrohlinge auf einer Flachschleifmaschine des Typs FS 640 Z CB der Geibel & Hotz Maschinen und Werkzeuge GmbH an. Die Vorschubgeschwindigkeit beträgt 25 m/min, woraus ein spezifisches Zeitspanvolumen von in etwa Q’ w = 4 mm 3 /mms resultiert. Als 48 antriebstechnik 3/2019

T VERZAHNUNGSTECHNIK 05 Eigenspannungen © HSH/WFM 0 MPa –1.000 –1.500 –2.000 –2.500 0 Einfluss verschiedener Endbearbeitungsverfahren auf die Eigenspannungstiefenverläufe im Zahnfuß geschliffen p = 60 bar p = 100 bar kugelgestrahlt 100 200 300 400 500 600 µm Abstand von der Oberfläche z Werkzeug kommt eine Edelkorundschleifscheibe mit einer 80er Körnung zum Einsatz, die mit einer konstanten Schleifscheibenumfangsgeschwindigkeit von v s = 30 m/s betrieben wird. Zur Kühlung des Schleifprozesses findet eine 5%ige wässrige Lösung auf Basis eines Konzentrats der Firma Castrol Anwendung. Nach der Fertigstellung der Prüfkörper beginnt entsprechend des jeweiligen Parametersatzes die Erzeugung eines 5 × 90 mm großen Walzfeldes. Zur Vereinfachung bleiben beim Übertrag von Analogie- zu Zahnradradversuch die divergierenden effektiven Krümmungsradien im Zahnfuß in Abhängigkeit der jeweils im Eingriff befindlichen Rolle unberücksichtigt. Die Ermittlung der randzonennahen Eigenspannungen, die für die Festigkeit von hochbeanspruchten Bauteilen entscheidend sind, wird durch ein Röntgendiffraktometer Xstress 3000 der Stresstech GmbH vorgenommen. Elektrolytisches Abtragen ermöglicht die Aufnahme von Eigenspannungstiefenverläufen. Das Versuchsprogramm umfasst insgesamt über 40 Parameterkombinationen. Bild 03 illustriert an dieser Stelle exemplarisch den Einfluss verschiedener Vorschübe f auf die Ausbildung der Eigenspannungstiefenverläufe senkrecht zur Bearbeitungsrichtung bei identischer Festwalzkraft von 2 000 N, konstanter Walzgeschwindigkeit von 440 mm/min und gleicher Hartmetallrollengeometrie (d = 31 mm, r k = 0,8 mm). Um die Auswirkungen des Festwalzens auf die Eigenspannungsausbildung zu verdeutlichen, sind zusätzlich die Messergebnisse einer abschließend geschliffenen Probe abgebildet. Alle Eigenspannungswerte, selbst die des geschliffenen Oberflächenzustandes, liegen im Druckeigenspannungsbereich. Während die Eigenspannungen nach dem Schleifen verhältnismäßig niedrige Messwerte aufweisen, verfügen die einzelnen Kennlinien der festgewalzten Proben bereits direkt an der Oberfläche über hohe Druckeigenspannungszustände. Die Höchst werte bilden sich in einer Tiefe zwischen 50 und 100 µm aus, wobei mit zunehmendem Vorschub eine Verlagerung der Maxima in tiefere Werkstoffregionen erkennbar ist. Den wesentlichen Unterschied stellen erwartungsgemäß die eingebrachten Druckeigenspannungsbeträge in den einzelnen Messtiefen dar. Insbesondere im Bereich der Maximalwerte zeigt sich eine deutliche Erhöhung der Druckeigenspannungen mit abnehmendem Vorschub. Allgemein kann konstatiert werden, dass sich mit einer Verringerung der Walzbahnabstände und der damit einhergehenden Vergrößerung der Walzbahnüberdeckungen verbesserte Druckeigenspannungsverläufe einstellen. Beim Inline-Festwalzen ist der Vorschub die maßgebende Größe für die notwendige Rollenanzahl. Die Konfiguration des Walzbahnabstandes wird hierbei konstruktiv über die Walzrollenbreite gelöst, sodass jede einzelne Rolle nur einen exakt definierten Bereich im Zahnfuß bearbeiten kann. Je weiter die Zahnfußverfestigung somit in Richtung des Zahnkopfes fortschreitet, desto größer müssen die zu wählenden Rollenbreiten ausfallen. Hieraus resultiert ein Zielkonflikt, der einen Kompromiss aus der Höhe der einzubringenden Druckeigenspannungen und der Baugröße des In line-Werkzeugs erforderlich macht. Aus diesem Grund erfolgt, trotz der höheren Eigenspannungswerte bei f = 0,1 mm, das Festwalzen im Zahnfuß mit einem Vorschub von 0,2 mm. Zur Reduzierung der Spannungsdifferenz zwischen verfestigtem und ungewalztem Bereich in Richtung Zahnkopf wird der Vorschub zwischen den beiden letzten Rollen auf 0,3 mm erweitert. Für die ersten experimentellen Versuchsreihen mit dem Werkzeugprototypen wird im Vorfeld ein Walzbereich vom Zahngrund bis annähernd 1,5 mm über der 30°-Tangente definiert. Mit dieser Auswahl soll eine Festwalzbearbeitung unterhalb des Zahnfußnutzkreises sichergestellt werden, um negative Auswirkungen der Walzbahnen auf den Zahnflankenbereich zu vermeiden, der für das Abwälzen ineinandergreifender Zähne genutzt wird. In Kombination von Walzbereich und dem deklarierten Vorschub ergibt sich in Summe das Erfordernis von zehn Festwalzrollen. Weitere, hier nicht abgebildete Versuchsreihen, belegen die Vorteilhaftigkeit der Verwendung von Hartmetallrollen mit einem Durchmesser von 31 mm. Zur Gewährleistung hoher Druckeigenspannungen bei einem verhältnismäßig niedrigen Kraftaufwand werden die acht mittleren Walzwerkzeuge mit dem kleinsten untersuchten Kontaktradius von 0,8 mm versehen. Die höchste und niedrigste Festwalzrolle, welche jeweils die Übergänge zu den unverfestigten Zahnfußbereichen bearbeiten, erhalten mit r k = 1,2 mm und r k = 1 mm größere Kontaktradien, um eine Reduzierung des Eigenspannungsgefälles in dieser Region zu erzielen. Weiterhin zeigt die Analyse der anzustrebenden Prozessparameter, dass die Walzgeschwindigkeit v w keinerlei Einfluss auf den Eigenspannungs tiefenverlauf nimmt. Demgegenüber stellt die Festwalzkraft F die entscheidende Fertigungsgröße dar und wird deshalb auch in den folgenden Zahnfußfestwalzversuchen variiert. Untersuchungen zum Zahnfußfestwalzen Verfahren: Zahnfußfestwalzen, Kugelstrahlen, Schleifen Festwalzparameter: p = 60 bar; 100 bar v w = 440 mm/ min Walzrichtung = ↑ Festwalzrollen: Hartmetall d= 31 mm r k = 1,2 mm; 1 mm; 0,8 mm Zahnrad: 18CrNiMo7-6 z= 58; m n = 2,5 d a = 153,2 mm b = 19,1 mm = 20°; = 0° CHD = 0,5 mm bis 1 mm 58 bis 62 HRC Auf Basis der in den Analogieversuchen ermittelten Kennwerte erfolgt zunächst die Konstruktion und Fertigung des Inline-Werkzeugs durch die Ecoroll AG. Die einzelnen Bearbeitungsrollen werden in speziellen Halterungen mechanisch gelagert, die über rotatorische und translatorische Freiheitsgrade verfügen und auf diese Weise eine kontinuierliche Selbstzentrierung der Walzelemente in der Zahnlücke ermöglichen. Die Rollenhalter werden hydraulisch angesteuert, wodurch einerseits eine einfache Regulierung der Festwalzkräfte über den hydraulischen Druck realisiert wird und andererseits eine Entkopplung der aufzubringenden Kraft von der Maschinenzustellung resultiert. Als Grundsystem wird für die ersten Untersuchungen eine Universal-Fräsmaschine des Typs FU 5a der Firma Union genutzt. Eine Adapterplatte, die form- und kraftschlüssig mit der Schwalbenschwanzführung des C-Gestells verbunden ist, dient der Montage des Inline-Werkzeugs. Das zu bearbeitende Zahnrad wird mittels einer Befestigungswelle und zweier Prismen auf dem Maschinentisch positioniert. Hierdurch kann sich das Zahnrad rotatorisch frei bewegen und sich während des Festwalzprozesses bei Bedarf selbst ausrichten. Zum Schutz der Hartmetallrollen vor Schäden beim Ein- oder Austritt befinden sich zwischen den Kolbenstangen und den Trägergehäusen der einzelnen Rollen unterschiedlich dicke Einlegeplättchen, die zu einer 800 antriebstechnik 3/2019 49

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