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antriebstechnik 5/2016

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Einfluss der

Einfluss der Kontaktbedingungen auf den Materialfluss 01 Eigenschaften von PM Zahnrädern und Verfahrensschema des Dichtwalzens Fritz Klocke, Christoph Löpenhaus, Eva Gräser, Tim Frech Zur Verbesserung der Tragfähigkeit werden hoch - be lastete PM-Zahnräder dichtgewalzt, indem auf der Flanke ein vorgesehenes Aufmaß verdichtet wird. Die dabei vorliegenden Kontaktbedingungen führen zu einem über der Flanke unterschiedlich ausgeprägten Materialfluss. Der Einfluss der Kontaktbedingungen auf den Materialfluss wird in einem Analogieversuch analysiert und darauf aufbauend eine kinematische Prozessanalyse entwickelt. Basierend auf der kinematischen Prozessanalyse wird die Oberflächenqualität gewalzter Zahnräder ausgewertet. Prof. Dr.-Ing. Dr.-Ing. E.h. Dr. h.c. Dr. h.c. Fritz Klocke ist Direktor am Werkzeugmaschinenlabor der RWTH Aachen Dipl.-Wirt.-Ing. Christoph Löpenhaus ist Oberingenieur am Werkzeugmaschinenlabor der RWTH Aachen Dr.-Ing. Eva Gräser ist Mitarbeiterin bei der Vorwerk Elektrowerke GmbH & Co. KG Tim Frech, M.Sc., ist Mitarbeiter am Werkzeugmaschinenlabor der RWTH Aachen 1. Einleitung und Motivation Die pulvermetallurgische (PM) Prozesskette bietet durch Einsparungen, von sowohl Material als auch Energie, in der Serienfertigung einen Vorteil gegenüber der konventionellen, spanenden Fertigung [KLOC14]. Die konstruktive Freiheit in der Gestaltung der Bauteile und eine flexible Werkstoffauswahl ergänzen die Vorteile von PM Bauteilen. Die endkonturnahe Fertigung bietet einen weiteren Ansatz zur Senkung der Fertigungskosten. Die pulvermetallurgische Fertigungskette besteht grundsätzlich aus den drei Prozessschritten der Pulverherstellung, des Pressens und des Sinterns [BEIS13]. Das Pulver wird unter hohem Druck zu einem Grünling verpresst. Nach der Entnahme aus der Matrize wird der so entstandene Grünling unterhalb der Schmelztemperatur gesintert. Die Pulverpartikel verbinden sich durch Diffusionsprozesse zu einem festen Bauteil. Während des Pressvorgangs behindert die entstehende Kaltverfestigung und Reibung die Verdichtung des Metallpulvers zu voller Dichte. Um die Verdichtung zu steigern, wird dem Pulver Schmierstoff zugesetzt. Der Schmierstoff wird während des Sinterprozesses ausgebrannt. Das gesinterte Bauteil behält so eine Restporosität von etwa 10 %. Einerseits führt dies dazu, dass Sinterbauteile gegenüber schmelzmetallurgisch hergestellten Bauteilen einen Gewichtsvorteil besitzen. Andererseits vermindern die Poren die Festigkeit des Bauteils, da sie beispielsweise Rissausgangspunkte darstellen können. Bild 01 zeigt die Wälzfestigkeit von PM-Stahl in Abhängigkeit von der Dichte im Vergleich zu einem konventionellen Schmiedestahl (16MnCr5). Zu sehen ist, dass von PM-Stahl bei vollständiger Verdichtung der Oberfläche, eine zu konventionellen Stählen gleich­ 70 antriebstechnik 5/2016

DICHTWALZEN wertige Wälzfestigkeit erreicht werden kann [KOTT03]. Um die Dichte von Sinterbauteilen zu erhöhen, also deren Festigkeit zu verbessern, können diese global oder auch lokal nachverdichtet werden. Zahnräder eignen sich besonders für die lokale Nachverdichtung, da die belasteten Bereiche an Zahnrädern an der Oberfläche liegen. Ein bewährtes Verfahren zur lokalen Nachverdichtung von Zahnrädern ist der Außenquerwalzprozess, welcher in Bild 01 dargestellt ist. Im Außenquerwalzprozess wird das zu bearbeitende Zahnrad zwischen zwei Werkzeugzahnräder eingesetzt. Zum einen werden in mehreren Zustellschritten die hochbelasteten Randbereiche des Zahnrads verdichtet. Zum anderen soll die geometrische Qualität so weit erhöht werden, dass ein dem Härten folgender hart-fein Bearbeitungsprozess, wie z. B. Schleifen oder Honen, minimiert wird. Die Verdichtung des Materials verursacht eine Geometrieveränderung, welche durch ein Aufmaß am Sinterrohling vorgehalten wird. Während des Dichtwalzprozesses liegt jedoch nicht nur eine rein radiale Verdichtung, sondern auch ein tangentialer Materialfluss vor. Dies führt beispielsweise zu einem Kopfwachstum am Werkstück. Diese Geometrieveränderung während des Verdichtungsprozesses muss in der Auslegung von PM Zahnrädern mit einbezogen werden. Die Geometrie des Zahns vor dem Walzprozess ist in Bild 01 blau dargestellt, die Geometrie nach dem Walzen in schwarz. Der Materialfluss am Werkstück wird durch Pfeile angedeutet. Die Kontaktbedingungen zwischen Werkzeug und Werkstück nehmen maßgeblichen Einfluss auf den Materialfluss [KAUF13]. 2. Definition des Materialflusses und Bedeutung für das Dichtwalzen Bei der Fertigung von PM-Zahnrädern wurden Überwalzungen festgestellt [KAUF13]. In Bild 02 links sind diese im Gefügeschliff und in einer REM-Aufnahme der Oberfläche dargestellt. Aufgrund der These, dass diese oberflächennahen Defekte zur Reduktion der Festigkeit führen, soll die Entstehung von Überwalzungen vermieden werden. Die dargestellte Form des Defekts und die Kenntnisse aus anderen Verfahren legen nahe, dass Überwalzungen durch Wulstbildung und Überwalzen der Wulst entstehen, vgl. Bild 02 rechts [BAUD04, GRUE51, LANG88, LICK66, DUDL94, ILLG52, ISSL03, BARG08]. Zur Verbesserung des Prozessverständnisses wurden zunächst Simulationen mit einem Zylinder-Scheibe-Kontakt durchgeführt. In Bild 03 sind Werkstück und Werkzeug in sechs Kontaktzuständen zu sehen. Dabei ist zum einen die Zunahme der Verdichtung zu erkennen und zum anderen die Entstehung einer Wulst vor dem Walzwerkzeug. Daran lässt sich grundlegend der Materialfluss beim Dichtwalzen von pulvermetallurgischen Werkstoffen erklären: Das Material wird vom Werkzeug verdrängt. Dabei kann es entweder komprimiert werden, da aufgrund der Porosität keine Volumenkonstanz besteht, oder tangential vor dem Werkzeug wegfließen. Der Anteil des Materials, der in das Werkstück hineinfließt, führt zur Verdichtung. 02 Vergleich von Fehlstelle und Modell 03 Wulstbildung aufgrund von zunehmender Verdichtung 04 Herleitung der Kenngrößen des Materialflusses antriebstechnik 5/2016 71

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