Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Einfluss des Werkzeugverschleißes auf die Bauteilrandzone und die Bauteillebensdauer beim 5-Achs-Fräsen von Großverzahnungen

Die Ergebnisse des vorangegangenen Vorhabens IGF 17890 legen nahe, dass beim 5-Achs-Hartfräsen von Großverzahnungen signifikanter Werkzeugverschleiß entsteht. Der Stand der Technik zeigt, dass sich der Werkzeugverschleiß auf die Bauteilrandzone und somit auf die Tragfähigkeit von Verzahnungen auswirkt. Das Ziel des Vorhabens ist es daher, die Beeinflussung der Bauteilintegrität und der Bauteilfunktion durch das 5-Achs-Fräsen von Verzahnungen für wirtschaftlich relevante Bauteilgrößen vorherzusagen.

An einem gehärteten Analogiebauteil, welches aus einer relevanten Großverzahnung abgeleitet wird, werden Fräsversuche zur Erzeugung von Werkzeugverschleiß durchgeführt. Dabei wird der Zusammenhang zwischen dem Schnittweg, dem Verschleiß und den Prozesskräften abgeleitet. Im Anschluss werden neue und definiert verschlissene Werkzeuge eingesetzt, um Verzahnungen vom Typ FZG-Cmod zu bearbeiten. Sowohl die gefertigten Verzahnungen als auch die bearbeiteten Analogiebauteile werden hinsichtlich der Geometrie, der Oberfläche sowie der Randzoneneigenschaften untersucht. Um die Leistungsfähigkeit der Verzahnungen in Abhängigkeit vom Werkzeugzustand zu bewerten, werden Tragfähigkeitsuntersuchungen an den Verzahnungen vom Typ FZG-Cmod durchgeführt. Zur Validierung und zum Praxistransfer der Erkenntnisse erfolgt die Hartbearbeitung der Großverzahnung in einem Stichversuch.

Insbesondere KMU stehen vor der Herausforderung hohe Bauteilqualitäten wirtschaftlich zu fertigen und die Leistungsfähigkeit der gefertigten Bauteile sicherzustellen. Der Markt für Verzahnungsfertigung in kleinen Stückzahlen ist für KMU interessant. Die aus dem Vorhaben resultierenden Erkenntnisse dienen dem Verständnis des Werkzeugverschleißes sowie der damit einhergehenden Beeinträchtigung der Bauteile hinsichtlich der Flankentragfähigkeit. Auf Grundlage dieser Erkenntnisse wird die Hartbearbeitung durch 5-Achs-Fräsen als flexibles Verfahren zur Herstellung kleiner Losgrößen wirtschaftlich anwendbar.

Ergebniszusammenfassung:

Zur Charakterisierung des kritischen Werkzeugverschleißzustands sind das Auftreten von Ausbrüchen als Abbruchkriterium zu definieren. In den Versuchen konnte bis zu einer Verschleißmarkenbreite von VB = 40 μm prozesssicher und maßhaltig gefertigt werden. Hinsichtlich der Werkzeugstandzeit, welche noch eine akzeptable Randzonenintegrität zur Folge hat, wurde erarbeitet, dass mit entsprechender Werkzeuggeometrie, Substrat, Bearbeitungsparametern und Beschichtung Vorschubwege von mehr als einem Kilometer möglich sind. Die generelle Machbarkeit der Prozessüberwachung des Werkzeugverschleißes im 5-Achsfräsprozess wurde mittels piezoelektrischer Kraftmessung nachgewiesen. Ob sich maschinenintegrierte Sensorik, wie bspw. dehnmessstreifenbasierte oder spindelstrombasierte Systeme zur Verschleißüberwachung eignen, bedarf es weiterer Forschung. Da in den Untersuchungen sehr lange Standwege erreicht wurden, wurde eine maschinenintegrierte Sensorik in diesem Projekt nicht betrachtet. Ein Wechsel des Werkzeugs während der Bearbeitung eines Bauteils hat negative Auswirkungen auf die geometrische Qualität. Selbst wenn das Werkzeug mit hochgenauen Werkzeugeinstellgeräten eingestellt wird und die Geometrie des Werkzeugs genau vermessen wurde, kommt es zu einem Versatz in der Verzahnung.