Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Wälzfräsen im Schrupp- und Schlichtschnitt zum Weichverzahnen mit höchsten Oberflächengüten

In der Verzahnungsfertigung stellt das Wälzfräsen eine sowohl produktive als auch flexible Möglichkeit der Zahnradbearbeitung mit definierter Schneide dar. Es wird sowohl als Vorverzahnverfahren (Wälzfräsen) mit nachfolgenden Bearbeitungsschritten als auch als Weichfeinbearbeitungsverfahren (Fertigwälzfräsen) zur finalen Erzeugung der Verzahnungsgeometrie eingesetzt. Während für das Wälzfräsen heute in der Regel eine Einschnittbearbeitung eingesetzt wird, folgt beim Fertigwälzfräsen ein zusätzlicher Schlichtschnitt. Das Fertigwälzfräsen hat bei den Fertigbearbeitungsverfahren im weichen Zustand das Weichschaben weitestgehend verdrängt, da es besonders ökonomisch und ökologisch vorteilhaft ist. Der ökonomische Vorteil liegt in der Möglichkeit, die gesamte Verzahnung auf einer Maschine in einer Aufspannung sowohl „vor“ als auch „fertig“ zu bearbeiten. Somit können aufwendige Rüst-, Transport- und Lagervorgänge sowie weitere Maschinen eingespart werden. Einen ökologischen Vorteil bietet das Fertigwälzfräsen bei Einsatz einer Trockenbearbeitung und dadurch einer vollständig kühlschmierstofffreien Prozesskette. Aufgrund seiner genannten Vorteile ist das Verfahren insbesondere für KMU interessant. Bislang wurde das Fertigwälzfräsen von Einsatzstahl mit einem Kombinationswerkzeug (separater Schrupp- und Schlichtbereich) untersucht. Aufgrund der niedrigeren Werkzeugkosten werden bei KMU jedoch bevorzugt konventionelle Werkzeuge mit nicht getrenntem Schrupp- und Schlichtprofilen eingesetzt. Um für KMUs das Potenzial des Fertigwälzfräsens mit konventionellen Werkzeugen zukommen zu lassen, sind systematische Untersuchungen zur Zweischnittbearbeitung mit diesen Werkzeugsystemen erforderlich.

Der potenzielle Nutzerkreis der geplanten Optimierungsmethodik für das Wälzfräsen mit konventionellen Wälzfräsern in zwei Schritten wird daher als durchaus groß eingestuft. Da das Vorhaben auf die Steigerung des Prozessverständnisses abzielt und keine maschinen- und / oder werkzeugspezifischen Neuentwicklungen geplant sind, sind keine nennenswerten Investitionen zur Nutzung der Projektergebnisse durch KMU erforderlich.

Ergebniszusammenfassung:

Der Einfluss von Schnittgeschwindigkeit, Vorschubkombination, Schlichtaufmaß, Bearbeitungsrichtung im Schlichtschnitt sowie der Bearbeitungsstrategie (Aufteilung von Schrupp- und Schlichtbereich) wurde systematisch in Schlagzahnversuchen untersucht. Erwartungsgemäß wurde mit zunehmender Schnittgeschwindigkeit eine Abnahme der Standlänge beobachtet. Die Wahl eines hohen Vorschubs führte in den hier untersuchten Fällen zu den höchsten und ein kleiner Vorschub zu den niedrigsten Standlängen. Ein hohes Schlichtaufmaß resultierte in einer Abnahme der Standlänge und erhöhtem Werkzeugverschleiß. Die Verwendung einer Zweischnittstrategie zur Aufteilung der Werkzeuglast auf zwei Schnitte ist folglich kontraproduktiv und nicht zu empfehlen. Bei einer Gegenüberstellung einer Gleich- bzw. Gegenlaufbearbeitung im Schlichtschnitt wurden im Hinblick auf den Werkzeugverschleiß keine eindeutigen Unterschiede im Werkzeugverschleiß oder der erreichten Standlänge festgestellt. Ein signifikanter Unterschied war das reproduzierbare Auftreten von Spanaufschweißungen bei einer Schlichtbearbeitung im Gegenlauf. Eine Bearbeitung mit getrenntem Schrupp- und Schlichtbereich führte größtenteils zu höheren Standlängen als bei einer Bearbeitung mit gleichem Bereich. Hierbei war der Standlängengewinn im Schruppschnitt am deutlichsten. Eine Bearbeitung mit getrenntem Schrupp- und Schlichtbereich führt allerdings zu Produktivitätsverlust aufgrund von einer zusätzlichen Shiftbewegung des Wälzfräsers zwischen den Schnitten. Neben der Bearbeitung von konventionellem 20MnCr5 Einsatzstahl wurden ebenfalls Untersuchungen an einem hochfestem 42CrMo4 Vergütungsstahl durchgeführt. Eine Bearbeitung von Vergütungsstahl führte zu erhöhtem Werkzeugverschleiß trotz reduzierter Prozessparameter. Alle zuvor genannten Einflussgrößen wurden sowohl für eine Bearbeitung mit Hartmetall K30 als auch mit PM-HSS S390 untersucht. Ausgewählte Versuchspunkte wurden ebenfalls mit dem Schneidstoff MC90 Intermet durchgeführt.