Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Untersuchung des Wälzfräsens von Verzahnungen mit asymmetrischen Profilen

Das Lauf- und Tragfähigkeitsverhalten von Stirnrädern wird entscheidend durch die anwendungsgerechte Auslegung der Makrogeometrie beeinflusst. Durch unterschiedliche Eingriffswinkel von Zug- und Druckflanke, asymmetrische Auslegung, können Eigenschaften der Verzahnungen erzielt werden, die gegenüber symmetrisch gestalteten Zahnprofilen mit gleichen Eingriffswinkeln ein großes Potenzial zur Steigerung der Belastbarkeit und Laufruhe haben. Derzeit werden Wälzfräsprozesse für asymmetrische Zahnlückengeometrien auf iterative Weise ausgelegt, ohne dass Kenntnisse über die vorherrschenden Belastungszustände im Prozess existieren. Die Herausforderungen beim Wälzfräsen dieser Verzahnungen liegen in den besonderen Zerspanbedingungen in Abhängigkeit von der Werkzeug- und Prozessauslegung, die einen deutlichen Einfluss auf die Zerspankenngrößen haben. Eine Prozessauslegung zum Wälzfräsen von Verzahnungen mit asymmetrischen Profilen in Abhängigkeit von der Profilausführung kann heute nicht gegeben werden.

Das Ziel des Forschungsvorhabens ist folglich die Entwicklung einer Fertigungsrichtlinie zum Wälzfräsen von Verzahnungen mit asymmetrischen Profilen. Die Richtlinie erlaubt eine Optimierung der Wirtschaftlichkeit des Wälzfräsprozesses in Hinblick auf eine erhöhte Werkzeugstandzeit sowie die erzielbare Bauteilqualität bei der Bearbeitung mit unterschiedlichen Eingriffswinkeln an ein- und auslaufender Flanke.

Teilziele:

- Detektion kritischer Auslegungen mittels simulativer Prozessanalyse

- Vorbereitung und Analyse der Versuchswerkzeuge

- Nachweis kritischer Prozessauslegungen im Schlagzahnprozess

- Übertragung der Erkenntnisse auf den Wälzfräsprozess

Verzahnungen mit asymmetrischen Profilen kommen dort zum Einsatz, wo eine Vorzugsdrehrichtung herrscht, was neben Automobilgetrieben auch bei Stell- und Sondergetrieben der Fall ist. Gerade im Bereich dieser Anwendungen sind KMU sowie Zulieferer als Hidden Champions mit ihrer Fertigung im Markt involviert.

Ergebniszusammenfassung:

Im Rahmen des Forschungsvorhabens wurde der Einfluss asymmetrischer Werkzeugprofilwinkel auf die Verschleißentwicklung bei der Zahnradfertigung untersucht. Dazu wurden in einem ersten Schritt die zu untersuchende Werkzeug- und Werkstückgeometrie definiert und ein Versuchsplan für Analogieversuche entworfen. Eine initial durchgeführte simulative Untersuchung der verschiedenen Werkzeugprofile wies bereits Unterschiede bezüglich der charakteristischen Prozesskennwerte auf. Um den isolierten Einfluss asymmetrischer Profilwinkel auf das Verschleißverhalten zu untersuchen, wurde eine Versuchsplan definiert deren jeweilige Varianten über einen konstanten Kopfrundungsradius verfügen. Neben vier asymmetrischen Varianten wurde eine symmetrische Referenzvariante und eine weitere symmetrische Variante untersucht. Zusätzlich wurden zwei weitere Werkzeugprofile mit einer Protuberanz ausgelegt, um den Einfluss der Protuberanz ebenfalls zu dokumentieren. Bei einer Variation des Vorschubs konnten bei geringen Vorschüben lediglich geringe Einflüsse asymmetrischer Profilwinkel auf das Verschleißverhalten identifiziert werden. Bei einem erhöhten Vorschub traten Unterschiede zwischen den Varianten zum Vorschein. Varianten mit einem kleinen Eingriffswinkel auf der einlaufenden Flankenseite wiesen eine deutlich erhöhte Standlänge auf. Im Gegensatz dazu erzielten Varianten mit einem großen Eingriffswinkel auf der einlaufenden Flankenseite eine deutlich verkürzte Standlänge. Als potenziellen Treiber der Verschleißentstehung konnte unter anderem eine Reduzierung des effektiven Freiwinkels in Kombination mit einem lokalen Maximum der Anzahl an Schnitten identifiziert werden. Basierend auf den Ergebnissen der Analogieversuche wurde eine Fertigungsrichtlinie erstellt, die eine potenzielle Einschätzung der zu fertigenden Verzahnung und somit eine Optimierung des Prozesses bietet. Neben einer Optimierung des Prozesses besteht zusätzlich die Möglichkeit einer Steigerung der Wirtschaftlichkeit.