Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Auslegung von Wälzfräsprozessen bei variablem Anschnitt

Zur Weichbearbeitung von Stirnradverzahnungen wird vorrangig das Wälzfräsverfahren eingesetzt. In der industriellen Praxis wird meist die Verfahrensvariante Axial-Wälzfräsen eingesetzt. Das Werkzeug wird parallel zur Werkstückmittelachse bewegt, um die gesamte Verzahnungsbreite zu bearbeiten. Das Werkzeug durchläuft zuerst den Anschnitt, der definiert ist als der Schnittweg bis zum Beginn der Profilierung der zu erzeugenden Zahnlücke. In diesem Bereich wird der Werkstoff zerspant, ohne die finale Werkstückgeometrie zu erzeugen. Im folgenden Vollschnittbereich und dem Austritt wird die Zahnlücke abschließend profiliert. Der übliche axiale Anschnitt benötigt entsprechend des Werkzeugdurchmessers Raum in Achsrichtung der Verzahnung. Eine Möglichkeit, den benötigen Raum zu reduzieren, besteht in einem schrägen oder radialen Anschnitt. Untersuchungen zu der Auswirkung unterschiedlicher Anschnittstrategien auf Werkzeugstandzeit und Prozesszeit wurden bisher nicht durchgeführt. Die Auslegung des Anschnitts basiert in der Praxis auf Erfahrungswissen. Das Ziel des Vorhabens sind Kenngrößen zur Auslegung des Anschnitts im Wälzfräsprozess von Verzahnungen. Dazu werden unterschiedliche Anschnittwinkel unter Variation von Vorschub- und der Schnittgeschwindigkeitswert experimentell untersucht und in einer Auslegungsrichtlinie zusammengeführt. Das Vorgehen in diesem Forschungsvorhaben gliedert sich in sechs Arbeitspakete. Das erste Arbeitspaket legt mit den theoretischen Untersuchungen die Grundlage für die Variationsgrößen der Zerspanversuche in den nachfolgenden Arbeitspaketen zwei und drei. In Arbeitspaket vier erfolgt die Modellbildung. Dieses Modell wird in dem Arbeitspaket fünf im Zuge eines Industrieversuches validiert. Begleitet werden alle Tätigkeiten durch das Arbeitspaket sechs, einer vollständigen Ergebnisdokumentation.

Ergebniszusammenfassung:

In dem Forschungsvorhaben wurde eine Berechnungsmethode zur Bestimmung der Bahnkurven für Anschnittwege unter beliebigem Anschnittwinkel ϕ hergeleitet. Die Methode wurde in das Kinematikmodul der Fertigungssimulation SPARTAPRO integriert und mit dem Durchdringungsalgorithmus verknüpft. Die erweiterte Simulation erlaubt dem Anwender erstmalig die automatisierte Ermittlung von prozesscharakteristischen Spanungskenngrößen für das Wälzfräsen mit Anschnittwinkel ϕ > 0°.

Mit Hilfe der Simulation wurde der Einfluss des Anschnittwinkels ϕ auf die Spanungskenngrößen und die damit verbundene Werkzeugbelastung für unterschiedliche Auslegungsstrategien analysiert. Unter Berücksichtigung von 20.000 automatisiert durchgeführten Simulationen wurde eine Regressionsanalyse durchgeführt und ein mathematischer Zusammenhang zur Beschreibung der maximalen Spanungsdicke hcu,max als Funktion des Anschnittwinkels ϕ und signifikanter Verzahnungs-, Werkzeug- und Prozessparametern durchgeführt. Ein Umstellen der Gleichung nach dem Bahnvorschub fb erlaubt dem Anwender eine kennwertbasierte Auslegung des Anschnitts anhand der maximalen Spanungsdicke hcu,max ohne die Verwendung von Simulationsprogrammen. Insbesondere KMU ohne Zugang zu Simulationsprogrammen profitieren von dieser Regressionsformel.

In Schlagzahnversuchen konnten signifikante Spanungskennwerte zur wissensbasierten Auslegung des Anschnitts beim Wälzfräsen identifiziert werden. Basierend auf den Ergebnissen wurde ein empirisches Modell für eine standlängenbasierte Prozessauslegung beim Wälzfräsen hergeleitet. Die gewonnenen Erkenntnisse konnten im industriellen Serienversuch verifiziert werden. Eine Zwei-Schnitt-Strategie konnte durch eine kennwertbasierte Auslegung des Anschnitts durch eine Ein-Schnitt-Strategie mit radialem Eintauchen substituiert werden.