Projekt

 

Werkzeugmaschinenlabor

Vermeidung von Oberflächendefekten beim Trockenwälzfräsen


In modernen Produktionsprozessen ist die Prozesssicherheit eine der zentralen Eigen-schaften. Für die Erfüllung werden über das gesamte Fertigungslos hinweg Bauteile ge-fordert, die die festgelegten Toleranzen erfüllen. Für Wälzfräsprozesse zur Vorbearbeitung von Stirnrädern ist eine Anforderung das Erzeugen einer Oberflächenqualität der Zahnflanke in den prozessbedingt erzielbaren Grenzen. Bei bestimmten Verzahnungen wird das Auftreten von Oberflächendefekten beobachtet. Unter Oberflächendefekten wer-den alle Abweichungen der Zahnflanke verstanden, die nicht verfahrenskinematische Abweichungen sind. Diese Defekte sind aus verschiedenen Gründen nicht tolerierbar und die Bauteile somit Ausschuss.
Das Ziel des AiF Projekts 16564N ist die Vermeidung dieser Oberflächendefekte beim Trockenwälzfräsen. Um dies zu erreichen, wurde der Stand der Technik aufbereitet und aus der bestehenden Forschungslücke eine Vorgehensweise zur Lösung des Problems abgeleitet. Die Vorgehensweise besteht aus einer Analyse der auftretenden Defekte an Beispielverzahnungen in der industriellen Praxis, einer detaillierten Ursachenanalyse an einem Verzahnungsfall und einer daraus abgeleiteten Modellbildung. Abschließend wurde das Modell einer Validierung unterzogen.
Der Stand der Technik zeigt, dass Oberflächendefekte beim Wälzfräsen bereits in früherer Zeit festgestellt wurden. Eine Aufarbeitung der Ausprägungen sowie detaillierte Ursachenanalyse haben bislang nicht stattgefunden. Zur Überführung von Wissen in die industrielle Praxis ist neben der Kenntnis der Art des Defekts eine Gegenüberstellung mit einstellbaren Prozessparametern notwendig. Dies hat bislang ebenso nicht stattgefunden. Aus dem Stand der Technik konnte auf die grundsätzliche Kenntnis aufgebaut werden, dass das Auftreten der Oberflächendefekte von der Prozessauslegung abhängig ist. Daraus wurde die These abgeleitet, dass definierte geometrisch-kinematisch beschreibbare Prozesszustände die Oberflächendefekte beeinflussen. Die abgeleitete Vorgehensweise zielt daher auf die Untersuchung des Einflusses bestimmter Prozesszustände auf die Ausbildung der Defekte ab.
Die Analyse der auftretenden Defekte wurde an Fertigungslosen in der industriellen Praxis durchgeführt. Es konnten dabei drei verschiedene Defekttypen unterschieden werden. Dies sind abgeleitet vom optischen Eindruck Verschmierungen, Schlieren und Spanaufschweißungen. Aufgrund ihres im Folgenden herausgearbeiteten Entstehenszeitpunkts während der Spanbildung wurden diese als Primär- (Verschmierungen), Sekundär- (Schlieren) und Tertiärdefekte (Spanaufschweißungen) definiert. Primär- und Sekundärdefekte treten regelmäßig beginnend mit dem ersten Werkstück über das ganze Fertigungslos auf. Tertiärdefekte weisen ein stochastisches Auftreten auf. Aufgrund des unsystematischen Auftretens lag der Fokus im weiteren Verlauf der Arbeit auf den Primär- und Sekundärdefekten.
Im Rahmen der Ursachenanalyse wurde eine Prozessparametervariation an einem Bauteil durchgeführt. Dabei wurde zielgerichtet der Einfluss der einzelnen Prozessparameter untersucht, um Ursachen feststellen und ausschließen zu können. Die Prozessparameter lassen sich in die Bereiche Schnittparameter (vc, η, fa), Werkzeugauslegung (ni, z0, αn0) Schnittstrategie (Gleich-/Gegenlauf, Mehrschnittbearbeitung) und Prozessführung (Trocken-/Nassbearbeitung) unterteilen. Den phänomenologischen Begutachtungen des Oberflächenzustands wurden theoretische Analysen des Wälzfräs-prozesses gegenübergestellt. Ergebnis ist, dass maßgeblichen Einfluss auf die Entstehung der Defekte die Spanungsgeometrie, die Wärmeentstehung im Prozess sowie der von Spanfläche und Werkstückflanke eingeschlossene Winkel haben. Die gegenseitige Wechselwirkung einzelner Prozessparameter aufeinander muss dabei vor der Festlegung einer neuen Werkzeug- und Prozessauslegung analysiert werden. Primärdefekte entstehen im Moment der Spanbildung, Sekundärdefekte entstehen nachgeschaltet durch eine Berührung des bereits gebildeten Spans mit der Werkstückflanke. Diese Theorie wurde zusätzlich aufgrund der mangelnden Beobachtungsmöglichkeit der Spanbildung beim Wälzfräsen in Echtzeit mit einer FE-Simulation der Spanbildung untersucht und konnte dabei bestätigt werden.
Im Vorfeld der Modellbildung wurde definiert, dass ein empirisch-analytisches Erklärungsmodell herangezogen werden soll. Dies ist insbesondere erforderlich, da nach den gesammelten Erkenntnissen keine singulär stehenden quantitativen Aussagen zur Vermeidung von Defekten gemacht werden können, sondern das verschiedene Aspekte der Prozessauslegung berücksichtigt werden müssen. Es wurden Erklärungsmodelle zur Entstehung der Primär- und Sekundärdefekte aufgestellt und iterative Vorgehensweisen ausgehend von einem defektbelasteten Bauteil mit Ausgangsprozessparametern zum Erreichen einer defektfreien Auslegung erarbeitet. Es können dabei Prozessauslegungen auftreten, die das Entstehen eines Defekts begünstigen und die Vermeidung des anderen zur Folge haben. Für Sekundärdefekte konnte ein Kennwert zur Prozessbeschreibung auf Basis der Spanasymmetrie erarbeitet werden.
Die aufgestellten Modellvorstellungen wurden auftretenden Defekten bei zwei weiteren Verzahnungsfällen gegenübergestellt. Die Verzahnungsfälle haben verschiedene geometrische Eigenschaften hinsichtlich Schrägungswinkel, Verzahnungsbreite, Zähnezahl, Modul und Zahnhöhe. Dies diente der Erzielung einer besseren Übertragbarkeit des Modells. Im Rahmen der Validierung konnten die Defektentstehungsmechanismen bestätigt werden, sodass die festgestellten Ursachen und Erklärungsmodelle zur Defektentstehung auch bei anderen Verzahnungsauslegungen genutzt werden können. Neben der ausschließlichen Validierung wurde die praktische Umsetzbarkeit der Maßnahmen zur Defektvermeidung diskutiert. Alle Maßnahmen sind in der industriellen Praxis einsetzbar, jedoch ist mit einer Beeinträchtigung der Wirtschaftlichkeit zu rechnen.