Analysieren erspart das Probieren

Simulationsprogramm ermöglicht die Berechnung von Spanungsgeometrien und Kenngrößen beim Wälzfräsen. In allen Bereichen der Wirtschaft wird eine stetige Produktivitätssteigerung der Prozesse...

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Simulationsprogramm ermöglicht die Berechnung von Spanungsgeometrien und Kenngrößen beim WälzfräsenIn allen Bereichen der Wirtschaft wird eine stetige Produktivitätssteigerung der Prozesse gefordert. Neben gesteigerten Schnittwerten müssen aber auch wirtschaftliche Werkzeugstandzeiten prozesssicher erzielt werden. Hierfür ist ein kontrolliertes Verschleißverhalten der Werkzeuge zwingend erforderlich. Diese Tendenz lässt sich auf die Zahnradfertigung und hier insbesondere das Vorverzahnen übertragen. Dabei nimmt das Wälzfräsen aufgrund der komplizierten Werkzeuggeometrie, der komplexen Prozesskinematik und der verfahrenstypischen Schneidenbelastungen eine Sonderstellung ein.Verschleißverhalten ist unbefriedigendInsbesondere beim Einsatz von Hartmetall-Wälzfräsern ist das Verschleißverhalten der Werkzeuge derzeit häufig noch unbefriedigend. Daher müssen neben Zerspanversuchen, beispielsweise zur Verbesserung der Substrat/Schicht-Systeme, vor allem neue Möglichkeiten zur besseren Charakterisierung des Wälzfräsprozesses geschaffen werden. Wichtig sind dabei Kenntnisse über den Einfluss von Werkzeug- und Werkstückgeometrie auf das Verschleißverhalten der Wälzfräser. Zielsetzung muss es sein, verbesserte Auslegungskriterien für einen verschleißgünstigeren Einsatz der Wälzfräser bereitzustellen.Um es den Werkzeug-, Maschinen- und Getriebeherstellern zu ermöglichen, die Werkzeugbeanspruchung in Abhängigkeit der Wälzfräser- und Werkstückgeometrie sowie der Maschineneinstellgrößen besser abschätzen zu können, wurde das Simulationsprogramm Sparta entwickelt.Um das Verschleißverhalten eines Wälzfräsers charakterisieren zu können, müssen die Schneidkeilbelastungen und somit die auftretenden Spanungsgeometrien ermittelt werden. Daher wurde am WZL ein Simulationsprogramm entwickelt, das eine detaillierte Berechnung der Spanungsgeometrien beim Wälzfräsen ermöglicht. Ziel der Entwicklung war es, Korrelationen zwischen den Spanungsgeometrien beziehungsweise den daraus ermittelten Kenngrößen und den Verschleißformen beim Wälzfräsen aufzeigen zu können.Sparta ermittelt die Spanungsgeometrien beim Wälzfräsen durch eine Simulation des Fertigungsprozesses. Das Programm nutzt die Methode der Durchdringungsrechnung, die am WZL bereits in mehreren Programmen zur Verzahnungsberechnung und -simulation eingesetzt wird. Hierbei werden die Werkstückgeometrie, das Werkzeug oder die Werkzeugschneiden und die Maschinenkinematik beim Wälzfräsen betrachtet. Die Maschinenkinematik wird in Form einer Verkettung von Koordinatensystemen, die die Maschinenachsen abbilden, dargestellt und durch eine Transformationsmatrix mathematisch beschrieben.Dadurch werden die Fräserschneiden entlang ihrer Raumkurven bewegt und erzeugen eine zugehörige Schneidenspur, die das Werkstück im Bereich der zu erzeugenden Zahnlücken durchdringt. Aus dieser Durchdringung von Werkstück und Werkzeug wird der Abtrag im Werkstück ermittelt. Der Abtragsbereich wird aus dem Werkstück entfernt, ausgewertet und ausgegeben. In jedem Simulationsschritt wird so, wie im realen Prozess, Span für Span abgetragen, bis die Zahnlücke fertig gestellt ist.Die errechneten Spanungsgeometrien werden als Spanungsdicken entlang des Schnittbogens für jedes Schneidensegment des Fräserzahns ermittelt und ggf. abgespeichert. Diese Grunddaten liefern die Basis für die nachfolgende Berechnung der den Wälzfräsprozess charakterisierenden Kenngrößen. Hierzu gehören die maximalen und mittleren Spanungsdicken, die maximalen und aufsummierten Schnittbogenlängen und die Anzahl der Schnitte je Schneidensegment. Die Kenngrößen können abgespeichert und dann mit handelsüblichen Programmen wie Microsoft Excel graphisch aufbereitet werden.Effektiver Freiwinkel wird berechnetExemplarisch ist in Bild 1 die Verteilung der Spanungsdicke über der Schneidkante für zwei unterschiedliche Fräserzahnprofile dargestellt. Für die einlaufende (EF) und auslaufende Flanke (AF) wurden die Bereiche der Protuberanz und des Kopfkantenbrechers angedeutet. Es ist ersichtlich, dass sowohl für die maximalen als auch für die mittleren Spanungsdicken (hcu max beziehungsweise hcu min) die Kurven im Bereich der Flanken quasi identisch sind. Bei geringeren Rundungsradien treten jedoch an den Zahnkopfecken höhere Spanungsdicken auf, die diese Schneidensegmente höher belasten und somit verschleißanfälliger machen.Weiterhin errechnet Sparta die effektiven Freiwinkel beim Wälzfräsen. Diese ergeben sich aus der Addition der konstruktiven, durch die Form des Fräserzahns vorgegebenen, und der kinematischen, durch die Relativbewegung zwischen Werkstück und Fräserschneide auftretenden, Freiwinkel. Das Programm berücksichtigt dabei, ob zum kritischen Zeitpunkt das jeweilige Schneidensegment auch im Eingriff ist.Die minimalen effektiven Freiwinkel für die Variante mit vollausgerundetem Zahnkopf (raP0 = 1,2 mm) werden in Bild 2 gezeigt. Es wird deutlich, dass die größten Freiwinkel am Zahnkopf und am Kopfkantenbrecher vorliegen. Aufgrund des geringeren Profilwinkels der Protuberanz sinken die minimalen Freiwinkel auf wfw min ® 2°. Durch die größere Reibung zwischen Werkzeug und Werkstück ist hier verstärkt mit Verschleiß zu rechnen.Die errechneten Spanungsgeometrien können auch direkt analysiert werden. Dies kann während der Simulation am Bildschirm erfolgen oder durch die Generierung entsprechender Dateien in diversen Grafikformaten. Eine besonders übersichtliche 3D-Darstellung ermöglicht beispielsweise MS Excel (Bild 3). Anschaulich ist hier die komplexe Form der entstehenden Spanungsgeometrien beim Wälzfräsen.In Anbetracht der Komplexität und des Berechnungsumfangs arbeitet das Programm Sparta sehr schnell. Der Zeitumfang einer vollständigen Simulation bei adäquater Auflösung liegt auf handelsüblichen Rechnern derzeit im Bereich einiger Minuten.Die Möglichkeiten von Sparta sollen an einem Beispiel exemplarisch erläutert werden. Bei dem betrachteten Verzahnungsfall wurde ein zweigängiger HM-Wälzfräser eingesetzt. Aus Zeitgründen wurde der Wälzfräser nicht geshiftet, so dass bereits nach 20 Werkstücken zahlreiche Schneidkantenausbrüche auftraten. Die Verschleißverteilung an den einzelnen Fräserzähnen (Wälzstellungen) zeigt Bild 4.Die Spanbildung beginnt im kritischen BereichDie Ausbrüche traten an der Zahnkopfrundung auf der einlaufenden Seite auf. Die Ausbildung deutet auf eine mechanische Überlastung hin. Die größten Ausbrüche finden sich in den Wälzstellungen 9 bis 11, weshalb die Wälzstellung 10 simulationstechnisch näher untersucht wurde (Bild 5).Das Bild zeigt, dass die Spanbildung im kritischen Bereich (K/EF) beginnt und die Spanungsdicke in Schnittrichtung schnell ansteigt. Im weiteren Schnittverlauf setzt dann am gesamten Zahnkopf schlagartig die Spanbildung ein. Die Spanungsdicke steigt dabei steil bis auf etwa hcu = 0,12 mm an. Der Gradient und somit die Schlagbelastung der Schneidkanten ist somit sehr hoch.Nachteilig ist hier, dass im kritischen Bereich der Zahnkopfrundung bereits zuvor eine Spanbildung stattgefunden hat, wodurch vermutlich der Spanablauf des späteren Kopfspans durch vorhandenes Spanmaterial zusätzlich behindert wird. Dadurch steigen die Zerspankräfte punktuell deutlich an, was zu einem frühzeitigen Versagen des betrachteten Schneidkantensegmentes führt.Durch die Simulationsrechnungen mit Sparta, zum Beispiel zur Variation der Werkzeuggeometrie, könnten daraufhin Ansatzpunkte zur Vermeidung dieser ungünstigen Spanungsgeometrien ermittelt werden.