antriebstechnik 1-2/2016

WÄLZSCHLEIFEN
01 Kontinuierliches Wälzschleifen von Verzahnungen
02 Analyse des Kontaktvolumens zwischen
Schleifschnecke und Werkstück
resultieren kann. Ein Schritt zur Vermeidung der Profilformabweichungen
stellt damit die Berechnung der auftretenden Zerspankräfte
und der Kontaktbedingungen beim kontinuierlichen Wälzschleifen
dar. Zusätzlich wird durch das Zerspankraftmodell das Prozessverständnis
gesteigert, woraus Optimierungspotenziale für die eingesetzten
Werkzeugmaschinen aufgezeigt werden können. Ebenfalls
kann der kraftabhängige Energieeintrag in das Bauteil auf Grundlage
des entwickelten Zerspankraftmodells bestimmt werden, sodass das
Risiko für thermische Randzonenschädigungen beurteilt werden
kann [5].
Daher ist es das Ziel, ein Zerspankraftmodell für das kontinuierliche
Wälzschleifen zu entwickeln. Hierfür wird in vier Schritten
vorgegangen. Zunächst werden die variierenden Kontaktbedingungen
für den Wälzschleifprozess abgebildet. Im Anschluss daran
werden Analogieversuche durchgeführt, um dominante Einflussfaktoren
auf die Zerspankraft und -leistung zu ermitteln. Zusätzlich
werden empirische Parameter bestimmt, auf welchen das Zerspankraftmodell
unter anderem basiert. Darauf aufbauend wird
das Zerspankraftmodell mit dem Kontaktmodell gekoppelt und
anhand von Wälzschleifversuchen abgeglichen. Abschließend wird
das Kraftmodell durch weitere Wälzschleifversuche validiert.
Berechnung der Kontaktverhältnisse
Die Berechnung der lokalen Kontaktverhältnisse für das Wälzschleifen
stellt die Grundlage für die Berechnung der Zerspankräfte
dar. Während der Berechnung der Kontaktverhältnisse werden
nicht nur die Anzahl und Abfolge der Kontaktpunkte berechnet,
sondern auch Kennwerte zur Auswertung der Durchdringungsgeometrie.
Hierzu zählt z. B. die Kontaktdicke sowie das zur Berechnung
der Kräfte notwendige durchdrungene Volumen. Um diese
Rechnungen durchführen zu können, müssen effiziente Algorithmen
gewählt werden, die eine möglichst hohe Auflösung von Werkstück
und Schleifschnecke ermöglichen. Die Ergebnisse sollen in einer
möglichst kurzen Zeit berechnet werden können. Diese Anforderungen
erfüllen numerische Ansätze, wie sie zurzeit in verschiedenen
Modellen, welche am WZL entwickelt wurden, eingesetzt werden
[7], [6], [8]. Aus diesem Grund wurde der in [7], [6], [8] verwendete
Ansatz ausgehend vom Wälzfräsen für das kontinuierliche Wälzschleifen
erweitert.
Das Modell benötigt Eingabedaten zur Beschreibung von
Werkzeug und Werkstück. Basierend auf diesen Daten wird eine
makrogeometrische Oberfläche der Schleifschnecke und des vorverzahnten
Werkstücks erstellt. Zudem werden Prozessdaten, mit
denen sich die Prozesskinematik beschreiben lässt, benötigt.
Schleifwerkzeug und Werkstück werden entsprechend der Prozessdaten
zueinander positioniert und der Zerspanvorgang durch
eine diskret ablaufende Durchdringungsrechnung durchgeführt.
Nach der Berechnung des Schnittes zwischen Werkzeug und
Werkstück kann der Prozess anhand von Kennwerten analysiert
werden. Eine wesentliche Ausgabegröße ist die geschliffene Zahngeometrie
inklusive Vorschubmarkierungen sowie verfahrensbedingten
Abweichungen, wie zum Beispiel Verschränkungen und
gezielt aufgebrachten Modifikationen des Zahnprofiles. Zudem
kann eine ideale Flanke erzeugt werden und mit der geschliffenen
Geometrie verglichen werden, sodass die Abweichungen aus dem
Prozess quantifizierbar werden. Außerdem können die Daten zur
Weiterverarbeitung in Methoden, wie z. B. einer FE-basierten
Zahnkontaktanalyse [9], verwendet werden.
Des Weiteren können die Kontaktgeometrie und die -folge
bestimmt werden. Als Kontaktfolge wird die Anzahl und Abfolge
der Kontaktpunkte zwischen Schleifschnecke und Werkstück
bezeichnet. Aus den berechneten Kontaktgeometrien lassen sich
verschiedene Kenngrößen ableiten, auf die im folgenden Abschnitt
genauer eingegangen wird.
Das Durchdringungsvolumen wird von der Schnittfläche des
Werkzeuges AWZG und des Werkstückes AWST begrenzt. Diese
Flächeninhalte sind mit der entwickelten Methode berechenbar.
Zudem kann die Dicke hk des durchdrungenen Volumens normal
zur Zahnflanke bestimmt werden. Aus der Dicke und dem Flächeninhalt
ist es möglich, das Spanvolumen zu ermitteln. Des
Weiteren kann die Kontaktlänge l k
und die Kontaktbreite b k
für
jedes einzelne Kontaktvolumen berechnet werden. Eine Zusammenfassung
der Auswertemöglichkeiten zeigt Bild 02. Alle Werte
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