antriebstechnik 1-2/2016

WÄLZSCHLEIFEN
05 Validierung des Zerspankraftmodells
anhand einer Geradverzahnung
06 Versuchsaufbau
Aus der Schleifnormalkraft wird die tangential am Schneckenzahn
wirkende Zerspankraft berechnet. Die Richtung der Kraft kann
durch eine Zerlegung der Schnittgeschwindigkeit v c
in verschiedene
Komponenten erfolgen.
Das entwickelte Modell wurde nachfolgend mit Kraftmessungen
aus dem Wälzschleifversuch verglichen. Hierfür wurden Bauteile
verwendet, aus denen der zuvor beschriebene Analogieversuch
abgeleitet wurde. Ein beispielhaftes Ergebnis dieses Vergleiches ist
in Bild 05 dargestellt. Abgebildet ist der Einfluss eines Anstieges der
Vorschubgeschwindigkeit auf die gemessene Kraft (gestrichelte Linie,
gefüllter Marker). Die durchgezogene Linie mit nicht aus gefüllten
Marker zeigt die Ergebnisse des Modells für den untersuchten Verzahnungsfall.
Der Vergleich beider Linien zeigt eine gute Korrelation
[10], [11].
Validierung des entwickelten Modells
Zur Validierung des Modells wurden Wälzschleifversuche durchgeführt,
für welche ein neuartiger Versuchsaufbau realisiert wurde.
Zur Messung der Zerspankräfte wird das Schnittkraftdynamometer
auf der Seite des Werkstücks in den Kraftfluss integriert (Bild 06). In
den vorgestellten Untersuchungen wurde auf den Einsatz eines
Gegenhalters verzichtet, um sämtliche auftretenden Kräfte durch
das Schnittkraftdynamometer zu erfassen.
Auf der linken Seite von Bild 06 ist die realisierte Konstruktion
als virtuelles Modell abgebildet. Rechts ist der Aufbau in der eingesetzten
Werkzeugmaschine dargestellt. Die Versuchsverzahnungen
wurden durch einen, an das Schnittkraftdynamometer
angepassten, hydrodynamischen Spanndorn gespannt. Somit
konnte ein kompakter und steifer Aufbau erzielt werden. Dies ist
wichtig, damit die Zerspankräfte so nah wie möglich an der Zerspanstelle
erfasst werden konnten. Die Kraftmessung erfolgt im
Schnittkraftdynamometer über piezoelektrische Kristalle, die
durch Biegung und Torsion im Zerspanprozess belastet werden.
Mit dem zuvor vorgestellten Versuchsaufbau wurden verschiedene
Versuchsreihen durchgeführt. Im Folgenden werden exemplarische
Ergebnisse für die gerad- und schrägverzahnte Verzahnungsvariante
vorgestellt. Für jeden Versuchspunkt wurden die
Zerspankräfte während der Schleifbearbeitung aufgezeichnet.
Zudem wurden die Zahnräder nach dem Schleifen hinsichtlich
ihrer Profil- und Flankenlinie, Gewicht und Zahnweite geprüft.
Nach dem Schleifvorgang wurden alle Zahnräder per Nitalätzung
auf das Auftreten einer thermischen Gefügeschädigung untersucht.
Bild 07 zeigt im linken oberen Bereich die gemessenen Rohdaten,
welche mit dem Schnittkraftdynamometer in x-, y- und
z-Richtung aufgezeichnet wurden. Die z Komponente der gemessenen
Kraft wirkt in axialer Richtung (hellblau), die x- und y Komponente
in radialer bzw. tangentialer Richtung. Die Beträge der x- und
y Komponente sind, aufgrund des rotierenden Koordinatensystems,
identisch. Beide Signale sind infolge der Werkstückrotation
um 90 ° phasenverschoben. Aus der resultierenden Kraft F res
wurde
die Schnittkraft F c
berechnet. Hierfür wurde der Einfluss des Kühlschmierstoffes
durch weitere Messungen kompensiert.
Die sich hieraus ergebene Kraft kann durch einen Mittelwert F m
sowie Maximalwert F max
charakterisiert werden. Basierend auf F m
wird eine Korrelationsanalyse durchgeführt. Hieraus ergeben sich
folgende Zusammenhänge: Für steigende axiale Vorschubgeschwindigkeiten
v f
und Aufmaße Δs steigen die gemessenen Kräfte F res
kontinuierlich
an. Dieses Verhalten erscheint plausibel, wenn man
zugrunde legt, dass die gemessene Zerspankraft sich proportional
zum zerspanten Volumen verhält. Das zerspante Volumen steigt bei
höheren Vorschubgeschwindigkeiten, da in einer kürzeren Zeit
mehr Material zerspant werden muss. Ebenfalls nimmt das zerspante
Volumen mit steigendem Aufmaß zu.
Der Einfluss der Gangzahl auf die Zerspankräfte ist nicht monoton.
Die gemessenen Kräfte steigen für einen Wechsel der
Schnecke von zwei auf vier Gänge an. Für einen Wechsel von vier
auf sechs Gänge fallen die Kräfte ab. Die Gründe hierfür liegen in
einer Änderung der Kontaktbedingungen, sodass sich mehr oder
weniger Lücken gleichzeitig im Kontakt befinden. Dabei existieren
Kombinationen aus Gangzahl und den übrigen Parametern,
welche eine geringere Kraft zur Folge haben, allerdings auch Varianten,
in denen höhere Kräfte wirken.
Eine gröbere Körnung sowie höhere Schnittgeschwindigkeit
bewirken eine Abnahme der Zerspankräfte. Bei gröberen Körnern
kommt es hauptsächlich zu Schnittvorgängen. Bei feineren Körnern
kommt es einerseits häufiger zu einer Unterschreitung der
minimalen Spanungsdicke, sodass der Anteil von Reib- und Umformvorgängen
steigt. Andererseits ist die Anzahl kinematischer
Schneiden höher. Beide Effekte beeinflussen sich gegenseitig,
allerdings scheint die Unterschreitung der Mindestspanungsdicke
dominanter zu sein. Bei steigender Schnittgeschwindigkeit
sinkt die gemessene Zerspankraft, da in diesem Fall das zerspante
Volumen pro Korneingriff abnimmt.
Die Validierung des Zerspankraftmodells erfolgt in zwei Schritten.
Im ersten Schritt wird die Grundlage zur Berechnung der Zerspankräfte,
die Zahnlückengeometrie, betrachtet. Im Anschluss wird die
Korrelation von Zerspankraftmessung mit dem Zerspankraftmodell
geprüft. Dies geschieht zum einen für die Gesamtheit der Versuche
mit der schrägverzahnten Variante und zum anderen anhand eines
ausgewählten Versuchspunktes, bei dem eine spezifische Kombination
von Fertigungsparametern verwendet wurde.
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