Optimierung des Wälzschälverfahrens durch Modellierung der Kinematik und der Spanbildung mittels FE-Simulation
Final Report Abstract
Ziel des Vorhabens war es, das Wälzschälen hinsichtlich der kinematischen Verhältnisse im Prozess und der Mechanismen der Bildung des verfahrensspezifischen Dreiflankenspans grundlegend wissenschaftlich zu durchdringen. Damit sollte bisher fehlendes grundlegendes Prozesswissen aufgebaut und so die Basis für die Prozessbeherrschung zur Verfügung gestellt werden. Aus den Erkenntnissen sollen Kriterien hinsichtlich der Werkzeug- und Prozessauslegung sowie der Prozessparameter ableitbar gemacht werden, die die Optimierung der Prozesssicherheit beim Wälzschälen ermöglichen. Zur Erreichung der Zielsetzung sollten hierzu 3D-FEM Simulationsmodelle der Kinematik und der Spanbildung mit der Simulationssoftware Abaqus aufgebaut werden, um so die Analyse des Verfahren zu ermöglichen. Als Basis für den Modellaufbau und zur Validierung der Ergebnisse wurden zunächst umfangreiche experimentelle Arbeiten zum Wälzschälen in der Weichbearbeitung durchgeführt. Neben den dabei gewonnenen Erkenntnissen zum Verhalten des Prozesses, wie den Kraft-, Bauteilund Spantemperaturverläufen bei Variation verschiedener Prozessparameter wurden insbesondere durch eine erstmals durchgeführte systematische Untersuchung der für das Wälzschälverfahren charakteristischen Dreiflankenspäne in den Realversuchen eine breite Wissensbasis zum grundlegenden Verständnis des Prozesses generiert. Dabei wurden allgemein folgende Erkenntnisse gewonnen: - Zerspankraft steigt moderat bei zunehmendem Axialvorschub - Zerspankraft bleibt konstant bei zunehmender Schnittgeschwindigkeit - Zerspankraft steigt deutlich bei Verlagerung der Schnittanteile auf den zweiten Schnitt - Bauteiltemperatur bleibt konstant bei zunehmendem Axialvorschub - Bauteiltemperatur sinkt moderat bei zunehmender Schnittgeschwindigkeit - Spantemperatur steigt an bei zunehmendem Axialvorschub und zunehmender Drehzahl. Der Modellierung des Materialverhaltens bei hohen Verformungsgeschwindigkeiten, der Kopplung der mechanischen und der thermischen Vorgänge und der Implementierung eines Trennkriteriums kommt für die Spanbildungssimulation eine entscheidende Bedeutung zu. In umfangreichen materialkundlichen Experimenten wurde das Verhalten des Versuchswerkstoffes 20MnCr5 im normalisierten Zustand bestimmt. Des Weiteren wurde eine Abschätzung des Reibkoeffizienten für die Werkstoffpaarung 20MnCr5/Hartmetall vorgenommen. Die Modellierung des Materialverhaltens erfolgte in Form der User Subroutine VUHARD für Abaqus/Explicit. Bei der Modellierung des Erzeugungsgetriebes, der Prozesskinematik und der Bewegungsabläufe des Wälzschälverfahrens musste eine geeignete Abbildung über den vollständigen Schneideneingriff realisiert werden. Nur die dreidimensionale realitätsnahe Betrachtung ist geeignet, die verfahrensspezifische Kinematik und die charakteristischen Spanbildungsmechanismen abzubilden und deren Untersuchung zu erlauben. Eine abstrahierte Analogiebewegung oder eine reduzierte 2D Betrachtung stellte sich als nicht ausreichend dar. Hierzu wurde die Schneiden- und Werkstückbewegung analysiert und in eine Ersatzbewegung überführt, bei der sämtliche Bewegungskomponenten des Realprozesses der Schneide zugeordnet und in Abaqus anhand von periodischen Rotations- und Verschiebungsdefinitionen realisiert wurden. Für die Durchführung der Kinematiksimulationsstudien wurde ein modifiziertes Werkstoffmodell für das Verhalten des Werkstückmaterials verwendet. Der bei einem Kontakt zwischen Werkstück und Werkzeug auftretende Spanungsanstieg im Werkstück wird dabei zur Initiierung der Elementlöschung verwendet. Durch das Entfernen von Elementen bei Überschneidungen von Werkzeug und Werkstück ist es möglich, die Verzahnungsgeometrie, die durch die Kinematik des Prozesses festgelegt ist, realitätsnah auf das Werkstück zu übertragen und die vorgesehenen Untersuchungen durchzuführen. Für die Durchführung der Simulationsstudien zur Untersuchung der Spanbildungsmechanismen wurde das gemäß der obigen Beschreibung aufgebaute Modell mit feiner Vernetzung und unter Verwendung des Materialmodells mit realem Materialverhalten verwendet. Es konnte gezeigt werden, dass die FEM eine leistungsfähige und vielseitige Möglichkeit zur Untersuchung des Wälzschälverfahrens darstellt und als ein mit konventionellen Methoden nicht verfügbares Werkzeug zur Erhöhung des grundlegenden Prozessverständnisses und damit als eine wichtige Möglichkeit zur nachhaltigen Optimierung des Wälzschälverfahrens angesehen werden kann. Die Analyse des Verfahrens mit Hilfe der Simulation ist insbesondere auch daher nützlich, weil sie allgemeingültige Erkenntnisse zum Prozess liefert und für eine Werkzeug- und Prozessauslegung gänzlich neuer Bauteile eingesetzt werden kann. Zukünftige Rechnergenerationen mit steigender Leistungsfähigkeit werden umso mehr die Möglichkeiten einer wirtschaftlich erheblich günstigeren Untersuchung des Prozesses bieten. Die FEM erlaubt dabei die detaillierte Betrachtung der kinematischen Verhältnisse und der Mechanismen der Spanbildung, und macht umfangreiche Informationen zu den Prozesszuständen, wie beispielsweise Spanablaufbehinderungen zugänglich. Anhand der Analyse der im Rahmen des Forschungsvorhabens durchgeführten Simulationsstudien konnten die Mechanismen der Spanbildung erklärt werden, die anhand der bisher rein theoretischen und experimentellen Untersuchungsmöglichkeiten nur unvollständig und widersprüchlich beschrieben werden konnten. Die Analyse und Modellierung der komplexen Schneidenbewegungsbahn beim Eingriff in das Werkstückmaterial und dabei die Einflüsse der Prozessparameter auf die Werkzeugzahnbelastung dienen als wichtige Unterstützung bei der Auslegung des Prozesses. So wurde beispielsweise die Beschreibung der Wirkung einer Profilverschiebung im Werkzeug auf den Prozess und die Schneidenbelastung ermöglicht. Die Erkenntnisse zu den tatsächlichen Belastungszuständen an der Werkzeugschneide stellen eine wertvolle Unterstützung bei der Auswahl oder Entwicklung geeigneter Schneidstoff- Beschichtungskombinationen für die Wälzschälbearbeitung dar. Die erarbeiteten Befunde gehen weit über die bisherigen Ergebnisse aus Vorgängerarbeiten hinaus. Hierbei wurden erstmals systematische Variationsläufe der Prozessparameter Drehzahl und Axialvorschub durchgeführt und die Einflüsse auf die Bauteiltemperatur, Spantemperatur und Prozesskräfte untersucht. Die experimentelle Untersuchung und systematische Charakterisierung der sich beim Wälzschälen ergebenden Mehrflankenspäne stellen einen weiteren Erkenntnisgewinn zum grundlegenden Prozessverständnis dar. In künftigen Arbeiten können die im Rahmen dieser Forschungsarbeit erstellten Simulationsmodelle für weitergehende Untersuchungen verwendet werden. Die Modelle des Materialverhaltens von 20MnCr5 können für 2D- und 3D-Spanbildungssimulationen herangezogen werden. Die entwickelte Materialroutine ist dabei für den expliziten Rechnungsalgorithmus einsetzbar. Die Modelle zur Verfahrenskinematik des Wälzschälens und die Spanbildungsmodelle stellen die Grundlage für weitere Parametervariationsstudien dar. Bei der gewählten Vorgehensweise konnte sichergestellt werden, dass die Modelle zur Anwendung in der Werkzeug- und Prozessauslegung neuer Bauteile einfach modifiziert und an neue Werkstück-Werkzeugkombinationen angepasst werden können.
Publications
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3D-FEM Modeling of Gear Skiving to Investigate Kinematics and Chip Formation Mechanisms. 13th CIRP Conference on Modeling of Machining Operations (CIRP CMMO), 12.-13.05.2011, Sintra, Portugal, Verlag Trans Tech Publications, Herausgeber/Veranstalter J.C. Outeiro, Band , Modelling of Machining Operations - Proceedings of the 13th CIRP Conference on Modelling of Machining Operations, Switzerland, S. 46-55, 2011
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