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Optimierung von Verzahnungsqualitäten beim Walzen von Stirnradverzahnungen

 
: Hellfritzsch, U.

Zwickau: Verlag Wissenschaftliche Scripten, 2006, 196 pp.
Zugl.: Chemnitz-Zwickau, TU, Diss., 2005
Berichte aus dem IWU, 32
ISBN: 3-937524-37-1
German
Dissertation
Fraunhofer IWU ()
Umformverfahren; Massivumformung; Kaltwalzen; Querwalzen; Profilwalzen; Verzahnung; Stirnräder; Zahnrad; Verzahnungsqualität; Teilungsgenauigkeit

Abstract
Die Hauptzielstellung der vorliegenden Arbeit beinhaltete die Entwicklung einer Theorie zur systematischen Optimierung von Verzahnungsqualitäten beim Querwalzen von Stirnradverzahnungen sowie deren versuchstechnische Validierung mit Flachbacken- und Rundwerkzeugen. Durch einen durchmesserbezogen teilungsdynamischen Prozessverlauf wurden verbesserte abbildbare Teilungsgenauigkeiten der Umformteile angestrebt. Die qualitätsgerechte Herstellung kalt gewalzter Stirnradverzahnungen erfordert dabei vor allem geometrisch optimal ausgelegte Walzwerkzeuge. Die beim Querwalzen erreichbare Verzahnungsgüte nach DIN 3962 wird maßgeblich von einer abwälzkinematisch präzisen und teilungsexakt ausgelegten Werkzeugkontur bestimmt. Eine an die spezifischen Verzahnungsparameter assimilierte Werkzeugberechnung und -konstruktion ist demnach Grundvoraussetzung für die Realisierung industriell geforderter Verzahnungsqualitäten. Von besonderer Bedeutung ist eine korrekte Werkzeugdimensionierung beim Walzen kritischer Verzahnungen. So wird im Rahmen dieser Arbeit eine präventive Einstufung von Stirnrädern hinsichtlich ihrer konturbestimmenden Parameter und eines daraus ableitbaren qualitätsbezogenen Walzprozesses dargelegt. Aus diesem Grund wurden bei der Festlegung zu walzender Referenzverzahnungen bewusst kritisch einzustufende Stirnräder ausgewählt. Die Theorie des teilungsdynamischen Verzahnungswalzens konnte in umfangreichen Versuchsdurchführungen verifiziert werden. Verfahrensprinzip beim Flachbackenverfahren war eine an die jeweilig abwälzenden Durchmesserteilungsangepasste Auslegung der Werkzeug-Einlaufzone, beim Rundrollenverfahren eine drehzahlgesteuerte Zwangssynchronisation von Rundwerkzeugen und Walzteil. Die vergleichende Betrachtung der Ergebnisse nach teilungsdynamischer Prozessgestaltung und der zeitigem Stand der Technik ergab eine deutliche Verringerung der Teilungsabweichungen unter Berücksichtigung einer eindringabhängigen Konturabbildung durch die Walzwerk zeuge. So lag die Reduzierung der qualitätseinschränkenden Teilungsfehler im Bereich von 20 bis 50%. Die Dimension der qualitativen Optimierungen in Bezug auf die Teilungsabbildung richtete sich dabei nach der Größe der Differenz von Vor dreh durchmesser dv und Wälzkreisdurchmesser dWk des Walzteiles. Die mittels Teilungsdynamik realisierbaren Verbesserungen der Verzahnungsgüten sowie die Darstellung des homogeneren Umformprozesses durch einen gleichmäßigen, unverwirbelten Faser verlauf der abwälzgenau umgeformten Stirnräder, bestätigten die Theorie der beschriebenen Werkzeug- und Verfahrensgestaltung. Noch offen ist die Auswirkung drehzahlgesteuerter Zwangssynchronisation auf die Lebensdauer der Walzwerkzeuge. Die erzwungene Synchronisation der Drehzahlverläufe spricht zunächst für eine erhöhte Biegebelastung der Werkzeugzähne, andererseits garantiert das teilungsgenaue Eindringen im Vergleich zur üblichen freien Mitnahme einen abwälzkinematisch präziseren Walzvorgang. Zudem gestattet das Verfahrensprinzip Synchronlauf eine weniger eng an die Anwalzproblematik gebundene Verfahrensdurchdringung und erhöht somit den Gestaltungsspielraum für die Werkzeugkonstruktion. Die im Rahmen dieser Arbeit beschriebenen Auslegungsvorschläge für einen abwälztheoretisch exakten Walzprozess sind allgemeingültig auf jede zu walzende Soll-Verzahnung zu implementieren und bieten dem Hersteller kaltgewalzter Stirnradverzahnungen eine Arbeitsgrundlage für die walzgerechte Werk zeug- und Verfahrensdimensionierung.
Die zum Teil bereits umgesetzte industrielle Anwendung der dargelegten konstruktiven Lösungsprinzipien verdeutlicht die praktische Relevanz der Arbeitsergebnisse. Der beschriebene Umformprozess so wie eine optimiert an die Verzahnungsparameter angepasste Werkzeugkonstruktion kann dem Verzahnungswalzen perspektivisch das Vordringen in bisher als nicht walzbar geltende Zahnhöhenbereiche eröffnen. Die Erkenntnisse der vorliegen den Arbeit haben unter anderem zum Nachweis der Machbarkeit des Walzens von Hochverzahnungen ins volle Material geführt. Die Verzahnungsqualitäten entsprachen etwa denen abwälzgefräster Getrieberäder, bei allen Vorteilen umformend gefertigter Bauteile.
Auf diese Thematik gilt es sich in den nächsten Jahren zu fokussieren, um Grenzbereiche einer qualitätsgerechten Walzbarkeit von Hochverzahnungen bei industriell relevanten Werkzeugstandmengen zu erarbeiten. Dies würde dem Verzahnungswalzen ein hochinteressantes Produktsortiment sowie neue Absatzmärkte erschließen.

: http://publica.fraunhofer.de/documents/N-48403.html