Analyse der Werkzeugbelastungen beim Zahnradschaben

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1 Von der Fakultät für Maschinenwesen der Rheinisch-Westfälischen Technischen Hochschule Aachen zur Erlangung des akademischen Grades eines Doktors der Ingenieurwissenschaften genehmigte Dissertation vorgelegt von Dipl.-Ing. Kai Tobias Sebastian Schröder aus Frankfurt am Main Berichter: Univ.-Prof. Dr.-Ing. Dr.-Ing. E.h. Fritz Klocke Univ.-Prof. Dr.-Ing. Christian Brecher Univ.-Prof. Dr.-Ing. Jürgen Fleischer Tag der mündlichen Prüfung: 23. Mai 2006

2 Inhaltsverzeichnis Analysis ofthe Loads on the Tool in Gear Shaving 0 Formelzeichen, Abkürzungen und Einheiten V 1 Einleitung 1 2 Stand der Technik Prozessketten zur Herstellung von Zahnrädern Das Zahnradschaben Prinzip Verfahrensvarianten Parallelschaben Underpassschaben (Querschaben) Diagonalschaben Tauchschaben Spanbildung und technologische Besonderheiten Industrielle Verbreitung des Schabprozesses 14 3 Zielsetzung und Aufgabenstellung 18 4 Analyse der Kontaktverhältnisse und Schnittgeometrien Kontaktverhältnisse beim Schaben Gleitgeschwindigkeiten in Flankenlinienrichtung Gleitgeschwindigkeiten in Profilrichtung Gleitgeschwindigkeitsprofil bei Schraub-Wälzgetrieben Simulation des Schabprozesses auf Basis der Durchringungsrechnung Durchdringungsrechnung Simulationsmodell Verifikation der Simulation Schnittgeometrien in Abhängigkeit von den Technologieparametern Axialvorschub Tauchvorschub Achskreuzwinkel Optimierung der Schnittgeometrien Bestimmung der Werkzeugbelastungen ' Simulation des Schabprozesses auf Basis der FEM Geometrisches Modell Werkstoffmodell Werkzeugbelastungen in Abhängigkeit von den Technologieparametern 46

3 Schnittgeschwindigkeit Tauch Vorschub Axialvorschub Achskreuzwinkel Werkzeugbelastungen in Abhängigkeit von der Schneidkantengeometrie Verschleißuntersuchungen im Analogieprozess zum Schaben Beschreibung des Analogieprozesses Verifikation des Analogieprozesses Einfluss des Werkzeugverschleißes auf die Spanbildung im Analogieprozess Analyse des Verschleißes am Analogiewerkzeug Einfluss des Werkzeugverschleißes auf die Spanbildung Einfluss der Schnittparameter auf den Werkzeugverschleiß Schnittgeschwindigkeit Axialvorschub Zustellung Technologische Optimierung des Werkzeugs Werkzeugverschleiß in Abhängigkeit vom Schneidstoff Verschleißverhalten beschichteter Werkzeuge Trockenbearbeitung beim Schaben Zerspanuntersuchungen im realen Schabprozess Versuchsbedingungen Verschleiß am Schabrad Auswirkung der Schnittparameter auf die Werkstückqualität Schnittparameter Prozessstrategie Einsatz beschichteter Schabräder Minimalmengenschmierung Auswirkungen von Werkzeugverschleiß auf die Werkstückqualität Untersuchung der Produktivität Zusammenfassung und Ausblick Literatur '

4 Inhaltsverzeichnis 0 Symbols, Abbreviations and Dimensions V 1 Introduction 1 2 State of the Art Process Chains in Gear Manufacturing Gear Shaving Principle Gear Shaving Strategies Parallel Shaving Underpass Shaving Diagonal Shaving Plunge Shaving Chip Creation and Technological Peculiarities Industrial Extension of Gear Shaving 14 3 Objective and Procedure 18 4 Analysis of Contact Conditions and Cut Geometries Contact Conditions in Non-Parallel-Axis Transmissions Sliding Velocities in Lead Direction Sliding Velocities in Profile Direction Sliding Velocity Profile for Non-Parallel-Axis Transmissions Simulation of the Gear Shaving Process Based on Penetration Calculation Penetration Calculation Simulation Model * Verification of the Simulation Model Cut Geometries with Subject to Technological Parameters Axial Feed Infeed Crossed Axis Angle Optimisation of the Cut Geometries, Conclusions 40 5 Determination of the Loads on the Tool Simulation of the Gear Shaving Process Based on FEA Geometrical Model Material Model Loads on the Tool Depending on the Technological Parameters Cutting Speed Infeed Axial Feed Crossed Axis Angle 54

5 IV 5.3 Loads on the Tool with Subject to the Cutting Edge Geometry Conclusions 60 6 Wear Studies in the Analogy Process for Gear Shaving Description of the Analogy Process Verification of the Analogy Process Influence of the Tool Wear on the Chip Creation in the Analogy Process Analysis of Wear on the Analogy Tool Influence of Tool Wear on the Chip Formation Influence of the Cutting Parameters on the Tool Wear Cutting Speed Axial Feed Set-In Technological Optimisation of the Tool System Tool Wear with Subject to the Cutting Material Wear Behaviour of Coated Tools Dry Machining in Gear Shaving Conclusions 86 7 Trials in the Real Gear Shaving Process Test Conditions Tool Wear on the Shaving Wheel Effect of the Cutting Parameters on the Workpiece Quality Cutting Parameters Process Strategy, Application of Coated Shaving Wheels Minimum Quantity Lubrication Effects of Tool Wear on the Gear Quality Consideration of Productivity Conclusions Summary and Outlook Bibliography 119