Erforschung der Werkzeugbelastung bedingt durch Spanablaufbehinderungen bei Zerspanprozessen mit Mehrflankenspänen
Zusammenfassung der Projektergebnisse
An Zerspanwerkzeugen, die mehrflankige Späne bilden, wird oft der standzeitbestimmende Verschleiß im Bereich des Werkzeugeckenradius erreicht. Dieses Verschleißverhalten bei mehrflankiger Spanbildung ist besonders für Werkzeuge charakteristisch, die in der Zahnradfertigung eingesetzt werden. Bei diesen Verfahren ist die Auslegung der Werkzeuggeometrie weitestgehend durch die Geometrie des Bauteils vorgegeben, die wiederum dessen späteres Einsatzverhalten bestimmt. Daher sind der Auslegung von Werkzeugen und Prozessen bei diesen Verfahren enge Grenzen gesetzt und ungünstige Zerspanbedingungen lassen sich oft nicht vermeiden. Die Kenntnis der auftretenden Werkzeugbelastung ist für die Prozessauslegung wichtig, da so die auftretenden Verschleißphänomene gedeutet und die Auswirkungen extrem ungünstiger Werkzeuggeometrien in Zukunft eventuell durch andere Freiheitsgrade in der Auslegung abgedämpft werden können. Das Ziel des Forschungsvorhabens ist ein Verschleißmodell, das das Auftreten von standwegbestimmendem Werkzeugeckenverschleiß beim Fräsen von Tellerrädern voraussagt. Dieses Modell kann dann verwendet werden, um die Werkzeugauslegung ohne aufwändige Versuche zu verbessern. Der Verschleiß der Werkzeuge im Bereich des Werkzeugeckenradius wird durch die dort vorherrschende Belastung und durch die Stabilität dieses Bereiches der Schneidkante beeinflusst. Im Rahmen des Projekts wurden Verschleißuntersuchungen in einem Analogieversuch durchgeführt, in welchem die Profilgeometrie des Werkzeugs und die Geometrie des angrenzenden Spanungsquerschnitts variiert werden. Die erreichten Standmengen wurden mit der Werkzeugbelastung verglichen, die mithilfe einer dreidimensionalen Zerspansimulation berechnet wurde. Basierend auf den Simulationsergebnissen wurden Kenngrößen abgeleitet, die sowohl die Belastung aus dem Zerspanprozess als auch die Stabilität der Schneidkante charakterisieren. Basierend auf diesen Kenngrößen wurde einen Modell entwickelt, das den Standweg der Werkzeuge im mehrflankigen Schnitt vorhersagt. Zur Untersuchung der auftretenden Werkzeugbelastung wird am WZL eine Zerspansimulation eingesetzt, die auf der Methode der finiten Elemente basiert. Diese Simulation bildet die plasto-mechanischen Vorgänge während der Spanbildung ab und ist so in der Lage sowohl Zerspankräfte als auch die Spannungs- und Temperaturverteilung im Werkstück und Werkzeug zu berechnen. Der Eingriffswinkel α, der Werkzeugeckenradius rε, die Spanungsdicke an der Flankenschneide hs und die Kopfspanungsbreite bo wurden als signifikante Parameter für die Belastung der Werkzeugecke identifiziert und sowohl in der Zerspansimulation als auch im Verschleißversuch variiert. Die Stabilität der Werkzeugecke ist durch den Eingriffswinkel α und den Werkzeugeckenradius rε definiert. Alle Parameter beeinflussen die Belastung aus dem Zerspanprozess. Die Ergebnisse zeigen, dass der vorliegende Verschleißmechanismus das Verhältnis der Einflüsse von Stabilität und Belastung auf den Verschleiß beeinflusst. Für die Stabilität der Schneidkante sind ein großer Eingriffswinkel und ein großer Eckenradius sinnvoll. Der vorliegende adhäsive Verschleiß ist bei hoher maximaler Temperatur an der Schneidkante gering, daher ist ein Werkzeug mit kleinem Eingriffswinkel, kleinem Werkzeugeckenradius und großer Spanungsdicke an der Flankenschneide sinnvoll. Die durchgeführten Betrachtungen zur Stabilität der Werkzeugecke sind geometrisch begründet und gelten daher unabhängig vom eingesetzten Schneidstoff. Der dominierende Verschleißmechanismus hängt von vielen Parametern ab, die über die Betrachtung der Werkzeugecke hinausgehen und muss im Einzelfall analysiert werden.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- „Problemfall“ Mehrflankenspan. In: VDI-Z Integrierte Produktion, Special Werkzeuge, 2007
Klocke, Fritz; Schröder, Tobias; Herzhoff, Stefan
- Mehrflankenspäne – Untersuchungen zur Spanbildung. In: Seminar: „Innovationen rund ums Kegelrad“, Aachen, 2008
Klocke, Fritz; Herzhoff, Stefan
- Werkzeugbelastung bei Zerspanprozessen mit Mehrflankenspänen – Bewertung des Simulationsmodells. In: Tagungsband zur 49. WZL-Arbeitstagung „Zahnrad und Getriebeuntersuchungen“, RWTH Aachen, 2008
Klocke, Fritz; Gorgels, Christof; Herzhoff, Stefan
- Modellierung und Simulationen zum Kegelradfräsen – Analyse der Werkzeugbelastung. In: Vernetzte Produktentwicklung: Methoden und Werkzeugkopplung, KT, Gemeinsames Kolloquium Konstruktionstechnik, Bayreuth, 2009
Klocke, Fritz; Brecher, Christian; Herzhoff, Stefan; Hardjosuwito, Ario
- Einfluss der Werkzeuggeometrie auf die Werkzeugbelastung bei Mehrflankenspanbildung. In: Tagungsband zur 51. WZL-Arbeitstagung „Zahnrad und Getriebeuntersuchungen“, RWTH Aachen, 2010
Klocke, Fritz; Gorgels, Christof; Herzhoff, Stefan
- Tool Load during Multi-Flank Chip Formation. In: Advanced Materials Research, Vol. 223, 2011, 525-534
Klocke, Fritz; Gorgels, Christof; Herzhoff, Stefan
- Werkzeugbelastung und Werkzeugverschleiß bei mehrflankiger Spanbildung. In: Tagungsband zur 52. WZL-Arbeitstagung „Zahnrad und Getriebeuntersuchungen“, RWTH Aachen, 2011
Klocke, Fritz; Gorgels, Christof; Herzhoff, Stefan
- Influence of Gear Design on Tool Load in Bevel Gear Cutting. In: Procedia CIRP 1, 2012, 66-71
Klocke, Fritz; Brumm, Markus; Herzhoff, Stefan
