Development of a Cutting Force Model for the Optimization of the Process Design of Bevel Gear Grinding
Final Report Abstract
Das Kegelradschleifen ist ein etablierter Prozess zur Fertigung hochgenauer Kegelradverzahnungen. Eine wissensbasierte Auslegung von Schleifprozessen kann mithilfe der Zerspankraft erfolgen, da die Zerspankraft eine direkte Korrelation mit der resultierenden mechanischen und thermischen Belastung von Werkstück und Werkzeug aufweist. Bislang existiert jedoch kein Modell, um die Zerspankraft beim Kegelradschleifen vorherzusagen. Ziel dieses Projekts war daher die Entwicklung eines Zerspankraftmodells zur Optimierung der Prozessauslegung beim Kegelradschleifen. Die Modellierung der Zerspankraft in Schleifprozessen erfolgt in der Regel basierend auf den Kontaktbedingungen zwischen Werkzeug und Werkstück. Daher wurde ein numerisches Prozessmodell mit einer Durchdringungsrechnung entwickelt. Das Prozessmodell kann verwendet werden, um die charakteristischen Spanungskenngrößen beim wälzenden und tauchenden Kegelradschleifen lokal und zeitlich aufgelöst vorhersagen zu können. Die geometrische Genauigkeit des Prozessmodells wurde mithilfe von Sollmessdaten der resultierenden Ritzel und Tellerräder verifiziert. Basierend auf dem Prozessmodell konnte für das wälzende Kegelradschleifen ein Modell abgeleitet werden, um die Zerspankraft in Abhängigkeit vom zerspanten Volumen und der Schnittgeschwindigkeit vorhersagen zu können. Dieses Modell wurde in das numerische Prozessmodell integriert sowie mithilfe von Versuchen beim wälzenden Kegelradschleifen validiert. Somit kann die Zerspankraft beim wälzenden Kegelradschleifen lokal und zeitlich aufgelöst vorhergesagt werden. Für das tauchende Kegelradschleifen wurde festgestellt, dass die Zerspankraft nicht proportional zum theoretisch zerspanten Volumen ist. Diese Diskrepanz wurde darauf zurückgeführt, dass sich aufgrund von Nachgiebigkeitseinflüssen und der oft kurzen Prozessdauer kein stationärer Zustand einstellen kann. Aus diesen Gründen wurde der Fokus in diesem Projekt etwas mehr auf die Modellierung der Zerspankraft beim tauchenden Kegelradschleifen gelegt. Dazu sollte systematisch untersucht werden, wie sich die Prozessparameter, die Kontaktbedingungen und die Nachgiebigkeit auf die Zerspankraft beim tauchenden Kegelradschleifen auswirken. Aufgrund der komplexen Kontaktbedingungen und der erschwerten lokalen und zeitlich aufgelösten Messung der Zerspankraft beim tauchenden Kegelradschleifen wurde für die Untersuchung ein Analogieversuch abgeleitet. Mithilfe des Analogieversuchs wurde ermittelt, wie sich die Prozessparameter auf den Zerspankraftverlauf auswirken. Darüber hinaus wurde die Nachgiebigkeit im Analogieversuch untersucht. Basierend auf den Kraftmessungen, der Nachgiebigkeit sowie etablierten Schleifkraftmodellen wurde ein Modell für die Zerspankraft im Analogieversuch zum tauchenden Kegelradschleifen abgeleitet. Anschließend wurde das entwickelte Zerspankraftmodell auf das tauchende Kegelradschleifen übertragen. Das Kraftmodell wurde in das numerische Prozessmodell des tauchenden Kegelradschleifens integriert. Auf diese Weise ist eine lokal und zeitlich aufgelöste Vorhersage der Zerspankraft unter Berücksichtigung der Prozesskinematik möglich. Durch Versuche konnte gezeigt werden, dass mithilfe des abgeleiteten Zerspankraftmodells der Verlauf der Zerspankraft beim tauchenden Kegelradschleifen für verschiedene Schnittgeschwindigkeiten und Tauchvorschubgeschwindigkeiten vorhergesagt werden kann. Im letzten Teil der Untersuchungen wurde überprüft, inwiefern das Zerspankraftmodell zur Optimierung der Prozessauslegung verwendet werden kann. Dazu wurden Untersuchungen beim wälzenden und tauchenden Kegelradschleifen unter Erfassung der Zerspankraft durchgeführt und anschließend die resultierenden Verzahnungseigenschaften bestimmt. Auf diese Weise konnten der Zusammenhang zwischen Zerspankraft und Verzahnungseigenschaften sowie Prozessgrenzen ermittelt werden. Diese Erkenntnisse können zur Prozessauslegung herangezogen werden. Durch die durchgeführten Untersuchungen war eine Steigerung der Produktivität gegenüber dem zuvor verwendeten Serienfertigungsprozess möglich. Das abgeleitete Modell kann – eventuell in Kombination mit einzelnen Parametrierversuchen – in Zukunft ebenfalls zur Unterstützung der Prozessauslegung und -bewertung im industriellen Umfeld herangezogen werden. In Zukunft sollte für weitere Werkstückwerkstoffe, Schleifscheiben, Maschinen etc. geprüft werden, welche Zerspankraft resultiert und wie diese sich auf die Verzahnungseigenschaften auswirkt. Zudem kann das abgeleitete Modell als Grundlage für eine zukünftige Modellierung des Energieeintrags, der Prozess-Maschine-Interaktion und des Schleifscheibenverschleißes verwendet werden. Auf diese Weise kann die Wissensbasis zur Prozessauslegung noch weiter verbessert werden.
Publications
- Analysis of the Grinding Force in Plunging Bevel Gear Grinding In: Advances in Production Research - Proceedings of the 8th Congress of the German Academic Association for Production Technology, Aachen, 19.-20.11.2018 ISBN: 978-3-030-03451-1
Solf, M.; Löpenhaus, C.; Klocke, F.
(See online at https://doi.org/10.1007/978-3-030-03451-1_9) - Einfluss der elastischen Nachgiebigkeit auf die Kraft beim tauchenden Kegelradschleifen In: Forschung im Ingenieurwesen. 83. Jg., 2019, Nr. 3, S. 741–750 ISSN: 1434-0860
Solf, M.; Löpenhaus, C.; Bergs, T.
(See online at https://doi.org/10.1007/s10010-019-00326-9) - Influence of elastic effects on the grinding force in plunging bevel gear grinding In: Proceedings of the International Conference on Gears 2019: Garching/Munich, Germany 18.-20.09.2019 ISBN: 978-3-18-092355-0
Solf, M.; Löpenhaus, C.; Bergs, T.
(See online at https://doi.org/10.51202/9783181023556-1687) - Einfluss der elastischen Nachgiebigkeit auf die Kraft beim tauchenden Kegelradschleifen In: Production at the leading edge of technology: Proceedings of the 10th Congress of the German Academic Association for Production Technology, Dresden, 23.-24.09.2020 ISBN: 978-3-662-62137-0
Solf, M.; Brimmers, J.; Bergs, T.
(See online at https://doi.org/10.1007/978-3-662-62138-7_25) - Potentials for Process Monitoring in Bevel Gear Grinding In: Gear Technology, 38. Jg., 2021, Nr. 5, S. 60–71 ISSN: 0743-685
Bergs, T.; Löpenhaus, C.; Solf, M.
