Entwicklung und industrielle Anwendung eines Modells zur Vorhersage der Werkzeugstandmenge bei mehrflankiger Spanbildung anhand von Kegelrad-Tauchprozessen
Zusammenfassung der Projektergebnisse
In diesem Forschungsvorhaben wurde eine Prozessauslegungsrichtlinie für Kegelrad-Tauchprozesse auf Grundlage von Verschleißvorhersagemodellen für Face Milling und Face Hobbing entwickelt. Zunächst wurde das Verschleißvorhersagemodell von MAZAK für Face Milling in die industrielle Praxis überführt. Dazu wurde zum einen die Güte der Modellvorhersage anhand der Standmenge der Referenzauslegung in der Serienfertigung beim Anwendungspartner KORDEL untersucht. Die vorhergesagte Standmenge lag im 95 %-Konfidenzintervall des Mittelwertes der empirisch ermittelten Standmengenverteilung, sodass der Vergleich als sehr gut zu werten war. Zum anderen wurden die Prozessparameter mithilfe des Verschleißvorhersagemodells optimiert und eine degressive anstelle einer linearen Vorschubrampe definiert. Infolgedessen wurde eine Erhöhung der Standmenge in der Serienfertigung um 9,6 % erreicht. Im Anschluss wurde eine Fertigungssimulation zur Abbildung der Zerspanbedingungen beim Face Hobbing Prozess erweitert. Die Validierung anhand einer Plausibilitätsanalyse der Spanungskennwerte, eines Vergleichs zwischen Spanungsgeometrie und Spänen aus der Serienfertigung sowie eines Vergleichs der simulierten Flankengeometrie und Sollmess-Daten war erfolgreich. Zur Entwicklung eines Verschleißvorhersagemodells für Face Hobbing wurde in Serien- und Analogieversuchen der Einfluss der Prozessparameter und Werkzeuggeometrie auf den Stabmesserverschleiß untersucht. Die Analogieversuche wurden in Form von Ein-Messergruppen-Versuchen durchgeführt. Zur Überführung des Ein-Messergruppen-Versuchs vom Face Milling auf das Face Hobbing wurde der Messerkopfaufbau angepasst. Die Überführbarkeit auf Face Hobbing wurde gewährleistet, indem die resultierende maximale Verschleißmarkenbreite VB max aus Analogieversuchen und Serienfertigung gegenübergestellt wurde. Auf Grundlage der Versuchsergebnisse wurde ein Verschleißvorhersagemodell für Face Hobbing entwickelt und validiert. Die Übereinstimmung zwischen Vorhersagewert und Verschleißmessung ist als sehr gut zu bewerten, da ein Bestimmtheitsmaß von R2 = 0,9222 und ein korrigiertes Bestimmtheitsmaß von R2korr. = 0,9116 erreicht wurde. Die Überführung des Verschleißvorhersagemodells für Face Hobbing in die industrielle Praxis erfolgte beim Anwendungspartner, der sowohl ein Verschleißkriterium VBm,max als auch eine Zielstandmenge NZiel definierte. Da bei der Fertigung mit Referenzauslegung der Stabmesserverschleiß am Standmengenende das Verschleißkriterium noch nicht erreicht hat, wurde mithilfe des Verschleißvorhersagemodells eine Optimierung der Fertigungszeit durch Anpassung der Prozessparameter durchgeführt. Indem der Anfangsvorschub um ΔST1 = 0,02 mm erhöht wurde, konnte die Fertigungszeit um Δt = 4 s. reduziert werden, während die Zielstandmenge NZiel weiterhin konstant erreicht wird. Die optimierten Prozessparameter wurden daraufhin vom Anwendungspartner in die Serienfertigung überführt und auch auf weitere Verzahnungsfälle erfolgreich angewendet. Abschließend wurde anhand der Verschleißvorhersagemodelle für Face Milling und Face Hobbing eine Prozessauslegungsrichtlinie für Kegelrad-Tauchprozesse entwickelt. In der Richtlinie sind die Schritte zur Optimierung der Werkzeug- und Prozessauslegung hinsichtlich der Standmenge sowie Prozesszeit definiert. Das Vorgehen aus der Richtlinie wurde im Projekt bereits erfolgreich zur Optimierung der Standmenge bei Face Milling sowie zur Optimierung der Prozesszeit bei Face Hobbing bei Anwendungspartnern angewendet. Das Projektziel wurde erreicht.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Analyse des kontinuierlichen Kegelradfräsens In: Innovationen rund ums Kegelrad, 07./08. Oktober 2020, Aachen
Mazak J., Brimmers J., Bergs T.
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Method for Optimizing the Tool and Process Design for Bevel Gear Plunging Processes. Dissertationsschrift RWTH Aachen University. Apprimus Verlag Aachen 2021, ISBN 978-3-86359-973-7
Mazak, J.
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Analysis of tool wear in face hobbing plunging manufacturing processes In: Procedia CIRP, 2022, Nr. 107, S.1174-1179
Alexopoulos C., Brimmers J., Bergs T.
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Anwendungsbasierte Prozessauslegung eines Radsatzes mithilfe von BevelCut In: Innovationen rund ums Kegelrad, 31.August/ 01. September 2022, Aachen
Mazak J, Kamratowski M.
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Process design optimization for face hobbing plunging of bevel gears. WGP-Jahreskongress, 10. – 14. Oktober 2022, Stuttgart
Kamratowski M., Alexopoulos C., Brimmers J., Bergs T.
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Untersuchung des Werkzeugverschleißes und der Spindelwirkleistung beim Tauchen von Kegelrädern im kontinuierlichen Verfahren In: Innovationen rund ums Kegelrad, 31. August/ 01. September 2022, Aachen
Alexopoulos C., Brimmers J., Bergs T.
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Validation of a planar penetration calculation for face hobbing generating of bevel gears CIRP ICME, 13. – 15. Juli 2022, Neapel, Italien
Kamratowski M., Brimmers J., Bergs T.
