Table Of ContentBerichte aus dem
Institut fur Umformtechnik
der Universitat Stuttgart
Herausgeber:
Prof. em. Dr.-Ing. Dr. h.c. K. Lange
121
Volker Szentmihalyi
Beitrag der ProzeBsimulation
zur Entwicklung komplexer
Kaltumformteile
Mit 68 Abbildungen und 6 Tabellen
Springer-Verlag Berlin Heidelberg GmbH
Dipl.-Ing. Volker Szentmlhalyi
Zentrum Fertigungsleci1nik Stuttgart
Dr.-Ing. Dr. h. c. Kurt Lange
o. Professor em. an derUniver!lit/U Stuttgart
InSlitutlOrUrnformtechnik
093
ISBN 978-3·540-57967-0 ISBN 978-3-662-06017-9 (eBook)
DOI 10.1007/978-3-662-06017-9
Oieses Werk ist urheberreChtlich geschOtzl. Die dadurch be9n:lndeten Rechte. insbesondere
die der Ober!lelzung. des Nachdrucks, des Vortrags, der Entnahme von Abbildungen und
Tebellen, der Funksendung, der Mikroverfilmung oder der VervielfBltigung auf anderen Wegen
und der SpeichellJng In Datenverarbeitungsanlagen, blelben, auch bei nur auszugsweiser
Verwertung. vorbuhelten. Elne Vervlel1il1ligung dieses Werkes oder von Teiten dieses Werkes
1st auch im ElnzelfaH nur in den Grenzen der gesetzlichen Bestimmungen des Urheber
rechlsgeselzes der Bundesrepubllk Deutschland yom 9.September 1965 in der iewells
geUenden Fassung zulasslg. Sle isl gllJndsalzllch vergOlungspflichtig. Zuwlderhandlungen
unterllegen den Siratbeslimmungen des Urheberrechtsgesetzes.
OSpringer-Vertag Bertin Hwdlliburg 1994
Urspriinglich erschienen bei Springer-Vertag Bertin Heidelberg New York 1994
Die Wiedergab& von Gebrauchsnamen, Handelsnamen, Warenbezeichnungen usw. in dlesem
Werk berechUgl aueh ohne besondere Kennzeichnung nicht w der Annahme, da8 solche
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waren und dahervon I&dermenn benulzl werden dOrflen.
Solll& in dles&m Werk dlrekl odar Indireklaul Gesetze. Vorschriften oder Richtlinlen (z. B.
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gebenenfalls fOr die eigenen Arbellen dla vollslBndlgen Vorschrlften oder Richttinien In der
Jewells gOlt~en Fassung hlnzulUzlanen.
Ges8mlherslellung: Copydruck GmbH, Heimsheim
SPIN: 10469727 62/3020-6543210
GELEITWORT DES HERAUSGEBERS
Die Umformtechnik zeichnet sich durch sehr gute Werkstoffaus
wertung und hohe Mengenleistung in der Serienfertigung gegen
tiber anderen Fertigungsverfahren aus, wobei Beibehaltung der
Masse, Anderung der Festigkeitseigenschaften wahrend eines Vor
gangs und elastische Rtickfederung der WerkstUcke nach einem
Vorgang wesentliche Merkmale sind. Weiter sind die benatigten
Krafte, Arbeiten und Leistungen sehr viel graBer als z.B. bei
spanenden Verfahren. Die sichere Beherrschung eines Verfahrens
in der industriellen Fertigung und die zunehmende Forderung
nach Vermeidung bzw. Minimierung spanender Nacharbeit erzwingen
die geschlossene Betrachtung des Systems °Umformende FertigungO
unter zentraler Berticksichtigung plastizitatstheoretischer,
werkstoffkundlicher und tribologischer Grundlagen.
Das Institut fUr Umformtechnik der Universitat Stuttgart stellt
entsprechend Forschung und Entwicklung zum einen auf die Erar
beitung von Grundlagenwissen in diesen Bereichen ab, zum anderen
untersucht und entwickelt es Verfahren unter Anwendung speziel
ler MeBtechniken mit dem Ziel einer genauen quantitativen Er
mittlung des Einflusses der Parameter von Vorgang, Werkstoff,
Werkzeug und Maschine. Die Behandlung von Problemen des Maschi
nenverhaltens, der Maschinenkonstruktion sowie der Werkzeugaus
legung und -beanspruchung, der Auswahl hochbeanspruchbarer,
verschleiBfester Werkzeugbaustoffe und schlieBlich der Tribo
logie gehart entsprechend ebenfalls zum Arbeitsgebiet, das durch
die Erfassung organisatorischer und betriebswirtschaftlicher
Fragen abgerundet wird.
1m Rahmen der "Berichte aus dem Institut fUr Umformtechnikoer
scheinen in zwangloser Folge jahrlich mehrere Bande, in denen
tiber einzelne Themen ausftihrlich berichtet wird. Dabei handelt
es sich vornehmlich urn AbschluBberichte von Forschungsvorhaben,
Dissertationen, aber gelegentlich auch urn andere Texte. Diese
Berichte sollen den in der Praxis stehenden Ingenieuren und
Wissenschaftlern zur Weiterbildung dienen und eine Hilfe bei
der Lasung umformtechnischer Aufgaben sein. FUr die Studieren-
den bieten sie die Moglichkeit zur Vertiefung der Kenntnisse.
Die seit zwei Jahrzehnten bewahrte freundschaftliche Zusammen
arbeit mit dem Springer-Verlag sehe ich als beste Voraussetzung
fUr das Gelingen dieses Vorhabens an.
Kurt Lange
Vorwort
Die yorliegende Arbeit entstand wahrend meiner Tatigkeit als wissenschaftlicher
Mitarbeiter des Zentrums Fertigungstechnik Stuttgart.
Herro o. Prof. em. Dr.-lng. Dr. h.c. Kurt Lange danke ich herzlich fUr das mir
entgegengebrachte Vertrauen sowie die konsequente und groBziigige Unterstiitzung bei
der DurchfUhrung meiner Untersuchungen.
Herro Prof. Dr.-lng. K. Langenbeck danke ich fUr die freundliche Ubernahme des
Mitberichts und die sich daraus ergebenden wertvollen Anregungen.
Weiterhin gilt mein Dank Herro Professor Jean-Loup Chenot yom Ecole Nationale
Superieure des Mines de Paris fUr die Moglichkeit zur DurchfUhrung der 3D-FEM
Simulationen sowie Herro Prof. Dr.-lng. Klaus Siegert fUr die Unterstiitzung bei der
DurchfUhrung der sich anschlieBenden Experimente mit den Einrichtungen des lnstituts
fiir Umformtechnik der Universitat Stuttgart.
Mein besonderer Dank gilt Herro Dipl.-lng. Achim Ruf und seiner Numerik-Gruppe
fUr die wertvollen Ratschlage und die kreative Unterstiitzung bei der DurchfUhrung und
Auswertung der Simulationen.
Ferner mochte ich mich bei allen Mitarbeiterinnen und Mitarbeitern des lnstituts fUr
Umformtechnik sowie bei meinen Studentinnen und Studenten bedanken, die mich
tatkrliftig bei der Anfertigung meiner Arbeit unterstiitzt haben.
Die Mittel zur DurchfUhrung dieser Untersuchungen wurden von Firmen der
Automobilindustrie und deren Zulieferer sowie yom Ministerium fUr Wirtschaft,
Mittelstand und Technologie Baden-Wiirttemberg zur VerfUgung gestellt, wofUr an
dieser Stelle ebenfalls gedankt seL
Hausach, im Dezember 1993
Volker SzentmihaIyi
Inhaltsverzeichnis:
Fonnelzeichen und Abkiirzungen 11
0 Zusammenfassung 13
1 Einleitung 15
2 Stand der Erkenntnisse 17
2.1 Spanende Herstellung von Verzahnungen 17
2.2 Herstellung von Verzahnungen mittels Verfahren der
Umfonntechnik 18
2.2.1 Allgemeine Betrachtungen 18
2.2.2 QuerflieBpressen 27
2.2.3 Werkzeuge zum QuerflieBpressen schriigverzahnter Stimriider 29
2.3 Werkstiickgenauigkeit ohne Korrektur der Werkzeuge 32
2.4 Numerische Behandlung von Massivumformprozessen 34
3 Zielsetzung und Aufgabenstellung 40
4 Verzahnungsgenauigkeit 42
4.1 VerzahnungskenngroBen 43
4.2 Verzahnungsmessung 47
4.3 Genauigkeitskette von der Elektrode zum Zahnrad 49
5 Theoretische Betrachtungen 51
5.1 Die Finite-Elemente-Methode 51
5.1.1 Das 3D-FEM-Programm FORGE3 51
5.1.1.1 Numerische Ulsung und Remeshingprogramm 52
5.1.1.2 Simulation des Querflie6pre6vorgangs 56
5.1.2 Das 2D-FEM-Programm DEFORM 68
5.1.2.1 Simulation im Stirnschnitt 69
5.1.3 Vergleich der Ergebnisse aus der 2D-und 3D-Simulation 77
5.2 Die Boundary-Elemente-Methode 80
5.2.1 Das BEM-Programm BETSY-3D 81
5.2.2 Berechnung der elastischen Werkzeugverformung 82
10
6 Korrektur der Verzahnungsgeometrie 93
7 ExperimenteIle Untersuchungen 96
7.1 Versuchseinrichtung 96
7.2 Versuchswerkstoff 97
7.3 Werkzeuge zur Herstellung von schriigverzahnten
Stirnrlldem durch QuerflieBpressen 99
7.3.1 Werkzeugfertigung 99
7.3.2 Qualitlit der verzabnten Werkzeuge 102
7.4 QuerflieBpressen mit korrigierter Verzabnungsgeornetrie 104
7.4.1 Vergleich der Verzahnungsabweichungen mit und ohne
Korrektur 105
7.4.2 EinfluB des Auswerfvorgangs auf die Verzahnungsqualitlit 109
7.5 Vergleich der Versuchs-und Simulationsergebnisse 110
8 StirnOachen 114
8.1 Simulation im Axialschnitt mit DEFORM 114
8.1.1 Ebene StimfHichen 115
8.1.2 Profilierte Stimflachen 118
8.2 PreBversuche mit profilierter Stempelgeornetrie 129
8.2.1 Vergleich der Versuchsergebnisse mit ebenen und
profIlierten PreBstempeln 129
8.3 Vergleich von Versuchs-und Simulationsergebnissen 130
9 Wirtschafilichkeitsbetrachtung 134
Schrifttum 143
Anhang 151
11
Formelzeichen und Abkiirzungen
Allgemeine Zeichen
E N/nun2 Elastizitatsmodul
F N Kraft
Fa ~m ProfIl-Gesamtabweichung
Fp ~m Teilungs-Gesamtabweichunng
Fc ~m Rundlaufabweichung
FS ~m Flankenlinien-Gesamtabweichung
HV Harte nach Vickers
Mdk nun diametrales ZweikugelmaB
T K Temperatur
b nun Zahnradbreite
c Konstante
d nun Tei!kreisdurchmesser
do nun Rohteildurchmesser
da nun Kopfkreisdurchmesser
db nun Grundkreisdurchmesser
df nun FuBkreisdurchmesser
ffa ~m Profil-Formabweichung
fm ~m Flankenlinien-Formabweichung
fHa ~m ProfIl-Winkelabweichung
fHS ~m Flankenlinien-Winkelabweichung
fpI ~m Teilungs-Einzelabweichung
fu ~m Teilungssprung
fS ., rad Schriigungswinkelabweichung
Ito nun Rohteilhohe
k N/nun2 SchubflieBspannung
kf N/nun2 FlieBspannung
m nun Modul
m Reibfaktor
n Verfestigungsexponent
12
P N/mm2 gemittelter Innendruck
Pi N/mm2 Innendruck
Pt mm Sollteilung
s mm Stempelweg
v mm/s Geschwindigkeit
x Profilverschiebungsfaktor
Z Zlihnezahl
a Eingriffswinkel
<lp Profilwinkel
I} Schrligungswinkel
Dreiecks-Innenwinkel
11,2,3
Ey,e Vergleichsformlinderung
cp Umformgrad
Cpy Vergleichsumformgrad
Reibzahl
1.1.
v Querkontraktionszahl
aij N/mm2 Spannungstensor (Komponenten)
an N/mm2 Kontaktnormalspannung
ay N/mm2 Vergleichsspannung
'tR N/mm2 Reibschubspannung
~ °/00 HaftmaB
x,y,z kartesische Koordinaten
Iodizes
a GroBe im Axialschnitt
n GroBe im Normalschnitt
GroBe im Stimschnitt
Abkiirzungen
BEM Boundary-Element-Methode
FEM Finite-Elemente-Methode
QFP Querflie8pressen
QK Qualitlitsklasse
