Table Of ContentFORSCHUNGSBERICHTE DES LANDES NORDRHEIN-WESTFALEN
Nr. 2401
Herausgegeben im Auftrage des Ministerprasidenten Heinz KUhn
yom Minister fUr Wissenschaft und Forschung Johannes Rau
Prof. Dr. -Ing. Dres. h. c. Herwart Opitz
Prof. Dr. -Ing. Wilfried Konig
Dr. -Ing. Gerd Sulzer
Dipl. -Ing. Konstantin Bouzakis
Laboratorium fUr Werkzeugmaschinen und Betriebslehre
der Rhein. -Westf. Techn. Hochschule Aachen
Verschlei{3untersuchungen
beim Walzsto{3en von Geradverzahnungen
Westdeutscher Verlag 1974
© 1974 by Westdeutscher Verlag GmbH, Opladen
Gesamtherstellung: Westdeutscher Verlag
ISBN-13: 978-3-531-02401-1 e-ISBN-13: 978-3-322-88253-0
DOl: 10.1007/978-3-322-88253-0
INHALT
Seite
1. EINLEITUNG 1
2. ANALYSE DER ZERSPANKINEMATIK BEIM WALZ
STOaEN 3
2. 1 Bestimmung der Spanungsquerschnitte 6
2.2 Kollisionsberechnung fUr den Ruckhub 14
3. VERSCHLEWUNTERSUCHUNGEN 23
3.1 Prinzipielles VerschleWverhalten 24
3.2 Standzeituntersuchungen bei Auaenverzahnungen 28
3.2. 1 Einflua des Walzvorschubs 29
3.2.2 Einflua der Zweischnittbearbeitung 31
3.2.3 Einflua der Schnittgeschwindigkeit 36
3.3 Standzeituntersuchungen bei Innenverzahnungen 39
3.3. 1 Einflua des Walzvorschubs 41
3.3.2 Einflua der Schnittgeschwindigkeit 45
3.3.3 Einflua der Zweischnittbearbeitung 47
3.4 Ubertragbarkeit der gefundenen Ergebnisse 52
3.4.1 Radbreite 54
3.4. 2 Zahnezahl 55
4. WALZSTOaEN MIT HARTMETALL 57
4.1 Schneidrad mit HM-Wendeplatten 58
4.2 Versuchsergebnisse 59
5. ZUSAMMENFASSUNG 63
6. SCHRIFTTUM 65
VERWENDETE KURZZEICHEN
A auslaufende Flanke (Werkzeugflanke, die eine Zahn
lucke yom FuJ3 zum Kopf ausarbeitet)
AB Abhebebetrag beim Ruckhub
AV seitlicher Achsversatz
DH Doppelhub
E einlaufende Flanke (Werkzeugflanke, die eine Zahn
lUcke yom Kopf zum FuJ3 ausarbeitet)
K Kopf
VB maxim ale VerschleiJ3m arkenbreite
W Verdrehwinkel fUr Koordinatensystem e
a Tauchtiefe
b Radbreite
m Normalmodul
n Doppel:1.ubzahl
s WiHzvorschub
v Schnittgeschwindigkeit
z Ziihnezahl
a Normaleingriffswinkel
Schriigungswinkel
Verdrehwinkel
Indices
1 Schneidrad
2 Werkrad
r radial
- 1 -
1. EINLEITUNG
In der industriellen Fertigung besteht eine stiindige Forderung nach er
h6hter Wirtschaftlichkeit Q.er eingesetzten Fertigungsverfahren. Im Be
reich der spanenden Fertigung fiihrte dies zu einer fortlaufenden Verbes
serung der verwendeten Werkzeugmaschinen und Schneidstoffe. Dabei ist
eine deutliche Wechselwirkung zu beobachten: verbesserte Schneidstoffe
verlangten leistungsfiihigere Werkzeugmaschinen, verbesserte Werk
zeugmaschinen erlaubten wiederum die Anwendung leistungsfiihigerer
Schneidstoffe.
In den vergangenen Jahren wurden auf dem M aschinensektor bedeutende
Fortschritte erzielt. Es stehen heute Wiilzstoamaschinen zur Verfiigung,
die Hubzahlen bis zu 2500/min aufweisen. Auf Grund der hohen Steifig
keit erlauben sie auch den Einsatz von Hartmetall. Gleichzeitig erm6g
lichen diese M as chinen eine gezielte Schnittaufteilung, wobei die M ehr
schnittbearbeitung und das Wiilzstoaen mit Differential zu nennen sind
[1,3] .
Von der Werkzeugseite her stehen hochleistungsfahige Schnellarbeitsstiih
le und Hartmetalle zur Verfiigung, die erh6hten Bearbeitungsbedingungen
gerecht werden.
Die Zerspankinematik iibt einen erheblichen, jedoch schwer erfaabaren
Einflua auf die Schneidenbelastung aus. Daher kommt solchen Untersu
chungen besondere Bedeutung zu, die die Zerspankinematik beim Wiilz
stoaen und deren Auswirkungen auf den Zerspanprozea erfassen.
Ziel dieses Berichts ist daher zum einen die analytische Beschreibung
der Zerspankinematik und zum anderen die Erfassung der wichhgsten
geometrischen und kinematischen Einfluagr6aen auf das Verschleiaver
halten von HSS- und HM-Schneidriidern.
- 3 -
2. ANALYSE DER ZERSPANKINEMAT1K BElM WALZSTOSSEN
Zum besseren Verstandnis der im folgenden verwendeten Begriffe sind
in Bild 1 die Bezeichnungen an der Paarung Stoarad - Werkrad erklart.
Der Walzstoavorgang laat sich im wesentlichen in 4 Bewegungen unter
teilen:
Oz
I
i.o-___ ________ A _ ___________- l
Bild 1: Bezeichnungen an der Paarung Stoarad - Werkrad
a) Die S c h nit t b eWe gun g
Sie wird vom Stoarad ausgefUhrt und erfolgt mit der uber dem Arbeits
hub veranderlichen Schnittgeschwindigkeit v. Die Richtung ist durch den
Schragungswinkel der Verzahnung gegeben und wird durch eine Fuh
rungsbuchse mit der entsprechenden Steigung verwirklicht.
b) Die Walzbewegung
Zur Ausbildung des Zahnprofils walzen Schneidrad und Werkrad mitein
ander ab, wobei als Walzvorschub s der je Doppelhub (=Arbeits- + Ruck
hub) am Teilkreis zuruckgelegte Weg bezeichnet wird. Er ist vergleich
bar mit dem durch die Axialteilung am Walzfraser bedingten Vorschub
von Fraserzahn zu Fraserzahn. 1m Gegensatz zum Walzfrasen laat sich
der Walzvorschub hier jedoch durch einen eigenen Getriebezug beliebig
verandern. Dem Walzvorschub s des Schneidrads uberlagert sich bei
Schragverzahnungen eine zusatzliche, uber dem Hub periodische Dreh
bewegung. Zwischen Schneidrad - Walzwinkel. rp und Werkrad - Walz
winkel1J! besteht folgender Zusammenhang:
- 4 -
Hierbei bedeuten: Zi:ihnezahlen von Schneidrad und Werk
rad (bei Innenverzahnungen ist z2 ne
gativ) ,
zusi:itzliche Verdrehung des Stoarades
zur Erzielung des Schri:igungswinkels p,
zusatzliche Verdrehung des Schneidrads
zur Schnittaufteilung (z. B. durch Dif
ferential) .
Die zusi:itzliche Verdrehung cP d kann theoretisch beliebig eingeleitet wer
den und zwar
einm alig zusammen mit dem Radialvorschub zum seitlichen
Versatz der vorgeformten Lucke gegenuber der fertigen Zahn
Wc ke (Schnitt auft eil ung),
kont i n u i e rl i c h zur Herstellung von Primzahlri:idern,
per i 0 dis c h jeD 0 p pel hub zur Herstellung von konischen
und balligen Zi:ihnen.
c) Der Radialvorschub s
r
Zu Beginn des Stoavorgangs stehen Werkrad und Schneidrad auaer Ein
griff. Uber den Radialvorschub sr werden Stoarad und Werkrad urn die
Tauchtiefe A A auf den erforderlichen Achsabstand A gebracht. A A li:iat
sich einmalig oder in mehreren Schritten (Rundgangen) zustellen, dem
entsprechend gilt die Bezeichnung Ein- oder M ehrschnittverfahren. Es ist
auch ein kontinuierlicher Radialvorschub uber den gesamten Verzahnvor
gang und anschlieaendes Schlicht en m6glich (spiralige Zustellung).
d) Der Ruckhub
Da der Wi:ilzvorschub unabhangig von der Hublage des Schneidrads konti
nuierlich erfolgt, ist es erforderlich, wi:ihrend des Ruckhubs das Schneid
rad auaer Eingriff zu bringen. Bei den neueren Maschinen geschieht dies
durch geringfilgiges Zuruckschwenken der Stoaspindel.
In Bild 2 sind die wichtigsten Einfluagr6aen auf die Spanungsgeometrie
und den Verschleia beim Walzstoaen aufgefilhrt.
Die auftretenden Belastungen der Schneidradzi:ihne werden zum einen
durch die Spanungsquerschnitte, zum andern durch technologische Fak
toren bestimmt. Die Spanungsquerschnitte ergeben sich aus den Ver
zahnungsdaten wie Modul, Zahnezahlen usw. sowie aus den verwirklich
ten Vorschuben s, sr und sd' Bei Schragverzahnungen andert sich der
Spanungsquerschnitt in Zahnlangsrichtung in Abhangigkeit von Radbrei-
- 5 -
te und Schriigungswinkel.
StoBrad Werkrad Bearbeitung
I
Eingriffswinkel a( Zahnezahl z2 wa Izvorschub s I
Modul m Profilv. Faktor x2 zusatzl. Verdrehung
Zahnezahl zl I ZahnhOhentaktor Y2 I des StoBrads sd
Profilv. Faktor xl Schragungs- Radialvorschub sr I
Zahnhahentaktor YI I winkel flo Schnlttaufteilung
I I I I I
I JLs panungsqUerSchnitt~
I
Schnlttgeschw.
Schneldengeometrle Radbreite Maschine
Werkstoff Werkstoff I Autsp,annung I
KOh mittel
I I I 1 lJ
Schnlttkr3fte +
. l VerschlelB J
Bild 2: Einflu~gr0J3en beim Wiilzsto~en
Die Radbreite beeinflu~t direkt die Schnittliinge und damit - zusammen
mit dem Werkradmaterial und der Schnittgeschwindigkeit - den Ver
schlei~_ Die Schneidengeom etrie, d. h. Freiwinkel, Spanwinkel und
Kantenabrundung sowie der Werkstoff des Schneidrads, wirken sich
ebenfalls auf Schnittkriifte und Verschlei~ aus. Weitere Einflu~gro~en
sind die Steifigkeit der M aschine und der Aufspannung sowie das verwen
dete Kiihlschmiermittel.
Die Spanungsquerschnitte beeinflussen in starkem Ma~e die Schneiden
belastung und damit den Verschlei~. Die Auswirkung der geometrischen
Parameter auf die Spanungsquerschnitte konnte bisher nicht exakt er-
fa~t werden, so da~ eine Optimierung der Einsatzbedingungen nur in Ein
zelfiillen durch Verschlei~- und Standzeitversuche moglich War. In vie
len Verzahnungsfiillen werden die erreichbaren Bearbeitungsbedingungen
durch die Kollisionsgefahr des Schneidrads beim Riickhub eingeschriinkt.
Dies gilt vor allem fUr Innenverzahnungen, wo mangels genauer Berech
nungsmoglichkeit aus Sicherheitsgriinden nur geringe Wiilzvorschiibe ver
wirklicht werden.
1m folgenden wird zuniichst iiber die Ermittlung der Spanungsquerschnitte
berichtet. Daran schlie~t sich ein Abschnitt an, der sich mit der Kolli
sionsgefahr beim Riickhub des Schneidrads beschiiftigt. 1m Anschlu~ da
ran wird dann, aufbauend auf diesen theoretischen Erkenntnissen, in prak
tischen Untersuchungen an Au~en- und Innenverzahnungen dem Einflu~
der wichtigsten, oben genannten Parameter auf den Verschlei~ nachge
gangen.
- 6 -
2.1 Bestimmung der Spanungsquerschnitte beim Walzstol3en
Die exakte Bestimmung der Spanungsquerschnitte beim Walzstol3en war
bisher wegen der gekriimmten Schneidkante des Werkzeugs und wegen des
komplizierten Eindringvorgangs der Schneide in das Werkrad mit grol3en
Schwierigkeiten verbunden. Es sind Naherungswerte bekannt, die jedoch
zum Teil nur die mittleren und maximalen Spanungsdicken beriicksichti
gen, wahrend der genaue Verlauf der Spanungsquerschnitte sowie die auf
tretenden kleinsten Spanungsdicken weitgehend unbekannt sind [1, 2, 7J .
Es wurde daher ein Digitalrechner-Programm entwickelt, das die genaue
Ermittlung der beim Walzstol3en auftretenden Spanungsquerschnitte er
laubt [6,7].
Samtliche Bewegungen von Schneidrad und Werkrad werden durch Rotatio
nen und Verschiebungen geeigneter Koordinatensysteme beschrieben.
Bild 3 zeigt die verwendeten Koordinatensysteme.
Bild 3 : Verwendete Koordinatensysteme zur Bestimmung der
Spanungsquerschnitte
CD
In System wird die hergestellte Zahnliickenkontur in einer oder in
®
mehreren Schnittebenen erfal3t. System kennzeichnet die Lage der
®
Zahnliicke auf dem Werkrad. Durch die Verdrehung von System
®
gegeniiber System wird die Werkraddrehung simuliert. Die Ver
® CD
schiebung von System gegeniiber System kennzeichnet den Achs
abstand sowie den seitlichen Tischversatz. Eine Veranderung des Ab
standes C34x pro Doppelhub entspricht der Radialvorschubbewegung.
®
Das Werkzeug wird durch einen Schneidzahn in System beschrieben,
0
das sich gegeniiber dem raumfesten System urn den Walzwinkel
rp = W 45 dreht. Die Schnittbewegung wird durch die periodische Veran
de rung des Abstandes C34z verwirklicht. Bei Schragverzahnungen iiber-
- 7 -
lagert sich eine zusatzliche Drehbewegung des Schneidrads.
Mit diesem Berechnungsverfahren werden samtliche Verzahnungs- und
Bearbeitungsbedingungen, wie sie im oberen Teil von Bild 2 aufgefUhrt
sind, berticksichtigt. Die Bestimmung der Spanungsquerschnitte geschieht
wie folgt:
Ein Zahn des Schneidrads, der ein beliebig korrigiertes Profil aufweisen
kann, beschreibt einen Arbeitshub. Dabei durchdringt er eine oder meh
rere Schnittebenen, in denen die Spanungsquerschnitte bestimmt weraen
sollen. Die Durchdringung in einer Schnittebene liefert die wirksame
Schneidenkontur in dieser Schnittebene. Sie wird anschlieaend mit der
momentanen Zahnltickenkontur zum Schnitt gebracht. Daraus resultieren
zum einen die in dieser Schnittebene und bei diesem Arbeitshub auftre
tenden Spanungsquerschnitte, zum andern ergibt sich die neue momenta
ne Zahnltickenkontur, wie sie fUr den nachsten Arbeitshub vorliegt.
Der Zahn des Schneidrads wird entlang der Schneidkante in n Abschnitte
aufgeteilt und durch einen Polygonzug ersetzt. Die erforderliche Zahl
von Abschnitten hangt von den Krtimmungsverhaltnissen an der Schneide
und der geforderten Genauigkeit abo
Der Spanungsquerschnitt einer Schnittebene und eines Arbeitshubs wird
entsprechend den Schneidenabschnitten in Segmente aufgeteilt, deren
Hohe die tatsachlichen Spanungsdicken bilden. Die anschlieaende Abwick
lung der Schneidkante samt Spanungsquerschnitten liefert ein anschauli
ches und quantitativ auswertbares Bild.
In Bild 4 sind verschiedene Arbeitshtibe (=Walzstellungen) mit den dazu
gehorigen Spanungsquerschnitten dargestellt. Es handelt sich dabei urn
einen praxistiblichen Verzahnungsfall mit folgenden Daten: Einschnittbe
arbeitung; m = 1 mm; B = 00; zl = 100; z2 = 40; Walzvorschub s =
0,35 mm/DH, d. h. 900 Doppelhtibe je Schneidradumdrehung.
Der gesamte Schnittvorgang teilt sich dabei in 30 Doppelhtibe je Zahnlilcke
auf, von denen 10 im Bild dargestellt sind. Zur besseren Verdeutlichung
sind die Spanungsdicken in der Abwicklung zehnfach vergroaert darge
stellt. Die maximalen Spanungsdicken treten - wie bekannt [7] - am
Zahnkopf auf, wahrend sich am Ubergang zur auslaufenden Flanke sehr
dtinne Spane bilden. Insgesamt rallt auf, daa im Laufe der Ausbildung
einer Zahnlilcke sehr unterschiedliche Spanungsquerschnitte an dem
gleichen Schneidradzahn auftreten.
Bild 5 gibt den Verlauf samtlicher Spanungsquerschnitte bei der Her
stellung einer Zahnlilcke wieder. Dabei sind Spanungsquerschnitte maa
stabsgetreu tiber der Schneidkantenabwicklung aufgetragen. Mit Hilfe
der eingezeichneten Spanbegrenzungslinie lassen sich die Lange des im
Eingriff befindlichen Teils der Schneidkante sowie die Spanform bestim
men: von Walzstellung 3 bis 17 entstehen U-fCirmige Spane, die sich tiber
einlaufende Flanke, Kopf und auslaufende Flanke erstrecken. Von Walz
stellung 18 bis 26 teilt sich der Span in einen L-fCirmigen an einlaufender
Flanke und Kopf und einen kommafOrmigen an der auslaufenden Flanke.
