Mehrskalenmodellierung der thermomechanischen Werkzeugbelastung beim Trockenwälzfräsen

Troß, Nico; Bergs, Thomas; Karpuschewski, Bernhard

doi:42150

Mehrskalenmodellierung der thermomechanischen Werkzeugbelastung beim Trockenwälzfräsen = Multiscale modeling of the thermomechanical tool load in dry gear hobbing

Troß, Nico^RWTH*

2023

VerantwortlichkeitsangabeNico Troß

ImpressumAachen : Apprimus Verlag 2023

Umfang1 Online-Ressource : Illustrationen, Diagramme

ISBN978-3-98555-158-3

ReiheErgebnisse aus der Produktionstechnik ; 17/2023

Dissertation, RWTH Aachen University, 2023

Druckausgabe: 2023. - Auch veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak04

Hauptberichter/Gutachter
Bergs, Thomas (Thesis advisor)^RWTH* ; Karpuschewski, Bernhard (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2023-03-10

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2023-04242
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/956527/files/956527.pdf

Einrichtungen

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Getriebetechnik (frei) ; Mehrskalenmodell (frei) ; Wälzfräsen (frei) ; gear hobbing (frei) ; gear technology (frei) ; multiscale model (frei) ; GETRTF100 (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
Das Wälzfräsen ist eines der meist verwendeten Verfahren zur Herstellung von außenverzahnten Zahnrädern. Zur systematischen Werkzeug- und Prozessauslegung werden beim Wälzfräsen häufig geometrische Prozesskennwerte herangezogen. Diese berücksichtigen allerdings weder die materialphysikalischen Einflüsse noch die beim Wälzfräsen über den Prozess variierende Belastung. Insbesondere liegt ein Mangel an Modellen vor, die die thermische Belastung beim Wälzfräsen beschreiben. In dieser Arbeit wurde ein Mehrskalenmodell entwickelt, welches Spanungs- und Prozesskenngrößen mit thermomechanischen Belastungs- und Zustandsgrößen auf Basis numerischer FE-Berechnungen verknüpft. Hierzu wurde die thermomechanische Belastung auf der Mikroskala im Linear-Orthogonalschnitt mittels 2D-FE-Simulationen analysiert. Variiert wurden die Schnittgeschwindigkeit, die Spanungsdicke, der Wirk-Spanwinkel sowie der Schneidkantenradius. Auf Basis der FE-Simulationsergebnisse wurden analytische Modelle zur Approximation der Zerspankraftkomponenten und Temperaturkenngrößen abgeleitet und parametriert. Die parametrierten Modellgleichungen wurden anschließend auf den Wälzfräsprozess skaliert. Hierzu wurden zunächst die zeitlich und lokal entlang der Schneidkante aufgelösten Spanungs- und Prozesskenngrößen mittels einer ebenenbasierten Durchdringungsrechnung bestimmt. Diese dienen als Eingangsgrößen zur Berechnung der Zerspankraftkomponenten sowie der Temperaturverteilung auf der Spanfläche. Die Validierung des Mehrskalenmodells erfolgte einerseits anhand von Drehmomentmessungen im Schlagzahnversuch und andererseits durch einen Abgleich der Spanflächentemperatur mit 3D-FE-Simulationen.Das Mehrskalenmodell wurde im Hinblick auf eine Bewertung des Werkzeugverschleißes und die Verschleißprognose von PM-HSS S390 Werkzeugen analysiert. Hierzu erfolgte eine Gegenüberstellung zwischen den experimentell erfassten Verschleißkurven und rechnerisch ermittelten Verschleißbeträgen. Abschließend wurde die geometrische Unabhängigkeit von der Verzahnungs- und Werkzeuggeometrie sowie die praktische Anwendung des Modells zur systematischen Prozess- und Werkzeugauslegung anhand eines alternativen Verzahnungsfalls aufgezeigt. Das Modell erlaubt eine anwendungsgerechte sowie rechen- und zeiteffiziente Ermittlung des werkzeugseitigen, thermomechanischen Belastungskollektivs beim Wälzfräsen für unterschiedliche Prozessauslegungen mit geometrischer Unabhängigkeit. Die Kenntnis über das vorherrschende, werkzeugseitige Belastungskollektiv unterstützt bei der Interpretation und Beschreibung der daraus resultierenden Verschleißmechanismen und -formen. Durch ein besseres Verständnis der Werkzeugbelastung und des sich ergebenden Werkzeugverschleißes wird die wissensbasierte Auslegung von Werkzeug und Prozess unterstützt und folglich eine Prozessoptimierung ermöglicht.

Gear hobbing is one of the most applied technologies for the manufacturing of external gears. Geometric process characteristics are often used for systematic tool and process design in gear hobbing. However, neither the physical influences of the material, nor the varying load during the hobbing process are considered by these characteristics. In particular, there is a lack of models to describe the thermal load of the tool. In this work, a multiscale model was developed, which combines process and chip characteristics with thermomechanical load and state variables on the basis of numerical FE-calculations. For this purpose, the thermomechanical load was first analyzed on the microscale in the linear orthogonal cut by means of 2D-FE-simulations. The cutting speed, the chip thickness, the working rake angle and the cutting edge radius were varied. Based on the FE-simulation results, analytical models for the approximation of the cutting and thrust force as well as temperature characteristics were derived and calibrated. The model equations were then scaled to the hobbing process. For this purpose, the temporally and spatially resolved chip and process parameters were first determined by means of a plane-based penetration calculation. These serve as input variables for the calculation of the cutting and thrust force as well as the temperature distribution on the rake face. The multiscale model was validated on the one hand by means of torque measurements in the fly-cutting trial and on the other hand by comparing the rake face temperature with 3D-FE-simulations. The multiscale model was analyzed with regard to an evaluation of the tool wear and the wear prediction of PM-HSS S390 tools. For this purpose, a comparison was made between the experimentally observed wear behavior and the calculated wear. Finally, the geometrical independence from the gear and tool geometry as well as the practical application of the model for systematic process and tool design was demonstrated using an alternative gear case. The model allows an application-oriented as well as computationally and time-efficient determination of the thermomechanical load collective of the tool during hobbing for different process designs with geometric independence. Knowledge of the prevailing load collective assists in the interpretation and description of the resulting wear mechanisms and appearances. A better understanding of the tool load and the resulting tool wear supports the knowledge-based design of tool and process and consequently enables process optimization.

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