Einfluss von prozessinduzierten Eigenspannungen auf die Zahnfußtragfähigkeit schergeschnittener Zahnräder

Zur Übertragung höherer Drehmomente werden in der Regel oberflächengehärtete Zahnräder verwendet. Die Herstellung oberflächengehärteter Zahnräder besteht aus mehreren komplexen und kostenintensiven Fertigungsschritten, um eine hohe Tragfähigkeit bzw. eine hohe Leistungsdichte sicherzustellen. Die Zahnfuß- und Grübchentragfähigkeit kann mit einem Strahlprozess, z. B. Kugelstrahlen nach der Wärmebehandlung, durch die gezielte Einbringung von Druckeigenspannungen zusätzlich signifikant erhöht werden. Zur Übertragung geringerer Drehmomente bzw. Leistungen können Kunststoffzahnräder eingesetzt werden. Zahnräder aus Kunststoffen sind zum Teil einfacher und kostengünstiger herzustellen, wobei die erreichbaren Tragfähigkeiten deutlich unterhalb der von oberflächengehärteten Zahnrädern liegen.

Near-Net-Shape-Blanking Verfahren (NNSBV) sind Scherschneidverfahren zum endkonturnahen Ausschneiden, welche die Herstellung von verfestigten Funktionsflächen samt Eigenspannungen in nur einem Prozessschritt ermöglichen. Schergeschnittene Zahnräder lassen sich kostengünstig in großer Stückzahl fertigen. Die Tragfähigkeit dieser schergeschnittenen Zahnräder ist bisher nicht untersucht. Um die Einordnung der Tragfähigkeit dieser Zahnräder in bestehende Konzepte zu ermöglichen, werden bewusst völlig unterschiedliche Werkstoffkonzepte verglichen ohne eine detaillierte Diskussion der werkstoffkundlichen Aspekte anzustreben.

In ersten Untersuchungen [32] wurden die verschiedenen Near-Net-Shape-Blanking Verfahren (NNSBV) an einfachen Geometrien hinsichtlich eines erwünschten Eigenspannungszustands untersucht. Die Schneidverfahren und der Einfluss der Prozessparameter wie z. B. Schneidspalt, Matrizen- und Stempelverrundung auf die Schnittflächenkenngrößen, Oberflächenrauheit, sowie auch die Eigenspannungen wurde systematisch untersucht. Zusätzlich wurden bereits Schwingfestigkeitsuntersuchungen an Modellgeometrien durchgeführt und der Einfluss der prozessinduzierten Eigenspannungen auf die Biegeschwellfestigkeit untersucht [21, 22, 31]. Erste Untersuchungen zur Zahnfußtragfähigkeit von feingeschnittenen Zahnrädern, sowie gemessene Härte- und Eigenspannungsverteilungen sind in [23] bereits veröffentlicht.

In diesen vorangegangenen Untersuchungen hat sich innerhalb der entkonturnahen Scherschneidverfahren das Feinschneiden hinsichtlich der Schnittflächenqualität, des Eigenspannungszustands und der Schwingfestigkeit als günstig erwiesen. Beim Feinschneiden wird ein Werkzeugaufbau verwendet, welcher sich im Vergleich zum Standard-Normalschneiden durch die Verwendung eines Gegenhalters und einer Ringzacke auf der Matrize und/oder dem Niederhalter auszeichnet, wie in Abb. 1 dargestellt. In Folge dessen werden für den Feinschneidprozess maschinenseitig drei voneinander unabhängig agierende Kräfte benötigt [18]. Durch die hohe erzielbare Schnittflächengüte und Maßhaltigkeit findet die Zahnradfertigung durch Feinschneiden zumindest in einigen speziellen Bereichen bereits Anwendung, unter anderem in Automobilen, Haushaltsgeräten und medizinischen Gerätschaften [9].

Der erzielbare Glattschnittanteil an Feinschneidprodukten hängt maßgeblich vom gewählten Schneidspalt ab, dem umlaufenden horizontalen Abstand zwischen der Matrize und dem Schneidstempel [34]. Um hohe Glattschnittanteile an den Schnittflächen zu produzieren, erweist sich ein kleiner Schneidspalt als vorteilhaft, wie unter anderen Spisak et al. und Sahli et al. bestätigen [27, 30]. Schmidt et al. geben für die Größe des relativen Schneidspalts beim Feinschneiden 0,5 % der Blechdicke als Richtwert an [28]. Die Präparation der Schneidkanten wird als weiterer Prozessparameter angesehen, um glatte Schnittflächen zu erzeugen. So wird für Ausschnitte die Matrizenschneidkante verrundet, während der Stempel im scharfkantigen Zustand verbleibt [18]. Wird anstatt einer Verrundung der Matrizenschneidkante eine Fase verwendet, weisen Kim et al. daraufhin, dass bei konstant gehaltener Fasenbreite die Kanteneinzugshöhe mit zunehmendem Fasenwinkel ansteigt [17]. Auch die Ringzackengeometrie und deren Abstand zur Matrizenschneidkante beeinflussen die entstehenden Schnittflächen [20]. Des Weiteren stellten Fuchiwakia et al. einen erheblichen Einfluss der Schnittliniengeometrie auf die Schnittflächenkenngrößen fest. Beim Ausschneiden mittels Feinschneiden verursachen ausspringende Geometrieelemente mit kleinen Eckenwinkeln und kleinen Verrundungen große Kanteneinzügshöhen, welche wiederum den Glattschnittanteil verringern [8]. Dem Gegenhalter wird bezüglich der Beeinflussung des Glattschnittanteils an der Schnittfläche nur eine untergeordnete Rolle zugeschrieben. Der maßgebliche Einfluss des Gegenhalters auf die Bauteilqualität besteht darin, dass dieser die Bauteildurchbiegung signifikant reduziert [1]. Grund hierfür ist das Einspannen des Schnittteils zwischen Stempel und Gegenhalter während des Feinschneidens, welches zu einer geringeren plastischen Durchbiegung führt [12]. Die Verwendung eines Gegenhalters beim Feinschneiden scheint den Eigenspannungszustand auf der Schnittfläche beim Ausschneiden positiv zu beeinflussen. Durch die Verwendung eines Gegenhalters beim Feinschneiden konnten im Gegensatz zum Schneiden mit kleinem Schneidspalt und Ringzacke Druckspannungen sowohl in axialer als auch in tangentialer Richtung auf der Schnittfläche erzeugt werden [32].

Durch Feinschneiden wurden aus 6 mm dicken Blechen aus dem Baustahl S355MC Zahnräder hergestellt. Dabei wurde der Matrizenschneidkantenradius \(r_{\text{M}}\) variiert. Die feingeschnittenen Zahnräder wurden hinsichtlich Geometrie und Schnittflächencharakterstik, Härteverteilung, Rauheit und prozessinduzierten Eigenspannungen untersucht und hinsichtlich Zahnfußtragfähigkeit im Pulsatorversuch getestet.

Die verschiedenen Matrizenschneidkantenradien (\(r_{\text{M}}=50;100;150;200\,\mu\text{m}\)) führen zu vergleichbaren Geometrien und Schnittflächenkenngrößen. Bei allen Varianten wurde ein Glattschnittanteil von über 98 % über der Blechdicke erreicht. Die Härte an der Schnittfläche wurde durch den Feinschneidprozess von 150 HV auf 330 HV erhöht, wobei die Härteverteilung bei allen Varianten vergleichbar ist. Die Rauheit auf der Schnittfläche liegt bei ca. \(Ra=1{,}36{\ldots}1{,}77\) \(\mu\)m und damit deutlich höher als bei gefrästen Verzahnungen. Es zeigte sich zudem bei größerem Matrizenschneidkantenradius eine höhere Rauheit Ra.

Die Eigenspannungen wurden an der Zahnflanke und in der Zahnfußrundung gemessen. Dabei zeigten sich an der Schnittfläche höhere Druckeigenspannungen bei größerem Matrizenschneidkantenradius. Für die Variante mit einem Matrizenschneidkantenradius von \(r_{\text{M}}=200\,\mu\text{m}\), konnten Druckeigenspannungen bis zu ca. -700 MPa ermittelt werden.

Für die vier feingeschnittenen Varianten wurden (Teil-)Wöhlerlinen zur Zahnfußtragfähigkeit bestimmt. Die ermittelte Zahnfußdauerfestigkeit stieg dabei tendenziell mit größer werdendem Matrizenschneidkantenradius. Die ermittelten Zahnfußdauerfestigkeiten liegen mit \(\sigma_{F\text{lim}}=317{\ldots}327\,\text{N\,mm}^{-2}\) im Bereich von ungestrahlten einsatzgehärteten Zahnrädern und weit über dem Niveau von häufig verwendeten und kostengünstig herstellbaren Kunststoffzahnrädern. Die ermittelten Zahnfußdauerfestigkeiten für die verschiedenen Matrizenschneidkantenradien unterscheiden sich nur geringfügig, jedoch korrelieren die Unterschiede mit den eingestellten unterschiedlichen Eigenspannungszuständen der Varianten.

Zusätzlich wurden für einen Matrizenschneidkantenradius \(r_{\text{M}}=150\,\mu\text{m}\) Stichversuche mit feingeschnittenen und anschließend spannungsarmgeglühten sowie quasi normalgeschnittenen Varianten durchgeführt. Für beide Varianten zeigt sich im Vergleich zu den feingeschnittenen Zahnrädern eine Abnahme der ertragbaren Lastwechsel bei kleineren Lasten. Diese Abnahme wird auf den vorliegenden, hinsichtlich Zahnfußtragfähigkeit „schlechteren“ Eigenspannungszustand zurückgeführt. Jedoch ergaben sich für diese Varianten auch geringere maximale Härtewerte. Die aktuelle Datenlage erlaubt somit keine genaue Bewertung oder Trennung der jeweiligen Effekte von Härte und Eigenspannungen. Es wird jedoch angenommen, dass die Unterschiede der Härtewerte deutlich kleiner sind als die Unterschiede im Eigenspannungszustand und somit die Druckeigenspannungen maßgeblich für die höheren ertragenen Lastspielzahlen sind.

Es ist zu beachten, dass für die Bewertung der Zahnfußtragfähigkeit in der Regel die Eigenspannungen in tangentialer Richtung an der \(30^{\circ}\)-Tangente als maßgeblich angesehen werden. Deren Ermittlung ist im weiteren Verlauf der Arbeiten vorgesehen. Im Rahmen der bisherigen Arbeiten wurden die Eigenspannungen im Zahngrund nur in axialer Richtung gemessen. Zusammen mit den durchgeführten Messungen an der Zahnflanke in axialer und tangentialer Richtung, lassen sich jedoch zumindest erste Tendenzen ableiten. Allerdings können diese Ergebnisse nur mit begrenzter Zuverlässigkeit mit den ermittelten Zahnfußtragfähigkeiten direkt in Verbindung gebracht werden. Eine weitergehende Bewertung der Ergebnisse und detaillierte Korrelation der entsprechenden Kennwerte soll nach Vorliegen aller Ergebnisse erfolgen.

Diese Arbeit zeigt bereits das Potenzial der Verwendung von Scherschneidverfahren wie dem Feinschneiden zur Herstellung von Zahnrädern oder anderen komplexen Geometrien mit funktionalen Oberflächen. Die Produktionskosten und auch Produktionszeiten für die Herstellung sind vergleichbar mit Kunststoffzahnrädern, die Zahnfuß-Dauerfestigkeit liegt jedoch wesentlich höher.

Bei den durchgeführten Untersuchungen wurde ein duktiler Stahl mit geringer Festigkeit im Vergleich zu üblicherweise eingesetzten Zahnradwerkstoffen verwendet. Durch das Feinschneiden von Zahnrädern aus höherfesten Werkstoffen können möglicherweise höhere Druckeigenspannungen induziert werden und damit die Zahnfußdauerfestigkeit einerseits durch den höherfesten Grundwerkstoff und andereseits durch einen verbesserten Druckeigenspanungszustand weiter gesteigert werden. Bei einem höherfesten Grundwerkstoff ist aufgrund einer höheren Eigenspannungsempfindlichkeit auch von einem größeren Einfluss der eingestellten Eigenspannungen auszugehen. Im weiteren Verlauf des Forschungsprojektes sollen außerdem Laufversuche zur Flankentragfähigkeit mit einer schergeschnittenen Verzahnung durchgeführt und die Grübchendauerfestigkeit bestimmt werden.

D. Müller, J. Stahl, A. Nürnberger, R. Golle, T. Tobie, W. Volk und K. Stahl geben an, dass kein Interessenkonflikt besteht.