Consideration of functionally relevant geometric deviations in the design of metal forming processes for the production of gears by extrusion
Third Party Funds Group - Sub project
Start date : 01.04.2016
End date : 31.03.2023
Overall project details
Overall project
FOR 2271: Prozessorientiertes Toleranzmanagement mit virtuellen Absicherungsmethoden (FORTol)
June 1, 2016 - Aug. 14, 2023
Overall project speaker:
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Short description
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The subproject TP4 is part of the DFG research group 2271 - process-oriented tolerance management with virtual validation methods.
The component properties of metallic gears have a significant influence on the wear behavior of dry-running material pairings. Against the background of the advantages of forming production, the targeted adaptation of the production-related component properties during the extrusion process shows potential. Within the research group FOR 2271, parameters influencing the geometrical and mechanical properties of extruded gears are identified. The effects of the forming induced component properties on the operational behavior are investigated and the underlying wear mechanisms are determined. Finally, correlations between component properties and operational behavior as well as recommendations for the design of the extrusion process are derived.
Scientific Abstract
Das Teilprojekt TP 4 wird im Rahmen der DFG-Forschungsgruppe 2271 − Prozessorientiertes Toleranzmanagement mit virtuellen Absicherungsmethoden durchgeführt.
Zur Erreichung eines ganzheitlichen Toleranzmanagements ist es erforderlich, neben den prozessbedingten Ursachen für geometrische Bauteilabweichungen auch die aus dem Betrieb resultierenden Abweichungen bei der Toleranzvergabe zu berücksichtigen. Ziel des Teilprojektes ist es daher, Einflussgrößen auf das Betriebsverhalten fließgepresster Verzahnungen in der Materialpaarung Metall-Kunststoff zu identifizieren und funktionale Zusammenhänge zwischen den prozessbedingten Bauteileigenschaften und dem resultierenden Verschleißverhalten der Paarung abzuleiten. Aufbauend auf diesen Erkenntnissen soll eine betriebsoptimierte Auslegung des Fließpressprozesses zur Herstellung einsatzfertiger Verzahnungen erfolgen und die Einhaltung der funktionsrelevanten Toleranzen über die Betriebsdauer sichergestellt werden. Im Rahmen der Gesamtzielsetzung der Forschungsgruppe wird ein wichtiger Beitrag zur Erreichung eines ganzheitlichen Toleranzmanagements geleistet.
Grundlage bilden die Erkenntnisse der ersten Förderperiode. In dieser lag der Fokus auf der Identifikation prozessseitiger Einflussgrößen sowie fertigungsprozessbedingter Schwankungen auf die geometrische Ausformung und die mechanischen Eigenschaften mittels Vollvorwärtsfließpressen hergestellter Stahlzahnräder. Hierzu wurde der Fließpressprozess anhand der Finiten-Elemente-Methode abgebildet und ein Referenzprozess ausgelegt. Die Validierung des FEM-Modells erfolgte durch Modellversuche. Anschließend wurde das validierte Modell zur Identifikation bauteil- und prozessseitiger Einflussgrößen genutzt. Die Auswirkungen prozessbedingter Schwankungen auf die resultierenden geometrischen und mechanischen Bauteileigenschaften wurden durch weitere Modellversuche untersucht. Aus den Erkenntnissen wurde ein Prozessfenster zur Sicherstellung der Einhaltung der funktionsrelevanten Toleranzen abgeleitet.
In der zweiten Förderperiode werden die Auswirkungen der prozessbedingten geometrischen, mechanischen und tribologischen Eigenschaften der fließgepressten Verzahnung auf geometrische Abweichungen in Folge des charakteristischen Verschleißverhaltens der Materialpaarung Metall-Kunststoff im Betrieb untersucht. Die resultierende Abnahme der Zahnweite begrenzt die Einhaltung der Toleranzen sowie die Lebensdauer der Paarung aufgrund Zahnverschleißes. Die Untersuchungen zum Verschleißverhalten der Materialpaarung Metall-Kunststoff der ersten Förderperiode zeigen, dass die Eigenschaften des metallischen Partners wesentlichen Einfluss auf den Verschleiß beider Zahnräder besitzen. Vor diesem Hintergrund bieten die Wahl des Zahnradwerkstoffes sowie die gezielte Anpassung der einsatzrelevanten Bauteileigenschaften der Verzahnung innerhalb des Fließpressprozesses Potential. Im Rahmen des Teilprojekts werden die wesentlichen Verschleißmechanismen innerhalb der Materialpaarung identifiziert und auf einem Getriebeprüfstand die einsatzrelevanten Bauteileigenschaften der metallischen Verzahnung ermittelt. Anschließend werden Empfehlungen zur betriebsoptimierten Auslegung von Fließpressprozessen abgeleitet und verifiziert.
Involved:
Marion Merklein
Project Leader
Hinnerk Hagenah
Project Leader
Andreas Rohrmoser
Project Member
Robby Lorenz
Project Member
