Oberflächenfinish von Zahnrädern

Lund University & Sandvik

Portraet Lund

Matthias Svahn,
Universität Lund

„Mit Alicona ist es gelungen, das sonst so zeit- und kostenintensive Oberflächenfinish für Zahnräder signifikant zu minimieren. Die Möglichkeiten des Messsystem InfiniteFocus, das wir bei Sandvik Coromant kennengelernt haben, haben uns buchstäblich umgehauen. Wir kennen kein Messsystem, mit dem sich sowohl die entscheidenden Form- und Lagetoleranzen als auch die Rauheitswerte von Zahnflanken mit nur einem System in diesem Umfang messen lassen.“

Um kostenintensive Nachbearbeitung zu vermeiden, entwickelte die schwedische Universität Lund in einem gemeinsamen Forschungsprojekt mit Sandvik Coromant ein Simulationsmodell zur Bestimmung von idealen Maschinenparametern für einen Verzahnungsfräser. Der Fräser soll Zahnflanken mit optimaler Oberflächengüte fertigen. Mit Alicona hat das Forschungsteam die mathematischen Modelle validiert und auf Praxistauglichkeit überprüft: „Durch den hohen Arbeitsabstand konnten wir die Rauheit auch an Zahnflanken messen, die für uns vorher gar nicht zugänglich waren“, bestätigt Forschungsleiter Mattias Svahn.

Steigender Kostendruck im globalen Wettbewerb fordert eine wirtschaftlichere Getriebeproduktion. Einer der gravierendsten Kostenfaktoren ist der Prozess der Nachbearbeitung bzw. das Oberflächenfinish durch Schleifen oder Honen, um Zahnflanken die richtige Rauheit zu verleihen. Dieser Prozess soll minimiert werden, indem bereits mehr oder weniger perfekte Zahnräder mit idealer Oberflächengüte gefräst werden, die kaum noch nachbearbeitet werden müssen. Ausschlaggebend für die Fertigung von Zahnrädern mit der gewünschten Rauheit sind die richtigen Maschinenparameter von beispielsweise Verzahnungsfräsern. Vorschub, Schnittgeschwindigkeit etc. bestimmen im Wesentlichen die Rauheit der Zahnflanken und sind in weiterer Folge mitverantwortlich für die Materialermüdung und damit längere Lebensdauer sowie den geräuscharmen, gleichmäßigen Getriebelauf. Die „Vorhersage“, mit welchen Maschinenparametern welche Rauheitswerte gefertigt werden können, ist daher von großem wirtschaftlichem Interesse. Vor diesem Hintergrund initiierte die schwedische Universität Lund ein Forschungsprojekt, das sich genau diese Evaluierung mittels Simulationen zum Ziel gesetzt hat. Anlässlich der Einführung eines neuen Verzahnungsfräsers des schwedischen Werkzeugherstellers Sandvik Coromant ermittelte das Forschungsteam in einem mathematischen Modell, mit welchen Maschinenparametern Zahnräder mit idealer Oberflächengüte erzielt werden können. Ob sich in der Praxis Zahnflanken mit den von der Simulation berechneten Rauheitswerten auch tastsächlich fertigen lassen, wurde in Folge mit Alicona verifiziert. Der Einsatz der flächenhaften Rauheitsmessung ermöglichte es der Universität Lund, ihre Simulation in entsprechender Qualität zu validieren. „Die flächenhaften Rauheitsmessungen der Zahnflanken haben wir bei Sandvik Coromant durchgeführt und lernten im Zuge dessen Alicona kennen. Die hochgenauen Messungen bei der hohen Messgeschwindigkeit haben uns schnell überzeugt, selbst ein InfiniteFocus Messsystem anzuschaffen“, erklärt Forschungsleiter Mattias Svahn.

Gear Measurement

Alicona wird auch zur Formmessung von Zahnflanken eingesetzt. Anwender profitieren vom automatischen Vergleich der Messergebnisse mit CAD-Daten und Lagetoleranzen.

Rauheit und Lagetoleranz

Die Qualität einer Zahnflanke ist ein Zusammenspiel zwischen ihrer Rauheit und ihrer Geometrie. Die Rauheit der Zahnflanke spielt in mehrerer Hinsicht eine entscheidende Rolle. Sie ist u.a verantwortlich für Schwingungen und damit für die Geräuschentwicklung: Je rauer die Oberfläche, desto lauter wird es. Die gleichmäßige Übertragung der Bewegung im Getriebe hängt wiederum vor allem von den Form- und Lagetoleranzen des Zahnrades ab.

Für die Qualitätssicherung der Zahnräder ist daher sowohl eine fundierte Rauheitsmessung als auch die Formmessung unerlässlich. Bei der Rauheitsmessung kommt es vor allem darauf an, der dominanten Oberflächenstruktur der Zahnräder Rechnung zu tragen und hierfür die richtige Messtechnologie einzusetzen. Svahn entschied sich deshalb für das Verfahren von Alicona, da mit der profilbasierten Rauheitsmessung keine aussagekräftigen Ergebnisse erzielt werden können. „Mit der profilbasierten Messung kann ich lediglich einen Teil der Oberfläche abbilden. Je nachdem, wo das Profil gelegt wird, kommt es zu einer starken Streuung der Rauheitswerte. Die daraus resultierenden Messwerte sind für das Erstellen und Validieren des Berechnungsmodells nicht aussagekräftig“, erklärt der Forschungsleiter und Messexperte. Mit Alicona hingegen lässt sich die Rauheit über die gesamte Fläche, auch an der Zahnflanke, schnell, hochauflösend und wiederholgenau messen. Die Flächentexturparameter Sa, Sq, Sz liefern präzise Werte über die Oberflächengüte.

Formabweichungen zu einem CAD Datensatz bzw. Form- und Lagetoleranzen lassen sich mit der so genannten Differenzmessung bzw. Alicona Inspect verifizieren. Ergänzend zur Form- und Rauheitsmessung nutzt Lund auch die Visualisierungsmöglichkeiten der 3D Datensätze.

InfiniteFocus wurde zur Ermittlung von Maschinenparametern für einen Verzahnungsfräser eingesetzt:

 

  • Mit Alicona hat die schwedische Universität Lund in Zusammenarbeit mit Sandvik Coromant verifiziert, ob sich Zahnflanken mit Rauheitswerten fertigen lassen, die vorher in einem Simulationsmodell berechnet wurden.
  • Der Einsatz der flächenhaften Rauheitsmessung ermöglichte es dem Forschungsteam, ihre Simulation in entsprechender Qualität zu validieren.
  • Sa, Sq und Sz Parameter wurden auch an Zahnflanken messen, die vorher gar nicht zugänglich waren
  • Formabweichungen zu einem CAD Datensatz bzw. Form- und Lagetoleranzen wurden mit der Differenzmessung und Alicona Inspect verifiziert.