Kugelstrahlen und Polierschleifen

Einfluss von Kugelstrahlen und Polierschleifen auf die Tragfähigkeit von einsatzgehärteten Verzahnungen

Ziel des Forschungsvorhabens war es, den Wissensstand zur Zahnflanken- und Zahnfußtragfähigkeit von Prüfverzahnungen, welche nach der Wärmebehandlung intensiv festigkeitsgestrahlt und im Anschluss einem kombinierten Schrupp- und Polierschleifprozess unterzogen wurden, zu erweitern. Diese neuartige Prozesskette erlaubt eine wirtschaftliche Zahnradfertigung hochtragfähiger Zahnräder. Spezielle Kugelstrahlprozesse, basierend auf den Erkenntnissen aus FVA 812 I und II erlauben es, ausgeprägte Druckeigenspannungen in Tiefenbereiche einzubringen, welche größer als der Schleifabtrag sind. Da das Kugelstrahlen in Kombination bzw. statt der praxisüblichen Reinigungsstrahlen nach der Wärmebehandlung erfolgen kann und der Schlichtprozess zur Erzeugung hochfeiner Oberflächen in Kombination mit dem Schruppschleifprozess durchgeführt wird, kann ein finaler Gleitschleifprozess entfallen. Somit sind keine zusätzlichen Arbeitsschritte im Vergleich zu nach Stand der Technik konventionell geschliffenen Verzahnungen notwendig.

Im Vorgängerforschungsvorhaben FVA 521 III deutete sich anhand von Stichversuchen für solch eine gefertigte Prüfverzahnung eine sehr hohe Grübchentragfähigkeit an. Aufbauend auf dieser Versuchsbasis wurden im aktuellen Forschungsvorhaben weitere Laufversuche zur Grübchentragfähigkeit an einer kugelgestrahlten und im Anschluss schrupp- und poliergeschliffenen Variante durchgeführt. Untersuchungen an den Prüfrädern zeigten, dass nach dem Zahnflankenschleifen im oberflächennahen Bereich ein ausgeprägtes Druckeigenspannungsmaximum von ca. -1000 N/mm² vorhanden war. Ebenso lagen sehr feine Oberflächenrauheiten von Ra < 0,1 μm vor und somit konnte das Ziel des Fertigungsprozesses erreicht werden. In den Laufversuchen zeigte sich eine gute Übereinstimmung mit den Stichversuchen des Basisvorhabens. Eine Auswertung nach ISO 6336-5 [ISO16b] ergibt eine Dauerfestigkeit von σH lim = 2139 Nm und liegt somit bis zu 18 % oberhalb von Varianten aus FVA 521 III mit hochfein geschliffenen Zahnflanken vergleichbarer Oberflächengüte, welche keine ausgeprägten Druckeigenspannungen aufweisen. Hierbei zeigt sich direkt der tragfähigkeitssteigernde Einfluss der eingebrachten Druckeigenspannungen. Des Weiteren konnte festgestellt werden, dass bereits für Drehmomente geringfügig oberhalb der Dauerfestigkeit Ausfälle durch Grübchenschäden bei vergleichsweise geringen Lastspielzahlen erfolgten, und somit eine deutliche Überlastempfindlichkeit nachgewiesen werden kann.

Das Projekt 521 IV der Forschungsvereinigung Antriebstechnik e.V. (FVA) wurde über Eigenmittel finanziert.