FEM unterstützte Parameterstudie des Innengewinde-Fertigungsverfahrens Gewindefurchen

Holsten, Sven

kassel university press, ISBN: 978-3-89958-190-4, 2006, 184 Pages

URN: urn:nbn:de:0002-1905

Zugl.: Kassel, Univ., Diss. 2005

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Content: Die Herstellung kleiner Innengewinde erfolgt in der Regel gegen Ende der Wertschöpfungskette und birgt ein vergleichsweise hohes Ausschussrisiko aufgrund der eng begrenzten, innenliegen-den Bearbeitungszone. Dementsprechend bieten spanfrei ablaufende Fertigungsverfahren wie das Gewindefurchen meistens technologische und ökonomische Vorteile. Die mechanische Beanspruchung eines derartigen Gewindeformers hängt von konstruktiven und technologischen Parametern gleichermaßen ab.

In dieser Arbeit sind die wechselseitigen Einflusspotenziale ausgewählter Technologie- und Werkzeuggeometrieparameter mit Hilfe fraktioneller statistischer Faktorversuchspläne eruiert worden, um darauf aufbauend Regressionsmodelle für das Gesamtverhalten des Fertigungssys-tems Gewindefurchen bereitzustellen. Ausgehend vom Realprozess ist das Beschreibungsmodell durch Analogieexperimente und numerische FEM-Simulationen sukzessive ergänzt worden. Die entwickelten Regressionsmodelle beschreiben die technologisch begründeten Effekte des Real-versuchs genauso wie die konstruktiv begründeten Belastungseffekte des Analogieexperiments oder die inneren Beanspruchungsgrößen der numerischen Simulation.

Grundlage der Parameterstudie ist ein dreidimensionales, parameterorientiertes Geometriemodell des Gewindeformers. Fertigungsversuche mit realen Gewindeformern an C45E Werkstücken dienen der Bestimmung des Einflusses von Schmierung, Vorbohrdurchmesser und Umfangsgeschwindigkeit. Im Analogieexperiment werden neben den Technologiefaktoren Schmierung und Umfangsgeschwindigkeit vor allem konstruktive Merkmale wie die Formkeilhöhe, die Formstollenanzahl oder die Formkeilspitzenverrundung, die Werkzeugbeschichtung, aber auch die An-ordnung der Formkeile im Einlaufkegel untersucht. Die abschließende FEM Analyse dient der ergänzenden Bestimmung von parameterabhängigen Beanspruchungszuständen.

Insgesamt wirkt sich die Wahl des Vorbohrdurchmessers dominant auf die Höhe von Moment und Vorschubkraft aus. Schmierung und Umfangsgeschwindigkeit sind in ihrer Wirkung dem Faktor untergeordnet. Bei festgelegtem Vorbohrdurchmesser bestimmen die Reibungsbedingungen maßgeblich die Beträge der auftretenden Prozesslasten. Ursache ist die flächenbezogene Kraftübertragung durch gleitende Reibung beim Gewindefurchen. Neben der globalen Änderung der Kontaktbedingungen durch den Schmierstoff wirken sich vor allem jene Faktoren aus, wel-che die Kontaktflächen konstruktiv festlegen. Diese sind die Formstollenzahl und die Formkeilhöhe.

Die beschriebenen Regressionsmodelle bieten dem Werkzeugentwickler die Möglichkeit, die Auswirkung konstruktiver oder technologischer Änderungen im Fertigungssystem Gewindefurchen a priori abzuschätzen und die Systemgestaltung hinsichtlich gewählter Zielvorgaben anzupassen.

FEA supported parameter study of the internal screw-thread manufacturing process cold form tapping

The production of mediocre and small internal screw threads is usually placed at the end of the production chain and holds a comparably high rejection risk due to the closely limited, interior processing zone. Correspondingly chip-less procedures as the cold form tapping offer technological and economic advantages. The mechanical demands of such a form tap depend on constructive and technological parameters equally.

In this work the mutual effects of selected technology and tool geometry parameters have been evaluated with the aid of statistical factor experiments in order to provide an involution models for the entire system behaviour of the manufacturing process. Starting from the real process the described model is successively complemented by analogy experiments and FEA. The developed involution models covers the technology-based effects of the real experiment just as well as the constructively determined load effects of the analogy experiment or the interior strains suggested by the FEA results.

A three-dimensional, parameter oriented geometry model of the form tap is the basis of this parameter study. Manufacturing experiments with real taps are used for the evaluation of the influence of lubrication, predrilling-diameter and circumferential speed. In the analogy experiment constructively determined factors as the lobe height, the number of lobes or the lobe crest radius as well as the tool coating, the circumferential speed or the tool shape are evaluated. The FEA is used for the supplementary evaluation of parameter-dependent strains.

In total the choice of the predrilling-diameter affects the height of torque and thrust dominantly. Lubrication and circumferential speed are subordinate in their effect. At a determined predrillingdiameter the friction conditions determine authoritatively the amounts of the occurring process loads. Beside the general influence of the contact conditions ruled by the lubricant and those factors that determine the contact surfaces constructively take effect. These are the number of lobes and the lobe height.

The described involution model offers the possibility to estimate the effects of constructive or technological changes in the thread forming manufacturing system and to adapt the system design with regard to chosen targets.

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