taktpartnern, dem Schmierstoff und dem Umgebungsmedium einstellen [CZIC10]. Die Reibung im Wälzkontakt ergibt sich aus dem Schmierungszustand im Kontakt, der sich in Abhängigkeit vom Schmierstoff, der Einspritztemperatur sowie der Oberflächenrauheit und -struktur einstellt [SCHM85, KREI08, MAYE13, BAGH15, LÖPE15]. Zur Reibungsreduktion und Tragfähigkeitssteigerung von hochbelasteten Wälzkontakten wird insbesondere die Oberflächentopographie als Optimierungsparameter untersucht [MAYE13, SCHÖ13], vgl. Bild 1. Für deterministisch erzeugte Oberflächenstrukturen, z.B. durch ein Laserpolieren oder strukturieren, ergibt sich für flache Napfstrukturen ein verbessertes Einsatzverhalten hinsichtlich Reibung im Vergleich zu polierten Oberflächen [MAYE13]. Aus Wissenschaft und Forschung 38 Tribologie + Schmierungstechnik · 68. Jahrgang · 3-4/ 2021 DOI 10.24053/ TuS-2021-0018 Einleitung und Motivation Wälzkontakte, wie z.B. der Zahnflankenkontakt, sind komplexe tribologische Systeme, deren Eigenschaften sich durch die Wechselwirkungen zwischen den Kon- Wälzfestigkeit erodierter Oberflächen im Zwei-Scheiben-Zahnradanalogieversuch Dieter Mevissen, Ugur Küpper, Jens Brimmers, Thomas Bergs* Dieser Beitrag wurde im Rahmen der 62. Tribologie-Fachtagung 2021 der Gesellschaft für Tribologie (GfT) eingereicht. Die Technologie der Funkenerosion hat in den letzten beiden Jahrzenten aufgrund von Fortschritten in der Leistungselektronik und der hochfrequenten Prozessregelung einen entscheidenden technologischen Schub zur Erhöhung der erzielbaren Abtragbzw. Schnittraten und zur Minimierung der thermisch beeinflussten Randzone erhalten. Gleichzeitig zeichnete sich insbesondere die Drahtfunkenerosion schon immer durch eine hohe erzielbare Geometriegenauigkeit aus. Zudem bildet sich bei der Funkenerosion infolge der einzelnen Entladepunkte eine napfförmige Oberflächenstruktur aus, die ein gezieltes Optimierungspotential hinsichtlich der tribologischen Eigenschaften im Wälzkontakt und damit der Leistungsfähigkeit bieten kann. Aus diesem Grund ist Ziel des Berichts die Kenntnis der Wälzfestigkeit von erodierten Oberflächen im Vergleich zu einer geschliffenen Referenz mit dem Fokus auf zahnradtypischen Kontaktbedingungen. Schlüsselwörter Wälzfestigkeit, EDM, Funkenerosion, Drahterodieren, Zwei-Scheiben-Kontakt, Randzonenermüdung, fertigungsbedingte Oberflächeneigenschaften, Oberflächenrauheit Contact Fatigue Strength of Eroded Surfaces in a Disk-on-Disk Analogy Test Rig Due to advances in power electronics and high-frequency process control, the technology of electrical discharge machining (EDM) has received a decisive technological boost in the last two decades to increase the achievable removal and cutting rates and to minimize the thermally influenced surface zone. At the same time, wire electrical discharge machining in particular has always been characterized by high achievable geometrical accuracy. In addition, a cup-shaped surface structure is formed in EDM as a result of the individual discharge points, which can offer targeted optimization potential with regard to tribological properties in rolling-sliding contacts. For this reason, the objective of this report is the knowledge of the contact fatigue strength of eroded surfaces in comparison to a ground reference with a focus on tribological contact conditions typical for gears. Keywords contact fatigue strength, EDM, electrical discharge machining, wire EDM, disk-on-disk contact, surface fatigue, manufacturing-related surface properties, surface roughness. Kurzfassung Abstract * Dieter Mevissen M.Sc. (federführender Autor) Orcid-ID: https: / / orcid.org/ 0000-0002-9369-6363 Ugur Küpper M.Sc., Dr.-Ing. Jens Brimmers, Orcid-ID: https: / / orcid.org/ 0000-0001-9203-1119 Prof. Dr.-Ing. Thomas Bergs, Orcid-ID: https: / / orcid.org/ 0000-0003-2754-2689 Werkzeugmaschinenlabor (WZL) der RWTH Aachen, Getriebeabteilung, Lehrstuhl für Technologie der Fertigungsverfahren, Campus-Boulevard 30, 52074 Aachen TuS_3_4_2021.qxp_TuS_Muster_2021 03.09.21 13: 28 Seite 38 Ähnlich zur Laserbearbeitung kann auch die Funkenerosion durch die prozessinhärente Ausbildung einer Kraterlandschaft eine in tribologischer Hinsicht optimierte Oberflächenstruktur erzeugen. Ausgedehnte weiße Randzonen, Risse und Poren können bei optimierter Prozessführung gänzlich verhindert werden, sodass die Funkenerosion gerade im Prototypenbau als alternatives Fertigungsverfahren für Wälzkontakte, wie bspw. bei Verzahnungen, dienen kann [KLOC07]. Das Potential der Funkenerosion hinsichtlich der Herstellung von Verzahnungen im Prototypenbereich wurde von Bouquet et al. analysiert [BOUQ14] Demnach zeichnet sich die Funkenerosion unter den gegebenen Randbedingungen durch eine sehr gute Verzahnungsqualität in Kombination mit einer guten Oberflächenqualität im Vergleich zu einer Fräsbearbeitung bzw. Herstellung mittels Selective Laser Melting aus. Der Vorteil der Funkenerosion und insbesondere der Drahterosion gegenüber der Laserbearbeitung besteht darin, dass kein zusätzlicher Fertigungsschritt benötigt wird, sondern direkt mit dem formgebenden Fertigungsverfahren eine optimierte Oberflächenstruktur für bestimmte Anwendungen eingestellt werden kann (Bild 1). Derzeit ist die Wälzfestigkeit erodierter Oberflächen jedoch für den industriellen Einsatz unzureichend erforscht. Das Ziel dieses Berichts ist daher die Kenntnis der Wälzfestigkeit von erodierten Oberflächenstrukturen unter zahnradtypischen Kontaktbedingungen. Die Vorgehensweise zur Zielerreichung besteht aus drei Schritten. Im ersten Schritt werden das Prüfkonzept und die Prüfvarianten definiert sowie die Eigenschaften der Prüfkörper charakterisiert. Als Prüfkonzept wird ein Zwei-Scheiben-Zahnradanalogieprüfstand verwendet, um ein effizientes Screening für unterschiedlich erodierte Oberflächenstrukturen und eine kosteneffiziente Bewertung der Dauerfestigkeit für eine potentialträchtige Variante zu ermöglichen. Durch die Variation der Fertigungsparameter bei der Funkenerosion werden entsprechend unterschiedliche Oberflächeneigenschaften eingestellt, sodass für unterschiedliche Varianten die Wälzfestigkeit ermittelt und ein Optimierungspotential abgeleitet werden kann (Schritt 2: Screening-Untersuchungen). Dabei wurde die resultierende Oberflächenstruktur aus dem Funkenerosionsprozess gezielt auf die Anforderungen an das Einsatzverhalten des Bauteils eingestellt und auf eine zusätzliche Oberflächenveredelung als finalem Fertigungsschritt (z.B. chemisches Gleitschleifen oder Laserstrukturieren) verzichtet. Aufbauend auf den Screening-Untersuchungen erfolgt die Ermittlung der Dauerfestigkeit der besten erodierten Variante im Vergleich zu einer geschliffenen Referenz. Anhand der Versuchsergebnisse kann die Wälzfestigkeit erodierter Oberflächen im Wöhlerdiagramm vergleichend zu einer Referenz bewertet werden. Prüfstand, Prüfkörper und Messgeräte Zur Ermittlung der Wälzfestigkeit der erodierten Oberflächen wurden Untersuchungen auf dem WZL-Zwei- Scheiben-Wälzfestigkeitsprüfstand durchgeführt, Bild 2. Der Zwei-Scheiben-Kontakt ist ein Analogieversuch und überführt den tribologischen Beanspruchungszustand im Zahnflankenkontakt auf eine Ersatzgeometrie in Form von zwei Scheiben [KLOC17]. Der Prüfkörper ist zylindrisch ausgeführt (d 1 = 42 mm), während der Gegenkörper einen Balligkeitsradius (R bal = 166 mm) in axialer Richtung aufweist, um bei den technischen Prüfstandsgegebenheiten schädigungsrelevante Pressungen aufbringen zu können [GOHR82, STRE97]. Der Antrieb des Prüfsystems erfolgt über einen Elektromotor und einen Riementrieb. Der Schlupf von s 1 = -28 % wird über ein Schlupfgetriebe realisiert. Die Aufbringung der Prüflast erfolgt über einen hydraulischen Druckzylinder in Kombination mit einem Hebelsystem realisiert. Die Aus Wissenschaft und Forschung 39 Tribologie + Schmierungstechnik · 68. Jahrgang · 3-4/ 2021 DOI 10.24053/ TuS-2021-0018 Vorgehensweise 2. Screening-Untersuchung im Bereich der Zeitfestigkeit zur Bewertung unterschiedlich erodierter Oberflächen 3. Durchführung von Wälzfestigkeitsuntersuchungen im Bereich der Dauerfestigkeit (Wöhlerverhalten) 1. Definition der Prüfvarianten und Charakterisierung der Prüfkörper Kenntnis der Wälzfestigkeit von unterschiedlich erodierten Oberflächenstrukturen Ziel Motivation Kontinuierliche Optimierung der Wälzfestigkeit zur Steigerung der Leistungsdichte Verbesserung durch gezielt strukturierte Oberflächen Potential erodierter Oberflächen aufgrund einer prozessinhärenten napfförmigen Oberflächenstruktu Verkürzung der Fertigungskette Zoom 100 m 20 m Erodierte Oberflächenstruktur Bild 1: Motivation, Zielsetzung und Vorgehensweise TuS_3_4_2021.qxp_TuS_Muster_2021 03.09.21 13: 28 Seite 39 duktivität im Vergleich zu anderen Arbeiten gesteigert werden Die Erfassung der Oberflächentopografie im Ausgangszustand und nach dem Experiment erfolgte mit einem taktilen Oberflächenmessgerät der Firma JENOPTIK Industrial Metrology Germany GmbH vom Typ Hommel etamic nanoscan 855. Die verwendete Tastspitze wies einen Spitzenradius von r sp = 5 µm mit einem Kegelwinkel von γ = 60° auf. Die Auswertung der Rauheitskennwerte erfolgte nach DIN EN ISO 4288 mit einer Grenzwellenlänge λ c = 0,8 mm [ISO98]. Zudem wurde bei der Auswertung ein kurzwelliger Profilfilter λ s = 2,5 µm zur Reduktion des Rauscheinflusses angewendet. Aufgrund der begrenzten Kontaktbreite (Punktkontakt) wurden anstelle der empfohlenen fünf Einzelmessstrecken nur drei Einzelmessstrecken ausgewertet, sodass die Gesamtmessstrecke für die Auswertung inklusive des Cut-Offs l ges = 3,2 mm betrug. Vorstudie zur Wälzfestigkeit unterschiedlich erodierter Oberflächen Zur Bewertung der Wälzfestigkeit wurden Untersuchungen auf einem Zwei-Scheiben-Zahnflankenanalogieprüfstand durchgeführt. Im Zwei-Scheiben-Prüfstand werden die tribologischen Kontaktbedingungen für einen Punkt entlang der Eingriffstrecke im Zahnflankenkontakt durch zwei aufeinander abwälzende Scheiben nachgebildet [KLOC17]. Im ersten Schritt wurde ein Screening im Bereich der Zeitfestigkeit durchgeführt, um die Wälzfestigkeit der Randzone für unterschiedliche Bearbeitungsstrategien im EDM-Prozess zu bewerten. Neben einer konventionellen geschliffenen Referenzvariante wurden vier Varianten mittels EDM hergestellt. Die Variation der Randzoneneigenschaften, insbesondere der Oberflächenrauheit und der Dicke der weißen Randschicht, erfolgte über die Anzahl an Schlichtschnitten, Aus Wissenschaft und Forschung 40 Tribologie + Schmierungstechnik · 68. Jahrgang · 3-4/ 2021 DOI 10.24053/ TuS-2021-0018 Schmierölzuführung erfolgt mittels einer temperaturgeregelten Einspritzschmierung (T = 90 °C, FVA3A 4 % Anglamol). Zur Herstellung der Prüfkörper wurde eine klassische Fertigungsprozesskette für einsatzgehärtete Bauteile durchlaufen (Weichbearbeitung, Härten, Hartbearbeitung). Am fertigen Bauteil lag für eine Grenzhärte von 550 HV1 eine Einsatzhärtetiefe von CHD 550HV1 = 1,1 mm vor. Für die Bearbeitung der geschliffenen Prüfflächen durch den Prozess des Außenrund-Umfangs-Querschleifens zwischen Spitzen wurde eine Schleifscheibe der Spezifikation 89A 802 J 5A V217 mit den Abmessungen 500 x 60 x 203,2 der Firma Tyrolit verwendet. Die Umfangsgeschwindigkeit des Werkstücks und der Schleifscheibe betrug v w = 0,4 m/ s bzw. v c = 40 m/ s. Insgesamt wurde im Schrupp- und Schlichtvorgang ein radiales Aufmaß von q = 0,1 mm zerspant. Die Ausfunkzeit betrug t = 2 s. Die erodierten Prüfkörper wurden auf einer wasserbasierten Makino U6 H.E.A.T. mit einem t = 0,25 mm dicken Messingdraht bearbeitet, vgl. Bild 1. Der Draht wurde dabei tangential an die Prüffläche angelegt, sodass ein Punktkontakt für den Erodierprozess entstand, vgl. Bild 2. Zum Einspannen und Rotieren der Wellen wurde eine Indexierspindel der Firma Carl Hirschmann eingesetzt. Dazu wurden die an den Lagersitzen geschliffenen Wellen einseitig gespannt und mithilfe von Rundlaufmessungen an zwei Referenzflächen ausgerichtet. Da das Einsatzverhalten unterschiedlicher erodierter Oberflächengüten untersucht werden sollte, wurde eine Technologie mit einem Hauptschnitt (HS) und sieben Nachschnitten (NS) entwickelt. Weitere Schlichtoperationen zeigten keine Verbesserung der Oberflächenqualität. Im Gegensatz zu anderen Arbeiten wurde die Technologie mit einer geregelten Vorschubgeschwindigkeit entwickelt. Dadurch konnten auch Wellen mit leicht unterschiedlichen Durchmessern bearbeitet und die Pro- Zwei-Scheiben-Wälzfestigkeitsprüfstand a = 42,05 mm F N,max = 16 kN n 1 = 3000 min -1 s 1 = -80 … 45 % Q Öl,max = 5 l/ min T Öl,max = 120 °C 1 Prüfwelle 2 Gegenwelle 3 Druckzylinder 4 Andruckhebel 5 Prüfgehäuse 6 Antriebsmotor 7 Schlupfgetriebe 8 Druckspeicher 9 Hydraulikaggregat 10 Schmierung 6 7 8 9 10 2 1 4 3 5 Kontaktgeometrie Punktkontakt d 1/ 2 = 42 mm R bal = 166 mm Funkenerosion der Zwei-Scheiben-Prüfkörper Fertigungsaufbau Drahtfunkenerosion Punktkontakt Kontinuierliche Rotation des Prüfkörpers Draht Prüffläche Rotation Punktkontakt Messuhr 1 Messuhr 2 Justierschrauben Prüfkörper Bild 2: WZL-Zwei-Scheiben-Wälzfestigkeitsprüfstand und Fertigungsaufbau beim Drahterodieren TuS_3_4_2021.qxp_TuS_Muster_2021 03.09.21 13: 28 Seite 40 vgl. Tabelle 1. Die Oberflächenrauheit der Referenzvariante wurde mit Ra = 0,3 µm gegenüber den EDM- Varianten niedriger gewählt, weil bei höherer Rauheit neben Grübchen auch Graufleckigkeit aufgetreten ist, sodass aufgrund der Überlagerung unterschiedlicher Schadensarten keine eindeutige Bewertung möglich war. Die Versuchsbedingungen wurden auf Basis grübchenkritischer Kontaktbedingungen im Zahnflankenkontakt einer Prüfverzahnung definiert [GOHR82, STRE97], vgl. Bild 3 links. Vor dem Versuch wurde ein Einlauf zur Einglättung der Oberflächen mit p H,Einlauf = 1100 MPa für N Einlauf = 1,8 ·10 5 Lastwechsel (LW) durchgeführt. Die Prüflast von p H = 2600 MPa wurde durch Voruntersuchungen so gewählt, dass die Lastwechselzahl bis zum Schaden für die Referenzvariante ca. 25 ·10 6 LW betrug. Die Eigenschaften des geschliffenen Gegenkörpers wurden für alle Versuche mit einer Rauheit von Ra = 0,19 ± 0,05 µm konstant gehalten. In Bild 3 oben werden die Versuchsergebnisse für die unterschiedlichen EDM-Varianten im Vergleich zur geschliffenen Referenzvariante dargestellt. Für jede Variante wurden zur statistischen Absicherung drei Versuche durchgeführt (Streubalken: Minimum/ Maximum). Für die drahterodierten Varianten ist die Lastspielzahl bis zum Grübchenschaden durchschnittlich geringer, wobei berücksichtigt werden muss, dass auch die Rauheit der geschliffenen Variante im Ausgangszustand geringer war als die Rauheit der EDM-Variante mit den meisten Nachschnitten (EDM0.4). Entsprechend der Erwartungshaltung aus dem Stand der Technik erreicht die Variante EDM0.4 mit der geringsten Ausgangsrauheit die höchste Lastspielzahl aller EDM- Varianten. Mit steigender Ausgangsrauheit sinkt die Lastspielzahl degressiv, wobei die Variante EDM1.5 unter Berücksichtigung der Streuung eine vergleichbare Lastspielzahl wie die Variante EDM0.5 erreicht. Es ist jedoch zu erkennen, dass für die höchste Ausgangsrauheit (EDM1.5) die Streuung zunimmt. Die ersten drei EDM-Varianten weisen eine niedrigere Streuung auf als die geschliffene Referenz. Zur Festigung dieser Tendenz sind jedoch zusätzlich Versuche zur statistischen Absicherung notwendig. Für einen besseren Verständnisaufbau wurden die Schadensbilder und die Veränderung der Kontaktgeometrie analysiert, vgl. Bild 3 mittig. Alle Varianten fallen durch ein muschelförmiges Grübchen in der Mitte der Laufbahn aus, was dem Stand der Technik entspricht. Der Grübchenausbruch kann in die zwei Bereiche der Ermüdungszone (1) und Restgewaltbruchzone (2) unterteilt werden [BREC17]. Zudem wurde die Veränderung der Kontaktgeometrie anhand von Profilmessungen beider Scheiben vor und nach dem Versuch ausgewertet, Bild 4 unten. Die Ausrichtung erfolgt anhand von Referenzpunkten außerhalb der Laufbahn, wobei der Ausgangszustand der Prüfwelle hellblau und der Endzustand dunkelblau dargestellt wird. Für die Gegenwelle ist es andersrum (dunkel- / hellgrau). Entsprechend den Schadensbildern ist für die Aus Wissenschaft und Forschung 41 Tribologie + Schmierungstechnik · 68. Jahrgang · 3-4/ 2021 DOI 10.24053/ TuS-2021-0018 Kontaktgeometrie d 1/ 2 = 42,05 mm b 1/ 2 = 14 mm R bal = 166 mm Prüfbedingungen p H,soll = 2600 MPa s 1 = -28 % n = 3000 min -1 Q Öl = 1,5 l/ min T Öl,in = 90 C Öl: FVA3 A 4% Erläuterung Grübchen Punktkontakt Kontaktgeometrie Schaden: Grübchen 2 mm Zoom Ermüdungszone(1) Gewaltbruch (2) F R 0 10 20 30 40 REF0.3 EDM0.4 EDM0.5 EDM0.9 EDM1.5 Lastwechsel / 10 6 geschliffen min/ max 50 µm 9 mm Prüfkörper Bild 3: Ergebnisse der Screening-Untersuchungen Variante REF0.3 EDM0.4 EDM0.5 EDM0.9 EDM1.5 # Schlichtschnitte geschliffen 7 4 3 2 Rauheit Ra / µm 0,3 0,4 0,5 0,9 1,5 Dicke weiße Schicht d / µm keine 2 2,4 2,8 3,9 Tabelle 1: Versuchsvarianten für die Voruntersuchungen zur Wälzfestigkeit erodierter Oberflächen TuS_3_4_2021.qxp_TuS_Muster_2021 03.09.21 13: 28 Seite 41 Ausgangszustand nahezu vollständig durch die Wälzbeanspruchung eingeglättet, wobei auf der Oberfläche einzelne Vertiefungen (Fehler) verbleiben. Die Anzahl an Vertiefungen/ Fehlern auf der Oberfläche nimmt mit der Ausgangsrauheit zu. Abschließend wurde der Eigenspannungszustand unterhalb der Oberfläche in einer Tiefe von t = 5 µm gemessen und vergleichend dargestellt (Bild 4 unten). Nach dem Erodieren stellt sich entsprechend der Erwartung in der Randzone ein Zugeigenspannungszustand ein. Der Betrag der Zugeigenspannung ist dabei nahezu unabhängig von der Anzahl der Nachschnitte (Oberflächenrauheit). Demgegenüber sind die Eigenspannungen bei der Referenzvariante im Ausgangszustand entsprechend der Prozesscharakteristik negativ. Nach dem Prüflauf weisen alle Varianten negative Eigenspannungen mit einem ähnlichen Betrag auf. Insbesondere für die erodierten Oberflächen werden die positiven Eigenspannungen infolge der Druckbeanspruchung im Wälzkontakt vom Zugin den Druckbereich umgewandelt. Wälzfestigkeit erodierter Oberflächen zu einer geschliffenen Referenzoberfläche Aufbauend auf den Screening-Untersuchungen wurde die Grübchendauerfestigkeit für die beste drahterodierte Variante (EDM0.4) vergleichend zur geschliffenen Referenzvariante anhand des Treppenstufenverfahrens ermittelt. Für jede Variante wurden dazu mindestens 7 Versuche in die Treppenstufe eingeordnet. Für beide Varianten liegt das untere und obere Lastniveau der Treppenstufe bei p H,unten/ oben = 1900 / 2100 MPa, sodass sich ein Dauerfestigkeitsniveau mit einer Hertzschen Pressung von p H,dauer = 2000 bzw. 2010 MPa ergibt. Unter Berücksichtigung der Konfidenzintervalle ist die Dauerfestigkeit der erodierten Oberfläche somit gleich zur geschliffenen Referenz. Aus Wissenschaft und Forschung 42 Tribologie + Schmierungstechnik · 68. Jahrgang · 3-4/ 2021 DOI 10.24053/ TuS-2021-0018 Referenzvariante keine Veränderung der Kontaktgeometrie erkennbar. Für die EDM-Varianten ist ein ausgeprägtes Einlaufverhalten im Bereich der äußeren Randzone für die Prüfwellen zu erkennen. Die Veränderung der Prüfwelle ist umso ausgeprägter, je höher die Ausgangsrauheit bzw. je dicker die weiße Schicht ist. Für die Variante EDM1.5 ist im Vergleich zu allen anderen Varianten zudem eine Veränderung der Gegenwellen zu erkennen, sodass bei der höchsten Rauheit eine Grenze hinsichtlich Verschleiß am Gegenkörper überschritten wurde. Zur Analyse des Einlaufverhaltens wurden die Oberflächen mittels REM-Aufnahmen, die Oberflächenrauheit und die Eigenspannung vor und nach dem Prüflauf analysiert, vgl. Bild 4. Die Oberflächenrauheit vor dem Prüflauf entspricht dem Versuchsplan und damit der Rauheit aus dem finalen Bearbeitungsschritt beim Erodieren. Nach dem Prüflauf reduziert sich der Ra-Wert für alle Varianten infolge der Normalkraftübertragung. Unabhängig von der Ausgangsrauheit ist die Rauheit nach dem Prüflauf für die erodierten Varianten unter Berücksichtigung der Streuung nahezu gleich, wodurch das ausgeprägte Einlaufverhalten (vgl. Profilmessungen in Bild 3) bestätigt wird. In Bezug auf die Wälzfestigkeit korreliert der Ra-Wert nach dem Prüflauf mit der Lastspielzahl bis zum Grübchenschaden, was dem Stand der Technik entspricht [PREX90, VOLG91]. Somit ist zu beachten, dass für die erodierte Oberfläche höhere Rauheiten nach der Fertigung zugelassen werden können, um die gleiche Wälzfestigkeit zu erreichen. Das Einlaufverhalten wurde tiefergehend anhand von REM-Aufnahmen bewertet, Bild 4 mitte. Bei der geschliffenen Referenz bleibt die Riefenstruktur aus dem Außenrundquerschleifprozess nach dem Einlauf erhalten, wobei die Einglättung durch eine Deformation der Rauheitsspitzen erfolgt. Bei den erodierten Oberflächen wird die prozessbedingte, kraterförmige Struktur im Prüfbedingungen p H,soll = 2600 MPa s 1 = -28 % n = 3000 min -1 Q Öl = 1,5 l/ min T Öl,in = 90 C Öl: FVA3 A 4% Gehärtetes Gefüge Legende vor Prüflauf nach Prüflauf Eigenspng. Axial / MPa REM Aufnahmen Rauheit Ra / m 0,0 0,5 1,0 1,5 REF0.3 EDM0.4 EDM0.5 EDM0.9 EDM1.5 min/ max -600 -400 -200 0 200 400 REF0.3 EDM0.4 EDM0.5 EDM0.9 EDM1.5 m 40 m 10 m Bild 4: Weiterführende Analyse der Screening-Untersuchungen TuS_3_4_2021.qxp_TuS_Muster_2021 03.09.21 13: 28 Seite 42 In Bild 5 werden alle Versuchspunkte im Wöhlerdiagramm aufgetragen. Für beide Varianten ist Wöhlerverhalten erkennbar. Die höhere Lastspielzahl der Referenzvariante im Screening konnte im Bereich der Dauerfestigkeit somit nicht bestätigt werden. Für beide Varianten ergibt sich eine vergleichbare Versuchsstreuung. Hinsichtlich der Veränderung über der Versuchsdauer unterscheiden sich beide Varianten, vgl. Verschleißanalyse Bild 5. Analog zu Bild 4 wurde die Kontaktgeometrie für die Verschleißanalyse vor dem Versuch und am Ende gemessen und zueinander ausgerichtet. Bei der geschliffenen Referenz ist die Laufbahn weitestgehend intakt, wobei einzelne Versuche den Beginn von Mikroausbrüchen zeigen, vgl. Referenz Bsp. 2. Demgegenüber findet bei der drahterodierten Variante für alle Versuche genau wie im Screening ein ausgeprägter Einlauf statt, der die thermisch beeinflusste Randzone (weiße Schicht) umfasst. Nach Abschluss dieses Einlaufs ist für einen Großteil der Versuche keine Veränderung über die gesamte Versuchsdauer mehr zu erkennen, vgl. Variante EDM0.4 Bsp. 1. Bei einzelnen Versuchen der drahterodierten Variante tritt jedoch ein kontinuierlicher Verschleiß auf (Bsp. 2), sodass sich die Kontaktgeometrie und damit die Pressung während des Versuchs verändern. Grund für den Verschleißbeginn kann eine prozessbedingte, lokale Beeinflussung der Randzone sein, die nur bei einzelnen Prüfkörpern aufgetreten ist. Zur Klärung des unterschiedlichen Verschleißverhaltens zwischen den Varianten und zwischen einzelnen Prüfkörpern der gleichen EDM-Variante besteht weiterer Forschungsbedarf. Zusammenfassend kann jedoch festgehalten werden, dass eine erodierte Oberfläche ähnliche Wälzfestigkeitseigenschaften aufweist wie eine geschliffene Referenzvariante, wobei zu beachten ist, dass aufgrund eines ausgeprägten Einlaufverhaltens im Bereich der weißen Schicht eine höhere Rauheit nach der Endbearbeitung durch die Funkenerosion zugelassen werden kann. Für die Auslegung erodierter Wälzkontakte sollte daher die Veränderung der Oberflächenrauheit durch die Belastung berücksichtigt werden. Zusammenfassung: Die Technologie der Funkenerosion hat in den letzten beiden Jahrzenten aufgrund von Fortschritten in der Leistungselektronik und der hochfrequenten Prozessregelung einen entscheidenden technologischen Schub zur Erhöhung der erzielbaren Abtragbzw. Schnittraten und zur Minimierung der thermisch beeinflussten Randzone erhalten. Gleichzeitig zeichnete sich insbesondere die Drahtfunkenerosion schon immer durch eine hohe erzielbare Geometriegenauigkeit aus. Zudem bildet sich bei der Funkenerosion infolge der einzelnen Entladepunkte eine napfförmige Oberflächenstruktur aus, die ein gezieltes Optimierungspotential hinsichtlich der tribologischen Eigenschaften im Wälzkontakt und damit der Leistungsfähigkeit bieten kann. Zur Reibungsreduktion und Tragfähigkeitssteigerung hochbelasteter Wälzkontakte haben vergangene Untersuchungen gezeigt, dass sich für deterministisch erzeugte Oberflächenstrukturen mit flachen Napfstrukturen, z.B. durch ein Laserpolieren oder -strukturieren, ein verbessertes Einsatzverhalten hinsichtlich Reibung im Vergleich zu polierten Oberflächen einstellt. Aus diesem Grund wird in diesem Bericht die Wälzfestigkeit erodierter Oberflächen tiefergehend analysiert. Das Ziel des Berichts ist die Kenntnis der Wälzfestigkeit von erodierten Oberflächen im Vergleich zu einer geschliffenen Referenz mit dem Fokus auf zahnradtypischen Kontaktbedingungen. Als Prüfkonzept wird ein Zwei-Scheiben-Zahnradanalogieprüfstand verwendet, um ein effizientes Screening für unterschiedlich erodierte Oberflächenstrukturen und eine kosteneffiziente Bewertung der Dauerfestigkeit für eine potentialträchtige Variante zu ermöglichen. Als Referenz wird eine geschliffene Oberflächenstruktur hinsichtlich Wälzfestigkeit untersucht. Neben den Grübchenuntersuchungen im Bereich der Zeit- und Dauerfestigkeit mit einer tiefergehenden Schadensanalyse werden umfangreiche Unter- Aus Wissenschaft und Forschung 43 Tribologie + Schmierungstechnik · 68. Jahrgang · 3-4/ 2021 DOI 10.24053/ TuS-2021-0018 N G 10 6 10 7 Verschleißanalyse (p H = 2100 Mpa) Zwei-Scheiben-Versuch d 1/ 2 = 42,05 mm b = 14 mm R bal1/ 2 = p H = variabel s 1 = -28 % n 1 = 3000 min -1 Q Öl = 1,5 l/ min T Öl,ein = 90 C Öl: FVA 3A 4% Anglamol Prüfvariantenvarianten Referenz REF: geschliffen - Ra = 0,2 - 0,3 µm Variante EDM0.4: drahterodiert - Ra = 0,4 - 0,5 µm - 7 Schlichtschnitte 1600 Hertzsche Pressung p H / MPa 2000 2200 2400 2600 10 8 Referenz: geschliffen Drahterodiert EDM0.4 Ohne Verschleiß Beginn Mikro- Ausbrüche Einlaufverschleiß Kontinuierlicher Verschleiß Bruch Durchläufer REF: p H,dauer = 2010 MPa EDM0.4: p H,dauer = 2000 MPa Bsp. 1 Bsp. 2 Bsp. 1 Bsp. 2 Bild 5: Ergebnisse der Wälzfestigkeitsuntersuchungen im Bereich der Dauerfestigkeit TuS_3_4_2021.qxp_TuS_Muster_2021 03.09.21 13: 28 Seite 43 Analogieversuche. Diss. 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Abschließend wird auf Basis der Ergebnisse eine Empfehlung für die Nutzung von erodierten Oberflächen im Wälzkontakt hinsichtlich Grübchen gegeben. Danksagung Gefördert durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - 387674136 Literatur [BAGH15] Bagh, A.: Auslegung PVD-beschichteter Stirnräder. Diss. RWTH Aachen University, 2015 [BOUQ14] Bouquet, J.; Hensgen, L.; Klink, A.; Jacobs, T.; Klocke, F.; Lauwers, B.: Fast production of gear prototypes - a comparison of technologies. In: Procedia CIRP, 14. Jg., 2014, S. 77-82 [BREC17] Brecher, C.; Löpenhaus, C.; Goergen, F.; Mevissen, D.: Crack Propagation Analysis of Pitting Damages of High-Strength Material Systems in Gear Applications. In: Proceedings of International Conference on Gears 2017. Garching, 13. - 15. September 2017. Düsseldorf: VDI Verlag, 2017 [CZIC10] Czichos, H.; Habig, K.-H.: Tribologie-Handbuch. Tribometrie, Tribomaterialien, Tribotechnik. 3. Aufl. 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