Suchen

Projekt des Jahres

Kegelräder besser verstehen – junge Ingenieurin erhält Preis

| Redakteur: Katharina Juschkat

Kegelräder sind anspruchsvolle Werkstücke, die Leistung unter einem Achskreuzwinkel übertragen. Die Ingenieurin Julia Mazak hat untersucht, wie die Werkzeugeinsatzdauer für Kegelräder gesteigert werden kann und wurde dafür geehrt.

Firmen zum Thema

Ein Kegelradgetriebe besteht aus einem Kegelrad (auch Tellerrad genannt) und einem Kegelritzel. Wie die Werkzeugeinsatzdauer für Kegelräder gesteigert werden kann, hat die Ingenieurin Julia Mazak untersucht.
Ein Kegelradgetriebe besteht aus einem Kegelrad (auch Tellerrad genannt) und einem Kegelritzel. Wie die Werkzeugeinsatzdauer für Kegelräder gesteigert werden kann, hat die Ingenieurin Julia Mazak untersucht.
(Bild: Myriam Thyes/gemeinfrei / CC0)

Julia Mazak vom Werkzeugmaschinenlabor WZL der RWTH Aachen beschäftigt sich bereits seit ihrem Studium mit Kegelrädern – jetzt wurde die 30-jährige auf der EMO vom VDW-Forschungsinstitut für das „Projekt des Jahres“ ausgezeichnet. Mazak hat erstmals systematisch untersucht, wie die Werkzeugeinsatzdauer für Kegelräder, die der Übertragung von Leistung unter einem Achskreuzwinkel dienen, erhöht werden kann.

Auf der EMO zeichnet der VDW das „Projekt des Jahres“ aus (v.l.): Jürgen Kreschel (Gleason), Stefan Brand (VDW), Julia Mazak (RWTH Aachen) und Alexander Broos (VDW).
Auf der EMO zeichnet der VDW das „Projekt des Jahres“ aus (v.l.): Jürgen Kreschel (Gleason), Stefan Brand (VDW), Julia Mazak (RWTH Aachen) und Alexander Broos (VDW).
(Bild: Deutsche Messe)

Klare Parameter, um Verschleiß zu verringern

Hierzu untersuchte Mazak nicht nur wie üblich das Ausmaß des Verschleißes der Werkzeuge, sondern auch die erzielbare Werkstückqualität. „Bislang werden die Prozessparameter, die den Verschleiß möglichst lange herauszögern sollen, nach subjektiven Erfahrungswerten eingestellt“, berichtet die Preisträgerin. „Nun erhalten Hersteller klare Vorgaben für Parameter wie Werkzeugwinkel oder auch Art des Werkzeug-Vorschubs an die Hand.“ In den Versuchen konnte die Einsatzdauer um bis zu 12 Prozent gesteigert werden.

Kegelräder sind unter anderem in jedem Differenzial in Pkw und Lkw zu finden und sorgen für ein geschmeidiges Um-die-Kurve-Fahren. Doch wenige kennen sich mit diesen komplizierten Werkstücken wirklich aus. „Kegelräder sind sehr anspruchsvolle Werkstücke, man muss dreidimensional denken. Während meines Studiums konnten mir nur wenige erläutern, was es mit ihnen auf sich hat“, sagt Julia Mazak. „Gerade dieses Mysterium hat mich sehr gereizt.“

Abgebranntes Labor und Nachtarbeit erschweren Forschung

Vorversuche hatten gezeigt, dass der Werkzeugwinkel Einfluss auf seinen Verschleiß hat. Mazak entschied sich 2015, ihre Doktorarbeit zu diesem Thema zu verfassen. Die Forschungsarbeit verzögerte sich jedoch um ein ganzes Jahr, da 2016 die Versuchshalle der RWTH Aachen in einer Nacht bis auf ihre Grundmauern abbrannte. Fast alle Verzahnungsmaschinen, Werkzeuge und Werkstücke fielen dem Feuer zum Opfer. „Doch die Firma Kordel Antriebstechnik war so hilfsbereit, die Zerspanversuche in ihren laufenden Betrieb mit aufzunehmen“, erzählt Mazak. Trotzdem hatte die Ingenieurin mit erschwerten Bedingungen zu kämpfen. Sie musste mehrfach zur Firma Kordel reisen, denn die Maschinen standen nur in bestimmten Zeitfenstern zur Verfügung. Das wiederum bedeutete nicht selten auch Nachtarbeit. Von ihrem Ziel ließ sich die 30-Jährige dadurch nicht abbringen.

Optimalen Winkelbereich als Empfehlungswert

Am Werkzeug gibt es unterschiedliche Bereiche, deren Winkel theoretisch Einfluss auf die Geschwindigkeit des Verschleißes haben könnten. Mazak untersuchte die Hauptschneide, die aus Flanke und Kopf besteht. Sie konnte zeigen, dass der Winkel am Kopf kaum Einfluss auf den Verschleiß der Schneide hat. Anders die sogenannten Span- und Freiwinkel an der Flanke der Schneide. „Wir haben uns in unseren Zerspanversuchen deswegen auf die Flanke konzentriert und den optimalen Winkelbereich definiert“, berichtet Mazak. „Hersteller können auf diese Empfehlungswerte ab sofort zugreifen und damit die Wirtschaftlichkeit ihrer Produktion deutlich erhöhen.“

Da die Werkzeuge bis auf wenige Mikrometer genau ausgerichtet werden müssen, ist der Einbau sehr aufwändig. Um den Verschleiß zu messen, müssen sie jedoch ausgebaut werden. „Wir haben nun erstmals Abdrücke von den Schneiden gemacht, und daran die Verschleißmarken gemessen. Das hat gerade einmal drei bis fünf Minuten gedauert.“

Es zeigte sich darüber hinaus, dass die Art des Werkzeugvorschubs ebenfalls Einfluss darauf hat, wie lange ein Werkzeug in der Maschine verbleiben kann. „Bei degressiven Vorschubrampen, bei denen das Werkzeug zunächst schneller und gegen Ende der Bearbeitung langsamer bewegt wird, hält es am längsten“, präzisiert Mazak. Um diese unterschiedlichen Zerspanungsbedingungen unter die Lupe zu nehmen, nutzte Mazak eine weitere neue Methode. Mit so genannten Heatmaps konnte sie nachvollziehen, wie häufig während des Prozesses bestimmte Kennwerte am Werkzeug vorkommen. Das wiederum gibt Aufschluss darüber, wie stark ein Werkzeug belastet ist – das heißt, wie schnell es an welcher Stelle verschleißt. Heatmaps sind bekannt aus dem Fußball. Sie zeigen auf, welcher Spieler wie oft über das Feld gelaufen ist.

Anwendertreff Mechatronische Antriebstechnik

Im Fokus des Anwendertreffs Mechatronische Antriebstechnik stehen die mechanischen Komponenten Getriebe, Kupplungen und Bremsen sowie deren Auslegung, Dimensionierung und Zusammenspiel im mechatronischen Gesamtsystem.

Dieser Beitrag ist urheberrechtlich geschützt. Sie wollen ihn für Ihre Zwecke verwenden? Kontaktieren Sie uns über: support.vogel.de (ID: 46145927)