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Evaluation of Gear Flank Surface Structure Produced by Skiving

Evaluation der Oberflächenstruktur von durch Wälzschälen gefertigten Zahnflanken

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Abstract

The surface structure of gear flanks has an impact on the performance of the gear mesh. Especially clearly visible structures are often expected to severely influence noise behavior. However, the evaluation proves to be difficult. Gears produced by skiving have a particular surface structure that is different from hobbed gears. Skiving is a continuous cutting technology for rotational symmetric and periodic structures. It is a very productive manufacturing process that can be used for internal and external gears. Soft machining as well as gear finishing is possible. This leads to increased use of skiving in gear production and the requirement to characterize the resulting flanks.

Standard modifications and periodic flank modifications will lead to low noise excitation. On a smaller scale, even the traces of the tooling from the manufacturing process have an impact on gear noise. The present study offers a geometrical approach to derive the microstructure of the flank surface from the skiving process. The effects of machining parameters on the microstructures are analyzed and the impact on noise is discussed.

Zusammenfassung

Die Oberflächenstruktur von Zahnradflanken beeinflusst die Performance von Zahnrädern. Deutlich sichtbare Strukturen wirken sich häufig deutlich auf das Geräuschverhalten aus. Die Beurteilung ist allerdings herausfordernd. Die charakteristische Oberflächenstruktur der Zahnflanken beim Wälzschälen unterscheidet sich vom Wälzfräsen. Wälzschälen ist ein produktives, kontinuierlich spanendes Herstellungsverfahren für rotationssymmetrische und periodische Strukturen, welches sowohl für Innen- als auch Außenverzahnungen eingesetzt werden kann. Eine Weich- und eine Hartfeinbearbeitung ist möglich. Diese Eigenschaften führen zu einer verstärkten Nutzung des Wälzschälens in der Fertigung und zu der Notwendigkeit die resultierenden Flanken zu charakterisieren.

Standard und periodische Flankenkorrekturen ermöglichen eine geringe Geräuschanregung. Selbst die Bearbeitungsspuren des Herstellungsverfahrens können in einem kleineren Maße das Geräuschverhalten beeinflussen. Die vorliegende Studie beschreibt einen geometrischen Ansatz, um die Mikrostruktur der Flankenoberfläche des Wälzschälens zu bestimmen. Die Auswirkungen der Maschinenparameter auf die Mikrostruktur werden analysiert und der Einfluss auf das Geräusch diskutiert.

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Abbreviations

\(\mathrm{a}_{0}\) :

Center distance between the tool and the workpiece (mm)

\(\mathbf{a}_{0}\) :

Axis point vector of tool

\(\mathbf{a}_{2}\) :

Axis point vector of workpiece

\(\mathbf{b}_{0}\) :

Axis directional vector of tool

\(\mathbf{b}_{2}\) :

Axis directional vector of workpiece

\(\upbeta _{0}\) :

Helix angle of tool (°)

\(\upbeta _{2}\) :

Helix angle of workpiece (°)

\(\mathrm{d}_{2}\) :

Reference diameter of the workpiece (mm)

\(\mathrm{D}_{\boldsymbol{b}}\left(\upvarphi \right)(\mathbf{c})\) :

Rotation function of vector c by the angle φ around axis b

\(\mathrm{e}\) :

Offset (mm)

\(\mathbf{e}_{z}\) :

Standard basis of the coordinate system in z‑direction

\(\upvarphi _{2}\) :

Rotation angle of workpiece (°)

\(s_{\mathrm{ax}}\) :

Axial feed (mm)

\(\Upsigma\) :

Shaft intersection angle (°)

\(\mathbf{x}\) :

Tool geometry

\(\tilde{\mathbf{x}}\) :

Tool trajectory

\(\mathbf{y}\) :

Workpiece geometry

\(z_{0}\) :

Teeth number of tool

\(z_{2}\) :

Teeth number of workpiece

∆z:

Movement of tool resulting from axial feed (mm)

References

  1. Jia K, Zheng S, Guo J, Hong J (2019) A surface enveloping-assisted approach on cutting edge calculation and machining process simulation for skiving. Int J Adv Manuf Technol 100(5):1635–1645. https://doi.org/10.1007/s00170-018-2799-7

    Article  Google Scholar 

  2. Fleischer J, Schmidt J, Bechle A (2005) Im Wälzschälen steckt viel Potenzial. Wb Werkstatt Betr 10/10:44–48

    Google Scholar 

  3. von Pittler W (1910) Verfahren zum Schneiden von Zahnrädern mittels eines zahnradartigen, an den Stirnflächen der Zähne mit Schneidkanten versehenen Schneidwerkzeuges. German Patent. Nr DE000000243514A

  4. Klocke F, Koellner T (1999) Hard gear finishing with a geometrically defined cutting edge. Gear Technol 16/6:24–29

    Google Scholar 

  5. Schmidt J, Bechle A (2003) Wälzschälen als neues Hochleistungsbearbeitungsverfahren – Anforderungen an die Werkzeugentwicklung. Zwf – Zeitschrift Für Wirtschaftlichen Fabrikbetr 11:589–593

    Article  Google Scholar 

  6. Klocke F, Brecher C, Löpenhaus C, Ganser P, Staudt J, Krömer M (2016) Technological and Simulative Analysis of Power Skiving. Procedia CIRP 50:773–778. https://doi.org/10.1016/j.procir.2016.05.052

    Article  Google Scholar 

  7. Guo E, Hong R, Huang X, Fang C (2014) Research on the design of skiving tool for machining involute gears. J Mech Sci Technol 28(12):5107–5115. https://doi.org/10.1007/s12206-014-1133-z

    Article  Google Scholar 

  8. Moriwaki I, Osafune T, Nakamura M, Funamoto M, Uriu K, Murakami T, Nagata E, Kurita N, Tachikawa T, Kobayashi Y (2017) Cutting Tool Parameters of Cylindrical Skiving Cutter With Sharpening Angle for Internal Gears. J Mech Design. https://doi.org/10.1115/1.4035432

    Article  Google Scholar 

  9. Antoniadis A (2012) Gear skiving—CAD simulation approach. Comput Des 44(7):611–616. https://doi.org/10.1016/j.cad.2012.02.003

    Article  Google Scholar 

  10. Zheng F, Zhang M, Zhang W, Guo X (2018) Research on the Tooth Modification in Gear Skiving. J Mech Design. https://doi.org/10.1115/1.4040268

    Article  Google Scholar 

  11. Guo E, Hong R, Huang X, Fang C (2015) A correction method for power skiving of cylindrical gears lead modification. J Mech Sci Technol 29(10):4379–4386. https://doi.org/10.1007/s12206-015-0936-x

    Article  Google Scholar 

  12. Shih Y‑P, Li Y‑J (2018) A Novel Method for Producing a Conical Skiving Tool With Error-Free Flank Faces for Internal Gear Manufacture. J Mech Design. https://doi.org/10.1115/1.4038567

  13. Zhu S, Kuang T, Fang D, Xu L, Lao Q, Shang Z (2018) Calculation of skiving cutter blade. AIP Conf Proc 1967. https://doi.org/10.1063/1.5039070

    Article  Google Scholar 

  14. Tsai C‑Y (2016) Mathematical model for design and analysis of power skiving tool for involute gear cutting. Mech Mach Theory 101:195–208. https://doi.org/10.1016/j.mechmachtheory.2016.03.021

    Article  Google Scholar 

  15. Guo E, Ren N, Ren X, Liu C (2019) An efficient tapered tool having multiple blades for manufacturing cylindrical gears with power skiving. Int J Adv Manuf Technol. https://doi.org/10.1007/s00170-018-03239-z

    Article  Google Scholar 

  16. Guo E, Hong R, Huang X, Fang C (2015) Research on the cutting mechanism of cylindrical gear power skiving. Int J Adv Manuf Technol 79(1):541–550. https://doi.org/10.1007/s00170-015-6816-9

    Article  Google Scholar 

  17. Guo Z, Mao S‑M, Du X‑F, Ren Z‑Y (2017) Influences of tool setting errors on gear skiving accuracy. Int J Adv Manuf Technol 91(9):3135–3143. https://doi.org/10.1007/s00170-017-9988-7

    Article  Google Scholar 

  18. Kühlewein C (2013) Untersuchung und Optimierung des Wälzschälverfahrens mit Hilfe von 3D-FEM-Simulation – 3D-FEM Kinematik- und Spanbildungssimulation. Dissertation, Karlsruhe Institute of Technology

    Google Scholar 

  19. Bechle A (2006) Beitrag zur prozesssicheren Bearbeitung beim Hochleistungsfertigungsverfahren Wälzschälen. Dissertation, Karlsruhe Institute of Technology

    Google Scholar 

  20. Hühsam A (2002) Modellbildung und experimentelle Untersuchung des Wälzschälprozesses. Dissertation, Karlsruhe Institute of Technology

    Google Scholar 

  21. Jansen W (1980) Leistungssteigerung und Verbesserung der Fertigungsgenauigkeit beim Wälzschälen von Innenverzahnungen. Dissertation, RWTH Aachen University

    Google Scholar 

  22. Tapoglou N (2019) Calculation of non-deformed chip and gear geometry in power skiving using a CAD-based simulation. Int J Adv Manuf Technol 100(5):1779–1785. https://doi.org/10.1007/s00170-018-2790-3

    Article  Google Scholar 

  23. Tachikawa T, Iba D, Kurita N, Nakamura M, Moriwaki I (2017) Basic Study on Calculation of Cutting Forces Useful for Reducing Vibration in Skiving. J Mech Design. https://doi.org/10.1115/1.4037625

    Article  Google Scholar 

  24. Uriu K, Osafune T, Murakami T, Nakamura M, Iba D, Funamoto M, Moriwaki I (2017) Effects of shaft angle on cutting tool parameters in internal gear skiving. J Mech Sci Technol 31(12):5665–5673. https://doi.org/10.1007/s12206-017-1107-z

    Article  Google Scholar 

  25. Guo E, Hong R, Huang X, Fang C (2016) A novel power skiving method using the common shaper cutter. Int J Adv Manuf Technol 83(1):157–165. https://doi.org/10.1007/s00170-015-7559-3

    Article  Google Scholar 

  26. Tsai C‑Y, Lin PD (2018) Gear manufacturing using power-skiving method on six-axis CNC turn-mill machining center. Int J Adv Manuf Technol 95(1):609–623. https://doi.org/10.1007/s00170-017-1154-8

    Article  Google Scholar 

  27. Winter H, Seifried A, Ill M (1965) Einfluß von Verzahnungsgenauigkeit und Oberflächenstruktur der Zahnflanken auf das Geräuschverhalten von Stirnrädern. Vdi Zeitschrift 107/6:245–320

    Google Scholar 

  28. Gravel G (2012) Analysis of Ripple on Noisy Gears. Agma Fall Tech Meet:254–264

  29. Gravel G (2013) Simulation of Deviations in Hobbing and Generation Grinding. International Conference on Gears. Berichte, vol 2199. VDI, Düsseldorf, pp 367–378

    Google Scholar 

  30. Kohn B, Utakapan T, Fromberger M, Otto M, Stahl K (2017) Flank modifications for optimal excitation behaviour. Forsch Ingenieurwes 81(2–3):65–71. https://doi.org/10.1007/s10010-017-0218-0

    Article  Google Scholar 

  31. Heider MK (2012) Schwingungsverhalten von Zahnradgetrieben – Beurteilung und Optimierung des Schwingungsverhaltens von Stirnrad- und Planetengetrieben. Dissertation, Technical University of Munich

    Google Scholar 

  32. Kohn B (2019) Topologische Flankenkorrektur zur Anregungsoptimierung von Stirnradgetrieben – Entwicklung und Überprüfung von Auslegungsmethoden zur Ableitung anregungsoptimierter Flankenkorrekturen von Stirnradgetrieben unter Berücksichtigung der Fertigbarkeit und Flankentragfähigkeit. Dissertation, Technical University of Munich

  33. Utakapan T, Kohn B, Fromberger M, Heider MK, Otto M, Höhn B‑R, Stahl K (2016) Measurement of gear noise behaviour for different microgeometries. In: Proceedings of the INTER-NOISE. 45th International Congress and Exposition on Noise Control Engineering 1:3964–3974

    Google Scholar 

  34. Unterberger M (1958) Geräuschuntersuchungen an geradverzahnten Zahnrädern – Grundversuche zur Geräuschfrage bei Zahnradgetrieben. Dissertation, Technical University of Munich

    Google Scholar 

  35. Hösel T (1965) Geräuschuntersuchungen an schrägverzahnten Stirnrädern mit Evolventenverzahnung. Dissertation, Technical University of Munich

    Google Scholar 

  36. Knabel W (1977) Geräusche und Schwingungen an Stirnradgetrieben – Untersuchung geometrischer Einflüsse bei hohen Drehzahlen und Belastungen. Dissertation, Technical University of Munich

    Google Scholar 

  37. Niemann G, Winter H (2003) Maschinenelemente – Band 2: Getriebe allgemein, Zahnradgetriebe - Grundlagen, Stirnradgetriebe. Springer Berlin Heidelberg. https://doi.org/10.1007/978-3-662-11873-3

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Authors and Affiliations

  1. Gear Research Centre (FZG), Technical University of Munich, Garching, Germany

    Maximilian Trübswetter, Michael Otto & Karsten Stahl

Authors
  1. Maximilian Trübswetter
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  2. Michael Otto
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  3. Karsten Stahl
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Trübswetter, M., Otto, M. & Stahl, K. Evaluation of Gear Flank Surface Structure Produced by Skiving. Forsch Ingenieurwes 83, 719–726 (2019). https://doi.org/10.1007/s10010-019-00348-3

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