DE102020004346A1

DE102020004346A1 - Verfahren zur Verzahnungsbearbeitung

Info

Publication number: DE102020004346A1
Application number: DE102020004346.1A
Authority: DE
Inventors: Ralf Schmezer
Original assignee: Gleason Pfauter Maschinenfabrik GmbH
Current assignee: Gleason Pfauter Maschinenfabrik GmbH
Priority date: 2020-07-20
Filing date: 2020-07-20
Publication date: 2022-01-20
Also published as: CN115768579A; JP2023535707A; EP4182113A1; KR20230038455A; WO2022018060A1; US20230264281A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verzahnungsbearbeitung, bei dem für eine Serie von Werkstücken gleicher Zielgeometrie in einer ersten Bearbeitung jeweils eine Verzahnung an einem jeweiligen Werkstück erzeugt oder bearbeitet wird und in einer zweiten Bearbeitung mit einem Bearbeitungswerkzeug eine ergänzende Zahnformung der aus der ersten Bearbeitung resultierenden Verzahnung, insbesondere ein Anfasen einer Zahnstirnkante dieser Verzahnung, in einer Relativpositionierung zu selbiger vorgenommen wird, wobei eine Steuerung der zweiten Bearbeitung eine Änderung einer insbesondere von der ersten Bearbeitung unabhängigen Werkstückeigenschaft und/oder einer Einstellung der ersten Bearbeitung insbesondere mit Bezug auf eine jeweilig vorgegebene Referenz wenigstens zum Teil automatisch erfasst und die Relativpositionierung in Abhängigkeit der erfassten Änderung vornimmt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verzahnungsbearbeitung, bei dem für eine Serie von Werkstücken gleicher Zielgeometrie in einer ersten Bearbeitung jeweils eine Verzahnung an einem jeweiligen Werkstück erzeugt oder bearbeitet wird und in einer zweiten Bearbeitung mit einem Bearbeitungswerkzeug eine ergänzende Zahnformung der aus der ersten Bearbeitung resultierenden Verzahnung, insbesondere ein Anfasen einer Zahnstirnkante dieser Verzahnung, in einer Relativpositionierung zu selbiger vorgenommen wird.
Derartige Verfahren sind im Stand der Technik natürlich bestens bekannt, beispielsweise durch Großserienfertigung von Getrieberädern durch etwa Wälzfräsen mit anschließendem Anfasen mit einer gewählten Anfastechnik, die beispielsweise ein Anfaswälzfräsen sein kann wie in WO 2019/161942 A1 offenbart, oder andere insbesondere schneidende Anfasverfahren wie Chamfer-Cut ( EP 1 495 824 B1 ), wälzschälendes Anfasen ( WO 2015/014448 A1 ), oder andere.
Üblicherweise sind die Maschinensteuerungen und Bedienerschnittstellen moderner Verzahnungsmaschinen bereits so ausgereift, dass der Bediener hinsichtlich der gewünschten Fase die die Fase charakterisierende Parameter wie Fasenbreite und/oder - winkel in die Steuerung eingibt, und die Maschinensteuerung eigenständig die zum Anfasen erforderlichen Maschinenachseinstellungen für die zweite Bearbeitung errechnet.
Die Abarbeitung einer Werkstück-Charge größerer Stückzahl wird üblicherweise erst dann vorgenommen, wenn zunächst die Verzahnung der ersten Bearbeitung innerhalb gewünschter Toleranzgrenzen gegenüber der Sollverzahnung liegt. Zudem werden üblicherweise in regelmäßigen Abständen die Verzahnungen vermessen, um die Beibehaltung der Toleranzen zu überwachen. Stellt sich dabei heraus, dass ein die Fasenform beschreibender Messwert an eine Toleranzgrenze wandert, beispielsweise die Fasenbreite zu gering wird, kann der Bediener korrigierend eine um die Differenz zur Sollfasenbreite höhere Fasenbreite anstelle der eigentlichen Sollbreite eingeben, so dass der daraufhin auf die „virtuell zu große Fasenbreite“ gesteuerte Prozess gegensteuernd die tatsächlich gewünschte Fase erzeugt. Zum Teil sind moderne Maschinensteuerungen bereits so ausgereift, dass nur ein Messwert von der gemessenen Fase in die Maschinensteuerung eingegeben werden muss, welche daraufhin eigenständig die Abweichung zu einem vorgegebenen Sollwert berechnet und die zur Anpassung erforderlichen Korrekturen vornimmt.
Trotz all dieser Überwachungs- und Korrekturmaßnahmen finden sich jedoch in größeren Werkstück-Chargen immer wieder Werkstücke, die hinsichtlich der erfolgten ergänzenden Zahnformung nicht den gewünschten Erwartungen entsprechen und das vorgegebene Toleranzfeld verlassen haben, insbesondere bei eng gesetzten Toleranzfeldern.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art in Richtung auf eine Verringerung der relativen Abweichung einzelner Ergebnisse der einzelnen Zahnformungen von Werkstücken der Werkstück-Charge untereinander zu verbessern.
Diese Aufgabe wird von der Erfindung durch eine Weiterbildung des Verfahrens der eingangs genannten Art gelöst, die im Wesentlichen dadurch gekennzeichnet ist, dass eine Steuerung der zweiten Bearbeitung eine Änderung einer insbesondere von der ersten Bearbeitung unabhängigen Werkstückeigenschaft und/oder einer Einstellung der ersten Bearbeitung insbesondere mit Bezug auf eine jeweilig vorgegebene Referenz wenigstens zum Teil automatisch erfasst und die Relativpositionierung in Abhängigkeit der erfassten Änderung vornimmt.
So ist gemäß der Erfindung erkannt worden, dass z.B. durch geänderte Umstände der ersten Bearbeitung vom Bediener eingestellte oder automatisch angepasste Einstellungsänderungen der ersten Bearbeitung Einfluss auf die Lage der Zahnkanten der Verzahnung nehmen kann und sich eine größere Abweichung von der angestrebten Sollfasengeometrie aufgrund der geänderten Lage ergeben können. Durch die erfindungsgemäße wenigstens zum Teil automatische Erfassung der Änderung lassen sich diese Auswirkungen vorhersehen und ihnen entgegensteuern. Die ergänzende Zahnformung, insbesondere das Anfasen wird somit zu einem adaptiven Anfasen hinsichtlich geänderter Umstände der ersten Bearbeitung. Ebenfalls erfindungsgemäße Berücksichtigung finden kann ein Umstand der der ersten Bearbeitung vorausgehenden Bearbeitung, nämlich z.B. der Herstellung der Werkstück-Rohlinge, die sich in einer Änderung der Werkstückeigenschaft niederschlägt. Beispielhaft können sich, wie später ausführlich erläutert, beim Ausdrehen von Werkstück-Rohlingen Abweichungen ergeben, die zu einer bei der ergänzenden Zahnformung geänderten Aufspannhöhe führen.
Die zweite Bearbeitung erfolgt somit als wenigstens zum Teil automatische adaptive ergänzende Zahnformung ansprechend auf die Zahnkantenlage verändernde Vorbearbeitung. Als Referenz kann die jeweilige Einstellung beim Vorgängerwerkstück herangezogen werden, oder Absolutwerte der geänderten Werte mit vorgegebenen Absolutreferenzen verglichen werden, oder eine Mischform beider Varianten.
In einer bevorzugten Verfahrensgestaltung ist die erste Bearbeitung eine Weichbearbeitung, insbesondere Wälzfräsen, Wälzschälen oder Wälzstoßen. Eine besonders bevorzugte Art der ersten Bearbeitung ist das Wälzfräsen, jedoch ist, ggf. aufgrund von Störkonturen, die das Wälzfräsen erschweren oder verhindern, dann primär das Wälzschälen bevorzugt, jedoch kann auch das Wälzstoßen herangezogen werden.
In einer weiter bevorzugten Verfahrensgestaltung ist die zweite Bearbeitung ein schneidendes Anfasen und die Zielgeometrie beinhaltet diesbezüglich eine vorgegebene Fasenform und -größe. Das schneidende Anfasen hat gegenüber dem immer noch weithin verwendeten Wälzdrückentgraten den Vorteil einer Vermeidung/Verringerung von sogenannten Sekundärgraten.
In einer weiter bevorzugten Verfahrensgestaltung wird die zweite Bearbeitung in einem abwälzenden Verfahren ausgeführt, insbesondere in der Eingriffskinematik des Wälzfräsens. Hierbei werden Einflanken-Eingriffe bevorzugt, für eine bevorzugte Eingriffskinematik wird auf die in WO 2019/161942 A1 offenbarte Kinematik Bezug genommen. Es sind jedoch auch andere schneidende Verfahren in Betracht gezogen, beispielsweise ein aus WO 2015/014448 A1 offenbartes wälzschälendes Verfahren, sowie auch das sogenannte „Chamfer-Cut“-Verfahren, das in EP 1 495 824 B1 beschrieben ist.
In einer weiter bevorzugten Verfahrensgestaltung beinhaltet die erfasste Änderung eine Modifikation der Flankenlinie der Verzahnung. Insbesondere erfasste Änderungen in Form einer Flankenlinien-Winkelkorrektur der ersten Bearbeitung werden avisiert, da Letztere mit Schrägungswinkeländerungen und Achsabstandsänderungen z.B. beim Wälzfräsen als Bearbeitungsart der ersten Bearbeitung zusammenhängen.
In einer weiter bevorzugten Verfahrensgestaltung beinhaltet die erfasste Änderung eine Modifikation der Zahndicke der Verzahnung. Auch eine Zahndickenmodifikation hängt mit einer Achsabstandsänderung zusammen.
In einer weiter bevorzugten Verfahrensgestaltung beinhaltet die Änderung eine Modifikation der werkstückachsbezogenen Axiallage der Zahnstirnkante der Verzahnung. Die werkstückachsbezogene Axiallage der Zahnstirnkante spielt zwar beim Erzeugen der Verzahnung üblicherweise eine untergeordnete Rolle, nicht aber bei Anfasvorgängen oder einer Erzeugung von Abdachungen, bei denen zur verbesserten Zugänglichkeit die Art der Werkstückaufspannung wie unten ausführlicher beschrieben, geändert ist.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung wird eine Aufspannung für die zweite Bearbeitung so eingestellt, dass die Stirnflächen der in der ersten Bearbeitung erzeugten Verzahnung für das Anfaswerkzeug zugänglich sind und nicht aufspannungsbedingt verhindert werden.
In einer weiter bevorzugten Verfahrensgestaltung beinhaltet die Änderung eine Radialzustellung des Werkzeugs der ersten Bearbeitung/des Achsabstands der Drehachsen der ersten Bearbeitung. Die Erfassung der Änderung seitens der Steuerung kann somit bevorzugt auf Ebene der Maschinenachseinstellungen selbst erfolgen, aber auch (siehe oben) auf Ebene der unmittelbar am Werkstück feststellbaren Eigenschaften wie Flankenlinienverlauf und/oder Verzahnungsdicke.
In einer weiter bevorzugten Verfahrensgestaltung beinhaltet die Änderung einen Schwenkwinkel des Werkzeugs der ersten Verzahnung, und/oder eine in einer Flankenmodifikation resultierende Überlagerung von Maschinenachsen der ersten Bearbeitung, etwa Tangential- (Y) oder Axialachse (Z), ggf. Zusatzdrehungen (ΔC, ΔB). Eine Schwenkwinkeländerung, sofern vorgenommen, wird üblicherweise beim Wälzfräsen oder Wälzschälen auftreten, je nach Realisierung der Maschinenachsen der ersten Bearbeitung können auch Bearbeitungspunktverschiebungen durch Änderung einer Tangentialachse und Zusatzdrehungen berücksichtigt werden.
In einer weiter bevorzugten Verfahrensgestaltung ist vorgesehen, dass vor der zweiten Bearbeitung eine Messung am Werkstück hinsichtlich einer die Aufspannhöhe beeinflussenden Änderung vorgenommen wird, auf deren Ergebnis die Steuerung zugreift. Insbesondere wenn die Werkstück-Rohlinge in größeren Toleranzfeldern angeliefert werden oder hinsichtlich z.B. Abweichungen beim Ausdrehen der Werkstücke eine für die erste Bearbeitung selbst nicht relevante Abweichung besteht, können Abweichungen selbst innerhalb der Toleranzfelder zu Verschiebungen der Aufspannhöhe für die zweite Bearbeitung führen, die wenn kombiniert mit innerhalb der Toleranzfelder der ersten Bearbeitung liegenden Abweichungen zu außerhalb der Toleranzfelder liegenden Abweichungen der Bearbeitungsergebnisse der zweiten Bearbeitung führen können. In einer bevorzugten Verfahrensgestaltung wird bei einer Messung die Aufspannhöhe einer oder beider Stirnebenen der in der ersten Bearbeitung erzeugten Verzahnung bei Aufspannung für die zweite Bearbeitung überwacht, und die Steuerung erhält insbesondere automatisch Zugriff auf die tatsächliche Aufspannhöhe bzw. Abweichung des Werkstücks von der Soll-Aufspannhöhe. Beispielsweise wird von einem Sensor der axiale Abstand einer bekannten Lage der Sensorebene zur Ebene der oberen Planfläche der Verzahnung (Anfasebene) bestimmt. Die Ermittlung einer die Abweichung von der Soll-Aufspannhöhe bestimmenden Meßgröße (z.B. b_u, siehe 2 unten) kann zeitlich bereits vor dem Aufspannen für die zweite Bearbeitung erfolgen. Bevorzugt erfolgt sie hauptzeitparallel bezüglich der ersten Bearbeitung, z.B. bei einer Werkstückautomation des Verbringens der Werkstücke zur ersten Bearbeitung. Bei einem Tracking der Werkstücke kann die Meßgröße dem Werkstück zugeordnet in der Steuerung hinterlegt werden.
In einer weiter bevorzugten Verfahrensgestaltung ist vorgesehen, dass vor der zweiten Bearbeitung eines Werkstücks keine Überprüfung des Bearbeitungsergebnisses der zweiten Bearbeitung am Vorgängerwerkstück oder einem der letzten n Vorgängerwerkstücke erfolgt, mit n bevorzugt wenigstens 5, insbesondere wenigstens 10. Die zuvor erläuterte Änderung in der Aufspannhöhe ist unabhängig von dem Bearbeitungsergebnis der ersten Bearbeitung, wohingegen auch bei dem erfindungsgemäßen Verfahren eine stichpunktartige Überprüfung des Gesamtbearbeitungsergebnisses vorgenommen werden kann. Erfindungsgemäß ist es jedoch durch die Erfassung der Änderungen nicht erforderlich, fortlaufend das Gesamtergebnis zu überwachen.
In einer weiter bevorzugten Verfahrensgestaltung wird bei der Erfassung wenigstens eine Änderung ohne Rückgriff auf spezifische Messung am Werkstück aus geänderten Maschinenachseinstellungen der ersten Bearbeitung ermittelt. Im Zusammenhang können aufgrund der erfassten Änderungen wenigstens für einen Anteil von insbesondere mehr als 30%, bevorzugt mehr als 50% der bearbeiteten Werkstücke der Serie Änderungen der Relativpositionierung vorgenommen werden, deren Erfassung nicht auf einer erfassten spezifischen Messung am Werkstück insbesondere auf das Bearbeitungsergebnis der ersten Bearbeitung zurückgeht.
In einer weiter bevorzugten Verfahrensgestaltung ist die Steuerung für eine Grundeinstellung zur Ausführung der zweiten Bearbeitung entsprechend einer Eingabe von Parametern der Zielgeometrie und des Bearbeitungswerkzeugs, sowie ggf. Aufspannungsparameter ausgelegt. Der Bediener ist somit weiterhin in der Lage, die gewünschten Fasenparameter vorab für die zweite Bearbeitung einzugeben.
In einer bevorzugten Verfahrensgestaltung erfolgt bei erfasster Änderung eine Änderung der Steuerparameter der Grundeinstellung und nicht der Eingabeparameter. Grundsätzlich wäre die Maschinensteuerung in der Lage, die im herkömmlichen Stand der Technik vom erfahrenen Bediener einprogrammierten Änderungen zu errechnen und diese dem Bediener zur Eingabe zur Verfügung zu stellen. Dies ist jedoch nicht erforderlich, die diesbezüglichen Eingabeparameter können auf Sollwert bleiben und die Änderung der Relativpositionierung zielt auf die Einhaltung der Soll-Parameter wie eingegeben ab, indem auf die erfassten Änderungen wenigstens zum Teil, insbesondere vollautomatisch reagiert wird. Entsprechend ist die wenigstens zum Teil automatische Erfassung der Änderung der Werkstückeigenschaft und/oder des Umstands der ersten Bearbeitung gegenüber einer jeweilig vorgegebenen Referenz bevorzugt eine vollautomatische Erfassung.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung umfasst die wenigstens zum Teil automatische Erfassung semiautomatische Anwendungen dahingehend, dass ein Maschinenbediener von der Maschinensteuerung aufgefordert wird, eine von der Maschinensteuerung erfasste Änderung und daraus berechneter Nachführung der Relativpositionierung anzuzeigen, wobei der Maschinenbediener die Nachführung bestätigen oder verwerfen kann.
Dies wird anhand des folgenden Szenarios erläutert: Nimmt der Maschinenbediener für die erste Bearbeitung in einem Korrektur-Dialog der Maschine eine Korrektur auf Basis des erzeugten und gemessenen Schrägungwinkels vor, soll das Anfasen auf diese bei der ersten Bearbeitung, z.B. dem Wälzfräsen, bereits durch Korrektur erzeugte Verzahnung eingestellt werden und der Maschinenbediener wird die entsprechende Nachführung bestätigen. Gleiches gilt für bei der ersten Bearbeitung eingestellte Korrekturen beispielsweise des Fine-Tunings nach dem Vermessen weiterer Werkstücke oder einer gezielten Korrektur nach geringer Bearbeitungsstückzahl im de facto Werkzeug-Neuzustand.
Tritt nach einer höheren Stückzahl ein Werkzeugverschleiß auf, der zu einer unbemerkten Veränderung des erzeugten Schrägungswinkels führen würde, und sorgt eine diesbezügliche Korrektur für die erste Bearbeitung lediglich für eine Gegenwirkung zum Verschleißausgleich, die den von der zweiten Bearbeitung erwarteten Schrägungswinkelverlauf wieder herstellt, hier passt die aktuelle für die zweite Bearbeitung herangezogene Relativpositionierung, und der Maschinenbediener wird dementsprechend die ihm in Konsequenz der automatischen Bearbeitung angezeigte mögliche Nachführung verwerfen.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform wird im Falle einer realisierten Aufspannhöhenüberwachung eine diesbezügliche Änderung vollautomatisch nachgeführt, wohingegen jedenfalls nach abgeschlossener Prozesseinrichtung für eine Charge einer Serienfertigung die auf Änderung der Einstellungen der ersten Bearbeitung ansprechende Maschinensteuerung hinsichtlich der Durchführung der diesbezüglichen Nachführung semiautomatisch arbeitet.
Ebenfalls Gegenstand der Erfindung ist ein Steuerprogramm, das, wenn auf einer Verzahnungsmaschine ausgeführt wird, die Maschine zur Ausführung eines Verfahrens nach einem der vorgenannten Aspekte steuert, sowie eine zur Ausführung des Verfahrens gesteuerte Verzahnungsmaschine.
Bei dieser kann die zweite Bearbeitung auf der Verzahnungsmaschine selbst stattfinden, einer dieser zugeordneten Bearbeitungsstation oder über eine automatisch daran angekoppelte Bearbeitungsstation, jedoch auch auf einer völlig separaten Maschine. Dennoch wird für eine Kopplung der Steuerungen der ersten Bearbeitung sowie der Steuerung für die zweite Bearbeitung dahingehend Sorge getragen, dass die Umstände der ersten Bearbeitung gegenüber der jeweiligen Referenz erfasst und die Steuerung der zweiten Bearbeitung darauf zugreifen kann.
In einer bevorzugten Ausgestaltung weist die die zweite Bearbeitung ausführende Bearbeitungseinheit Mittel zur sensorischen Erfassung der Zahnlückenmitte und/oder der Aufspannhöhe der Stirnebene auf, in der die anzufasenden Zahnkanten liegen (bei nichtorthogonal zur Verzahnungsdrehachse verlaufenden Stirnflächen der Verzahnung kann für die Aufspannhöhe als werkstückseitige Referenz z.B. die Aufspannhöhe der Axiallage der Zahnköpfe dienen).
Die für die Aufspannhöhe erforderliche Information kann beispielsweise über den axialen Abstand einer Stirnfläche der Verzahnung zur Ebene des Sensors abgeleitet werden.
Nachfolgend wird die Erfindung mit Bezug auf Ausgestaltungen, die anhand der beigefügten Figuren erläutert sind, weiter beschrieben, von denen

1 eine Ansicht zur Darstellung von Parametern der Prozessauslegung ist,
2 Darstellungen eines Werkstückrohlings zeigt,
3 eine schematische Veranschaulichung einer Zusatzdrehung bei Axialverschiebung einer Verzahnung darstellt,
4 eine schematische Darstellung der Zahnkantenlage bei unterschiedlicher Stirnkantenhöhe ist,
5 eine Darstellung der Zahnkantenlage bei unterschiedlicher Zahndicke ist,
6 eine schematische Darstellung der Zahnkantenlage bei einer Flankenlinienmodifikation ist,
7 eine schematische Darstellung der Lage der Zahnkanten bei Überlagerung mehrerer Einflüsse ist.

Zunächst werden mit Bezug auf 1 einige der Prozessauslegung zugrundeliegende Parameter am Beispiel einer zylindrischen Schrägverzahnung beschrieben. Bei der Prozessauslegung geht man grundsätzlich von einem Zahnrad bzw. einer Verzahnung aus, bei dem alle Größen exakt auf Nennmaß liegen sollen. Als zu berücksichtigende Parameter werden üblicherweise herangezogen die Zähnezahl z₂, das Normalmodul m_n, der Normaleingriffswinkel α_n, der Schrägungswinkel β am Teilkreis, die Profilverschiebung xm, der Kopfkreisdurchmesser da₂, der Fußkreisdurchmesser df₂ sowie die Zahnbreite b. In 1 ist der Durchmesser am Teilkreis mit d bezeichnet, der Schrägungswinkel β hängt mit dem auf dem Teilkreiszylinder durch die Schrägverzahnung gegenüber einer Parallelen zur Drehachse weiter verrückten Zahnflanke zusammen, Letzteres ist in 1 mit u bezeichnet.
Mit Bezug auf 2 ist zunächst in 2a in perspektivischer Ansicht ein typischer Rohling 40 dargestellt. In diversen Anwendungsfällen kann dieser einen ringzylinderförmigen äußeren Bereich 43 aufweisen, aus dem die spätere Verzahnung erzeugt wird, sowie einen von einer Durchgangsbohrung 42 durchstoßenen, in einer Ebene orthogonal zur Verzahnungsdrehachse liegenden scheibenförmigen Körper 41. Die axial gesehen äußeren Enden in Form einer oberen Stirnfläche 433 und unteren Stirnfläche 434 des sich axial über die Zahnradbreite b erstreckenden äußeren Ringkörpers 43 können von den Stirnflächen des inneren Ringkörpers 41 beabstandet sein. In 2b ist dieser Abstand als b_o (Breite Ausdrehung oben) und b_u (Breite Ausdrehung unten) bezeichnet. Beim Wälzfräsen einer Verzahnung aus Werkstückrohling 40 liegt der Rohling auf dem äußeren Ringkörper 43 auf, präziser auf z.B. der unteren Stirnfläche 434. Beim z.B. mit einer separaten Aufspannung durchgeführten Anfasen wird das Werkstück dagegen über die untere Stirnfläche 412 des inneren Scheibenkörpers 41 gelagert, wenn ohne zwischenzeitlichen Aufspannungswechsel die Zahnstirnkanten an beiden Stirnflächen der Werkstückverzahnung angefast werden sollen.
Aus 2b ist zudem erkennbar, dass fertigungsbedingte Abweichungen beim Ausdrehen des Rohlings über Änderungen in b_o und/oder b_u in einer Schwankung der Lage der Flächen 434 und 433 gegenüber der Fläche 412 resultieren können.
Während eine derartige Fertigungstoleranz beim Wälzfräsen der Verzahnung selbst mit Auflage auf Stirnfläche 434 üblicherweise keine Rolle spielt, da der axiale Bearbeitungsweg beim Wälzfräsen ohnehin auf die maximale Zahnbreite eingestellt wird, verhält es sich beim Aufspannen mit Auflage an der Stirnfläche 412 anders. Denn gegenüber der unmittelbaren Auflage, auf der die Auflagefläche 412 aufliegt, liegen die Ebenen der oberen und unteren Stirnflächen 433 und 434 auf einer abhängig der Fertigungstoleranzen beim Ausdrehen unterschiedlichen Relativlage. Üblicherweise wird als Referenzlage nicht die unmittelbare Auflage für die Auflagefläche 412 herangezogen, sondern eine Maschinenreferenz, etwa die Höhe des Maschinentisches, welche Aufspannmittel miteinbezieht. Gegenüber der maschinenseitig definierten „Aufspannhöhe“ h liegt somit ggf. eine Abweichung der Axiallage der Ebenen der oberen und unteren Stirnfläche 433, 434 gegenüber der Solllage vor. Es versteht sich, dass die Wortwahl „Höhe“ sich auf Erstreckungen in Werkstückdrehachsrichtung bezieht und nicht nur Vertikalmaschinen, sondern auch Horizontalmaschinen oder Maschinen schräger Achsstellungen eingesetzt werden können.
Beim Anfasen der Zahnkanten einer Verzahnung wird zunächst die Lage der Zähne zur Tischachse mit einem Sensor ermittelt und somit auch die in der oberen und unteren Stirnfläche 433, 434 liegenden zu bearbeitenden Zahnkanten. In Kenntnis des axialen Abstands der oberen Stirnfläche der Verzahnung z.B. zur Ebene des Sensors kann die Verzahnung beispielsweise über die Maschinentischachse derart positioniert werden, dass axial gesehen die Zahnkanten an der oberen Stirnfläche 433 in die gewünschte Position gedreht werden können, ebenso für das Anfasen an der unteren Stirnfläche 434.
Während es bei Geradverzahnungen genügen würde, die zur Einstellung der Ebenen der oberen bzw. unteren Stirnflächen 433, 434 über eine bloße Axialbewegung auf die gewünschte Bearbeitungslage einzustellen, muss im Falle einer Schrägverzahnung das Werkstück zusätzlich gedreht werden, um die Zahnlücke in der gewünschten Anfashöhe in Maschinenmitte zu halten.
Es ergibt sich damit bei einer Axialkorrektur ΔZ eine erforderliche Zusatzdrehung von ΔC = ΔZ × 360°/p_z, wobei p_z die Steigungshöhe der Schrägverzahnung ist (die Zahnlücke folgt einer Schraubenlinie mit Steigungshöhe), und durch z × m_n × π/sin | β | gegeben ist. Bei Tischdrehung im Uhrzeigersinn hat ΔC bei rechtsschrägem β das gleiche Vorzeichen wie das der Axialverschiebung und bei linksschrägem β das umgekehrte Vorzeichen. Bei Tischdrehrichtung (Drehung um Werkstückachse C) gegen den Uhrzeigersinn gilt die umgekehrte Vorzeichenregel.
Diese Zusatzdrehung bei Axialverschiebung ist in 3 nochmals schematisch dargestellt, mit Lagesensor 8, und Bearbeitungsebenen 5, 6, in denen die Zahnkanten liegen.
Hinsichtlich der relativen Position des Anfaswerkzeugs zu den Ebenen der Stirnflächen 433 bzw. 434 können herangezogen werden beispielsweise ein Vierertupel aus Schwenkwinkel η, Achsabstand ΔX, Abstand zur Maschinenmitte ΔY, Abstand zur Anfasebene ΔZ, also für die Ebene der oberen Stirnfläche 433 (η₃, ΔX₃, ΔY₃, dZ_3'), entsprechend an der unteren Ebene der Stirnfläche 434 (η₄, ΔX₄, ΔY₄, ΔZ₄).
Hinsichtlich der absoluten Maschinenposition des Anfaswerkzeugs lassen sich für den Schwenkwinkel, den Achsabstand und den Abstand zur Maschinenmitte die Werte der relativen Position heranziehen, wohingegen hinsichtlich des Abstands zur Anfasebene Axialwerte von Z₃ = h - b_u + b + ΔZ₃ für die obere Ebene und Z₄ = h - b_u - ΔZ₄ zu berücksichtigen sind, neben den Verdrehungen ΔC₃ bzw. ΔC₄.
In 4 ist die Situation der Lage der Zahnkanten bei unterschiedlicher Höhe der Stirnkanten nochmals dargestellt. Das Nennmaß der Zahnradbreite b liegt zwischen einer minimalen Zahnradbreite bmin und einer maximalen Zahnradbreite b_max. Die Lage der spitzen Kante der linken Flanke bei Nenn-Zahnbreite ist mit B, die der stumpfen Kante der rechten Flanke mit E bezeichnet. Für Abweichungen zu höherer Verzahnungsbreite (bmax) sind diese Lagen mit C bzw. F, und für geringere Verzahnungsbreiten mit A und D bezeichnet. Man erkennt somit, wie fertigungsbedingte Abweichungen beim Ausdrehen des Rohlings zu unterschiedlichen Lagen der Zahnkanten bei dadurch bedingten unterschiedlichen Höhen der Stirnkanten führen können, also bei einer Nachbearbeitung (zweite Bearbeitung) beispielsweise des Anfasens Lageänderungen berücksichtigt werden können, die von der vorangegangenen Verzahnungserzeugung selbst unabhängig sind und somit auch auftreten können, wenn die Verzahnungsbearbeitung selbst zu 100% ideal auf Nennmaß-Erzeugung erfolgen würde.
Eine Lageänderung der Zahnkanten kann jedoch auch bei sich aus der Verzahnungserzeugung ergebenden Änderungen z.B. der Zahndicke resultieren. Dies ist in 5 veranschaulicht, in der B und E die Lage der spitzen Kante der linken Flanke bzw. stumpfen Kante der rechten Flanke bei Nenn-Zahndicke bezeichnen, die bei dünneren Zähnen in der Ebene orthogonal zur Werkstückdrehachse verschoben sind zu G, K bei dünneren Zähnen bzw. H, J bei dickeren Zähnen.
Als weiteres Beispiel ist in 6 dargestellt eine Änderung der Lage der Zahnkanten bei einer bei der Verzahnungserzeugung entstandenen Flankenlinienmodifikation f_Hβ. Wie diesbezüglich aus 6 erkennbar ist, ändert sich die Lage der Nenn-Positionen B, E zu L, N im Falle einer Modifikation β-, und zu einer Lage M, P bei einer Modifikation β+. Ändert sich nur die Balligkeit (symmetrische Flankenlinienmodifikation c_β), ändert sich die Lage der Nenn-Positionen B, E nicht.
Der Fall einer Überlagerung mehrerer Einflüsse der anhand der 4, 5 und 6 dargestellten Varianten ist in 7 dargestellt.
Wieder bezeichnet B die spitze Kante der linken Flanke in Nenn-Position, und E die stumpfe Kante der rechten Flanke in Nenn-Position, mit zugehörigem Verlauf W der Zahnlückenmitte bei Schrägungswinkel β im Nenn-Maß. Dagegen korreliert der Verlauf V der resultierenden Zahnlückenmitte mit Schrägungswinkel β mit der Lage der resultierenden Position U der spitzen Lage der linken Flanke und der resultierenden Position Z der stumpfen Kante der rechten Flanke, wobei der axiale Abstand zwischen der oberen Stirnfläche 433 nach Nenn-Maß zur oberen Stirnfläche 3" auf Höhe von U, Z mit ΔZ_o bezeichnet ist.
Gegenüber den nominalen Werten ändern sich für das Beispiel des Wälzfräsens bei Erzeugung von Verzahnungskorrekturen der Achsabstand und der Schrägungswinkel, so führt eine Zahndicken-Korrektur zu einer konstanten Achsabstandsänderung ΔX₁, wohingegen eine Flankenlinien-Winkelkorrektur ebenfalls einen Beitrag ΔX₂ (Z) zur Achsabstandsänderung liefert, der von der Axialposition Z abhängig ist, und zudem eine Schrägungswinkeländerung Δβ.
Beim Anfasen sind dagegen folgende sich ändernde Werte zu berücksichtigen: Die Schrägungswinkeländerung führt zu einer Steigungshöhenänderung Δpz, die Steigungshöhenänderung führt wie oben erläutert zu einer zusätzlichen Verdrehung ΔC_pz, die Höhendifferenz der oberen Stirnflächen 433 und 3" aus 7, Δz_o sowie die mit dem Übergang von Stirnfläche 433 zu Stirnfläche 3" verbundene Zusatzdrehung ΔC₀.
Die Relativpositionierung in Abhängigkeit der erfassten Änderung erfolgt somit auf eine Endlage einer absoluten Maschinenposition des Anfaswerkzeugs von Ebene 433 auf 3" dahingehend, dass der gleiche Schwenkwinkel eingenommen wird (η_3'' = η₃). Für den Achsabstand wird X_3'' = ΔX₃ + ΔX₁ + ΔX₂ (Z) eingestellt, der Abstand zur Maschinenmitte kann gleichgelassen werden, der Abstand zur Anfasebene wird auf Z₃ = h - b_u + b + dZ₃ + ΔZ_o eingestellt, und für die Verdrehung ergibt sich ΔC₃ + ΔC_pz + ΔC₀. Der Index „3“ steht hier für die Fläche 433.
Die letztgenannten Beiträge ΔC dienen wie oben bereits erläutert dem Ziel, die Werkstückzahnlücke auf Höhe der Anfasebene durch Werkstückverdrehung in Maschinenmitte zu drehen, und setzt sich aus der Verdrehung aus der Sensorebene zur ursprünglichen Ebene 3, ΔC₃, einer Zusatzdrehung ΔC_pz bei etwaiger Schrägungswinkeländerung und der zusätzlichen Verdrehung ΔC₀ zusammen, die dem Übergang von Ebene 433 in Ebene 3" Rechnung trägt.
Die obigen Erläuterungen beziehen sich überwiegend auf die obere Fläche 433, für die untere Fläche 434 wird entsprechend verfahren.
Es versteht sich, dass von exakten Berechnungen abgewichen werden und auch Näherungen, Abschätzungen und/oder gröbere Korrekturen z.B. nach Korrekturtabellen eingesetzt werden können und die obige Darstellung lediglich eine mögliche Realisierungsart darstellt.
Für die Realisierung der Relativlage können ggf. bezüglich einzelner Achsen anstelle von Maschinenachsen des Anfaswerkzeugs werkstückseitige Maschinenachsen repositioniert werden, die zur gleichen Relativpositionierung führen wie die ermittelte Absolutpositionierung des Anfaswerkzeugs.
Ähnlich wie zur Verzahnungserzeugung der ersten Bearbeitung durch Wälzfräsen könnte auch das Wälzschälen oder Wälzstoßen herangezogen werden, und die zur Achsabstandsänderung und/oder Schrägungswinkeländerung führenden Änderungen der ersten Bearbeitung zugrundegelegt werden.
Insoweit ist die Erfindung nicht auf das in den Ausführungsbeispielen beschriebene Verfahren eingeschränkt. Vielmehr können die Merkmale der nachstehenden Ansprüche wie auch der vorstehenden Beschreibung oder in Kombination für die Verwirklichung der Erfindung in ihren verschiedenen Ausführungsformen wesentlich sein.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 2019/161942 A1 [0002, 0012]
EP 1495824 B1 [0002, 0012]
WO 2015/014448 A1 [0002, 0012]

Claims

Verfahren zur Verzahnungsbearbeitung, bei dem für eine Serie von Werkstücken gleicher Zielgeometrie in einer ersten Bearbeitung jeweils eine Verzahnung an einem jeweiligen Werkstück erzeugt oder bearbeitet wird und in einer zweiten Bearbeitung mit einem Bearbeitungswerkzeug eine ergänzende Zahnformung der aus der ersten Bearbeitung resultierenden Verzahnung, insbesondere ein Anfasen einer Zahnstirnkante dieser Verzahnung, in einer Relativpositionierung zu selbiger vorgenommen wird, dadurch gekennzeichnet, dass eine Steuerung der zweiten Bearbeitung eine Änderung einer insbesondere von der ersten Bearbeitung unabhängigen Werkstückeigenschaft und/oder einer Einstellung der ersten Bearbeitung insbesondere mit Bezug auf eine jeweilig vorgegebene Referenz wenigstens zum Teil automatisch erfasst und die Relativpositionierung in Abhängigkeit der erfassten Änderung vornimmt.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die erste Bearbeitung eine Weichbearbeitung, insbesondere Wälzfräsen, Wälzschälen oder Wälzstoßen ist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die zweite Bearbeitung ein schneidendes Anfasen ist und die Zielgeometrie diesbezüglich eine vorgegebene Fasenform und - größe beinhaltet.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die zweite Bearbeitung in einem abwälzenden Verfahren ausgeführt wird, insbesondere in der Eingriffskinematik des Wälzfräsens.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Änderung eine Modifikation der Flankenlinie der Verzahnung beinhaltet.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Änderung eine Modifikation der Zahndicke der Verzahnung beinhaltet.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Änderung eine Modifikation der werkstückachsbezogenen Axiallage der Zahnstirnkante der Verzahnung beinhaltet.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Änderung eine Radialzustellung des Werkzeugs der ersten Bearbeitung/des Achsabstands der Drehachsen der ersten Bearbeitung beinhaltet.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Änderung einen Schwenkwinkel des Werkzeugs der ersten Verzahnung beinhaltet, und/oder eine in einer Flankenmodifikation resultierende Überlagerung von Maschinenachsen der ersten Bearbeitung, etwa Tangential- (Y) oder Axialachse (Z), ggf. Zusatzdrehungen (ΔC, ΔB).
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem vor der zweiten Bearbeitung eine Messung am Werkstück vorgenommen wird, auf deren Ergebnis die Steuerung zugreift.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem vor der zweiten Bearbeitung eines Werkstücks keine Überprüfung des Bearbeitungsergebnisses der zweiten Bearbeitung am Vorgängerwerkstück oder einem der letzten n Vorgängerwerkstücke erfolgt, mit n bevorzugt wenigstens 5, insbesondere wenigstens 10.
Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, bei dem bei der Erfassung wenigstens eine Änderung ohne Rückgriff auf spezifische Messung am Werkstück aus geänderten Maschinenachseinstellungen der ersten Bearbeitung ermittelt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Steuerung der zweiten Bearbeitung für eine Grundeinstellung zur Ausführung der zweiten Bearbeitung entsprechend einer Eingabe von Parametern der Zielgeometrie und des Bearbeitungswerkzeugs, sowie ggf. Aufspannungsparameter ausgelegt ist.
Verfahren nach Anspruch 13, bei dem bei erfasster Änderung eine Änderung der Steuerparameter der Grundeinstellung und nicht der Eingabeparameter erfolgt.
Steuerprogramm, das, wenn auf einer Steuerung einer Verzahnungsmaschine ausgeführt wird, die Maschine zu einem Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche steuert.
Verzahnungsmaschine zur Ausführung einer ersten Bearbeitung zur Erzeugung einer Verzahnung an einem Werkstück und zur Ausführung einer ergänzenden Zahnformung durch eine zweite Bearbeitung an dem Werkstück, dadurch gekennzeichnet, dass die Verzahnungsmaschine eine zur Ausführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 14 ausgelegte Steuerung und/oder ein Steuerprogramm nach Anspruch 15 aufweist.