Die 5-Achs-Bearbeitung von Zahnrädern ist in der Verzahnungstechnik ein noch relativ junges Verfahren. Die besonderen Stärken liegen in den nahezu unbegrenzten Möglichkeiten bei der geometrischen Gestaltung leistungsfähiger, innovativer Verzahnungen und der Wahl nahezu beliebiger Werkstoffe. Voraussetzung für eine erfolgreiche Umsetzung dieser Potenziale ist ein bis ins Detail optimierter Fertigungsprozess. Ziel ist es, Ungenauigkeiten zu minimieren und darüber hinaus verbleibende Abweichungen zu kompensieren.
Dr. Rafael Bieker und sein Team betrachten die 5-Achs-Bearbeitung von Stirn- und Kegelrädern nicht als Konkurrenz zu den etablierten Herstellungsverfahren, sondern möchten deren Grenzen überwinden. Ein prägnantes Beispiel ist die Fertigung von einsatzgehärteten, sehr kompakten Doppelschräg- oder Pfeilverzahnungen auf dem universellen Alzmetall 5-Achs-Bearbeitungszentrum.
Das 5-Achs-Fräsen von Zahnrädern in einem tiefgreifend optimierten Herstellungsprozess ermöglicht auch die Hartbearbeitung der Zahnradkonturen und macht Folgebearbeitungen wie das Schleifen überflüssig. Beim konventionellen Schleifen von Zahnrädern muss ein mehrstufiger Optimierungsprozess genutzt werden, bis Verzahnungsqualität und gefordertes Tragbild erreicht sind: Schleifen, Messen und Korrekturschleifen. GIF dagegen erreicht die geforderte Genauigkeit mit einer 5-Achs-Bearbeitung in einem Schritt – und das auf Anhieb am ersten Bauteil.
Zuerst der Prozess, dann Funktionen zur Kompensation
Unter gewissen Voraussetzungen erreichen aktuelle Bearbeitungsprozesse bei GIF auf der Zahnflanke Abweichungen von weniger als 10 µm. Damit werden auch höchste Qualitätsanforderungen der Verzahnungstechnik erfüllt.
Bis solche Ergebnisse prozesssicher erzielt wurden, gab es viel zu tun: „Bei der Optimierung des Prozesses hin zu mehr Genauigkeit erreichen die ersten Maßnahmen große Sprünge in der Qualitätssteigerung“, erklärt der Geschäftsführer. „Die nachfolgenden Optimierungsschritte stellen die größten Herausforderungen dar und bringen nur noch geringe Verbesserungen in der Genauigkeit, die aber unverzichtbar sind.“
Die Aufgabe, hochgenaue Verzahnungen prozesssicher herzustellen, führte zu einem Kooperationsprojekt mit dem Werkzeugmaschinenlabor WZL der RWTH Aachen, gefördert im Rahmen des ZIM-Programms des BMWi. Ziel war es, ein Fertigungssystem zum 5-Achs-Fräsen sehr genauer Kegelradsätze zu entwickeln. Die Ergebnisse aus Prozessanalyse und neu entwickelten Kompensationsmodellen setzte GIF zielgerichtet im Herstellungsverfahren um.
Grundsätzlich galt es, zuerst alle Schritte im Bearbeitungsprozess für eine genaue Fertigung zu optimieren, zum Beispiel durch die Wahl der Bearbeitungsstrategien und geeigneter Prozessparameter. Erst wenn diese Möglichkeiten ausgeschöpft sind, werden Kompensationsfunktionen der Steuerung eingesetzt.
LAC: Damit die dynamische Genauigkeit der Maschine passt
Für das Team bei GIF war es wichtig, dass eine neue Maschine für die Bearbeitung von Zahnrädern über eine hohe statische Grundgenauigkeit verfügt und auch die spezifischen Anforderungen an die dynamische Genauigkeit erfüllt. Die Wahl fiel auf das Fräs-Dreh-Bearbeitungszentrum Alzmetall GS1400/5FDT, das mit der Heidenhain TNC 640 und der Option LAC zur lastabhängigen Anpassung von Reglerparametern ausgestattet ist.
Die Direktantriebe in den Drehachsen C und A sind hochdynamisch, reagieren aber auf unterschiedliche Massen und Trägheitsmomente empfindlich: In der Folge kann es zu Einbußen bei Dynamik und Konturgenauigkeit kommen. LAC von Heidenhain optimiert die Reglerparameter der Maschine abhängig von der Beladung. Von der adaptiven Regelung profitieren die Dynamik und – für GIF entscheidend – die hohe dynamische Genauigkeit der Rundachsen.
3D-Werkzeugradiuskorrektur: Abweichungen der
Werkzeugform berücksichtigen
Werden wie bei GIF die Genauigkeiten für Zahnflanken bis hin zur Toleranzklasse 5 (von 12) und besser angestrebt, dann „sind Funktionen wie die 3D-Werkzeugradiuskompensation enorm wichtig“, so Bieker.
Die Heidenhain-Funktion korrigiert fertigungsbedingte Radiusabweichungen abhängig vom Eingriffspunkt – auch beim 5-achsigen Abwälzfräsen der gekrümmten Zahnflanke. Voraussetzungen sind die genaue Vermessung des Fräsers, die GIF mit einem Laser-Werkzeugvermessungssystem von Blum vornimmt, sowie die Übergabe des Normalenvektors im Kontaktpunkt durch den Postprozessor des CAM-Systems Gearcam von der Euklid CAD/CAM AG.
Kinematics-Opt reduziert Temperatureinfluss
GIF setzt bei Fräs-Drehanwendungen Kinematics-Opt ein, um temperaturbedingte Verlagerungen an den Drehachsen der Maschine zu kompensieren – das gehört für Rafael Bieker zwingend dazu. Bei eingewechseltem Heidenhain-Tastsystem vermisst ein Tastsystemzyklus an einer Kalibrierkugel vollautomatisch die Drehachsen. In unterschiedlichen Positionen der Schwenkachse und des Rundtisches bestimmt die Funktion den Fehler im Raum. Anschließend berechnet sie eine optimierte kinematische Maschinenbeschreibung und hinterlegt diese direkt als Maschinenkinematik, so dass die Fehler im Raum bei nachfolgender 5-Achs-Bearbeitung minimiert werden.
Die Erkenntnisse aus dem Verschleißverhalten der Werkzeuge führen zu besonderen Strategien für den Werkzeugeinsatz. Zuerst gilt es festzustellen, wie der spezifische Einsatz der Werkzeuge das charakteristische Verschleißverhalten beeinflusst. So verändert sich mit zunehmender Einsatzdauer zum Beispiel der Schneidkantenradius. Das führt zu einer verstärkten Abdrängung der Werkzeuge und beeinflusst die Genauigkeit spürbar.
GIF erfasst die charakteristischen Eigenschaften der Werkzeuge, klassifiziert sie und sammelt diese werkzeugspezifischen Technologiedaten in einer Datenbank.
In Verbindung mit speziellen Frässtrategien, die das Standzeitpotenzial der Fräser optimal ausnutzen, erlaubt diese Technologiedatenbank eine qualitätssichere Prozessauslegung. Bereits der NC-Programmierer entscheidet über die Anzahl der einzusetzenden Schlichtfräser und die geeigneten Schnittwerte, damit das Zahnrad in der geforderten Qualität von der Maschine kommt. Ist das Verschleißverhalten der einzusetzenden Fräser bekannt, bietet Gearcam in Verbindung mit der Heidenhain TNC 640 die Möglichkeit, die mit dem Fräsweg zunehmende Fräserabdrängung zu kompensieren.
Das Bearbeitungszentrum von Alzmetall und die mit LAC ausgestattete TNC 640 bilden eine leistungsstarke Grundlage, auf der GIF einen aufwendig optimierten Fertigungsprozess für Verzahnungen ergebnissicher realisiert. Die 5-Achs-Bearbeitung eröffnet neue Freiheitsgrade in der Herstellung von Verzahnungen, die höchste Qualitätsanforderungen erfüllen.
Dr. Johannes Heidenhain GmbH
www.heidenhain.de
GIF MBH & CO. KG
www.gif-do.de
Lastabhängige Anpassung
Die Heidenhain TNC-Funktion LAC (Load Adaptive Control) ermittelt die Beladung, stellt automatisch die optimalen Reglerparameter ein und passt diese während der Bearbeitung kontinuierlich an. Das Ergebnis ist eine höhere dynamische Genauigkeit in einer kürzeren Bearbeitungszeit.
