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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer bogenförmigen Flanke an einem Werkstück zur Herstellung eines bogenverzahnten Zahnrads, beispielsweise eines bogenverzahnten Kegelrades, sowie eine Werkzeugmaschine zur Durchführung des Verfahrens.
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Die Herstellung von bogenförmigen Flanken an bogenverzahnten Zahnrädern ist komplex. Üblicherweise werden hierfür speziell eingerichtete Bearbeitungsmaschinen verwendet. Diese bilden mit dem Bearbeitungswerkzeug den Wälzablauf ineinandergreifender Zähne zweier Zahnräder ab, um auf diese Weise die gewünschte Zahnform bzw. Zahnflankenform herzustellen.
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Ein anderes Verfahren und eine Vorrichtung zum Erzeugen von Steuerdaten zum Steuern eines Werkzeugs einer zumindest fünfachsigen Werkzeugmaschine sind aus
EP 2 221 693 A2 bekannt. Zur Erzeugung der Steuerdaten werden zunächst die grundlegenden Geometrieparameter des herzustellenden Fertigteils bestimmt, wie etwa die Höhe, die Länge, die Krümmung, usw. der an dem Fertigteil herzustellenden bogenförmigen Flanke. Anschließend wird eine Gruppe von Punkten generiert, die auf der herzustellenden Flanke in Reihen und Spalten angeordnet sind. Die einer Spalte zugehörigen Gruppe liegen in einer gemeinsamen Ebene, die rechtwinkelig auf der herzustellenden Fläche der Flanke steht. Außerdem ist diese Fläche rechtwinkelig zu der Grundfläche der Zahnlücke ausgerichtet. Die Bearbeitungsbahn für das Werkzeug wird dann anhand der Punkte und der zu den Punkten zugehörigen Normalenvektoren berechnet. Die Anzahl der Bearbeitungsbahnen entspricht daher der Anzahl der Zeilen von Punkten. Durch die spezifische Anordnung der Punkte in einer Spalte von Punkten sollen unnötige Drehachsbewegungen des Bearbeitungswerkzeugs vermieden werden. Dadurch werde sowohl der Werkzeugverschleiß verringert als auch eine exaktere Oberflächenformung der Flanke sichergestellt.
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US 2010/0023157 A1 beschreibt als nächstliegender Stand der Technik die grundsätzliche Möglichkeit für die Herstellung einer Komponente, z.B. einer Turbinenschaufel, ein Gitter aus Elementen und Knoten zu verwenden, das eine Modell-Bewegungsbahn für ein Werkzeug beschreibt. Anschließend wird das Werkstück gemessen und mit dem dem Gitter zugrundeliegenden Modell verglichen. Anhand der sich daraus ergebenden Abweichungen wird auf Basis der Modell-Bewegungsbahn die tatsächliche Bewegungsbahn für das Werkzeug ermittelt. Wie das Gitter ermittelt wird, das die Modell-Bewegungsbahn beschreibt, ist nicht erläutert.
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Ausgehend von diesem Stand der Technik kann es als Aufgabe der vorliegenden Erfindung angesehen werden, das bekannte Verfahren zu verbessern.
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Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 sowie eine Werkzeugmaschine mit den Merkmalen des Patentanspruches 13 gelöst.
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Mithilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens bzw. der erfindungsgemäßen Werkzeugmaschine kann ein Werkstück mit einer und vorzugsweise einer Vielzahl von bogenförmigen Flanken, beispielsweise ein bogenverzahntes Zahnrad hergestellt werden. Bei der computergestützten Konstruktion bzw. Simulation werden in der Regel Sollpunkte definiert und vorgegeben, die auf der herzustellenden Flanke liegen und als Sollwerte für die Messung zur Kontrolle des hergestellten Werkstücks dienen. Jeder Sollpunkt gibt eine Relativposition zu einem Bezugspunkt und die Orientierung der Flanke in diesem Punkt durch einen Normalenvektor an. Anhand dieser Sollpunkte können mehrere Sollpunktlinien gebildet werden, die einen Sollpunktliniensatz darstellen. Die Sollpunkte sind vorzugsweise auf jeder Sollpunktlinie unabhängig von der Position der Sollpunkte auf anderen Sollpunktlinien verteilt. Die Sollpunktlinien schneiden sich nicht und verlaufen bei der Herstellung eines Zahnrades parallel zur Erstreckungsrichtung eines Zahns zwischen dessen beiden Zahnenden. Sie können parallel und/oder konvergent und/oder divergent zueinander verlaufende Abschnitte aufweisen. Die Sollpunktlinien beginnen bzw. enden am zugeordneten Zahnende - also am Rand der herzustellenden Flanke - oder auch innerhalb der herzustellenden Flanke, so dass sie zumindest eine Teilfläche der herzustellenden Flanke abdecken. Anhand dieser Sollpunkte bzw. anhand des Sollpunktliniensatzes werden erfindungsgemäß Bearbeitungsbahnen für das Bearbeitungswerkzeug bestimmt. Ein vollständiges Modell des herzustellenden Fertigteils ist für das Verfahren nicht notwendig und liegt mithin in einer Steuereinrichtung der Werkzeugmaschine nicht vor. Die Steuereinheit kann lediglich anhand der Sollpunkte bzw. der Sollpunktlinien die Bearbeitungsbahnen als Ausgangsdaten für das Werkzeug ermitteln. Hierfür kann eine Eingabeschnittstelle bzw. Ein-Ausgabeschnittstelle an der Steuereinrichtung vorgesehen sein.
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Der Sollpunktliniensatz wird dann an der gewünschten Stelle, an der die bogenförmige Flanke entstehen soll, relativ zu einem vorgegebenen Bezugspunkt des Werkstücks positioniert. Bei der Herstellung von bogenverzahnten Zahnrädern werden insbesondere zwei verschiedene Sollpunktliniensätze für die beiden unterschiedlichen Flanken eines Zahnes positioniert. Durch die Vorgabe der gewünschten Zähnezahl positioniert die Steuereinheit die weiteren Sollpunktliniensätze für die weiteren Zähne gleichmäßig in Umfangsrichtung verteilt.
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Anschließend wird anhand des Sollpunktliniensatzes ein Flankenliniensatz mit mehreren Flankenlinien ermittelt. Hierfür werden mehrere Ergänzungsabschnitte bestimmt, die jeweils einen oder mehrere Linienergänzungspunkte aufweisen. Jeder Ergänzungsabschnitt ist einem Ende einer Sollpunktlinie zugeordnet und verlängert die Sollpunktlinie an diesem Ende. Zumindest ein Teil der Sollpunktlinien wird an einem oder beiden Enden durch den jeweils zugeordneten Ergänzungsabschnitt verlängert. Der Flankenliniensatz deckt demnach einen größeren Bereich ab als der Sollpunktliniensatz und insbesondere die vollständige Fläche der herzustellenden Flanke. Die so erzeugten Flankenlinien des Flankenliniensatzes können auch über die Fläche der herzustellenden Flanke hinausragen. Vorzugsweise werden alle Sollpunktlinien an beiden Enden durch jeweils einen Ergänzungsabschnitt verlängert. Der Übergang zwischen den Ergänzungsabschnitten und der zugeordneten Sollpunktlinie ist insbesondere derart, dass ein sprung- und/oder knickfreier Übergang geschaffen ist.
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Mittels des Flankenliniensatzes wird die herzustellende Flanke vollständig beschrieben. Auf Basis des Flankenliniensatzes können Bearbeitungsbahnen für das Werkzeug ermittelt werden. Anhand der gegenüber den Sollpunktlinien verlängerten Flankenlinien kann eine Anfahrbewegung und/oder eine Ausfahrbewegung des Werkzeugs in das Werkstück hinein bzw. aus dem Werkstück heraus bestimmt werden. Insbesondere sind die in Richtung der Bearbeitungsbahnen verlaufenden Flankenlinien so bestimmt, dass sie nicht innerhalb der Hüllgeometrie des Werkstücks enden und mithin die Bestimmung der Bearbeitungsbahn für das Werkzeug innerhalb der Hüllgeometrie des Werkstücks vollständig vorgeben können.
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Dieses Verfahren eignet sich für eine CNC-gesteuerte Universal-Werkzeugmaschine, beispielsweise ein Fräsmaschine oder ein Bearbeitungszentrum. Gerade bei kleinen Stückzahlen von herzustellenden bogenverzahnten Zahnrädern lohnt sich die Anschaffung einer Spezialwerkzeugmaschine häufig nicht. Durch das erfindungsgemäße Verfahren kann ein solches Zahnrad auch auf einer herkömmlichen CNC-gesteuerten Werkzeugmaschine hergestellt werden. Über eine Schnittstelle werden lediglich die Sollpunkte bzw. die Sollpunktlinien vorgegeben. Alle anderen Berechnungen können in der Steuervorrichtung der Werkzeugmaschine erfolgen.
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Vorzugsweise werden die Bearbeitungsbahnen für das Bearbeitungswerkzeug durch einen Bearbeitungsliniensatz mit mehreren Bearbeitungslinien vorgegeben. Der Bearbeitungsliniensatz wird auf Basis des Flankenliniensatzes ermittelt. Der Bearbeitungsliniensatz kann exakt in derselben Ebene angeordnet sein wie der Flankenliniensatz. Alternativ ist es jedoch auch möglich, den Bearbeitungsliniensatz aus der Ebene des Flankenliniensatzes zu verschieben, so dass die beiden Liniensätze verschiedene, gekrümmte Flächen definieren. Dadurch kann dem durch den Flankenliniensatz beschriebenen Sollmaß der herzustellenden Flanke für einen Bearbeitungsvorgang ein Aufmaß erteilt werden, das für nachfolgende Bearbeitungsschritte notwendig ist, beispielsweise für einen nachfolgenden Schlichtbearbeitungsvorgang oder für ein sich anschließendes Härten des hergestellten Fertigteils. Hierfür kann der Bearbeitungsliniensatz gegenüber dem Flankenliniensatz parallel verschoben und/oder unter einem Winkel versetzt positioniert werden. Der Winkelversatz entspricht sozusagen einem nicht-parallelen Verschieben bzw. einem Verschieben mit gleichzeitiger Relativneigung des Bearbeitungsliniensatzes gegenüber dem Flankenliniensatz.
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Zur Bestimmung der Bearbeitungslinien des Bearbeitungsliniensatzes können entlang der Flankenlinien zusätzliche Stützpunkte ermittelt werden. Die Anzahl der Stützpunkte einer Bearbeitungslinie ist verschieden von der Anzahl der Sollpunkte einer Sollpunktlinie bzw. Flankenlinie und insbesondere größer als der Anzahl der Sollpunkte der Sollpunktlinie oder Flankenlinie. Die Anzahl der Stützpunkte einer Bearbeitungslinie wird abhängig von weiteren Randbedingungen festgelegt. Als Randbedingung kann beispielsweise der Werkzeugtyp des Bearbeitungswerkzeugs, die Größe des Bearbeitungswerkzeugs, die gewünschte Oberflächengüte, die einzuhaltende Toleranz, die Schnittgeschwindigkeit, das zu bearbeitende Material oder eine Kombination mehrerer der vorgenannten Bedingungen berücksichtigt werden. Anhand der zusätzlichen Stützpunkte und der bereits vorhandenen Sollpunkte wird die wenigstens eine Bearbeitungsbahn für das Bearbeitungswerkzeug bestimmt.
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Die Linienergänzungspunkte und die Stützpunkte sind analog zu den Sollpunkten definiert und durch die Relativposition zum Bezugspunkt des Werkstücks und einen die Flankenorientierung angebenden Normalenvektor charakterisiert.
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Durch Extrapolation oder Interpolation können auch zusätzliche Bearbeitungslinien berechnet werden, die zusätzlich zu den bereits vorhandenen Bearbeitungslinien berücksichtigt werden oder bereits vorhandene Bearbeitungslinien ersetzen. Dies ist insbesondere dann möglich, wenn bei der Herstellung eines Zahnrades im Übergangsbereich zwischen der herzustellenden Flanke und dem Zahnlückengrund in einem ersten Berechnungsschritt Bearbeitungslinien ermittelt werden, die einen außerhalb der Toleranz liegenden Flächenverlauf im Übergangsbereich verursachen. Dieser Zustand kann abhängig von der Art und der Dimension des verwendeten und bei der Ermittlung der Bearbeitungslinien berücksichtigten Bearbeitungswerkzeugs auftreten. Zeigt ein Vergleich der Vektoren der Punkte auf den Bearbeitungslinien in diesem Übergangsbereich eine Krümmungsumkehr, so werden die betreffenden Bearbeitungslinien gelöscht und durch neu berechnete Bearbeitungslinien ersetzt, bei denen keine Krümmungsumkehr der Flanke durch die Normalenvektoren vorgegeben ist.
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Das Bearbeiten des Werkstücks mit einem oder mehreren unterschiedlichen Bearbeitungswerkzeugen erfolgt vorzugsweise in nacheinander ablaufenden Bearbeitungsschritten, wobei in jedem Bearbeitungsschritt ein Materialabtrag erfolgt. Dabei wird jedem Bearbeitungsschritt ein separater Bearbeitungsliniensatz und mithin eine oder mehrere separate Bearbeitungsbahnen zugeordnet. Dadurch ergibt sich die Möglichkeit, die Bearbeitungsbahnen für Bearbeitungsschritte wie die Schruppbearbeitung oder die Schlichtbearbeitung sehr einfach automatisch zu bestimmen.
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Dient die herzustellende Flanke als Zahnflanke für ein bogenverzahntes Zahnrad, so kann beim erfindungsgemäßen Verfahren in einer vorteilhaften Ausgestaltung eine Lage- und/oder Formkorrektur der Flanke durchgeführt werden, um das Tragbild und/oder die Abrolleigenschaften des Zahnrades zu beeinflussen. Diese Lage- und/oder Formkorrektur erfolgt vorzugsweise vor der Bestimmung des Bearbeitungsliniensatzes oder vor der Bestimmung des Flankenliniensatzes. Dies kann beispielsweise dadurch erfolgen, dass der Sollpunktliniensatz und/oder der Flankenliniensatz um wenigstens eine Schwenkachse geschwenkt wird. Vorzugsweise verläuft eine Schwenkachse in Höhenrichtung des Zahns vom Zahnfuß zum Zahnkopf und eine zweite Schwenkachse rechtwinklig hierzu von einem Zahn- oder Flankenende zu einem entgegengesetzten Zahn- oder Flankenende der herzustellenden Flanke in Erstreckungsrichtung des Zahns. Durch ein solches Verschwenken wird die für das Abrollen der Zahnflanke auf einem damit in Eingriff stehenden weiteren Zahnrad und mithin das Tragbild der Zahnflanke des Zahnrad-Zahnes verändert.
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Alternativ oder zusätzlich hierzu ist es zur Lage- und/oder Formkorrektur auch möglich, einen Sollpunkt des Sollpunktliniensatzes und/oder des Flankenliniensatzes zu verschieben.
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Schließlich ist es alternativ oder zusätzlich hierzu auch möglich, eine Lage- und/oder Formkorrektur durch Verändern eines Krümmungswertes des Flankenliniensatzes und/oder des Sollpunktliniensatzes durchzuführen.
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Die genannten Möglichkeiten zur Beeinflussung der Zahnradeigenschaften durch eine Lage- und/oder Formkorrektur können beispielsweise von einem Bediener der Werkzeugmaschine über eine Ein-Ausgabeschnittstelle der Steuervorrichtung durchgeführt werden. Insbesondere ist es von Vorteil, wenn der zu verändernde Liniensatz in einer dreidimensionalen Darstellung der Bedienmaske angezeigt wird und grafisch oder durch Vorgabe von veränderten Parameterwerten vom Bediener geändert werden kann.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Patentansprüchen und der Beschreibung. In der Beschreibung werden Ausführungsbeispiele der Erfindung erläutert. Die Beschreibung beschränkt sich auf wesentliche Merkmale der Erfindung sowie sonstiger Gegebenheiten. Die Zeichnung ist ergänzend heranzuziehen. Es zeigen:
- 1 eine schematische, blockschaltbildähnliche Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer Werkzeugmaschine,
- 2 ein Flussdiagramm eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens,
- 3 eine perspektivische Teildarstellung eines hergestellten Fertigteils in Form eines bogenverzahntes Kegelrades,
- 4 bis 8 schematische Darstellungen verschiedener Verfahrensschritte zur Bestimmung der Bearbeitungsbahnen für das Bearbeitungswerkzeug
- 9 bis 13 eine schematische Teildarstellung des Werkstücks im Schnitt sowie das Bearbeiten des Werkstücks mit einem Bearbeitungswerkzeug erntlang der ermittelten Bearbeitungsbahnen und
- 14 bis 16 schematische Darstellungen verschiedener Sollpunktliniensätze mit zueinander parallelen, divergierenden oder konvergierenden Sollpunktlinienabschnitten.
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In 1 ist eine blockschaltbildähnliche Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer Werkzeugmaschine 20 dargestellt. Die Werkzeugmaschine 20 weist ein Maschinengestell 21 auf, an dem eine Werkstückhalterung 22 zum Einspannen eines zu bearbeitenden Werkstücks 23 angeordnet ist. Am Maschinengestell 21 ist außerdem eine Werkzeughalterung 24 vorgesehen, die ein Werkzeug 25 und beispielsgemäß ein Bearbeitungswerkzeug 26 oder ein Messwerkzeug 27 aufnehmen kann. Über einen Motor 28 der Werkstückhalterung 22 kann das Bearbeitungswerkzeug 26 um eine Drehachse D angetrieben werden.
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Die Werkzeugmaschine 20 verfügt über mehrere Achsen, um die Relativposition und die Relativlage des Werkzeugs 25 gegenüber dem Werkstück 23 einstellen zu können. Beim Ausführungsbeispiel sind fünf Achsen vorgesehen. Über drei Linearachsen kann eine Relativbewegung der Werkstückhalterung 22 gegenüber der Werkzeughalterung 24 in alle drei Raumrichtungen X, Y, Z durchgeführt werden. Beispielsweise kann die Werkzeughalterung 24 hierfür an einer Schlittenanordnung des Maschinengestells 21 gelagert sein. Zusätzlich weist die Werkzeugmaschine 20 zwei Drehachsen auf. Beispielsgemäß kann die Werkzeughalterung 24 um eine sich in Y-Richtung erstreckende Achse B sowie die Werkstückhalterung 22 um eine sich in Z-Richtung erstreckende Achse C gedreht bzw. geschwenkt werden. Es versteht sich, dass alternativ weniger oder auch bis zu sechs Achsen vorgesehen sein könnten. Die Anzahl der Linearachsen und der Rundachsen bzw. der Schwenkachsen kann dabei variieren.
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Die Werkzeugmaschine 20 weist außerdem eine Steuereinrichtung 29 auf. Es handelt es sich bei der Werkzeugmaschine 20 um eine CNC-gesteuerte Werkzeugmaschine. Die Steuereinrichtung 29 weist eine Ein-Ausgabeeinheit 30 auf.
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Die Werkzeugmaschine 20 dient zur Herstellung eines Fertigteils 35 aus dem Werkstück 23. Das Fertigteil 35 weist zumindest eine bogenförmige Flanke 36 auf, die in eine oder zwei Raumrichtungen gekrümmt verlaufen kann. Dabei kann die Krümmung konkav oder konvex sein. Beispielsgemäß wird als Fertigteil 35 ein bogenverzahntes Zahnrad hergestellt, wie es teilweise in 3 veranschaulicht ist. Das bogenverzahnte Zahnrad weist mehrere gleichmäßig über den Umfang verteilt angeordnete Zähne 37 auf. Jeder Zahn 37 enthält eine bogenförmige erste Flanke 36 und eine bogenförmige zweite Flanke 38. Beispielsgemäß ist die erste Flanke 36 in Erstreckungsrichtung E des Zahns 37 von seinem einen Zahnende 39 bis zu seinem entgegengesetzten Zahnende 40 konkav gekrümmt, während die zweite Flanke 38 in Erstreckungsrichtung E konvex gekrümmt verläuft. Beim dargestellten Ausführungsbeispiel sind die beiden Flanken 36, 38 in Höhenrichtung vom Zahnfuß zum Zahnkopf gerade und nicht gekrümmt. Alternativ hierzu könnte zumindest eine der Flanken 36, 38 zusätzlich in Höhenrichtung gekrümmt sein, insbesondere ein konvex ballige Form aufweisen.
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Erfindungsgemäß ist ein einfaches Verfahren zur Herstellung derartiger Fertigteile 35, insbesondere bogenverzahnter Zahnräder vorgeschlagen. In einem ersten Verfahrensschritt S1 wird der Steuereinrichtung 29 zum Beispiel über die Ein-Ausgabeeinheit 30 ein erster Sollpunktliniensatz PS1 mit mehreren ersten Sollpunktlinien SL1 für die erste Flanke 36 und beispielsgemäß außerdem ein zweiter Sollpunktliniensatz PS2 mit mehreren zweiten Sollpunktlinien SL2 für die zweite Flanke 38 zur Verfügung gestellt. Jede Sollpunktlinie SL1, SL2 enthält mehrere Sollpunkte P, die auf den Sollpunktlinien SL1, SL2 angeordnet sind und diese definieren. Die Sollpunktlinien SL1 bzw. SL2 eines Sollpunktliniensatzes PS1 , PS2 schneiden sich nicht. Sie können parallel zueinander verlaufende, konvergierende und/oder divergierende Abschnitte aufweisen, wie dies die 14 bis 16 schematisch veranschaulichen. Die Sollpunktlinien SL1 bzw. SL2 stellen sozusagen Höhenlinien auf der herzustellenden Flanke 36 bzw. 38 dar. Sie verlaufen in Erstreckungsrichtung E des Zahns 37. Die Sollpunkte P bzw. die dadurch gebildeten Sollpunktlinie SL1, SL2 können beispielsweise in einem Simulationsprogramm oder CAD-Konstruktionsprogramm erzeugt werden. Sie dienen seither als Messpunkte bzw. Messwerte zur Kontrolle der hergestellten Flanke 36 bzw. 38, um das hergestellte Fertigteil 35 mit den ursprünglichen Konstruktionsdaten an ausgewählten Stellen abzugleichen. Wie beispielsweise in 3 zu erkennen ist, decken die Sollpunkte P lediglich einen Teilbereich 46 der zugeordneten Flanke 36 bzw. 38 ab, der gestrichelt dargestellt ist. Der dadurch gebildete Sollpunktliniensatz PS1 kann die erste Flanke 36 daher nicht vollständig beschreiben. Dasselbe gilt für den zweiten Sollpunktliniensatz PS2 in Bezug auf die zweite Flanke 38 des Zahns 37.
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In einem zweiten Verfahrensschritt S2 wird in der Steuereinrichtung 29 der Werkzeugmaschine 20 anschließend zumindest ein erster und/oder ein zweiter Sollpunktliniensatz PS1, PS2 relativ zu einem Bezugspunkt R des unbearbeiteten Werkstücks 23 positioniert. Jedem Sollpunkt P ist beispielsgemäß ein Vektor V zugeordnet, der die räumliche Position (xp, yp, zp) des Punktes P gegenüber dem Bezugspunkt R sowie die Orientierung der Flanke 36, 38 an dem Punkt P durch einen dem Punkt P zugeordneten Normalenvektor (ip, jp, kp) beschreibt. Bei dem beispielsgemäß herzustellenden bogenverzahnten Kegelrad werden ein erster Sollpunktliniensatz PS1 und ein zweiter Sollpunktliniensatz PS2 in Umfangsrichtung um die Drehachse A abwechselnd nebeneinander positioniert. Die Sollpunktliniensätze PS1, PS2 sind dabei vollständig innerhalb der Hüllgeometrie des Werkstücks 23 angeordnet. Als Bezugspunkt R dient bei dem Kegelrad beispielsgemäß die virtuelle Kegelspitze.
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Es ist ausreichend, einen ersten und/oder einen zweiten Sollpunktliniensatz PS1, PS2 eines Zahns 37 um die Drehachse A herum in der gewünschten Position anzuordnen und der Steuereinrichtung 29 die Anzahl der Zähne 37 des herzustellenden Zahnrades anzugeben. Die weiteren Sollpunktliniensätze für die anderen Zähne können gleichmäßig in Umfangsrichtung verteilt durch die Steuereinrichtung 29 angeordnet werden.
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Nachdem die Sollpunktliniensätze PS1, PS2 positioniert wurden, wird in einem dritten Verfahrensschritt S3 für jeden Sollpunktliniensatz PS1, PS2 ein zugeordneter Flankenliniensatz FS mit mehreren Flankenlinien FL gebildet. Zur Erzeugung des Flankenliniensatzes FS wird zumindest ein Teil der Sollpunktlinien SL1, SL2 des zugeordneten Sollpunktliniensatzes PS1, PS2 durch Ergänzungsabschnitte 47 verlängert (7), die jeweils mindestens einen zusätzlichen Linienergänzungspunkt 48 aufweisen. Die Sollpunktlinien SL1, SL2 des betreffenden Sollpunktliniensatzes PS1, PS2 können hierfür an einem Ende oder an beiden Enden durch einen jeweiligen Ergänzungsabschnitt 47 verlängert werden. Bei dem hier beschriebenen Ausführungsbeispiel werden alle Sollpunktlinien SL1, SL2 an beiden Enden durch jeweils einen Ergänzungsabschnitt 47 derart verlängert, dass der Flankenliniensatz FS die Fläche der jeweils der zugeordneten Flanke 36 bzw. 38 vollständig abdeckt und vorzugsweise über die Flanke 36, 38 an den Zahnenden 39, 40 hinausragt. Vorzugsweise sind die Flankenlinien FL in Erstreckungsrichtung E des Zahns 37 derart lang, dass ihre Enden nicht innerhalb der Hüllgeometrie des Werkstücks 23 enden.
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Die Ergänzungsabschnitte 47 werden in der Steuereinrichtung 29 beim Ausführungsbeispiel derart bestimmt, dass sie stufenlos und knickfrei an das jeweils zugeordnete Ende der Sollpunktlinie SL1, SL2 des zugeordneten Sollpunktliniensatzes PS1, PS2 anschließen. Hierfür kann der Verlauf der betreffenden Sollpunktlinie SL1, SL2 beispielsweise extrapoliert werden. Die Größe des ersten Sollpunktliniensatzes PS1 ist in 7 durch Kreuzschraffur veranschaulicht. Die darüber hinausgehenden Linienabschnitte stellen die Ergänzungsabschnitte 47 des Flankenliniensatzes FS dar.
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Anhand des Flankenliniensatzes FS wird nachfolgend die wenigstens eine Bearbeitungsbahn 50 für das Bearbeitungswerkzeug 26 berechnet. Diese enden wie zuvor erläutert nicht innerhalb der Werkstückkontur, so dass ein vollständiger Bearbeitungsweg 50 für das Bearbeitungswerkzeug in das Werkstück 23 hinein und aus dem Werkstück 23 heraus beschrieben werden kann.
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Bei dem hier beschriebenen bevorzugten Ausführungsbeispiel wird zur Bestimmung der wenigstens einen Bearbeitungsbahn 50 für ein Bearbeitungswerkzeug 26 aus dem Flankenliniensatz FS in einem vierten Verfahrensschritt S4 zunächst ein Bearbeitungsliniensatz BS mit mehreren Bearbeitungslinien BL ermittelt. Dies erfolgt dadurch, das auf Basis der Flankenlinien FL des Flankenliniensatzes FS zusätzliche Stützpunkte SP berechnet werden, beispielsweise durch Interpolation oder Extrapolation zwischen benachbarten Sollpunkten P auf der Flankenlinie FL. Die Stützpunkte SP liegen in der durch die Flankenlinien des Flankenliniensatzes FS definierten gekrümmten Fläche. Die Stützpunkte SP können auch außerhalb der Flankenlinien FL angeordnet sein und beispielsweise zur Bestimmung einer zusätzlichen Bearbeitungslinien BL* des Bearbeitungsliniensatzes BS dienen. Eine oder mehrere zusätzliche Bearbeitungslinien BL* können im Bereich des Zahnfußes oder des Zahnkopfes angeordnet oder zwischen vorhandene Bearbeitungslinien BL eingefügt werden, die sich im Wesentlichen an denselben Stellen wie die Flankenlinien FL befinden. In 8 ist beispielhaft und sehr schematisch ein Bearbeitungsliniensatz BS mit Stützpunkten SP gestrichelt dargestellt.
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Die Anzahl bzw. die Dichte der Stützpunkte SP des Bearbeitungsliniensatzes BS sowie der ursprünglichen Sollpunkte P auf einer Bearbeitungslinie BL ist unabhängig von der Position und Anzahl der Stützpunkte SP und der Sollpunkte P auf einer der anderen Bearbeitungslinien BL oder BL*. Beim Ausführungsbeispiel ist die Anzahl und die Dichte der Stützpunkte SP des Bearbeitungsliniensatzes BS so gewählt, dass der Abstand zwischen zwei benachbarten Stützpunkten SP und/oder Sollpunkten P kleiner ist als ein vorgegebener Abstandsschwellenwert. Die benötigte Anzahl bzw. der Abstand zwischen benachbarten Punkten SP, P wird durch die Steuereinrichtung 29 ermittelt. Dabei können Randbedingungen, die durch das Herstellungsverfahren oder die Werkzeugmaschine 20 gegeben sind, berücksichtigt werden. Beispielsweise kann die Geometrie des Bearbeitungswerkzeugs 26, dessen Größe, die Schnittgeschwindigkeit, der Werkzeugtyp (geometrisch definierte Schneide, geometrisch undefinierte Schneide) die gewünschte Oberflächenqualität, die einzuhaltende Toleranz und ähnliche Parameter oder eine Kombination von mehreren der genannten Parameter als Randbedingung berücksichtigt werden.
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Der Bearbeitungsliniensatz BS kann in derselben gekrümmten Fläche liegen wie der zugehörige Flankenliniensatz FS. Alternativ hierzu ist es auch möglich, den Bearbeitungsliniensatz BS gegenüber dem Flankenliniensatz FS zu versetzen. Dieses Versetzen kann an einer oder mehreren Stellen einen Abstand zwischen dem Flankenliniensatz FS und dem Bearbeitungsliniensatz BS erzeugen, wodurch ein Aufmaß gegenüber dem durch den Sollpunktliniensatz PS1, PS2 bzw. dem Flankenliniensatz FS beschriebenen Sollmaß der zugeordneten Flanke 36 bzw. 38 gebildet wird. Das Aufmaß kann beispielweise dazu dienen, Material für einen weiteren nachfolgenden materialabtragenden Bearbeitungsschritt an der bearbeitenden Flanke 36 bzw. 38 zu belassen. Das Aufmaß kann auch erforderlich sein, um die vorgegebene Toleranz zum Sollmaß einzuhalten, wenn das Fertigteil 35 nach seiner materialabtragenden bzw. spanenden Bearbeitung mit dem Bearbeitungswerkzeug 26 noch gehärtet wird.
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Der Versatz zwischen dem Bearbeitungsliniensatz BS und dem Flankenliniensatz FS kann zum Beispiel durch ein paralleles Verschieben des Bearbeitungsliniensatzes BS gegenüber dem Flankenliniensatz FS erreicht werden. Alternativ oder gleichzeitig kann der Bearbeitungsliniensatz BS gegenüber dem Flankenliniensatz FS auch geneigt werden, so dass ein Winkelversatz eingestellt wird.
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Vor der Ermittlung des Bearbeitungsliniensatzes BS im vierten Verfahrensschritt S4 kann im ersten Verfahrensschritt S1 oder im dritten Verfahrensschritt S3 eine Lage- und/oder Formkorrektur der herzustellenden Flanke 36 bzw. 38 durchgeführt werden. Mit dieser Maßnahme kann das Tragbild der betreffenden Flanke 36, 38 beeinflusst werden. Die Lage- und/oder Formkorrektur kann beispielsweise auch dazu dienen, den Verschleiß des hergestellten bogenverzahnten Zahnrads zu minimieren und/oder um Eingriffsgeräusche zu reduzieren und/oder andere geforderte Laufeigenschaften oder Zahnradeigenschaften zu erreichen. Dies kann beim erfindungsgemäßen Verfahren oder der erfindungsgemäßen Werkzeugmaschine 20 sehr einfach durchgeführt werden.
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Zur Lage- und/oder Formkorrektur ergeben sich mehrere Möglichkeiten, die alternativ oder in Kombination angewandt werden können. Eine erste Möglichkeit besteht darin, im ersten Verfahrensschritt S1 den Sollpunktliniensatz PS1, PS2 um eine in Höhenrichtung vom Zahnfuß zum Kopf des Zahns 37 verlaufende erste Schwenkachse 51 und/oder um eine rechtwinklig hierzu in Erstreckungsrichtung E des Zahns 37 verlaufende zweite Schwenkachse 52 zu schwenken. Der sich dadurch verändernde Zahnflankenverlauf führt auch zu einem veränderten Tragbild der betreffenden Flanke 36 bzw. 38.
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Bei einer anderen Lage- und/oder Formkorrektur wird wenigstens ein Sollpunkt P und/oder ein Linienergänzungspunkt 48 und/oder wenigstens ein Stützpunkt SP verschoben. Dadurch kann die Geometrie der hergestellten Flanke 36 bzw. 38 geändert und mithin auch das Tragbild oder andere Zahn- und Zahnradeigenschaften modifiziert werden. Eine solche Punktverschiebung kann beispielsweise sehr einfach durch eine grafische Bedienoberfläche der Ein-Ausgabeeinheit 30 durchgeführt werden. Dort kann zum Beispiel ein dreidimensionales Bild des Sollpunktliniensatzes PS1, PS2 und/oder des Flankenliniensatzes FS und/oder des Bearbeitungsliniensatzes BS dargestellt und für einen Bediener die Möglichkeit gegeben sein, die Sollpunkte P und/oder die Linienergänzungspunkte 48 und/oder die Stützpunkte SP des Flankenliniensatzes FS zu bewegen bzw. wie zuvor beschrieben den Sollpunktliniensatz PS1, PS2 bzw. den Flankenliniensatz FS um eine oder beide Schwenkachsen 51 bzw. 52 zu schwenken.
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Schließlich kann zur Lage- und/oder Formkorrektur über die Ein-Ausgabeeinheit 30 auch ein Parameterwert zur Beeinflussung des Sollpunktliniensatzes PS1, PS2 und/oder des Flankenliniensatzes FS und/oder des Bearbeitungsliniensatzes BS eingegeben bzw. verändert werden. Als Parameter kann beispielsweise die Krümmung einer oder mehrere Linien über einen Faktor erhöht oder verringert oder auf einen geforderten Wert eingestellt werden.
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In einem fünften Verfahrensschritt S5 werden anhand der Punkte auf den Bearbeitungslinien BL des Bearbeitungsliniensatzes BS die im nachfolgenden Bearbeitungsschritt erforderlichen Bearbeitungsbahnen 50 für das Bearbeitungswerkzeug 26 gebildet. Beim bevorzugten Ausführungsbeispiel verlaufen die Bearbeitungsbahnen 50 für das Bearbeitungswerkzeug 26 in Erstreckungsrichtung E des herzustellenden Zahns 37.
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Im nachfolgenden sechsten Verfahrensschritt S6 wird dann das Bearbeitungswerkzeug 26 entlang der wenigstens einen Bearbeitungsbahn 50 bewegt und die betreffende Flanke 36 bzw. 38 im Werkstück 23 hergestellt. In den 9 bis 13 ist dies äußerst schematisch veranschaulicht. In diesen Figuren wird das Erzeugen einer Zahnlücke zwischen zwei benachbarten Flanken 36, 38 zweier benachbarter Zähne 37 im Werkstück 23 gezeigt. Sind alle Zahnlücken in dem Werkstück 23 auf diese Weise hergestellt, ist das Werkstück 23 zum Fertigteil 35 bearbeitet.
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In den 9 bis 13 ist jeweils ein Teil des Werkstücks 23 im Querschnitt dargestellt. Die beiden herzustellenden benachbarten Zähne 37 sind gestrichelt veranschaulicht. In 10 ist sowohl für die herzustellende erste Flanke 36, als auch für die herstellende zweite Flanke 38 der jeweils zugeordnete, wie zuvor beschrieben ermittelte Bearbeitungsliniensatz BS schematisiert veranschaulicht. Anhand dieser beiden benachbarten Bearbeitungsliniensätze BS ergeben sich die in 10 beispielhaft für einen kegelstumpfförmigen Schaftfräser dargestellten Bearbeitungsbahnen 50. Wird das Bearbeitungswerkzeug 26 entlang der Bearbeitungsbahnen 50 bewegt, so wird das Material vollständig abgetragen, weil sich benachbarte Bearbeitungsbahnen 50 überlappen. Anstelle von trapezförmigen Schaftfräsern können vorzugsweise auch Topffräser oder Scheibenfräser verwendet werden, die eine schnellere Bearbeitung ermöglichen. Als Bearbeitungswerkzeug 26 können Fräswerkzeuge mit definierter oder nicht definierter Schneidengeometrie verwendet werden. Bei einem Fräswerkzeug mit definierter Schneidengeometrie können eine und vorzugsweise mehrere Schneidplatten an einem Trägerteil befestigt sein. Die Schneidplatten können eine runde oder mehreckige Form aufweisen.
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In 11 ist der Ausschnitt des Werkstücks 23 nach dem ersten Bearbeitungsschritt dargestellt. Die Zahnlücke zwischen den beiden herzustellenden Zähnen 37 wurde geöffnet. Für den nachfolgenden Bearbeitungsschritt, beispielsweise einen Schruppfräsvorgang, werden für jede Flanke 36, 38 jeweils ein neuer Bearbeitungsliniensatz BS ermittelt, das beispielsgemäß ein Aufmaß gegenüber der herzustellenden Flanke 36, 38 definiert. Deswegen ist der Bearbeitungsliniensatz BS mit Abstand zur jeweiligen herzustellenden Flanke 36 ,38 angeordnet.
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12 zeigt den Ausschnitt des Werkstücks nach dem Schruppfräsvorgang. In einem oder mehreren Schlichtfräsvorgängen kann nunmehr das noch verbleibende Aufmaß des Materials des Werkstücks gegenüber der herzustellenden Flanke 36, 38 abgetragen werden, wodurch eine hohe Oberflächengüte erhalten wird. Wenn das hergestellte Fertigteil 35 gehärtet werden soll, kann ein vorbestimmtes Aufmaß an Material verbleiben, so dass das Sollmaß erst nach dem Härten erreicht wird. Wie in 13 schematisch veranschaulicht, ist bei dem hier beschriebenen Ausführungsbeispiel vorgesehen, dass das Material des Werkstücks 23 vollständig bis auf das Sollmaß abgetragen wird.
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Wie beschrieben wird zumindest für die Bearbeitungsschritte Schruppfräsen (11) sowie das anschließende einstufige oder mehrstufige Schlichtfräsen (12) jeweils ein veränderter Bearbeitungsliniensatz BS und anhand dieses Bearbeitungsliniensatzes BS jeweils neue Bearbeitungsbahnen 50 für das Bearbeitungswerkzeug 26 festgelegt. Der für die verschiedenen Bearbeitungsschritte veränderte Bearbeitungsliniensatz BS wird vorzugsweise nur durch Verschieben und/oder Verschwenken der ansonsten unveränderten Bearbeitungslinien BL eines ermittelten Bearbeitungsliniensatzes BS erhalten. Die Anzahl der Bearbeitungsschritte kann variieren. Dies hängt von der gewünschten Oberflächengüte und von der Menge des abzutragenden Materials ab.
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Schließlich ist es nach dem Bearbeiten des Werkstücks 23 im sechsten Verfahrensschritt S6 in einem nachfolgenden siebten Verfahrensschritt S7 vorgesehen, in derselben Aufspannung des Werkstücks 23 in der Werkzeugmaschine 20 eine Kontrollmessung M durchzuführen. Hierfür wird das Bearbeitungswerkzeug 26 gegen das Messwerkzeug 27 gewechselt. Anschließend wird beispielsgemäß nur anhand der ursprünglichen Sollpunkte P eine Messung durchgeführt und geprüft, ob der Verlauf der Flanken 36, 38 der ursprünglichen Sollvorgabe entspricht. Ist dies nicht der Fall, können Korrekturwerte W erzeugt und der Bearbeitungsliniensatz BS anhand der Korrekturwerte W korrigiert werden. Hierfür kann vom siebten Verfahrensschritt S7 in den vierten Verfahrensschritt S4 zurückgesprungen und der Bearbeitungsliniensatz BS durch die Korrekturwerte W korrigiert werden. Anschließend wird das Verfahren im fünften und sechsten Verfahrensschritt S5, S6 fortgesetzt und schließlich im siebten Verfahrensschritt S7 erneut eine Kontrollmessung durchgeführt. Das Verfahren endet, sobald die Kontrollmessung ergibt, dass das Fertigteil 35 die Sollwerte unter Berücksichtigung der Toleranzen einhält.
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Werkzeugmaschine 20 zur Herstellung einer bogenverzahnten Flanke 36, 38 an einem Werkstück 23. Hierfür werden aus einem Konstruktions- oder Simulationsprogramm generierte sich nicht schneidende Sollpunktlinien SL1, SL2 mit jeweils mehreren Sollpunkten P als Eingangsdaten verwendet, wobei mehrere Sollpunktlinien SL1 oder SL2 einen Sollpunktliniensatz PS1 oder PS2 bilden. Die Sollpunkte P beschreiben zumindest einen Teilbereich 46 der herzustellenden Flanke 36, 38. Abhängig von der Anzahl der herzustellenden Flanken 36, 38 werden die Sollpunktliniensätze PS1, PS2 relativ zu einem Bezugspunkt R des Werkstücks 23 anforderungsgemäß positioniert. Im Anschluss daran wird zumindest ein Teil der Sollpunktlinien SL1, SL2 an einem und/oder an beiden Enden durch jeweils einen Ergänzungsabschnitt 47 mit einem oder mehreren Linienergänzungspunkten 48 verlängert, wodurch Flankenlinien FL für jede herzustellende Flanke erzeugt werden. Die Flankenlinien FL decken die herzustellende Flanke 36, 38 vollständig ab oder ragen darüber hinaus. Auf diese Weise ist es möglich, Bearbeitungsbahnen 50 für ein Bearbeitungswerkzeug 26 zu definieren, die einen vollständigen Bewegungsweg für das Bearbeitungswerkzeug 26 entlang der herzustellenden Flanke 36, 38 beschreiben. Eine äußerst einfache Bedienung ist erreicht. Das Verfahren kann auf einer universellen mehrachsigen CNC-gesteuerten Werkzeugmaschine durchgeführt werden.
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Bezugszeichenliste
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- 20
- Werkzeugmaschine
- 21
- Maschinengestell
- 22
- Werkstückhalterung
- 23
- Werkstück
- 24
- Werkzeughalterung
- 25
- Werkzeug
- 26
- Bearbeitungswerkzeug
- 27
- Messwerkzeug
- 28
- Motor
- 29
- Steuereinrichtung
- 30
- Ein-Ausgabeeinheit
- 35
- Fertigteil
- 36
- erste Flanke
- 37
- Zahn
- 38
- zweite Flanke
- 39
- Zahnende
- 40
- Zahnende
- 46
- Teilbereich
- 47
- Ergänzungsabschnitt
- 48
- Linienergänzungspunkt
- 50
- Bearbeitungsbahn
- 51
- erste Schwenkachse
- 52
- zweite Schwenkachse
- S1-S7
- Verfahrensschritt
- A
- Drehachse
- B
- Achse
- BS
- Bearbeitungsliniensatz
- BL
- Bearbeitungslinie
- C
- Achse
- FS
- Flankenliniensatz
- FL
- Flankenlinie
- P
- Sollpunkt
- R
- Bezugspunkt
- S1
- Sollpunktliniensatz
- S2
- Sollpunktliniensatz
- SL1
- erste Sollpunktlinie
- SL2
- zweite Sollpunktlinie
- SP
- Stützpunkt
- V
- Vektor
- W
- Korrekturwert
- X
- Richtung
- Y
- Richtung
- Z
- Richtung
