-
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Kompensieren einer Werkzeugrundlaufabweichung bei einer Wälzstoßmaschine und eine Wälzstoßmaschine zur Ausführung des Verfahrens.
-
Aus dem Stand der Technik ist der Aufbau und die Funktionsweise von Wälzstoßmaschinen bekannt. So wird die Wälzstoßmaschine mit einem Schneidrad als Werkzeug bestückt, um Verzahnungen an einem Werkstück herzustellen. Dabei wird das Werkstück mittels einer Aufspannvorrichtung an der Wälzstoßmaschine festgelegt. Das Schneidrad wird in eine Stoßspindel der Wälzstoßmaschine eingespannt.
-
Werkstück und Schneidrad bilden beim Wälzstoßen ein Getriebe mit parallelen oder nicht parallelen (gekreuzten) Achsen aus und führen, eine Drehbewegung entsprechend ihren Zähnezahlen aus. Damit eine Spanabnahme erfolgt, führt das Schneidrad eine Hubbewegung entlang seiner Achsrichtung aus. Für den Fall, dass eine Schrägverzahnung erzeugt werden soll, führt das Schneidrad infolge einer Schraubführung zusätzlich eine Schraubbewegung aus. Um das Streifen der Zahnflanken beim Schneidradrückhub zu vermeiden, wird das Schneidrad in eine entsprechende Position bewegt.
-
Dabei besteht der Zahnradherstellungsprozess aus mehreren Schritten, nämlich einem Schruppen und Schlichten. Im Schrupprozess werden die Zähne hergestellt und im Schlichtprozess werden diese einer Feinbearbeitung unterzogen. Insbesondere im Schlichtprozess kommen Fehler aufgrund einer Schneidradrundlaufabweichung besonders zum Tragen und führen zu unerwünschten Verzahnungsabweichungen im Werkstück. Schneidradrundlaufabweichungen können sich bei der Aufspannung des Schneidrads in die Stoßspindel ergeben, bei der eine Schneidradachse nicht koaxial zu einer Stoßspindeldrehachse verläuft. Zudem können sich Schneidradrundlaufabweichungen aus einer ungenauen Herstellung des Schneidrads, die sich beispielsweise in einer asymmetrischen Schneidradform widerspiegelt, selbst ergeben. Die Verzahnungsabweichungen im Werkstück können mit einem diametralen Zweikugelmaß und/oder dem diametralen Zweirollenmaß oder auf einer Verzahnungsmessmaschine ermittelt werden.
-
Der Einfluß der zuvor genannten Schneidradrundlaufabweichungen auf die Verzahnungsabweichung und somit auf die Genauigkeit des Zahnradherstellungsvorgangs wird in den 1a, 1b, 2a und 2b gezeigt. Dabei zeigen die 1a und 1b eine Ausführung, bei der das Verhältnis Schneidradzähnezahl zu Werkstückzähnezahl groß ist. Die 2a und 2b zeigen eine Ausführung, bei der das Verhältnis Schneidradzähnezahl zu Werkstückzähnezahl klein ist.
-
Ein großes Verhältnis zwischen der Schneidradzähnezahl zu Werkstückzähnezahl bedeutet, dass bereits ein in 1a gezeigter Teilbereich 1–5 des Schneidrads 13 ausreichend ist, um die vollständige Verzahnung des Werkstücks herzustellen. In 1b ist die Verzahnungsabweichung über eine Vielzahl von hergestellten Werkstücken aufgetragen, wobei die mit den Teilbereichen 1–5 des Schneidrads hergestellten Werkstücke 1–5 explizit bezeichnet sind. Wie aus 1b ersichtlich ist, weist die Verzahnungsabweichung eine unerwünscht hohe Schwankungsbreite auf.
-
Bei der in den 2a und 2b gezeigten Ausführung mit kleinem Verhältnis zwischen der Schneidradzähnezahl zu Werkstückzähnezahl werden alle Zähne des Schneidrads 13 zur Herstellung der Verzahnung des Werkstücks eingesetzt. 2b zeigt daher den Verlauf der Verzahnungsabweichung bei der Herstellung eines einzigen Werkstücks. Wie aus 2b ersichtlich ist, weist die Verzahnungsabweichung einen sinusförmigen Verlauf auf, wobei die sich bei einer Bearbeitung des Werkstücks mit den Teilbereichen 1–3 des Werkzeugs ergebenden Rundlaufabweichungen explizit angegeben sind. Analog zu 1b weist auch die in 2b dargestellte Verzahnungsabweichung eine unerwünscht hohe Schwankungsbreite auf.
-
Darüber hinaus können sich bei einem ungünstigen Verhältnis zwischen Schneidradzähnezahl und Werkstückzähnezahl in Höhe von 1:1,5 oder 1:2,5 oder 1:3,5 oder dergleichen ein Teilungssprung und/oder eine Teilungseinzelabweichung erhöhen, was ebenfalls unerwünscht ist.
-
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht daher darin, ein Verfahren vorzusehen, mittels dem Verzahnungsabweichungen beim Zahnradherstellungsprozess vermieden bzw. reduziert werden.
-
Die Aufgabe wird durch das Verfahren nach Anspruch 1 und die Vorrichtung nach Anspruch 10 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
-
Erfindungsgemäß ist ein Verfahren zum Kompensieren einer Werkzeugrundlaufabweichung bei einer Wälzstoßmaschine vorgesehen. Dazu wird die Werkzeugrundlaufabweichung abhängig von einer Drehposition, insbesondere eines Drehwinkels, einer Werkzeugdrehachse bestimmt. So kann die Werkzeugrundlaufabweichung für jede Drehposition innerhalb eines Drehwinkelbereichs von 0° bis 360° der Werkzeugdrehachse bestimmt werden. Die Bestimmung der Werkzeugrundlaufabweichung kann beispielweise mittels eines radialen Kugelmaß oder mittels eines diametralen Zweirollenmaßes erfolgen.
-
Zudem wird eine Drehposition der Werkzeugdrehachse ermittelt. Insbesondere kann eine Ist-Drehposition der Werkzeugdrehachse vor einem Bearbeitungsvorgang des Werkstücks ermittelt werden. Bei dem Bearbeitungsvorgang kann es um einen Schlichtvorgang handeln. Ferner wird abhängig von der der ermittelten Drehposition zugeordneten Werkzeugrundlaufabweichung eine Kompensationsbewegung durchgeführt, um die Werkzeugrundlaufabweichung zu kompensieren.
-
Die Kompensation der Werkzeugrundlaufabweichung bietet den Vorteil, dass genauere Werkstückverzahnungen ohne Verzahnungsabweichungen hergestellt werden können. Dies ist möglich, da für jede Drehposition des Werkzeugs die Werkzeugrundlaufabweichung bekannt ist. Eine Korrektur der Werkzeugrundlaufabweichung kann dann durch eine entsprechende Kompensationsbewegung für jede Drehposition der Werkzeugdrehachse auf einfache Weise erfolgen. Im Ergebnis führt die Kompensation zu einer konstanten Verzahnungsqualität und damit zu einer höheren Prozessicherheit bzw. Maschinenfähigkeit. Ferner wird durch die Kompensationsbewegung sichergestellt, dass die Verzahnungsabweichung unabhängig von dem Verhältnis zwischen einer Werkzeugzähnezahl zu einer Werkstückzähnezahl ist und/oder sich der Teilungssprung und die Teilungseinzelabweichung nicht vergrößern.
-
Im Sinne der Erfindung umfaßt die Werkzeugrundlaufabweichung die Rundlaufabweichung, die sich aufgrund einer falschen Aufspannung des Werkzeugs in einer Stoßspindel der Wälzmaschine ergibt. Zudem umfaßt im Sinne der Erfindung die Werkzeugrundlaufabweichung die Rundlaufabweichung, die aus dem Herstellungsprozess des Werkzeugs resultiert.
-
In einer bevorzugten Ausführung kann ein Werkzeug bei der Kompensationsbewegung bewegt werden. Dabei kann das Werkzeug linear bewegt werden, wobei die Kompensationsbewegung in diesem Fall eine Linearbewegung ist. Insbesondere kann das Werkzeug entlang einer Radialachse der Wälzstoßmaschine bewegt werden. Bei der Radialachse der Wälzstoßmaschine handelt es sich um die Achse, die quer zu der Werkzeugdrehachse und/oder einer Werkstückachse steht und/oder im Wesentlichen parallel oder parallel zu einer Längsachse der Wälzstoßmaschine verläuft. Zum Bewegen des Werkzeugs kann insbesondere ein Bearbeitungskopf der Wälzstoßmaschine entlang der Radialachse linear bewegt werden.
-
Zusätzlich oder alternativ kann die Kompensationsbewegung eine positive oder negative Beschleunigung der Werkzeugdrehachse und/oder einer Werkstückdrehachse umfassen. Durch das positive oder negative Beschleunigen der Werkzeugdrehachse ist es möglich, eine Werkzeugrundlaufabweichung zu kompensieren, die nicht in einer Richtung gerichtet ist, die parallel zu der Radialachse der Wälzstoßmaschine ist. Vielmehr können durch das positive oder negative Beschleunigen der zuvor genannten Achsen Werkzeugrundlaufabweichungen kompensiert werden, die quer zu der Radialachse der Wälzstoßmaschine gerichtet sind. Im Ergebnis wird die Werkzeugrundlaufabweichung von einem Prüfbund zur Bohrung und von der Bohrung zur Verzahnung eliminiert.
-
Beim Ermitteln der Werkzeugrundlaufabweichung können eine Rundlaufabweichungsrichtung und ein Rundlaufabweichungsbetrag für jede Drehposition der Werkzeugdrehachse bestimmt werden. Die Bestimmung der Rundlaufabweichungsrichtung wird benötigt, um die Richtung zu kennen, in die die Kompensationsbewegung gerichtet sein muss. Dagegen wird die Bestimmung des Rundlaufabweichungsbetrags benötigt, um eine Wegstrecke zu kennen, wie weit das Werkzeug verschoben werden muss, um die Werkzeugrundlaufabweichung zu kompensieren. So kann die Kompensationsbewegung, insbesondere die Linearbewegung, entgegengesetzt zu der Werkzeugrundlaufabweichung, insbesondere der Rundlaufabweichungsrichtung, gerichtet sein. Ferner kann die Wegstrecke der Kompensationsbewegung, um die das Werkzeug in eine entgegengesetzte Richtung, insbesondere linear, verschoben wird, gleich dem Rundlaufabweichungsbetrag sein.
-
Im Sinne der Erfindung wird als Rundlaufabweichungsrichtung eine Richtung verstanden, in der der Rundlauf des Werkzeugs von dem Rundlauf eines idealen Werkzeugs abweicht, in dem keine Rundlaufabweichung auftritt. Als Rundlaufabweichungsbetrag wird der Abstand verstanden, um den der Rundlauf des Werkzeugs von dem Rundlauf des idealen Werkzeugs abweicht.
-
Die Bestimmung der Werkzeugrundlaufabweichung kann vor einem Bearbeitungsvorgang des Werkstücks erfolgen. Die ermittelten Werte können beispielsweise in einem Speicher hinterlegt werden. Insbesondere können ein maximaler und ein minimaler Rundlaufabweichungsbetrag und die dazugehörige Drehposition der Werkzeugdrehachse hinterlegt werden. Eine Steuervorrichtung kann ausgehend von diesen beiden Rundlaufabweichungsbeträgen für jede Drehposition der Werkzeugdrehachse einen Rundlaufabweichungsbetrag berechnen. Im Ergebnis müssen nur wenige Werte, nämlich die Rundlaufabweichungsbeträge und die dazugehörigen Drehpositionen der Werkzeugdrehachse hinterlegt werden, wodurch wenig Speicherplatz benötigt wird.
-
In einer bevorzugten Ausführung kann die Steuervorrichtung nach einem Ermitteln der Drehposition der Werkzeugdrehachse bestimmen, wie weit das Werkzeug gedreht werden muss, um das Werkstück vollständig zu bearbeiten. Im Ergebnis bestimmt die Steuervorrichtung ausgehend von der ermittelten Anfangsdrehposition der Werkzeugdrehachse eine Enddrehposition, bei der die Bearbeitung des Werkstücks abgeschlossen ist. Die Bestimmung der Drehposition bzw. der Anfangsdrehposition und/oder der Enddrehposition kann vor der Durchführung des Schlichtvorgangs erfolgen.
-
Ferner kann die Steuervorrichtung die den Drehpositionen zugeordneten Werkzeugrundlaufabweichungen ermitteln. Zum Kompensieren der Werkzeugrundlaufabweichung kann das Werkstück innerhalb des Bereichs zwischen der Anfangsdrehposition und der Enddrehposition mehrmals eine Kompensationsbewegung durchführen, um die Werkzeugrundlaufabweichung zu kompensieren. Alternativ ist es möglich, dass eine mittlere Werkzeugrundlaufabweichung für den Bereich zwischen der Anfangsdrehposition und der Enddrehposition oder einem Teilbereich davon berechnet und das Werkzeug zum Kompensieren der berechneten mittleren Werkzeugrundlaufabweichung eine Kompensationsbewegung durchführt.
-
Gemäß einem anderen Aspekt der Erfindung ist ein Computerprogrammprodukt vorgesehen, das das zuvor beschriebene Verfahren ausführen kann. Das Computerprogrammprodukt kann auf einem Datenträger, wie beispielsweise einer Festplatte, Compact Disc oder dergleichen, hinterlegt sein. Ferner ist gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung eine Wälzstoßmaschine vorgesehen, die das zuvor beschriebene Verfahren ausführt.
-
Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung sollen nun anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert werden.
-
Dabei zeigen:
-
1a eine schematische Darstellung des Werkzeugs von oben,
-
1b eine Darstellung einer Werkzeugrundlaufabweichung für eine Vielzahl von Werkstücken,
-
2a eine schematische Darstellung des Werkzeugs von oben,
-
2b eine Darstellung eines Werkzeugrundlaufabweichungsverlaufs für ein Werkstück,
-
3 eine schematische Darstellung einer Wälzstoßmaschine,
-
4 eine Darstellung eines Werkzeugrundlaufabweichungsverlaufs abhängig von der Drehposition der Werkzeugdrehachse,
-
5a eine schematische Darstellung eines Bearbeitungsvorgangs zwischen dem Werkstück und dem Werkzeug, wobei die Werkzeugdrehachse entlang der Radialachse verschoben ist,
-
5b eine schematische Darstellung eines Bearbeitungsvorgangs zwischen dem Werkstück und dem Werkzeug, wobei die Werkzeugdrehachse in einer Richtung quer zu der Radialachse verschoben ist,
-
5c eine schematische Darstellung eines Bearbeitungsvorgangs zwischen dem Werkstück und dem Werkzeug, wobei die Werkzeugdrehachse entlang der Radialachse und in einer Richtung quer zu der Radialachse verschoben ist.
-
Die in 3 schematisch dargestellte Wälzstoßmaschine 1 weist einen Maschinentisch 10 auf. Auf dem Maschinentisch 10 ist eine Aufspannvorrichtung 12 für ein Werkstück vorgesehen, das um eine Werkstückdrehachse C2 drehbar ist. Ein Werkzeug 13, insbesondere ein Schneidrad, wird in einer Stoßspindel 14 aufgenommen und ist um eine Werkzeugdrehachse C1 drehbar. Die Werkzeugdrehachse C1 verläuft im Wesentlichen senkrecht oder senkrecht zu einer den Bearbeitungskopf 11 aufnehmenden Seite des Maschinentischs 10. Die Stoßspindel 14 ist Bestandteil eines Bearbeitungskopfs 11, der entlang einer Radialachse X1 relativ zu dem Werkstück verschoben werden kann.
-
Die Radialachse X1 verläuft quer zu der Werkzeugdrehachse C1 und der Werkstückdrehachse C2 und ist im Wesentlichen parallel zu einer Längsachse des Maschinenbetts ausgebildet. Die Wälzstoßmaschine 1 weist weitere als die vorgenannten Bauteile und weitere Bewegungsrichtungen auf, auf die im Folgenden nicht näher eingegangen wird, da diese zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens nicht notwendig sind.
-
Basierend auf dem in 4 dargestellten Werkzeugrundlaufabweichungsverlauf W wird im Folgenden das erfindungsgemäße Verfahren zur Kompensation der Werkzeugrundlaufabweichung erläutert. In 4 wird der Werkzeugrundlaufabweichungsverlauf W abhängig von der Drehposition der Werkzeugdrehachse C1 dargestellt. Die einzelnen Werkzeugrundlaufabweichungen des Werkzeugrundlaufabweichungsverlaufs sind in einem Speicher hinterlegt. Der in 4 dargestellte Werkzeugrundlaufabweichungsverlauf W entspricht einer Rundlaufabweichung in Richtung der in 3 dargestellten Radialachse X1. Dies bedeutet, dass bei einer Bearbeitung des Werkstücks mittels eines Teilbereichs des Werkzeugs 13 die Verzahnung des Werkstücks in Radialrichtung X1 gesehen um die dem Teilbereich zugeordnete Werkzeugrundlaufabweichung von einer idealen Bearbeitung abweicht. Der Werkzeuggrundlaufabweichungsverlauf W weist bei einer vollen Umdrehung der Werkzeugdrehachse C1 um 360° einen sinusförmigen Verlauf auf. Für den Fall, dass der Werkzeugrundlaufabweichungsverlauf der horizontalen Achse entsprechen würde – also x = 0 ist –, würde das Werkzeug keine Rundlaufabweichung besitzen.
-
Der Werkzeugrundlaufabweichungsverlauf W wird nach einer Einspannung des Werkzeugs und vor einer Bearbeitung des Werkstücks bestimmt. Nach einem Schruppvorgang und vor dem Beginn des Schlichtvorgangs ermittelt eine nicht dargestellte Steuervorrichtung eine Anfangsdrehposition A des Werkzeugs. Da der Steuervorrichtung die Werkstückzähneradzahl und die Werkzeugzähneradzahl bekannt ist, kann die Steuervorrichtung ein Bearbeitungssegment des Werkzeugs ermitteln, das für den Schruppvorgang benötigt wird. Im Ergebnis kann die Steuervorrichtung die Enddrehposition E des Werkzeugs nach dem durchzuführenden Schruppvorgang vor einer Bearbeitung des Werkstücks bestimmen.
-
Die Steuervorrichtung ermittelt für die Anfangsdrehposition A, die Enddrehposition E und die dazwischenliegenden Drehpositionen der Werkzeugdrehachse C1 die diesen Positionen zugeordneten Werkzeugrundlaufabweichungen B, die in 4 gestrichelt dargestellt sind. Zum Kompensieren der Werkzeugrundlaufabweichung B muss der Bearbeitungskopf 11 entsprechend entgegengesetzt zu der Werkzeugrundlaufabweichung B bewegt werden.
-
Genauer gesagt bestimmt die Steuervorrichtung eine Rundlaufabweichungsrichtung und einen Rundablaufabweichungsbetrag x für jede Drehposition des Werkzeugs 13 zwischen der Anfangsdrehposition A und der Enddrehposition E. So ermittelt die Steuervorrichtung beispielsweise für die Drehposition T der Werkzeugdrehachse, dass eine Rundablaufabweichung in positiver Radialachsenrichtung X1 vorliegt und der Rundablaufabweichungsbetrag Δx beträgt. Zum Kompensieren der Werkzeugrundlaufabweichung muss der Bearbeitungskopf 11 und damit das Werkzeug um den Weg Δx in negativer Radialachsenrichtung X1 bewegt werden.
-
Natürlich ist es alternativ möglich, dass eine Mittelung der zwischen der Anfangsdrehposition A und der Enddrehposition E auftretenden Werkzeugrundlaufabweichungen B erfolgt. In diesem Fall würde keine kontinuierliche Bewegung der Kompensationsbewegung abhängig von der Drehposition der Werkzeugdrehachse C1 während des Schlichtvorgangs erfolgen, sondern das Werkzeug 13 würde für den Schlichtvorgang in die ermittelte Kompensationsstellung überführt werden.
-
In den 5a bis 5c wird eine schematische Darstellung eines Bearbeitungsvorgangs des Werkstücks 20 durch das Werkzeug 13 gezeigt. In 5a ist die Werkzeugdrehachse C1 infolge der Werkzeugrundlaufabweichung bezüglich eines Werkzeugs ohne Rundlaufabweichung entlang der Radialachse X1 verschoben. in 5b ist die Werkzeugdrehachse C1 infolge der Werkzeugrundlaufabweichung bezüglich eines Werkzeugs ohne Rundlaufabweichung entlang einer Achse Y1, die quer, insbesondere senkrecht, zu der Radialachse X1 verläuft, verschoben. in 5c ist die Werkzeugdrehachse C1 infolge der Werkzeugrundlaufabweichung bezüglich eines Werkzeugs ohne Rundlaufabweichung entlang der Radialachse X1 und der Achse Y1 verschoben.
-
Die Außermittigkeit der in den 5a bis 5c gezeigten Drehachse C1 des Werkzeugs hat unterschiedliche Winkelgeschwindigkeiten auf dem Wälzkreis zur Folge, wodurch es zu Teilungsfehlern am Werkstück 20 kommt. Zur Vermeidung der Teilungsfehler kann die Werkstückdrehachse C2 und/oder die Werkzeugdrehachse C1 beschleunigt werden. So kann der Teilungsfehler durch eine positiv und negativ beschleunigte Werkzeugdrehachse C1 und Werkstückachse C2 behoben werden, indem eine automatisierte Messung der Werkzeugrundlaufabweichung in der Wälzmaschine mittels dem radialen Kugelmaß oder Rollenmaß eingerichtet ist.
-
In der in 5a dargestellten Ausführung kann zusätzlich oder alternativ eine Linearbewegung des Bearbeitungskopfs 11 erfolgen, um die Werkzeugrundlaufabweichung in Radialachsenrichtung X1 zu kompensieren. Da der Bearbeitungskopf 11 in einer Achsenrichtung Y1 nicht bewegbar ist, kann die in 5b und dementsprechend auch die in 5c dargestellte Werkzeugrundlaufabweichung nicht durch eine alleinige Bewegung des Bearbeitungskopfs 11 in Radialachsenrichtung X1 behoben werden. Zur Kompensation der Werkzeugrundlaufabweichung W ist in diesen Fällen ein entsprechendes Beschleunigen der Werkzeugdrehachse C1 und/oder der Werkstückdrehachse C2 notwendig.
