WO2025228754A1 - Wälzfräsen einer verzahnung an einem werkstück oder einer charge von werkstücken - Google Patents

Wälzfräsen einer verzahnung an einem werkstück oder einer charge von werkstücken

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WO2025228754A1
WO2025228754A1 PCT/EP2025/061100 EP2025061100W WO2025228754A1 WO 2025228754 A1 WO2025228754 A1 WO 2025228754A1 EP 2025061100 W EP2025061100 W EP 2025061100W WO 2025228754 A1 WO2025228754 A1 WO 2025228754A1
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WO
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hob
hobbing
cutter
axis
workpiece
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Manuel Maier
Ralf SCHMEZER
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Gleason Pfauter Maschinenfabrik GmbH
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Gleason Pfauter Maschinenfabrik GmbH
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    • G05B2219/30—Nc systems
    • G05B2219/49—Nc machine tool, till multiple
    • G05B2219/49102—Tool temperature

Definitions

  • the invention relates to a method for gear hobbing of a tooth having a tooth axis on a workpiece, in particular a batch of workpieces in a heat-generating machining operation with a gear hobbing tool, the usable working area of which extends along its axis of rotation, in which the gear hobbing tool performs a feed movement with an axial feed component running parallel to the tooth axis over one or more strokes by passing through a possibly overlapping entry path, profiling path and overrun path in order to machine the tooth over a desired width.
  • Cooling systems are used to dissipate the heat generated during machining, for example, by supplying a cooling oil, other cooling lubricants such as emulsions, or compressed air. Systems are known in which the cooling oil is supplied outside the tool; however, systems in which the cooling oil is supplied through the tool and the tool holder are also known from DE 10 2013 015 252 A1, although this document concerns gear skiving.
  • Gear hobbing also known as soft machining
  • gear hobbing is followed by hardening of the workpieces, and then hard finishing, which determines the surface quality of the gear teeth and allows for the incorporation of tooth flank modifications, as described, for example, in EP 3 139 229 B1.
  • CNC control of the machine axes of gear hobbing machines which has been available for decades and is also used according to the invention, and advances in materials for gear cutting tools, it is now possible to produce workpieces with very high gear quality in the primary gear teeth while adhering to increasingly smaller tolerances specified by users, for example, in the automotive industry.
  • machine designs have advanced to such a degree in terms of their rigidity and resilience to high machining forces, as well as machine performance, that very high material removal rates are achievable. These higher rates naturally place stress on the gear hobbing tool, resulting in increased wear and a shorter service life.
  • a shift strategy is employed in the axial milling process described above. After a certain number of workpieces have been machined, for example, when the hob cutter has worn down to such an extent in its engagement area that the gear quality would suffer if this area were used further, the hob cutter is shifted along its axis for machining the next workpieces, i.e., moved further along its axis of rotation, so that a still unworn area is used for the subsequent workpieces, and so on.
  • Such a shifting process is described, for example, in Bausch, innovative Gear Manufacturing, 3rd edition, p. 177, Figure 6.2-9.
  • the invention is based on the objective of modifying the methods described above. to further improve the aforementioned type, especially with regard to a combination of satisfactory machining accuracy and satisfactory uniformity of the workpieces in a batch.
  • the wear on the hob cutter can be kept more uniform and thus indirectly the machining quality of the workpiece can be improved.
  • the inventor's thermal management analyses have revealed that, particularly with regard to heat inputs that are locally delocalized even during a single stroke, where axially relatively distant sections of the hob come into machining engagement when machining a single workpiece, unwanted flank line deviations can occur, including non-uniform deviations, if a non-uniformity with respect to this occurs over time. From this perspective, the inventors discovered that such inconsistencies occur particularly with the first workpieces in a batch, namely due to the varying net heat absorbed by the hob over time.
  • heat dissipation due to cooling also plays a role in the thermal management of the machining process, and the net heat ultimately absorbed by the hob, either in a single stroke or in a given stroke, also depends on the heat already absorbed or the current temperature of the hob (until a steady state is reached).
  • the method according to claim 1 can achieve improvements on the one hand with regard to the machining accuracy per se and on the other hand with regard to the uniformity of the workpieces relative to each other.
  • the heat input is delocalized to counteract the locally seen unevenness already during the passage through at least a partial area of an inlet path located outside the profiling path.
  • the magnitude of the diagonal ratio (dY/dZ) of the feed motion when passing through the sub-area is at least sectionally different from zero and/or monotonically increasing.
  • the precise design of a local motion resulting from a superposition of the axial component movement and the displacement movement of the hob along its axis is not crucial.
  • diagonal milling is initiated early, and preferably, the proportion of shift movement remains constant or increases during the entry phase.
  • the thermal management control is designed for flexible setting of a starting position for the diagonal movement.
  • a reduction in the degree of delocalization already takes place during the passage through a section of the overflow path or a section of the profiling path adjacent to the overflow path.
  • the degree of delocalization is reduced again, or rather, the shift component of the diagonal motion is reduced compared to the axial component.
  • the magnitude of the diagonal ratio (dY/dZ) of the feed motion already vanishes when passing through the section and/or at least decreases monotonically section by section.
  • a continuous curve profile with a continuously decreasing slope can be selected, or more abrupt transitions can be created, in which the process transitions from diagonal milling to axial milling.
  • the thermal management control is also designed to set a flexible end position for the diagonal movement at the other end of the feed motion, or to define the axial position of the transition from diagonal milling with a larger diagonal ratio to diagonal milling with a smaller diagonal ratio, up to pure axial milling.
  • the invention provides for diagonal milling with a non-constant diagonal ratio, in particular a non-zero diagonal ratio occurring in the infeed path that does not overlap with the profiling path, and a lower diagonal ratio at the end of the feed path than at the beginning of the profiling path and/or at least within a section in the infeed path that does not overlap with the profiling path.
  • a thermal, in particular axial, expansion of the hob cutter is at least partially compensated, in particular by varying the initial subcharge.
  • “compensation” refers to process-related compensation, meaning that the effect of the gear's thermal expansion, particularly its axial expansion, on the gear hobbing process and the resulting gear geometry, especially with regard to flank line deviation, is compensated.
  • the inventors recognized that significant axial thermal expansion can produce the same effect as a gear that does not match the tool parameters intended for machining. By counteracting this effect with a thermal management control function, it is possible to achieve better absolute manufacturing tolerances for the workpieces.
  • the consistency of the machining process can be improved, thus ensuring better adherence to tolerance ranges regarding the relative deviation between individual gears within a batch of workpieces.
  • a temperature of the hob cutter in particular actual temperature measurement of the hob cutter, is taken into account by the thermal management control.
  • the compensation for axial thermal expansion involves both the coefficient of thermal expansion for the material of the hob cutter, for example steel, and a parameter reflecting the temperature
  • the actual temperature can be used as the measured temperature.
  • Other options are also possible that are not based on a measured temperature, such as temperatures derived from empirical data, temperature tables, or temperature curves, or information generated from simulations of the process, which also incorporate temperature information.
  • a thermal imaging camera for example, directed at the machining area, or other temperature sensors can be used.
  • the invention is not subject to any particular limitations, as long as it is ensured that the temperature of the hob can be detected (measured) during its machining.
  • the heat sensor operates without contact, for example in the form of a thermal imaging camera/infrared sensor, whereby the sensor can be attached to the milling head. preferably on an area of the milling head that does not move during the shift movement of the hob cutter.
  • the thermal management control operates a machine axis control intended for flank line correction depending on the temperature taken into account or recorded, and depending on at least one control parameter reflecting the effect of axial thermal expansion.
  • a function already implemented in various gear cutting machines for flank line correction can be readily adapted by simply adding a thermal management control function.
  • This additional thermal management control function is capable of calculating a change in a control parameter that reflects axial thermal expansion, such as the helix angle of the hob, on which, for example, the machine axis control function for flank line correction is based. This simplifies the implementation of the method in gear cutting machines or the retrofitting of existing machine axis controls.
  • the machine axis control when a stable temperature level of the hob is reached, is operated with settings of at least one control parameter that are independent with regard to the influence of axial thermal expansion.
  • the additional thermal management control function could be deactivated, even if it continues to run in the background, without altering the control influence resulting from axial thermal expansion.
  • the machine axis control then operates based on the setpoints derived from the steady-state thermal temperature of the hob cutter. If these values are already known, calculated, or simulated in advance, a reference value for the correction (zero position) can already be based on this steady-state condition, and a computational correction with respect to this zero position is only performed in the initial phase until the steady state is reached. In this respect, it can be provided that the The machine axis control is designed for continuous operation of gear hobbing at an axial thermal expansion associated with an expected stabilized temperature of the hobbing cutter.
  • this additional heat management control function for correcting the effects of axial thermal expansion can also be continuously maintained actively, thereby automatically taking into account any effects caused by external influences or unexpected process interruptions or changes in process conditions.
  • This aspect of compensating for the effects of axial thermal expansion, particularly with regard to flank line deviation on the workpiece or its variation across individual workpieces of the workpiece batch, is also intended as an application option regardless of whether diagonal gear hobbing is used at least partially during a single stroke of machining only one workpiece, or whether, as usual, the machining of the aforementioned components is carried out using pure axial gear hobbing, and, as is also usual, shifts are made between individual strokes or the machining of successive workpieces, even if the effect of axial thermal expansion is less pronounced.
  • the invention provides a countermeasure for this as well, in the form of a part of the heat management control that takes radial thermal expansion into account.
  • This part can also utilize existing compensation mechanisms for counteracting tooth thickness deviations or profile shifts, if already present, by using the radial thermal expansion of the hob as an additional control parameter and, if necessary, transforming it to adapt to the corresponding existing correction function.
  • This part of the heat management control can include, as a countermeasure, a change in the radial axis (center distance axis), as well as a correction in the direction of the gear axis of the gear-milled tooth.
  • the gear-milled toothing has a module of at least 1 mm, preferably at least 2 mm and/or a width of at least 8 mm, preferably at least 10 mm, in particular at least 12 mm.
  • the module is in the range of less than 8 mm, particularly less than 6 mm, and/or that the tooth width is not greater than 100 mm, more preferably not greater than 80 mm.
  • the hob cutter is a hob cutter whose shape is not modified along its axis of rotation, but whose working area is uniformly designed. It is also preferred for some embodiments that the product of the module and the tooth width is not greater than 3200 mm2 , preferably not greater than 2400 mm2 , and particularly not greater than 1600 mm2 .
  • This method is also preferred when the gear teeth on the workpiece are completely produced in a single stroke.
  • gear hobbing is performed using dry cutting.
  • a gaseous cooling medium such as compressed air, is then preferably used for cooling.
  • the hob cutter can be moved back to its starting position for the beginning of the next stroke.
  • the shift component of the diagonal feed can be selected so that the entire usable working area of the hob cutter is utilized, or only a portion thereof, preferably a predominant portion.
  • the starting position for the next stroke can remain the same, or it can be shifted by a specific amount, even during the machining of a workpiece or between the machining of two consecutive workpieces.
  • Also provided by the invention is a computer program product which, when executed on a control system of a gear hobbing machine, controls the gear hobbing machine in an operating mode according to a method according to one of the preceding aspects.
  • the invention provides a gear hobbing machine for gear hobbing, comprising a workpiece spindle for holding a workpiece to be hobbed, a milling head equipped with a tool spindle for holding the hobbing cutter, a multi-axis positioning system for positioning and executing a feed movement of the hobbing cutter relative to the workpiece, CNC-controlled spindle axes for adjusting the hobbing coupling for the hobbing machining operation, a detection device for detecting the actual temperature of the hobbing cutter, and/or a control system that controls the gear hobbing machine in at least one operating mode to execute a method according to one of the aforementioned aspects.
  • Fig. 1 schematically illustrates the feed rate of a hob cutter
  • Fig. 2 schematically shows individual milling cutter positions at different times
  • Fig. 3 schematically and exaggeratedly shows an axial thermal expansion of a hob cutter
  • Fig. 4 schematically shows the effect of axial thermal expansion in a gear hobbing process.
  • Fig. 5 is a schematic representation of the situation after compensating for the correction.
  • Fig. 6 shows a sensory detection of the hob cutter
  • Fig. 7 shows a gear hobbing machine, in whose
  • the control system stores specific feed movements and corrections for axial thermal expansion of the hob cutter.
  • a coordinate system is used in which the axis of rotation of the workpiece (gear) 1 to be geared runs along the Z-axis and the radial feed direction is denoted by X.
  • Fig. 1 Also shown in Fig. 1 are sections of the feed path, namely the entry path, profiling path, and overflow path, the meaning of which is well known to those skilled in the art and therefore will not be explained further here.
  • the hob cutter is pivoted in a pivot plane orthogonal to the X axis at the pivot angles (pivot axis A) customary for gear hobbing.
  • the axis of rotation of the hob cutter 2 extending in the Y direction, thus lies in this pivot plane and, together with the plane orthogonal to the Z axis, defines the pivot angle.
  • Fig. 2 where the paper plane lies in the pivot plane.
  • the inclined position of the hob 2, along with its pivot angle, is evident.
  • the upward-pointing arrow in Fig. 2 indicates the Z-axis direction, or the axial component of the feed path.
  • the machining zone i.e., the area where the engagement takes place, also moves along this arrow, thus moving axially with respect to the gear 1.
  • the hob 2 is also displaced along its axis of rotation, Y, during its feed movement.
  • the curve drawn in Fig. 2 describes the movement of a fixed point on the hob, which is the superimposed result of the axial movement and the displacement of the hob along its axis.
  • the hob displacement begins already in the entry path and even before the profiling path starts, transitions into a region of approximately constant diagonal ratio, and approaches a purely axial movement again before reaching the overflow path. It is also evident that the initially machining section of the hob is located near the left end of the working area of the hob in Fig. 2 and, towards the end of machining, is located near the right end of the hob area, following the engagement zone along the arrow (axial direction).
  • the diagonal ratio is variable and, in particular, at least partially larger in the inlet path than towards the end of the feed, and there not only in the overflow path, but already before reaching the overflow path.
  • the path curve does not have to correspond exactly to the shape shown in Fig. 2; for example, a purely axial process could be started, and a (even constant) diagonal ratio could be set very early in the same machining area by shortening the cutting time, and the approach to the axial movement towards the end of the feed path could be more abrupt, for example by an almost immediate termination of the diagonal process and a return to the axial process.
  • the hob heats up due to the heat input, while at the same time it is also cooled by a cooling medium (here, for example, compressed air), so that when machining batches of workpieces, assuming a typical, uniform working cycle, a thermal or temperature equilibrium will ultimately be reached, i.e., the hob operates at a temperature level in which it no longer absorbs any net heat, meaning that the heat input, which would potentially increase its temperature, is counterbalanced by the cooling.
  • a cooling medium here, for example, compressed air
  • flank line deviation correction a correction function for flank line deviation, already known in the prior art, can be used to compensate for this additional influence as well.
  • the control information required for this can be obtained, for example, by measuring the temperature of the hob cutter, as shown in Fig. 6, for instance, using a non-contact infrared sensor, preferably directed towards the machining zone. By then calculating the currently assumed expansion and applying it as a tangential compensation to the tool position for the subsequent workpiece, the position set by the machine axis position once again corresponds to the situation underlying the engagement. This is shown schematically in Fig. 5.
  • Fig. 7 schematically depicts a gear hobbing machine, with the axes table or workpiece rotation axis C, hobbing rotation B, radial axis X, shift axis Y, Swivel axis A and stroke axis Z.
  • the hob cutter itself and a workpiece, which can be clamped in the usual manner or held in the milling head of the machine.
  • the infrared sensor shown schematically in Fig. 6 could, for example, be attached to the milling head at a point that does not move when the hob cutter is shifted, but does move with the stroke of the hob cutter.
  • the total temperature change AT of 27.5 K occurs during gear milling from room temperature until the steady state is reached after machining a number of workpieces, typically between a few (about 5) and several (about 15) workpieces (typical value in an interval of about 10-40 K).
  • the correction can be implemented in real time during the machining of individual workpieces, as is preferred by the invention. Within a single workpiece, this results in a temperature change of 2.5 K in this exemplary embodiment, and a corresponding shift path correction of 4.5 pm, corresponding to a correction factor of 1.00003.
  • the hob cutter is made of carbide with a coefficient of thermal expansion a of between 5 and 7.5 ⁇ 10' 6 K' 1 , and the corrections are about a factor of 2 smaller compared to the embodiment above.
  • the thermal expansion in the radial direction can be determined; with a tool diameter of 100 mm, this results in a diameter correction of 3 pm and, accordingly, an absolute radial axis correction AX of 0.0015 pm over a workpiece, and in this embodiment of 0.0165 pm overall when the steady state is reached.
  • the correction/compensation values obtained for a workpiece until a steady state is reached can be used directly for correcting the next workpiece to be gear-milled.
  • the invention prefers real-time compensation during the machining of even the first workpieces in a batch before a steady state is reached.
  • a heating device for example electric or inductive, could be implemented.
  • the continuously changing correction during the machining of the first workpieces would be eliminated, and the process could be run uniformly for the workpieces with the compensation values that take into account the total change compared to the shift path (hob expansion) at room temperature, for which the process is (originally) designed. It would also be conceivable to design the process at the steady-state level, in the sense of a pre-implementation of the compensation for the thermal expansion of the hob cutter.
  • the invention with regard to specific implementations of the compensation for, for example, axial or radial thermal expansion, is not limited to the specific example described above.
  • an independent correction routine could be implemented.
  • the input parameters for the correction can also be provided in a variety of ways, from directly or indirectly measured values. Temperatures, expected temperature profiles from temperature curves recorded or calculated in comparable work processes, etc.
  • axial and/or radial thermal expansion is not only used, as described in the example above, for processes in which shifting occurs during a machining step, but can also be used when working purely in axial milling and shifting only occurs between machining successive workpieces.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Wälzfräsen einer eine Verzahnungsachse (Z) aufweisenden Verzahnung (1) an einem Werkstück, insbesondere einer Charge von Werkstücken in einem Wärme erzeugenden Bearbeitungseingriff mit einem Wälzfräser (2), dessen einsetzbarer Arbeitsbereich sich entlang seiner Drehachse erstreckt, bei dem der Wälzfräser über einen oder mehrere Hübe unter Durchlaufen von sich gegebenenfalls überlappendem Einlaufweg (E), Profilierweg (P) und Überlaufweg (Ü) eine Vorschubbewegung mit einer parallel zur Verzahnungsachse (Z) verlaufenden Axialvorschubskomponente ausführt, um die Verzahnung über eine gewünschte Breite zu bearbeiten, und mit einer den aufgrund der erzeugten Wärme erfolgenden Wärmeeintrag in den Wälzfräser (2) auf einen örtlich delokalisierten Wärmeeintrag steuernde, und insbesondere einer örtlich über die Arbeitsbereichserstreckung des Wälzfräsers gesehenen Ungleichförmigkeit des örtlich gesehen delokalisierten Wärmeeintrags entgegenwirkende und/oder einer Abweichung, insbesondere Flankenlinienabweichung der Verzahnung aufgrund thermischer, insbesondere axialer thermischer Ausdehnung des Wälzfräsers entgegenwirkende und insbesondere einer zeitlich wenigstens über eine Anfangssubcharge der Werkstückcharge hinweg gesehene Ungleichförmigkeit der vom Wälzfräser in einem Hub aufgenommenen Nettowärme entgegensteuernde Wärmemanagementsteuerung.

Description

WÄLZFRÄSEN EINER VERZAHNUNG AN EINEM WERKSTÜCK ODER EINER CHARGE VON WERKSTÜCKEN
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Wälzfräsen einer eine Verzahnungsachse aufweisenden Verzahnung an einem Werkstück, insbesondere einer Charge von Werkstücken in einem Wärme erzeugenden Bearbeitungseingriff mit einem Wälzfräser, dessen einsetzbarer Arbeitsbereich sich entlang seiner Drehachse erstreckt, bei dem der Wälzfräser über einen oder mehrere Hübe unter Durchlaufen von sich gegebenenfalls überlappendem Einlaufweg, Profilierweg und Überlaufweg eine Vorschubbewegung mit einer parallel zur Verzahnungsachse verlaufenden Axialvorschubskomponente ausführt, um die Verzahnung über eine gewünschte Breite zu bearbeiten.
Derartige Verfahren sind selbstverständlich bestens bekannt und werden aufgrund ihrer hohen Spanleistung besonders bei der Bearbeitung von Chargen mit großen Losgrößen, also in der Massenproduktion eingesetzt, insoweit nicht aufgrund von Störkonturen am Werkstück ein störkonturfreundlicheres Verfahren wie etwa das Wälzschälen oder das Wälzstoßen eingesetzt wird. Ein prominentes Beispiel für eine solche Massenproduktion mit sehr hohen Losgrößen ist das Wälzfräsen von Achsantriebsrädern im Kfz-Bereich mit Verbrennermotor oder mit Elektroantrieb. Dieser erfolgt heutzutage im Axialfräsen, d.h. der Wälzfräser wird axial zur Verzahnungsachse vorgeschoben, um die Verzahnung über ihre volle Breite zu bearbeiten, in einem Hub oder mehreren Hüben. Zur Abfuhr der bei der Bearbeitung erzeugten Wärme werden ggf. Kühlsysteme eingesetzt, beispielsweise durch Zuführung eines Kühlöls, anderer Kühlschmierstoffe wie etwa Emulsionen, oder auch Druckluft. Bekannt sind hierfür Systeme, bei denen eine Kühlölzufuhr außerhalb des Werkzeugs erfolgt; es sind aber aus DE 10 2013 015 252 A1 grundsätzlich auch Systeme bekannt, in denen eine Kühlölzufuhr durch das Werkzeug und die Werkzeughalterung hindurchgeführt wird, wobei dieses Dokument das Wälzschälen betrifft.
Dem Wälzfräsen als sogenannte Weichbearbeitung folgt ein Härten der Werkstücke nach, gefolgt von einer Hartfeinbearbeitung, welche die Oberflächengüte der Zahnflanken der Verzahnung bestimmt und worüber gegebenenfalls Zahnflankenmodifikationen eingebracht werden, wie beispielsweise in EP 3 139 229 B1 beschrieben ist. Aufgrund der seit mittlerweile Jahrzehnten verfügbaren CNC-Steuerung der Maschinenachsen von Wälzfräsmaschinen, die auch gemäß der Erfindung weiter zum Einsatz kommt, und den Fortschritten in den Werkstoffen für Verzahnungswerkzeuge ist es mittlerweile möglich, Werkstücke mit einer sehr hohen Verzahnungsqualität der Vorverzahnung bei immer kleiner werdenden, von den Anwendern z.B. der Automobilindustrie vorgegebenen Toleranzfeldern zu liefern. Auch sind die Maschinenkonstruktionen hinsichtlich ihrer Steifigkeit und Resilienz gegenüber hohen Bearbeitungskräften wie auch die Maschinenleistung soweit fortgeschritten, dass sehr hohe Zerspanleistungen erreichbar sind. Letztere belasten natürlich den Wälzfräser und sorgen für höheren Verschleiß bzw. eine kürzere Lebensdauer des Wälzfräsers.
Zur Verlängerung der Lebensdauer von Wälzfräsern wird bei dem oben beschriebenen Axialfräsen daher eine Shift-Strategie eingesetzt. Nach einer Anzahl von bearbeiteten Werkstücken, z.B. wenn sich der Wälzfräser in seinem Eingriffsbereich bereits soweit abgenutzt hat, dass die Verzahnungsqualität bei weiterem Einsatz dieses Bereichs leiden würde, wird der Wälzfräser zur Bearbeitung der nächsten Werkstücke entlang seiner Achse geshiftet, also entlang seiner Drehachse weiterbewegt, so dass für die weiteren Werkstücke ein noch unverbrauchter Bereich zum Einsatz kommt, usw. Ein solches Shiften ist beispielsweise in Bausch, Innovative Zahnradfertigung, 3. Auflage, S. 177, Bild 6.2-9, beschrieben.
Obgleich, wie oben erläutert, mittlerweile sehr hohe Bearbeitungsgenauigkeit erzielt werden kann, liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, Verfahren der eingangs genannten Art nochmals weiter zu verbessern, insbesondere im Hinblick auf eine Kombination aus zufriedenstellender Bearbeitungsgenauigkeit und zufriedenstellender Gleichmäßigkeit der Werkstücke einer Werkstückcharge.
Diese Aufgabe wird von der Erfindung durch eine Weiterbildung des Verfahrens der eingangs genannten Art gelöst, die im Wesentlichen gekennzeichnet ist durch eine den aufgrund der erzeugten Wärme erfolgenden Wärmeeintrag in den Wälzfräser auf einen örtlich delokalisierten Wärmeeintrag steuernde, und insbesondere einer örtlich über die Arbeitsbereichserstreckung des Wälzfräsers gesehenen Ungleichförmigkeit des örtlich gesehen delokalisierten Wärmeeintrags entgegenwirkende und/oder einer Abweichung, insbesondere Flankenlinienabweichung der Verzahnung aufgrund thermischer, insbesondere axialer thermischer Ausdehnung des Wälzfräsers entgegenwirkende und insbesondere einer zeitlich wenigstens über eine Anfangssubcharge der Werkstückcharge hinweg gesehenen Ungleichförmigkeit der vom Wälzfräser in einem Hub aufgenommenen Nettowärme entgegensteuernde Wärmemanagementsteuerung.
So ist zum einen erkannt worden, dass es bei einem lokalisierten Wärmeeintrag in immer demselben Eingriffsbereich des Wälzfräsers selbst bereits bei Bearbeitung nur eines Werkstücks zu Bearbeitungsungenauigkeiten kommen kann, insbesondere bei vergleichsweise höherer Wärmeerzeugung beispielsweise durch höhere Zerspanleistungen und/oder vergleichsweise längeren Kontaktzeiten mit dem Eingriffsbereich des Wälzfräsers.
Dem wird gemäß einem Gesichtspunkt durch den bereits während eines Hubes örtlich gesehen delokalisierten Wärmeeintrag entgegengewirkt. Insoweit wird von dem für die Bearbeitung dieser Werkstückchargen üblichen Axialfräsen abgewichen und der Wärmeeintrag somit durch bereits während des Hubs vorgenommenes Verschieben des Wälzfräsers entlang seiner Achse in einen größeren Bereich des Arbeitsbereichs als sein Eingriffsbereich eingeleitet, also örtlich gesehen delokalisiert.
Zudem kann durch das Entgegenwirken einer Ungleichförmigkeit des bereits delokalisierten Wärmeeintrags noch der Verschleiß am Wälzfräser gleichmäßiger gehalten und somit indirekt die Bearbeitungsqualität am Werkstück verbessert werden.
Des Weiteren ist im Rahmen der Wärmemanagementanalysen der Erfinder erkannt worden, dass es insbesondere bei den örtlich gesehen noch während eines Hubs delokalisierten Wärmeeinträgen, bei denen bereits bei der Bearbeitung eines einzelnen Werkstücks axial relativ weit voneinander entfernte Abschnitte des Wälzfräsers in Bearbeitungseingriff gelangen, zu ungewollten Flankenlinienabweichungen kommen kann, auch ungleichmäßiger Art, wenn sich zeitlich gesehen eine Ungleichförmigkeit bezüglich dieses Gesichtspunkts ergibt. Hierzu haben die Erfinder herausgefunden, dass gerade bei den ersten Werkstücken einer Werkstückcharge eine solche Ungleichmäßigkeit auftritt, nämlich aufgrund der zeitlich gesehen unterschiedlichen vom Wälzfräser aufgenommenen Nettowärme. So wirkt natürlich im Wärmemanagement der Bearbeitung neben der in der Bearbeitung erzeugten Wärme noch die Wärmeabfuhr aufgrund der Kühlung mit, und die letztlich vom Wälzfräser aktuell bzw. in einem Hub aufgenommene Nettowärme hängt auch von der bereits aufgenommenen Wärme bzw. aktuellen Ist-Temperatur des Wälzfräsers ab (bis ein stationärer Zustand erreicht wird).
Insoweit kann das Verfahren gemäß Anspruch 1 Verbesserungen einerseits hinsichtlich der Bearbeitungsgenauigkeit per se und andererseits hinsichtlich der Gleichmäßigkeit der Werkstücke relativ zueinander erreichen.
In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung ist vorgesehen, dass der Wärmeeintrag zum Entgegenwirken der örtlich gesehenen Ungleichmäßigkeit bereits während des Durchlaufens von wenigstens einem Teilbereich eines außerhalb des Profilierwegs liegenden Einlaufwegs delokalisiert wird.
Somit kann selbst in Bereichen, in denen der Profilierweg noch nicht begonnen hat, die Delokalisierung beginnen, und die Belastung in dem Bereich, wo ein großer Teil der Zerspanung erfolgt, bereits verteilt werden. Insoweit werden auch Vorteile hinsichtlich eines gleichmäßigeren Verschleißes erzielt.
In diesem Zusammenhang ist bevorzugt vorgesehen, dass der Betrag des Diagonalverhältnisses (dY/dZ) der Vorschubbewegung beim Durchlaufen des Teilbereichs wenigstens abschnittsweise bereits von Null verschieden ist und/oder monoton steigt.
Insoweit kommt es gar nicht auf die genaue Gestaltung eines lokalen, sich aus einer Überlagerung der Axialkomponentenbewegung und der Verschiebungsbewegung des Wälzfräsers entlang seiner Achse (Shift-Bewegung) an. In jedem Fall erfolgt ein frühzeitiges Einsetzen eines Diagonalfräsens und bevorzugt auch ein wenigstens gleichbleibender oder zunehmender Anteil der Shift-Bewegung im Einlaufbereich. Insoweit man nicht ohnehin auf Kurvenverläufe zurückgreift, welche kontinuierlich ohne schroffe Übergänge gestaltet sind, ist die Wärmemanagementsteuerung für ein flexibles Setzen einer Startposition der Diagonalbewegung ausgelegt. In einer weiteren bevorzugten Gestaltung ist vorgesehen, dass bei dem zum Entgegenwirken der örtlich gesehenen Ungleichmäßigkeit bereits während des Durchlaufens eines Abschnitts des Überlaufwegs oder eines an den Überlaufweg angrenzenden Abschnitts des Profilierwegs eine Abschwächung des Grads an Delokalisierung erfolgt.
Insoweit wird gegen Ende der Vorschubbewegung der Grad an Delokalisierung wieder abgeschwächt, bzw. der Shiftanteil der Diagonalbewegung gegenüber dem Axialanteil wieder reduziert. Auf diese Weise wird vorteilhaft dem Umstand Rechnung getragen, dass bei sinkender Spanleistung der entsprechende Bereich des Arbeitsbereichs des Wälzfräsers in der Lage ist, länger zu arbeiten und mehr Verschleiß aufzunehmen.
In diesem Zusammenhang ist bevorzugt vorgesehen, dass der Betrag des Diagonalverhältnisses (dY/dZ) der Vorschubbewegung beim Durchlaufen des Abschnitts bereits verschwindet und/oder wenigstens abschnittsweise monoton fällt.
Demnach kann auch hier ein kontinuierlicher Kurvenverlauf gewählt werden, dessen Steigung kontinuierlich sinkt, oder auch abruptere Übergänge geschaffen werden, in denen vom Diagonalfräsen ins Axialfräsen übergeleitet wird. Insoweit ist auch bezüglich dem anderen Ende der Vorschubbewegung die Wärmemanagementsteuerung dazu ausgelegt, eine flexible Endposition für die Diagonalbewegung zu setzen, bzw. den Übergang von einem Diagonalfräsen mit größerem Diagonalverhältnis zu einem Diagonalfräsen mit niedrigerem Diagonalverhältnis bis hin zum reinen Axialfräsen hinsichtlich seiner Axialposition festzulegen.
Insoweit ist von der Erfindung vorgesehen ein Diagonalfräsen mit nicht konstantem Diagonalverhältnis insbesondere bereits einem im nicht mit dem Profilierweg überlappenden Einlaufweg auftretenden Diagonalverhältnis von ungleich Null und einem niedrigeren Diagonalverhältnis am Ende des Vorschubwegs als am Beginn des Profilierwegs und/oder wenigstens innerhalb eines Abschnitts im nicht mit dem Profilierweg überlappenden Einlaufweg.
In einer weiteren besonders bevorzugten Ausgestaltung ist vorgesehen, dass zum Entgegenwirken der Abweichung, insbesondere Flankenlinienabweichung eine thermische, insbesondere axiale Ausdehnung des Wälzfräsers wenigstens teilweise kompensiert wird, insbesondere über die Anfangssubcharge variierend kompensiert wird. Dabei bezieht sich das „Kompensieren“ auf ein verfahrenstechnisches Kompensieren, also dass die Wirkung der insbesondere axialen thermischen Ausdehnung des Wälzfräsers auf das Wälzfräsverfahren bzw. damit erzeugte Verzahnungsgeometrie insbesondere hinsichtlich der Flankenlinienabweichung kompensiert wird. Insoweit ist von den Erfindern erkannt worden, dass eine nennenswerte axiale thermische Ausdehnung den gleichen Effekt hervorrufen kann wie ein den für die Bearbeitung vorgesehenen Werkzeugparametern nicht entsprechender Wälzfräser. Indem eine Funktion der Wärmemanagementsteuerung diesem Effekt entgegenwirkt, lässt sich zum einen erreichen, dass die Werkstücke besser in einer absoluten Fertigungstoleranz liegen. Durch Kompensation auf geringen Zeitskalen wie einzelne Hübe, also keiner globalen einheitlichen Kompensation über die Werkstück-Charge hinweg kann zudem die Gleichmäßigkeit der Werkstückbearbeitung erhöht werden, also Toleranzfelder hinsichtlich der relativen Abweichung zwischen einzelnen Zahnrädern einer Werkstück-Charge besser eingehalten werden.
In diesem Zusammenhang ist es bevorzugt vorgesehen, eine von der Wärmemanagementsteuerung berücksichtigte Temperatur des Wälzfräsers, insbesondere Ist-Tempera- turerfassung des Wälzfräsers
Da in eine Kompensation der axialen thermischen Ausdehnung zum einen der thermische Ausdehnungskoeffizient für das Material des Wälzfräsers, beispielsweise Stahl, eingeht und zum anderen ein die Temperatur wiederspiegelnder Parameter, kann hierfür beispielsweise die Ist-Temperatur als gemessene Temperatur herangezogen werden. Ebenfalls möglich sind diesbezügliche andere Varianten, die nicht auf einer gemessenen Temperatur basieren, etwa aus Erfahrungsdaten abgerufene Temperaturen aus Temperaturtabellen oder Temperaturkurven, oder aus entsprechenden Simulationen für das Verfahren erstellten Informationen, die ebenfalls den Bedeutungsgehalt einer Temperaturinformation beinhalten.
Zur Temperaturerfassung kann beispielsweise eine Wärmebildkamera herangezogen werden, die z.B. auf den Bearbeitungseingriffbereich gerichtet ist, oder andere Temperatursensoren. Insoweit unterliegt die Erfindung diesbezüglich keinen besonderen Einschränkungen, solange gewährleistet ist, dass die Temperatur des Wälzfräsers während seiner Bearbeitung erfasst (gemessen) werden kann. In einer zweckmäßigen Ausgestaltung ist vorgesehen, dass der Wärmesensor kontaktlos arbeitet, etwa in Form der Wärme- bildkamera/lnfrarotsensor, wobei der Sensor etwa an dem Fräskopf befestigt sein kann, bevorzugt an einem Bereich des Fräskopfes, der sich bei der Shift-Bewegung des Wälzfräsers nicht mitbewegt.
In einer weiteren angedachten Gestaltung ist vorgesehen, dass die Wärmemanagementsteuerung in Abhängigkeit der berücksichtigten bzw. erfassten Temperatur eine für eine Flankenlinienkorrektur vorgesehene Maschinenachsansteuerung in Abhängigkeit von wenigstens einem den Effekt einer axialen thermischen Ausdehnung wiederspiegelnden Steuerparameter betreibt.
So kann eine bei diversen Verzahnmaschinen bereits eingerichtete, zur Flankenlinienkorrektur vorgesehene Funktion einer Maschinenansteuerung bereits geeignet herangezogen werden, indem sie lediglich um eine Wärmemanagement-Steuerungsfunktion erweitert wird. Diese weitere Wärmemanagement-Steuerungsfunktion ist befähigt, aus die axiale thermische Ausdehnung bestimmenden Parametern einen diese axiale thermische Ausdehnung wiederspiegelnde Änderung eines Steuerparameters zu berechnen, wie etwa die des Steigungswinkels des Wälzfräsers, auf dem z.B. die zur Flankenlinienkorrektur vorgesehene Maschinenachsansteuerungsfunktion beruht. Dies vereinfacht eine Implementierung des Verfahrens in Verzahnungsmaschinen oder auch ein Nachrüsten bereits existenter Maschinenachssteuerungen.
In diesem Zusammenhang kann auch daran gedacht werden, dass die Maschinenachsansteuerung bei Erreichen eines stabilen Temperaturniveaus des Wälzfräsers mit betreffend den Einfluss der axialen thermischen Ausdehnung unabhängigen Einstellungen des wenigstens einen Steuerparameters betrieben wird.
Beispielsweise könnte die zusätzliche Wärmemanagement-Steuerungsfunktion abgeschaltet werden, auch im Hintergrund weitergelaufen lassen werden, ohne dass sich die aufgrund der axialen thermischen Ausdehnung hervorgehende Steuerbeeinflussung ändert. Die Maschinenachsansteuerung läuft dann diesbezüglich aufgrund der Einstellwerte, die auf dem stationären Wärme-ZTemperaturzustand des Wälzfräsers beruhen. Insoweit diese bereits bekannt oder vorab berechnet oder simuliert sind, kann sich ein Referenzwert der Korrektur (Nulllage) bereits auf diesen stationären Zustand beziehen und eine rechnerische Korrektur bezüglich dieser Nulllage erfolgt nur in der Anfangsphase bis zum Erreichen des stationären Zustands. Insoweit kann vorgesehen sein, dass die Maschinenachsansteuerung auf eine für den Dauerbetrieb des Wälzfräsens bei einer einer erwarteten stabilisierten Temperatur des Wälzfräsers zugeordneten axialen thermischen Ausdehnung ausgelegt ist.
Wie gesagt lässt sich in einer anderen bevorzugten Variante diese zusätzliche Wärmemanagement-Steuerungsfunktion zur Korrektur der Auswirkungen axialer thermischer Ausdehnung auch kontinuierlich aktiv beibehalten, wodurch etwaige Einwirkungen durch äußere Einflüsse oder unerwartete Verfahrensunterbrechungen oder Änderungen von Verfahrensbedingungen automatisch mitberücksichtigt werden.
Dieser Aspekt der Kompensation der Auswirkungen axialer thermischer Ausdehnung insbesondere hinsichtlich einer Flankenlinienabweichung am Werkstück bzw. deren Variation über einzelne Werkstücke der Werkstück-Charge hinweg ist auch unabhängig davon als Einsatzmöglichkeit vorgesehen, ob bereits während eines Hubs einer Werkstückbearbeitung nur eines Werkstücks wenigstens partiell ein Diagonalwälzfräsen eingesetzt wird, oder ob wie üblich die Bearbeitung insbesondere der oben genannten Bauteile im reinen Axialwälzfräsen erfolgt, und wie weiter üblich zwischen einzelnen Hüben oder der Bearbeitung aufeinanderfolgender Werkstücke geshiftet wird, auch wenn sich der Effekt der axialen thermischen Ausdehnung in einem geringeren Maße auswirkt.
Neben Flankenlinienabweichungen kann es auch zu Verzahnungsfehlern in Form einer Zahndickenabweichung aufgrund der radialen thermischen Ausdehnung kommen. Auch diesbezüglich sieht die Erfindung ein Entgegenwirken vor, in Form eines radiale thermische Ausdehnungen berücksichtigenden Teils der Wärmemanagementsteuerung. Dieser Teil kann ebenfalls auf bereits verfügbare Kompensationsmechanismen zum Entgegensteuern von Zahndickenabweichungen oder Profilverschiebungen zurückgreifen, soweit bereits vorhanden, indem die radiale thermische Ausdehnung des Wälzfräsers als weiterer Steuerparameter herangezogen wird und ggf. zur Anpassung an die diesbezügliche bereits vorhandene Korrekturfunktion transformiert wird. Dieser Teil der Wärmemanagementsteuerung kann als Gegenmaßnahme eine Änderung der Radialachse (Achsabstandsachse) einbeziehen, wie auch eine Korrektur in Richtung der Verzahnungsachse der wälzgefräs- ten Verzahnung. In einer weiteren bevorzugten Gestaltung ist vorgesehen, dass die wälzgefräste Verzahnung ein Modul im Bereich von wenigstens 1 mm, bevorzugt wenigstens 2 mm und/oder eine Breite von wenigstens 8 mm, bevorzugt wenigstens 10 mm, insbesondere wenigstens 12 mm aufweist.
In einer bevorzugten Variante wird es bevorzugt, dass sich das Modul im Bereich von weniger als 8 mm, insbesondere weniger als 6 mm bewegt, und/oder die Verzahnungsbreite nicht größer ist als 100 mm, weiter bevorzugt nicht größer als 80 mm. In diesem Zusammenhang ist jedenfalls bevorzugt, dass es sich bei dem Wälzfräser um einen Wälzfräser handelt, dessen Gestalt nicht entlang seiner Drehachse modifiziert ist, sondern dessen Arbeitsbereich gleichförmig ausgebildet ist. Auch wird für einige Varianten bevorzugt, dass das Produkt aus Modul und Breite der Verzahnung nicht größer ist als 3200 mm2, bevorzugt nicht größer als 2400 mm2, insbesondere nicht größer als 1600 mm2.
Hier tritt der von der Erfindung erreichte Vorteil besonders deutlich hervor.
Ebenfalls bevorzugt kommt das Verfahren zum Einsatz, wenn die Verzahnung am Werkstück in nur einem einzigen Hub fertig erzeugt wird.
In einer weiteren bevorzugten Gestaltung ist vorgesehen, dass das Wälzfräsen im Trockenschnitt durchgeführt wird (dry-cutting). Zur Kühlung ist dann bevorzugt ein gasförmiges Kühlmedium vorgesehen, etwa Druckluft.
Nach einem Hub, in welchem bereits diagonalgefräst wurde, kann der Wälzfräsers für den Beginn des nächsten Hubs wieder auf seine Ausgangsposition zurückbewegt werden. Der Shiftanteil des Diagonalvorschubs kann so gewählt werden, dass der gesamte einsetzbare Arbeitsbereich des Wälzfräsers herangezogen wird, oder auch nur ein Teil davon, bevorzugt jedenfalls ein überwiegender Teil davon. Die Anfangsposition für den nächsten Hub kann gleichbleiben, oder aber selbst noch während der Bearbeitung eines Werkstücks oder zwischen der Bearbeitung zweier aufeinanderfolgender Werkstücke um einen Shiftbetrag versetzt erfolgen. Ebenfalls von der Erfindung bereitgestellt wird ein Computerprogrammprodukt, das, wenn auf einer Steuerung einer Wälzfräsmaschine ausgeführt, die Wälzfräsmaschine in einer Betriebsart zu einem Verfahren nach einem der vorhergehenden Aspekte steuert.
Zudem stellt die Erfindung bereit eine Wälzfräsmaschine zum Wälzfräsen von Verzahnungen, mit einer Werkstückspindel zur Aufnahme eines wälzzufräsenden Werkstücks, einem mit einer Werkzeugspindel ausgestatteten Fräskopf zur Aufnahme des Wälzfräsers und einem mehrachsigen Positioniersystem zur Positionierung und Ausführung einer Vorschubbewegung des Wälzfräsers relativ zum Werkstück und CNC-gesteuerten Spindelachsen zur Einstellung der Wälzkopplung für den wälzenden Bearbeitungseingriff sowie einer Erfassungseinrichtung zur Erfassung der Ist-Temperatur des Wälzfräsers und/oder einer Steuerung, welche die Wälzfräsmaschine in wenigstens einer Betriebsart zur Ausführung eines Verfahrens nach einem der vorgenannten Aspekte steuert.
Weitere Merkmale, Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung mit Bezug auf die beigefügten Figuren, von denen
Fig. 1 den Vorschub eines Wälzfräsers schematisch erläutert,
Fig. 2 schematisch einzelne Fräserpositionen zu unterschiedlichen Zeiten zeigt,
Fig. 3 schematisch und übertrieben eine axiale thermische Ausdehnung eines Wälzfräsers zeigt,
Fig. 4 schematisch die Auswirkung der axialen thermischen Ausdehnung bei einem Wälzfräsverfahren zeigt,
Fig. 5 eine schematische Darstellung der Situation nach Kompensieren der Korrektur ist,
Fig. 6 eine sensorische Erfassung des Wälzfräsers zeigt und
Fig. 7 eine Wälzfräsmaschine zeigt, in deren
Steuerung spezifische Vorschubbewegungen und Korrekturen axialer thermischer Ausdehnung des Wälzfräsers hinterlegt sind. Für die nachfolgenden Erläuterungen wird Gebrauch von einem Koordinatensystem gemacht, in dem die Verzahnungsdrehachse des zu verzahnenden Werkstücks (Zahnrads) 1 entlang der Z-Achse verläuft und die radiale Zustellrichtung mit X bezeichnet ist. Ein sich in Drehrichtung 3 drehender Wälzfräser 2, hier in Fig. 1 nur schematisch in vier Hubpositionen dargestellt, führt während eines Hubs eine Vorschubbewegung mit Axialkomponente in Z-Richtung aus, um das Werkstück bzw. Zahnrad 1 in diesem Beispiel über seine volle axiale Breite zu bearbeiten.
Ebenfalls in Fig. 1 eingezeichnet sind Abschnitte des Vorschubbewegungswegs, nämlich Einlaufweg, Profilierweg und Überlaufweg, deren Bedeutung dem Fachmann wohlbekannt ist und daher an dieser Stelle nicht mehr weiter erläutert wird. Aus Fig. 1 ist nicht erkennbar, dass der Wälzfräser in einer orthogonal zur Achse X liegenden Schwenkebene auf den für das Wälzfräsen üblichen Schwenkwinkeln (Schwenkachse A) eingeschwenkt ist. Die in Y-Richtung verlaufende Drehachse des Wälzfräsers 2 liegt somit in dieser Schwenkebene und schließt mit der Orthogonalebene zur Z-Achse den Schwenkwinkel ein.
Dies ist besser in Fig. 2 zu erkennen, in welcher die Papierebene in der Schwenkebene liegt. Man erkennt die Schrägstellung des Wälzfräsers 2 nebst Schwenkwinkel, der in Fig. 2 nach oben zeigende Pfeil gibt die Z-Achsen-Richtung bzw. die axiale Komponente des Vorschubwegs an. Entlang dieses Pfeils bewegt sich auch die Bearbeitungszone, also der Bereich, in dem der Eingriff stattfindet, fort, bewegt sich also bezüglich des Zahnrads 1 axial. Des Weiteren ist dargestellt, dass der Wälzfräser 2 bereits während seiner Vorschubbewegung auch entlang seiner Drehachse Y verschoben wird. Die in Fig. 2 eingezeichnete Kurve beschreibt dabei die Bewegung eines festen Punktes auf dem Wälzfräser, die sich aus der Axialbewegung und der Verschiebung des Wälzfräsers entlang seiner Achse überlagert zusammensetzt. Man erkennt, dass bereits im Einlaufweg und noch vor Beginn des Profilierwegs die Wälzfräserverschiebung beginnt, in einen Bereich etwa konstanten Diagonalverhältnisses übergeht und sich noch vor Erreichen des Überlaufwegs wieder einer rein axialen Bewegung annähert. Ebenfalls ist erkennbar, dass sich der eingangs bearbeitende Fräserbereich nahe dem in Fig. 2 linken Ende des Arbeitsbereichs des Wälzfräsers befindet und gegen Ende der Bearbeitung nahe dem rechten Ende des Fräserbereichs, folgend der entlang des Pfeils (Axialrichtung) liegenden Eingriffszone.
Betrachtet man die hier beispielhaft gewählte Bahnkurve, ist erkennbar, dass in dem Bereich, in dem ein Diagonalverfahren (Überlagerung der axialen und der Shift-Bewe- gung) stattfindet, kein konstantes Diagonalverfahren zum Einsatz kommt. Vielmehr ist das Diagonalverhältnis variabel und insbesondere im Einlaufweg wenigstens abschnittweise größer als gegen Ende des Vorschubs, und dort nicht nur im Überlaufweg, sondern bereits vor Erreichen des Überlaufwegs.
Es versteht sich, dass die Bahnkurve nicht genau der in Fig. 2 dargestellten Form entsprechen muss; beispielsweise könnte auch von einem zunächst begonnenen reinen Axialverfahren unter Verkürzung der Anschnittzeit im gleichen Bearbeitungsbereich sehr früh ein (auch konstantes) Diagonalverhältnis eingestellt werden und auch eine Annäherung gegen Ende des Vorschubwegs an die Axialbewegung abrupter erfolgen, beispielsweise durch eine nahezu unmittelbare Beendigung des Diagonalverfahrens und Rückkehr ins Axialverfahren.
Aufgrund dieser spezifischen Bahnkurven wird neben einer Delokalisierung des Wärmeeintrags AQ(Y) in den Wälzfräser per se diese auch gezielt durch eine Wärmeansteuerung beeinflusst und in dem dargestellten Beispiel gleichmäßiger gehalten, also deren Ungleichförmigkeit AY entgegenwirkt Eingangs, wo im Einlaufbereich ein großer Teil der Zerspanung erfolgt, wird dieser Verschleiß rasch delokalisiert. Gegen Ende, wo im Wesentlichen eher nur noch profiliert wird, wird die Delokalisierung wieder reduziert. Somit wird einem hohen anfänglichen Verschleiß ausgewichen, wohingegen gegen Ende der Bearbeitung gewissermaßen Verschleiß angesammelt wird, so dass sich insgesamt ein gleichmäßigerer Verschleiß über den Arbeitsbereich des Wälzfräsers ergibt.
Bei solchen Bahnkurven erwärmt sich der Wälzfräser durch den Wärmeeintrag, wobei er gleichzeitig auch durch ein Kühlmedium (hier z.B. Druckluft) gekühlt wird, so dass sich beim Bearbeiten von Werkstückchargen bei angenommenem üblichem gleichmäßigem Arbeitstakt letztlich ein Wärme- oder Temperaturgleichgewicht einstellen wird, d.h. der Wälzfräser bewegt sich auf einem Temperaturniveau, in welchem er keine Nettowärme mehr aufnimmt, also seine Temperatur potentiell noch erhöhende eingetragene Wärme durch die Kühlung gegenkompensiert wird.
Noch vor Erreichen dieses Gleichgewichts, nämlich bei der Bearbeitung der anfänglichen Werkstücke einer Werkstückcharge steigt die Temperatur des Wälzfräsers jedoch aufgrund zeitlicher Ungleichförmigkeit At der aufgenommenen Nettowärme typischerweise über mehrere Werkstückbearbeitungen hinweg zunächst an. Dies hat zur Folge, dass eine in Fig. 3 (zu Darstellungszwecken völlig übertrieben) dargestellte axiale thermische Ausdehnung des Wälzfräsers nicht nur gegeben ist, sondern in der Zeit bis zum im Wesentlichen stationären Temperaturzustand des Wälzfräsers ungleichmäßig ausfällt. Eine derartige axiale thermische Ausdehnung stellt bei dem üblicherweise herangezogenen Axialwälzfräsen kein Problem dar, da ein Werkstück dann nicht mit axial beab- standeten Eingriffsbereichen bearbeitet wird. In Fig. 3, in der der Wälzfräser schematisch zwischen seiner Hauptlagerseite 4 und Gegenlagerseite 5 dargestellt ist, ändert sich der Abstand zwischen 4 und 5 jedoch merklich, und im Vergleich zu Fig. 2 ergibt sich zwischen den beiden beabstandeten Eingriffsbereichen eine Abstandsänderung, welche zu Ungleichmäßigkeiten in der Verzahnungsgeometrie der wälzgefrästen Zahnräder führt, die sich als Verzahnungsfehler bemerkbar macht, in diesem Fall als Flankenlinienabweichung fHß.
Diese Abstandsänderung ist in Fig. 4 auf der linken Seite nochmals (ebenfalls stark übertrieben) dargestellt. Nach üblichen Berechnungen sollte die Bearbeitung (ohne jegliche axiale thermische Ausdehnung) an dem oberen linken Punkt erfolgen; tatsächlich befindet sich dieser Punkt am Wälzfräser jedoch aufgrund der axialen thermischen Ausdehnung an dem weiter rechts eingezeichneten Punkt.
Da sich der darüber hervorgerufene Verzahnungsfehler in der Flankenlinienabweichung durch eine Flankenlinienabweichungskorrektur kompensieren lässt, kann eine per se im Stand der Technik bereits bekannte Korrekturfunktion zur Flankenlinienabweichung herangezogen werden, um diesen zusätzlichen Einfluss ebenfalls zu kompensieren. Die hierfür erforderlichen Steuerinformationen können beispielsweise herangezogen werden, indem die Temperatur des Wälzfräsers wie beispielsweise in Fig. 6 dargestellt gemessen wird, beispielsweise über einen kontaktlosen Infrarotsensor, der bevorzugt auf die Bearbeitungszone ausgerichtet ist. Indem dann die aktuell anzunehmende Ausdehnung berechnet wird und als tangentiale Kompensation auf die Werkzeugposition für das Folgewerkstück aufgeschlagen wird, stimmt die durch die Maschinenachsposition eingestellte Position insgesamt wieder mit der dem Eingriff zugrundeliegenden Situation überein. Dies ist schematisch in Fig. 5 dargestellt.
Ebenfalls in den Figuren 4 und 5 erkennbar ist eine zusätzlich vornehmbare und bevorzugt vorgenommene Korrektur der radialen thermischen Ausdehnung, welche, wie in den Figuren 4 und 5 rechts erkennbar, durch eine Kompensation in der Radialposition X und der Axialposition Z vorgenommen wird.
Fig. 7 stellt schematisch eine Wälzfräsmaschine dar, mit den Achsen Tisch- oder Werkstückdrehachse C, Wälzfräserdrehung B, Radialachse X, Shiftachse Y, Schwenkachse A und Hubachse Z. Nicht dargestellt in Fig. 7 ist der Wälzfräser selbst, sowie ein Werkstück, welche in üblicher Weise aufgespannt bzw. im Fräskopf der Maschine aufgenommen werden können. Der in Fig. 6 schematisch dargestellte Infrarotsensor könnte hierzu beispielsweise am Fräserkopf befestigt werden an einer Stelle, die beim Vershiften des Wälzfräsers nicht mitbewegt wird, aber die Hubbewegung des Wälzfräsers mitgeht.
In einem Ausführungsbeispiel eines Wälzfräsers mit Werkzeugdurchmesser 100 mm und verfügbarem Shift-Weg von 150 mm (typischer Wert in einem Intervall von 20- 300 mm) stellt sich beim Wälzfräsen ausgehend von Raumtemperatur bis zum Erreichen des stationären Zustands nach der Bearbeitung einer Anzahl von Werkstücken, typischerweise zwischen wenigen (etwa 5) und einigen (etwa 15) Werkstücken, eine Gesamttemperaturänderung AT von 27,5 K ein (typischer Wert in einem Intervall von ca. 10-40 K).
Gemäß der Ausdehnungsformel Al = l0 ■ a ■ AT ergibt sich auf den Shift-Weg bezogen eine Wärmeausdehnung von 49,5 pm für ein a von 12 • 10'6 K’1, dem Wärmeausdehnungskoeffizient von Stahl (HSS oder PM) für einen entsprechenden Wälzfräser. Dieser Wert könnte bereits als Skalierungsfaktor für die Skalierung der Shift-Achse verwendet und von der Steuerung verwendet werden, in diesem Fall ergibt sich ein Korrekturwert von 1 ,00033 = 1 + Al/Io- Falls einen Wälzfräsmaschine über keine Korrekturfunktion zur Reaktion auf sich verändernde Axialsteigung verfügt, könnte alternativ die sich verändernde Axialsteigung des Wälzfräsers und das daraus neue Verhältnis aus tangentialer zu axialer Verschiebung berechnet werden, um die Maschinenachsen korrigiert anzusteuern, so dass die Werkzeugausdehnung aufgrund der Temperaturveränderung kompensiert wird.
Die Korrektur kann bereits, wie von der Erfindung bevorzugt, in Ist-Zeit während der Bearbeitung einzelner Werkstücke umgesetzt werden. Innerhalb eines Werkstücks betrachtet, kommt es zu einer Temperaturveränderung von in diesem Ausführungsbeispiel 2,5 K, und entsprechend einer Shiftweg-Korrektur von 4,5 pm entsprechend einem Korrekturfaktor von 1 ,00003. In einem anderen Ausführungsbeispiel ist der Wälzfräser aus Hartmetall mit einem Wärmeausdehnungskoeffizient a von zwischen 5 und 7,5 ■ 10’6 K'1, und die Korrekturen fallen im Vergleich zum oberen Ausführungsbeispiel um etwa einen Faktor 2 geringer aus.
Zudem kann für das obige Ausführungsbeispiel die Wärmeausdehnung in Radialrichtung bestimmt werden, beim Werkzeugdurchmesser der obigen 100 mm ergibt sich eine Durchmesser-Korrektur von 3 pm und entsprechend eine absolute Radialachskorrektur AX von 0,0015 pm über ein Werkstück gesehen, und in diesem Ausführungsbeispiel von 0,0165 pm insgesamt gesehen bei Erreichen des stationären Zustands
Die Korrekturwerte/Kompensationswerte, welche für ein Werkstück bis zum Erreichen des stationären Zustands gewonnen werden, können gleich für die Korrektur des nächsten wälzzufräsenden Werkstücks herangezogen werden. Insoweit bevorzugt die Erfindung bereits eine Kompensation in Ist-Zeit während der Bearbeitung auch der ersten Werkstücke einer Werkstück-Charge vor dem Erreichen des stationären Zustands.
In einer weiteren Ausgestaltung kann auch vorgesehen sein, den Wälzfräser auf die zu erwartende Temperatur des stationären Zustands vorzuwärmen. Vorrichtungstechnisch könnte hierzu eine Heizeinrichtung implementiert sein, beispielsweise elektrisch oder induktiv. In diesem Fall fiele bei ausreichender Genauigkeit, welche weiterhin durch Temperatursensoren überwacht werden könnte, die stetig sich ändernde Korrektur während der Bearbeitung der ersten Werkstücke weg und könnte das Verfahren für die Werkstücke einheitlich mit den Kompensationswerten fahren, die der Gesamtänderung gegenüber dem Shift-Weg (Wälzfräser-Ausdehnung) bei Raumtemperatur heranziehen, auf welche das Verfahren (ursprünglich) ausgelegt ist. Ebenfalls denkbar wäre dann bereits eine Auslegung auf Niveau des stationären Zustands im Sinne einer Vorab-Implementierung der Kompensation der thermischen Ausdehnung des Wälzfräsers.
Es versteht sich, dass die Erfindung hinsichtlich konkreter Realisierungen der Kompensation etwa der axialen oder radialen thermischen Ausdehnung nicht auf das oben beschriebene konkrete Beispiel eingeschränkt ist. Beispielsweise könnte eine eigenständige Korrekturroutine eingerichtet werden. Auch die Eingangsparameter für die Korrektur können auf mannigfaltige Weise bereitgestellt werden, aus direkt oder indirekt gemessenen Temperaturen, zu erwartenden Temperaturverläufen aus in vergleichbaren Arbeitsabläufen aufgenommenen oder berechneten Temperaturkurven etc. Auch ist es für den zu erreichenden Effekt nicht erheblich, ob beispielsweise eine den Wärmeausdehnungskoeffizienten des Wälzfräsermaterials berücksichtigende und aus Temperaturinformationen berechnete axiale thermische Ausdehnung in einen Steuerparameter eines bestehenden Korrekturprogramms umgerechnet wird, wie etwa den Steigungswinkel des Wälzfräsers (eine Steigungswinkeländerung hätte ebenfalls eine entlang der Wälzfräserachse geänderte Position eines Punktes mit festem Schneckenverdrehwinkel gegenüber einer festen Referenz zur Folge).
Ebenso versteht es sich, dass die axiale und/oder radiale thermische Ausdehnung nicht nur wie im obigen Beispiel beschrieben für Verfahren herangezogen wird, in welchen während eines Bearbeitungsschritts geshiftet wird, sondern auch zum Einsatz kommen kann, wenn rein im Axialfräsen gearbeitet wird und ein Shiften nur zwischen Bearbeitungen aufeinanderfolgender Werkstücke erfolgt.
Insoweit ist die Erfindung nicht auf die in den Ausführungsbeispielen zu Erläuterungszwecken dargestellten konkreten Ausgestaltungen eingeschränkt. Vielmehr können die Merkmale der vorstehenden Beschreibung wie auch der nachstehenden Ansprüche einzeln und in Kombination für die Verwirklichung der Erfindung in ihren verschiedenen Ausführungsformen wesentlich sein.

Claims

ANSPRÜCHE
1. Verfahren zum Wälzfräsen einer eine Verzahnungsachse (Z) aufweisenden Verzahnung (1) an einem Werkstück, insbesondere einer Charge von Werkstücken in einem Wärme erzeugenden Bearbeitungseingriff mit einem Wälzfräser (2), dessen einsetzbarer Arbeitsbereich sich entlang (Y) seiner Drehachse erstreckt, bei dem der Wälzfräser über einen oder mehrere Hübe unter Durchlaufen von sich gegebenenfalls überlappendem Einlaufweg (E), Profilierweg (P) und Überlaufweg (Ü) eine Vorschubbewegung mit einer parallel zur Verzahnungsachse (Z) verlaufenden Axialvorschubskomponente ausführt, um die Verzahnung über eine gewünschte Breite zu bearbeiten, gekennzeichnet durch eine den aufgrund der erzeugten Wärme erfolgenden Wärmeeintrag in den Wälzfräser (2) auf einen örtlich delokalisierten Wärmeeintrag (AQ(Y)) steuernde, und insbesondere einer örtlich über die Arbeitsbereichserstreckung des Wälzfräsers gesehenen Ungleichförmigkeit (AY) des örtlich gesehen delokalisierten Wärmeeintrags (AQ(Y)) entgegenwirkende und/oder einer Abweichung, insbesondere Flankenlinienabweichung (fHp) der Verzahnung aufgrund thermischer, insbesondere axialer thermischer Ausdehnung des Wälzfräsers entgegenwirkende und insbesondere einer zeitlich wenigstens über eine Anfangssubcharge der Werkstückcharge hinweg gesehenen Ungieichförmigkeit (At) der vom Wälzfräser in einem Hub aufgenommenen Netowärme entgegensteuernde
Wärmemanagementsteuerung.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , bei dem der Wärmeeintrag zum Entgegenwirken der örtlich gesehenen Ungleichmäßigkeit bereits während des Durchlaufens von wenigstens einem Teilbereich eines außerhalb des Profilierwegs liegenden Einlaufwegs delokalisiert wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, bei dem der Betrag des Diagonalverhältnisses (dY/dZ) der Vorschubbewegung beim Durchlaufen des Teilbereichs wenigstens abschnittsweise bereits von Null verschieden ist und/oder monoton steigt.
4. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem zum Entgegenwirken der örtlich gesehenen Ungleichmäßigkeit bereits während des Durchlaufens eines Abschnitts des Überlaufwegs oder eines an den Überlaufweg angrenzenden Abschnitts des Profilierwegs eine Abschwächung des Grads an Delokalisierung erfolgt.
5. Verfahren nach Anspruch 4, bei dem der Betrag des Diagonalverhältnisses (dY/dZ) der Vorschubbewegung beim Durchlaufen des Abschnitts bereits verschwindet und/oder wenigstens abschnittsweise monoton fällt.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem zum Entgegenwirken der Abweichung, insbesondere Flankenlinienabweichung eine thermische, insbesondere axiale Ausdehnung des Wälzfräsers wenigstens teilweise kompensiert wird, insbesondere über die Anfangssubcharge variierend kompensiert wird.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit einer von der Wärmemanagementsteuerung berücksichtigten Temperatur des Wälzfräsers, insbesondere Ist- Temperaturerfassung des Wälzfräsers.
8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, bei dem die Wärmemanagementsteuerung in Abhängigkeit der berücksichtigten bzw. erfassten Temperatur eine für eine Flankenlinienkorrektur vorgesehene Maschinenachsansteuerung in Abhängigkeit von wenigstens einem den Effekt einer axialen thermischen Ausdehnung wiederspiegelnden Steuerparameter betreibt.
9. Verfahren nach Anspruch 8, bei dem die Maschinenachsansteuerung bei Erreichen eines stabilen Temperaturniveaus des Wälzfräsers mit betreffend den Einfluss der axialen thermischen Ausdehnung unabhängigen Einstellungen des wenigstens einen Steuerparameters betrieben wird.
10. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, bei dem die Maschinenachsansteuerung auf eine für den Dauerbetrieb des Wälzfräsens bei einer einer erwarteten stabilisierten Temperatur des Wälzfräsers zugeordneten axialen thermischen Ausdehnung ausgelegt ist
11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die wälzgefräste Verzahnung ein Modul im Bereich von wenigstens 1 mm, bevorzugt wenigstens 2 mm und/oder eine Breite von wenigstens 8 mm, bevorzugt wenigstens 10 mm, insbesondere wenigstens 12 mm aufweist.
12. Computerprogrammprodukt, das, wenn auf einer Steuerung einer Wälzfräsmaschine ausgeführt, die Wälzfräsmaschine in einer Betriebsart zu einem Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche steuert.
13. Wälzfräsmaschine zum Wälzfräsen von Verzahnungen, mit einer Werkstückspindel zur Aufnahme eines wälzzufräsenden Werkstücks, einem mit einer Werkzeugspindel ausgestatteten Fräskopf zur Aufnahme des Wälzfräsers und einem mehrachsigen Positioniersystem zur Positionierung und Ausführung einer Vorschubbewegung des Wälzfräsers relativ zum Werkstück und CNC-gesteuerten Spindelachsen zur Einstellung der Wälzkopplung für den wälzenden Bearbeitungseingriff sowie einer Erfassungseinrichtung zur Erfassung der Ist-Temperatur des Wälzfräsers und/oder einer Steuerung, welche die Wälzfräsmaschine in wenigstens einer Betriebsart zur Ausführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 11 steuert.
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