Hochpräzise Verzahnungen – die Königsdisziplin der 5-Achs-Bearbeitung

LAC – Load Adaptive Control: Dynamische Genauigkeit im Griff

„Absolute Qualitätssicherheit bestimmt den Fertigungsprozess – wirtschaftlich ab Losgröße 1“

Bei GIF mbH & Co. KG in Dortmund betrachten Dr. Rafael Bieker und sein Team die 5-Achs-Bearbeitung von Stirn- und Kegelrädern nicht als Konkurrenz zu den etablierten Herstellungsverfahren, sondern möchten deren Grenzen überwinden. Ein prägnantes Beispiel ist die Fertigung von einsatzgehärteten, sehr kompakten Doppelschräg- oder Pfeilverzahnungen auf dem universellen ALZMETALL 5-Achs-Bearbeitungszentrum.

Das 5-Achs-Fräsen von Zahnrädern in einem tiefgreifend optimierten Herstellungsprozess ermöglicht auch die Hartbearbeitung der Zahnradkonturen und macht Folgebearbeitungen wie das Schleifen überflüssig.

GIF erreicht die geforderte Genauigkeit mit einer 5-Achs-Bearbeitung in einem Schritt – und das auf Anhieb am ersten Bauteil.

Zuerst der Prozess, dann Funktionen zur Kompensation

Unter gewissen Voraussetzungen erreichen aktuelle Bearbeitungsprozesse bei GIF auf der Zahnflanke Abweichungen von weniger als 10 µm. Damit werden auch höchste Qualitätsanforderungen der Verzahnungstechnik erfüllt.

Bis solche Ergebnisse prozesssicher erzielt wurden, gab es viel zu tun: „Bei der Optimierung des Prozesses hin zu mehr Genauigkeit erreichen die ersten Maßnahmen große Sprünge in der Qualitätssteigerung“, erklärt der Geschäftsführer. „Die nachfolgenden Optimierungsschritte stellen die größten Herausforderungen dar und bringen nur noch geringe Verbesserungen in der Genauigkeit, die aber unverzichtbar sind.“

Grundsätzlich galt es, zuerst alle Schritte im Bearbeitungsprozess für eine genaue Fertigung zu optimieren, zum Beispiel durch die Wahl der Bearbeitungsstrategien und geeigneter Prozessparameter. Erst wenn diese Möglichkeiten ausgeschöpft sind, werden Kompensationsfunktionen der Steuerung eingesetzt.

LAC: Damit die dynamische Genauigkeit der Maschine passt

Für das Team bei GIF war es wichtig, dass eine neue Maschine für die Bearbeitung von Zahnrädern über eine hohe statische Grundgenauigkeit verfügt und auch die spezifischen Anforderungen an die dynamische Genauigkeit erfüllt.

Die Direktantriebe in den Drehachsen C und A sind hochdynamisch, reagieren aber auf unterschiedliche Massen und Trägheitsmomente empfindlich: In der Folge kann es zu Einbußen bei Dynamik und Konturgenauigkeit kommen. LAC von HEIDENHAIN optimiert die Reglerparameter der Maschine abhängig von der Beladung. Von der adaptiven Regelung profitieren die Dynamik und – für GIF entscheidend – die hohe dynamische Genauigkeit der Rundachsen.

3D-Werkzeugradiuskorrektur: Abweichungen der Werkzeugform berücksichtigen

Werden wie bei GIF die Genauigkeiten für Zahnflanken bis hin zur Toleranzklasse 5 (von 12) und besser angestrebt, dann „sind Funktionen wie die 3D-Werkzeugradiuskompensation enorm wichtig“, so Bieker.

Die HEIDENHAIN-Funktion korrigiert fertigungsbedingte Radiusabweichungen abhängig vom Eingriffspunkt – auch beim 5-achsigen Abwälzfräsen der gekrümmten Zahnflanke. Voraussetzungen sind die genaue Vermessung des Fräsers, die GIF mit einem Laser-Werkzeugvermessungssystem von BLUM vornimmt, sowie die Übergabe des Normalenvektors im Kontaktpunkt durch den Postprozessor des CAM-Systems GearCAM von der Euklid CADCAM AG.

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Strategie: Eigene Klassifikation von Werkzeugen reduziert Auswirkungen von Verschleiß

Die Erkenntnisse aus dem Verschleißverhalten der Werkzeuge führen zu besonderen Strategien für den Werkzeugeinsatz. Zuerst gilt es festzustellen, wie der spezifische Einsatz der Werkzeuge das charakteristische Verschleißverhalten beeinflusst. So verändert sich mit zunehmender Einsatzdauer zum Beispiel der Schneidkantenradius. Das führt zu einer verstärkten Abdrängung der Werkzeuge und beeinflusst die Genauigkeit spürbar.

Die 5-Achs-Bearbeitung ermöglicht nahezu beliebige Zahnradgeometrien GIF erfasst die charakteristischen Eigenschaften der Werkzeuge, klassifiziert sie und sammelt diese werkzeugspezifischen Technologiedaten in einer Datenbank. In Verbindung mit speziellen Frässtrategien, die das Standzeitpotential der Fräser optimal ausnutzen, erlaubt diese Technologiedatenbank eine qualitätssichere Prozessauslegung. Bereits der NC-Programmierer entscheidet über die Anzahl der einzusetzenden Schlichtfräser und die geeigneten Schnittwerte, damit das Zahnrad in der geforderten Qualität von der Maschine kommt. Ist das Verschleißverhalten der einzusetzenden Fräser bekannt, bietet GearCAM in Verbindung mit der HEIDENHAIN TNC 640 die Möglichkeit, die mit dem Fräsweg zunehmende Fräserabdrängung zu kompensieren.