Rechnerunterstützte Konstruktion und Fertigung von Zahnradgravuren

Rechnerunterstützte Konstruktion von Gravuren für das Präzisionsschmieden von Zahnrädern

Vom Fachbereich Maschinenbau der Universität Hannover zur Erlangung des akademischen Grades

Doktor-Ingenieur genehmigte Dissertation

von Dipl.-Ing. Meike Wiarda geboren am 30.04.1963 in Lingen/Ems

1997

1. Referent:

Prof. Dr.-Ing. E. Doege

2. Referent:

Prof. Dr.-Ing. Dr.-Ing. E. h. H. K. Tรถnshoff

Vorsitzender:

Prof. Dr.-Ing. G. Redeker

Tag der Promotion:

21.05.1997

I

VDI

II

Kurztitel Wiarda Konstruktion Zahnradwerkzeuge

Stichwörter Rechnerunterstützte Konstruktion, Rechnerunterstützte Fertigung, Zahnrad, Präzisionsschmieden, Schrumpfung, Werkstückgeometrie, Werkzeuggeometrie, Werkzeugkorrektur

Kurzinhalt In diesem Bericht wird ein neues Konstruktionssystem für abbildend hergestellte Zahnräder vorgestellt. Die prozeßspezifischen Rahmenbedingungen beim Präzisionsschmieden werden berücksichtigt und die formgebenden Werkzeuggeometrien korrigiert. Dabei können nicht nur Sollgeometrien von Werkstücken, sondern auch Varianten von verzahnten Werkzeuggeometrien erzeugt werden. Da neben den Geometriedaten von Zahnrädern und formgebenden Werkzeugen auch Fertigungsdaten generiert werden, können die Werkzeuge für Zahnräder direkt im Anschluß an die Konstruktion gefertigt werden. Ein weiterer Schwerpunkt im Konstruktionssystem ist die Bereitstellung von korrigierten Bestimmungsgrößen für die Elektrodenfertigung mit konventionellen spanenden Methoden der Zahnradfertigung. Alle notwendigen Korrekturen lassen sich mit diesen konventionellen spanenden Verfahren problemlos ausführen, da sie auf Korrekturen der Parameter Grundkreisdurchmesser und Profilverschiebung zurückgeführt werden.

III

Erstes Vorwort Die vorliegende Arbeit entstand während meiner Tätigkeit als wissenschaftliche Mitarbeiterin am Institut für Umformtechnik und Umformmaschinen der Universität Hannover.

Herrn Prof. Dr.-Ing. E. Doege, dem Direktor des Institutes, danke ich für seine Anregungen und die Förderung insbesondere bei der Durchführung der Arbeit.

Für die Übernahme des Koreferates und die eingehende Durchsicht der Arbeit bin ich Herrn Prof. Dr.-Ing. Dr.-Ing. E. h. H. K. Tönshoff, dem Direktor des Institutes für Fertigungstechnik und Spanende Werkzeugmaschinen, dankbar.

Herrn Prof. Dr.-Ing. G. Redeker danke ich für die Übernahme des Vorsitzes in der Prüfungskommission.

Außerdem gilt mein Dank allen, die mich nicht nur bei dieser Arbeit durch ihre Hilfsbereitschaft und fachlichen sowie menschlichen Rat unterstützt haben.

Zweites Vorwort Fühlest du dich und lassest dich dünken, du habest es gewiß und kitzelst dich mit deinen eigenen Büchlein, Lehren oder Schreiben, als habest du es sehr köstlich gemacht.

Lieber, so greif dir selber an die Ohren, und greifest du recht, so wirst du finden ein schön Paar großer, langer, rauher Eselsohren. So wage vollends die Kosten dran und schmücke sie mit güldenen Schellen, auf daß, wo du gehest, man dich hören kann, mit Fingern auf dich weise und sagen: Sehet, da gehet das feine Tier, das so köstliche Bücher schreiben und gar trefflich predigen kann (Martin Luther)

Meike Wiarda, Stuttgart, im Mai 1997

V

Inhaltsverzeichnis 1 Einleitung ..................................................................................................................... 1 2 Ausgangssituation ........................................................................................................ 4 2.1 Problemstellung

4

2.2 Ziele

8

3 Stand der Technik ...................................................................................................... 11 3.1 Rechnerunterstützte Konstruktion in der Massivumformung

12

3.2 Das Präzisionsschmieden von Verzahnungen aus konstruktiver Sicht

20

3.3 Korrektur von formgebenden Werkzeugen für verzahnte Bauteile

24

4 Aufgabenstellung ....................................................................................................... 31 5 Konzept des Konstruktionssystems............................................................................ 34 5.1 Auswahl der Basissoftware

35

5.2 Übersicht über den Konstruktionsablauf im Konstruktionssystem

38

6 Konstruktion der Verzahnungsgeometrie .................................................................. 41 6.1 Erstellung des Stirnprofils

42

6.2 Bildung der Leitkurve

45

6.3 Bildung des Grundkörpers

49

6.4 Verbindung von Verzahnung und Grundkörper zum Zahnrad

50

7 Eingabe und Berechnung der Bestimmungsgrößen ................................................... 54 8 Berechnung der Rohteilabmaße von Stirnrädern ....................................................... 57

VI

9 Korrektur der Verzahnung ......................................................................................... 60 9.1 Vorgehensweise bei Korrekturen

61

9.2 Vorkorrektur auf Basis der Simulationsergebnisse

63

9.3 Feinkorrektur auf Basis der Ergebnisse der Verzahnungsmessung

67

9.3.1 Abweichung zwischen Soll- und Istdaten

69

9.3.2 Korrektur der Bestimmungsgrößen

70

10 Fertigung der formgebenden Werkzeuge ................................................................. 74 10.1 NC-Freiformfräsen des Werkzeuges oder der Elektrode

75

10.2 NC-Drahterodieren des Werkzeuges

77

10.3 NC-Wälzfräsen und Feinbearbeitung der Elektrode

78

10.4 NC-Drahterodieren der Elektrode

82

11 Automatisierung der Datenübertragung ................................................................... 85 11.1 Datenübertragung zur Simulation

86

11.2 Datenübertragung zur Werkzeugfertigung

88

11.3 Datenübertragung zur Verzahnungsmessung

89

11.4 Datenübertragung zur Hartfeinbearbeitung

90

12 Ausblick ................................................................................................................... 93 13 Zusammenfassung .................................................................................................... 94 14 Literaturverzeichnis ................................................................................................. 96

VII

Abkürzungen, Definitionen, Formelzeichen Abkürzungen und Definitionen 2D

zweidimensional

3D

dreidimensional

Balligkeit

kontinuierliche Verzahnungskorrekturen, die von der Flankenmitte aus in Zahnrichtung und senkrecht dazu vorgenommen werden

Bestimmungsgrößen

für die Beschreibung eines (evolventenverzahnten) Zahnrades notwendige geometrische Größen

Bezierpolynom

mathematische Beschreibungsform von Kurven über Stützpunkte, bildet glatte Kurven

B-Rep-Modell

Boundary-Representation-Modell: Volumenmodell auf Basis berandeter Flächen

CAD

Computer Aided Design, Rechnerunterstützte Konstruktion

CAM

Computer Aided Manufacturing, Rechnerunterstützte Fertigung

CIM

Computer Integrated Manufacturing, Rechnerintegrierte Produktion

CLT-Datei

Datei mit Cutter Location Data: Bahn, entlang derer das Werkzeug verfährt

CSG-Modell

Constructive-Solid-Geometry-Modell: Volumenmodell auf Basis von einfachen Grundkörpern (Kugel, Zylinder)

DBMS

Datenbankmanagementsystem

EDM

Engineering Data Management (Zeichnungsverwaltung)

EDX

Electronical Data Exchange, Datenformat zum Datenaustausch von EUKLID-Daten

EUKLID

Handelsname des CAD/CAM-Systems der Firma strässle für Freiformflächen

Feature

s. Technisches Element

FEM

Finite-Elemente-Methode

HSC

High Speed Cutting, Hochgeschwindigkeitsfräsen

ICCP

Projekte des Arbeitskreises CAD/CAM des IDS von 1985-1995

IDS

Industrieverband Deutscher Schmieden e. V.

IGES

International Graphic Exchange Standard, Schnittstellenstandard für Geometriedaten

MARC

FE-Programm der MARC Analysis Research Corporation

NC

Numerical Control, Numerische Steuerung

VIII

ORACLE

Handelsname des relationalen Datenbanksystems der ORACLE Corporation, Irland

PATRAN

Handelsname eines Systems zur Netzgenerierung für FEMSimulationen

PC

Personal Computer, Personalcomputer

RDBMS

relationales Datenbankmanagementsystem

RUSCHKO

Programmsystem zur Rechnerunterstützten Schmiedewerkzeugkonstruktion am IFUM

Spline

mathematische Beschreibungsform von Kurven: durchläuft Stützstellen, einfache mathematische Basis

SQL

Structured Query Language, standardisierte Abfragesprache für Datenbanken

STEP

Standard for the Exchange of Product Model Data, Schnittstellenstandard für Produktdaten

Triangulation

lat.: "dreieckig machen". Ausnutzung von geometrischen Beziehungen z. B. für die Flächenberechnung, wobei eine Freiformfläche durch kleine Dreiecksflächen substituiert wird.

Technisches Element

Definition der Technik: Objekt, das zur Beschreibung von Werkstücken, Baugruppen oder Produkten unter den Gesichtspunkten Konstruktion, Arbeitsplanung, Fertigung, Montage und Qualitätssicherung dient. Technischen Elementen können geometrische, technologische und funktionale Eigenschaften zugewiesen werden /Toe93/.

Definition der Informatik: semantikbehaftete Objekte, die neben Gestaltinformationen explizit Datenattribute, Regeln und Methoden enthalten, die dann für andere Programme auswertbar sind /Kra96/.

VDA

Verband deutscher Automobilhersteller

VDAFS

VDA-Flächenschnittstelle, Schnittstellenstandard für Geometriedaten

VMS

Rechner-Betriebssystem der Firma DEC

IX

Formelzeichen n

Normaleingriffswinkel

Grad

t

Stirneingriffswinkel

Grad

Schrägungswinkel

Grad

b

Zahnbreite

mm

d0

Teilkreisdurchmesser

mm

da

Kopfkreisdurchmesser

mm

db

Grundkreisdurchmesser

mm

df

Fußkreisdurchmesser

mm

dNa

Kopfnutzkreisdurchmesser

mm

dNf

Fußnutzkreisdurchmesser

mm

mn

Normalmodul

mm

mt

Stirnmodul

mm

r0

Teilkreisradius

mm

rb

Grundkreisradius

mm

st

Zahndicke (auf dem Teilzylinder im Stirnschnitt)

mm

x

Profilverschiebungsfaktor

-

x*m

Profilverschiebung

mm

Zahndicken-Halbwinkel

rad

Zähnezahl

-

z

1

1 Einleitung Die umformenden Verfahren gehören zu den ältesten und dennoch fortschrittlichsten Fertigungsverfahren der Metallbearbeitung. Darüberhinaus beweisen sie immer wieder ihre Wirtschaftlichkeit, denn sie sind kostengünstig, qualitativ hochwertig und haben kurze Taktzeiten. Dabei wird die Wirtschaftlichkeit der Umformverfahren mitbestimmt durch den Aufwand für die Herstellung der abbildenden Werkzeuge. Die Gravuren dieser Werkzeuge sind häufig feingliedrig und nur schwer herstellbar.

Seit den 70er Jahren werden rechnerunterstützte Systeme eingesetzt, um die Herstellung der Werkzeuge zu vereinfachen. Besonders in Bereichen, in denen komplexe Geometrien erarbeitet werden müssen, sind viele Aufgaben inzwischen ohne den Einsatz von CAD/CAM-Systemen nicht mehr lösbar. Heute setzen viele Auftraggeber insbesondere aus der Automobilindustrie voraus, daß ihre Zulieferer elektronische Geometriedaten verarbeiten und zurückliefern können. Außerdem haben Wertanalysen gezeigt, daß eine angestrebte Senkung der Erzeugniskosten dann besonders effektiv ist, wenn die Wertanalyse möglichst früh erfolgt (Bild 1). Schnelle und einfache Änderungsmöglichkeiten in der rechnerunterstützten Konstruktion sind die Basis für eine Verringerung von Erzeugnis- und Änderungskosten /Rue93b/.

Kosten

mögliche Erzeugniskosteneinsparung

Wertgestaltung

Vertrieb

Zeit Fertigung

Arbeitsvorbereitung

Erprobung

Muster

Konstruktion

Entwurf

Idee

Änderungskosten

Wertverbesserung

Wertanalyse

Bild 1:

Kosten bei fortschreitender Entwicklung der Produkte (nach /Ber80/)

2

Obwohl CAD/CAM-Systeme heute weit verbreitet und nicht mehr wegzudenken sind, ist die Tätigkeit des Konstruierens mit den Systemen immer noch zu kompliziert und zeitaufwendig. Die Ausbildungszeiten für die Nutzung dieser Systeme sind lang und sie sind zu wenig benutzerfreundlich. Zwar können die Systeme komplexe Geometrie handhaben, aber gerade einfache, sich ständig wiederholende Konstruktionsvorgänge sind häufig nur umständlich durchzuführen /Doe90/.

Am Institut für Umformtechnik und Umformmaschinen werden seit einigen Jahren Verfahren zum Präzisionsschmieden von Kegel- und Stirnrädern entwickelt, die mit den Verfahren zur spanenden Herstellung von Zahnrädern konkurrieren können. Die umformend hergestellten Zahnräder zeichnen sich u.a. durch eine hohe Dauerfestigkeit aus. Sie können so genau umgeformt werden, daß im Anschluß an die Umformung und Wärmebehandlung nur noch eine Hartfeinbearbeitung der Zahnräder erfolgen muß /Ada90a, Doe91, Doe92b, Doe94a, Doe96b/.

Bild 2:

Gravur des Obergesenkes zum Präzisionsschmieden von Kegelrädern

Voraussetzung für die hohe Genauigkeit insbesondere der Verzahnung der Räder ist die Genauigkeit ihrer formgebenden Werkzeuggravuren. Die Geometrie der Gravuren

3

muß von der Zahnradkonstruktion in geeigneter Form für die Werkzeugfertigung zur Verfügung gestellt werden, so daß diese Geometrie dann als Gravur, wie z. B. in Bild 2 dargestellt, durch Erodieren oder Fräsen in den Werkzeugblock eingebracht werden kann.

Besondere Aufmerksamkeit muß darauf gerichtet werden, daß sich die formgebenden Gravuren beim Schmieden von der Negativform der Zahnräder unterscheiden. Werkstück und Werkzeug dehnen sich thermisch und elastisch, so daß die Geometrie der Werkstücke nur ungefähr der Geometrie der Werkzeuge entspricht. Das heißt, daß eine fertigungsgerechte Korrektur erforderlich ist. Als fertigungsgerechte Korrektur reicht beim konventionellen Schmieden ein einheitliches Schrumpfmaß aus, das beim Präzisionsschmieden aber zu ungenau ist. Beim Präzisionsschmieden ist eine genauere Betrachtung der verschiedenen Schrumpfungen notwendig, um genaue Zahnräder durch Umformen herstellen zu können.

In dieser Arbeit wird ein rechnerunterstütztes Konstruktionssystem vorgestellt, mit dem die Mitarbeiter in Konstruktion und Werkzeugbau bei der Erstellung formgebender Gravuren für das Präzisionsschmieden von verzahnten Bauteilen wirksam unterstützt werden. Besondere Merkmale des Systems sind der hohe Automatisierungsgrad bei wiederkehrenden Konstruktionstätigkeiten und die integrierten Schnittstellen zur weiteren Verarbeitung der Geometriedaten in Simulation und NC-Fertigung. Das System ermöglicht die einfache Generierung der Geometrie von verzahnten Werkstücken, die fertigungsgerechte Korrektur der Werkzeuggeometrien und die automatisierte Erstellung der Daten für die Fertigung der formgebenden Werkzeuggeometrien.

Mit dem Einsatz des Systems verringert sich der Konstruktionsaufwand drastisch - sowohl quantitativ als auch qualitativ. Somit eröffnet sich auch kleineren Schmiedebetrieben, die sich keinen Verzahnungsspezialisten leisten können, der Weg zur Konstruktion von Verzahnungsgravuren.

4

2 Ausgangssituation 2.1 Problemstellung Die umformende Fertigung von Zahnrädern stellt andere Anforderungen an die Konstruktion von Zahnrädern und Werkzeugen als die spanende Fertigung. Bei der spanenden Fertigung mit Wälzverfahren wird die Wälzbewegung zwischen Werkrad und Werkzeug während der Bearbeitung durch eine kinematische Kopplung realisiert. Die Flankenform entsteht als Einhüllende der Werkzeugschneide, womit ein geradflankiges Werkzeug möglich ist. Bild 3 zeigt die Erzeugung einer Evolventenverzahnung mit dem geradflankigen Werkzeug und dem Werkrad, die eine Relativbewegung gegeneinander ausführen /Wei71/.

relative Wälzbewegung des Werkzeuges (Wälzfräser)

Bild 3:

Werkrad

Verzahnen von Stirnrädern durch Wälzverfahren /Wei71/

Aufgrund der kinematischen Kopplung ist die Festlegung des Bezugsprofils, also der Form des geradflankigen Werkzeuges, das zentrale Element für die spanende Zahnradfertigung. In den DIN-Normen /DIN867, DIN868, DIN3960, DIN3961, DIN3971 und DIN3999/, die sich hauptsächlich mit der Zahnradkonstruktion befassen, wird grundsätzlich von der Fertigung eines Zahnrades mittels eines geradflankigen Bezugsprofils ausgegangen.

Der Zahnradhersteller, der mit abbildenden Werkzeugen arbeitet, benötigt dagegen die vollständige Verzahnungsgeometrie für seine Werkzeuge. Er hat den Nachteil, daß er für jedes einzelne Zahnrad die abbildenden Werkzeuge erst fertigen (lassen) muß. Auf

5

der anderen Seite ist er nicht mehr abhängig von der Herstellbarkeit einer Verzahnung über ein geradflankiges Bezugsprofil. Auf diese Weise sind funktionsorientierte Optimierungen, d.h. Abweichungen von der üblichen Evolventenverzahnung möglich.

So kann z. B. die Zahnbreite im Zahnfuß vergrößert werden, um die Tragfähigkeit des Zahnes zu vergrößern.

Diese hohe geometrische Flexibilität bei der umformenden Herstellung von Zahnrädern kann aber nur dann genutzt werden, wenn die formgebenden Werkzeuge wirtschaftlich konstruiert und gefertigt werden können.

Um das Ziel, Werkstücke mit hoher Genauigkeit herzustellen, erreichen zu können, werden an das Werkzeug genau wie an den Prozeß höchste Anforderungen gestellt.

Nach Binder und Blank werden heute an die Genauigkeit der Werkzeuge erheblich höhere Anforderungen gestellt als noch vor einigen Jahren. Folgende Punkte gewinnen an Bedeutung /Bin90/: Werkzeuge sind Träger von Know-how, die Werkzeugverfügbarkeit bestimmt die Lieferflexibilität, die Werkzeuggenauigkeit bestimmt die Qualität des Endproduktes und die Werkzeugherstellung diktiert die Entwicklungsintensität eines Unternehmens der Umformtechnik und damit die Innovationsfähigkeit.

Mit einem CAD/CAM-System ohne Zusatzmodule lassen sich abbildende Verzahnungsgeometrien bisher weder schnell noch einfach konstruieren. Da die Geometrien außerhalb des CAD/CAM-Systems berechnet werden müssen, ist der anschließende Eingabeaufwand für den Konstrukteur sehr groß.

Die notwendige Berücksichtigung der Schrumpfung ist dabei das größte Problem. Um die Genauigkeit des Präzisionsschmiedeverfahrens (Bild 4) ausnutzen zu können, müssen die verschiedenen Geometriebereiche der Zahnräder mit unterschiedlichen Schrumpfmaßen beaufschlagt werden. Die Werte für die Schrumpfmaße müssen durch Simulationen berechnet oder aus Versuchen ermittelt werden. Für diese fertigungsgerechte Korrektur der Werkzeuge steht in der Werkzeugkonstruktion bisher kein geeignetes Hilfsmittel zur Verfügung, das ohne einen unverhältnismäßig hohen Aufwand genutzt werden könnte /Jue87, Alt94/.

Neben der Konstruktion ist auch die Fertigung der einmal konstruierten Gravuren mit einem großen Aufwand verbunden. In Bild 5 werden Verfahren zur Herstellung von Hohlformwerkzeugen gegenübergestellt /Doh84/. Als Eingangsgröße dient die Werkzeuggeometrie in Form von Geometriedaten oder Modellen. Anschließend wird das Werkzeug entweder mit Hilfe einer Elektrode oder direkt gefertigt.

6

Schmiedegüte E Euroforge Norm 245

64

Gewicht Stoffschw.

Feingliedr.

Länge

: : : :

3,25 kg M1 S3 245 mm

15 14

40

S Sondervereinbarung

64

120

13 Gewicht Stoffschw.

Feingliedr.

Länge

: : : :

3,5 kg M1 S3 250 mm

12 11

250 P Präz. Schmiedestücke 187

10 Gewicht Stoffschw.

Feingliedr.

Länge ( )

: : : :

3,9 kg M1 S3 187 mm

9 8

T Turbinenschaufel 43

7 Gewicht Stoffschw.

Feingliedr.

Länge

: : : :

4,5 kg M1 S3 200 mm

6 5

Bild 4:

Präzisionsschm.

Genauschmieden

Schmiedegüte E, F

200

ISO - Qualität

beispielhafte Werkstücke

50 100

16

Erreichbare Genauigkeiten von Schmiedeverfahren (nach /Voi80/)

Die Geometrie der Elektrode entspricht in den Fällen, in denen Verzahnungsgeometrien benötigt werden, leider nicht der Geometrie des umzuformen-

Bild 5:

Darstellung Werkzeuggeometrie

Fertigung Hilfsmittel (Elektrode) Werkzeug

NC-Fräsen

Fräsen, Hobeln Elektrode Elektrode

Feilen

Funkenerosives Schneiden Werkzeug

Nachformfräsen Elektrode

Feilwerkzeug

Elektrode

Schleifen

Schleifwerkzeug

Funkenerosives Senken Werkzeug

Modell (positiv, negativ)

Elektrode

Pressen

Meistergesenk

Werkzeug

Profilschleifen

galv.

Herstellung Elektrode

Badmodell

Hohlformwerkzeug

Fertigbearbeitung des Werkzeugs: Feinbearbeitung z.B. durch: Ätzen, mech. u. elektrochem.

Polieren, Läppen, ggf. Druckstrahlläppen

Handgesteuertes Fräsen Werkzeug

Elektrode

NC-Fräsen

Digitalisieren Programm

Zeichnung, Urmodell

7

den Zahnrades, sie ist dieser nur ähnlich. Daher ist die Fertigung der Elektrode, z. B. mit Wälzfräsen und Nachbearbeitung mit Sonderwerkzeugen, mit derzeitigen Verfahren teuer.

Fertigung Werkzeug

Verfahren zur Herstellung von Hohlformwerkzeugen (nach /Doh84/)

8

Es gilt, die Konstruktion und Fertigung der formgebenden Gravuren für das Präzisionsschmieden von Zahnrädern zu vereinfachen. Wenn die Werkzeuge schnell und kostengünstig zur Verfügung gestellt werden können, lassen sich nicht nur Zahnräder, die heute spanend hergestellt werden, wirtschaftlicher umformend herstellen. Es eröffnen sich weitere Möglichkeiten für die funktionsorientierte Optimierung der Zahnrradgeometrie bezüglich Dauerfestigkeit, Verschleiß- und Geräuschverhalten.

2.2 Ziele Für den industriellen Einsatz der umformenden Verfahren bei der Zahnradherstellung gelten folgende Forderungen, die in enger Zusammenarbeit von allen an der Herstellung beteiligten Unternehmenseinheiten insbesondere der Konstruktion anzustreben sind: kurze Produktionsanlaufzeiten, Verbesserung der Verzahnungsqualität, Realisierung von Gerad- und Schrägverzahnungen, Eliminierung der spanenden Weichbearbeitung sowie Vermeidung von Unterschnitt und Steigerung der Zahnfußfestigkeit.

Die Konstruktion genauer Werkzeuge ist ein Schlüssel für die Erfüllung dieser Ziele.

Die Genauigkeit der Werkzeuge muß 1 bis 2 Klassen über der angestrebten Werkstückgenauigkeit, die für verschiedene Verfahren der Massivumformung in Bild 6 dargestellt wird, liegen.

Wenn geometrische und technologische Solldaten schnell und aufgabenspezifisch zur Verfügung gestellt werden, erfolgt eine effektive Unterstützung von Simulation, Werkzeugfertigung, Produktion und Qualitätssicherung. Es gilt, die Konstruktion für Korrekturen, die durch andere Unternehmensbereiche angeregt werden, zu „öffnen“ und somit ein Simultaneous Engineering zu ermöglichen. Die übergeordneten Ziele sind: schneller zum Produkt zu kommen und das Produkt kontinuierlich zu verbessern.

9

ISO-Toleranzreihe (IT) entspr. DIN 7151

Umformverfahren

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

Gesenkschmieden Genauschmieden Präzisionsschmie.

Kaltfließpressen Halbwarmfließpr.

Warmfließpressen Maßprägen (kalt) = durch Sondermaßnahmen erreichbar = mit herkömmlichen Einrichtungen erreichbar

Bild 6:

Erreichbare Genauigkeiten bei verschiedenen Verfahren der Massivumformung

Die wesentlichen Zielkriterien für ein Konstruktionssystem, mit dem Gravuren für das Präzisionsschmieden von Zahnrädern konstruiert werden, s. Bild 7, liegen im

Anwendungsspezifische Rechnerunterstützung

Korrektur der Werkzeuge um die Schrumpfungen

Datenaustausch mit der Konstruktion

Bild 7:

Zielkriterien für das Konstruktionssystem

Daten

10

Aufbau einer anwendungsspezifischen Rechnerunterstützung, in der Korrektur der systematischen prozeßbedingten Abweichungen, die unter dem Begriff „Schrumpfung“ zusammengefaßt werden und in der Übergabe von Konstruktionsdaten an Simulation, Werkzeugfertigung und Qualitätssicherung sowie der anschließenden Rückführung von dann notwendigen, weiteren Korrekturen in die Konstruktion.

Bevor die Aufgaben an ein neues Konstruktionssystem im Kapitel 4 „Aufgabenstellung“ formuliert werden können, ist zu verdeutlichen, welche Möglichkeiten heute im Bereich CAD/CAM zur Verfügung stehen, um eine effektive Unterstützung durch den Rechnereinsatz zu erhalten. Die Beschreibung der Randbedingungen beim Präzisionsschmieden von Verzahnungen ermöglicht Aussagen über die Bereiche und den Umfang, den die Rechnerunterstützung abdecken muß. Dabei sollen die Korrekturalgorithmen auf Basis der bis heute vorgeschlagenen und durchgeführten Korrekturen von Werkzeugen mit Verzahnungsgeometrien abgeleitet werden.

11

3 Stand der Technik Die Notwendigkeit, genaue abbildende Werkzeuge herstellen zu können, ist sehr alt. Je genauer die Maschinen umformen können, desto höhere Anforderungen werden auch an die Genauigkeit der Werkzeuge gestellt. In Bild 8 wird verdeutlicht, wie schmal das Toleranzband für Konstruktion, Werkzeugfertigung und Produktion geworden ist, wenn es darum geht, präzise Werkstücke zu fertigen. Es reicht nicht aus, die verfügbaren Toleranzen in Konstruktion, Werkzeugfertigung und Prozeß auf Kosten der Verschleißtoleranz konstant zu halten. Dies gilt insbesondere dann, wenn beim Präzisionsschmieden ähnlich hohe Standmengen wie beim konventionellen Schmieden erreicht werden sollen, d. h. ein ähnlich großer Verschleiß zugelassen werden muß.

konventionelles Schmieden Präzisionsschmieden Präzisionsschmieden mit Verschleißtoleranz wie beim konventionellen Schmieden

T

T

T

T = verfügbare Toleranz Verschleiß Prozeß Werkzeugfertigung Konstruktion

Bild 8:

Verfügbare Toleranzen beim Schmieden für Konstruktion, Werkzeugfertigung, Prozeß und Verschleiß (nach /Her88/)

Im folgenden wird aufgezeigt, welche Hilfsmittel heute für die rechnerunterstützte Konstruktion in der Massivumformung zur Verfügung stehen. Außerdem werden die besonderen Anforderungen an die Konstruktion von Werkzeugen für das Präzisionsschmieden verdeutlicht. Dabei wird insbesondere auf die Konstruktion von Verzahnungsgeometrien eingegangen.

12

3.1 Rechnerunterstützte Konstruktion in der Massivumformung Die ersten Systeme für die rechnerunterstützte Konstruktion in den 70er Jahren konnten in der Umformtechnik kaum genutzt werden. Sie konnten noch nicht einmal das Zeichenbrett ersetzen /Sen95b/. Das änderte sich, als auch 3D-Modelle mit Freiformflächen- und Volumenmodellierern bearbeitet werden konnten.

CAD-Systeme in der Umformtechnik wurden zuerst in der Kaltmassivumformung eingesetzt. Hier wurden höhere Endgenauigkeiten für die Werkzeuge gefordert als in der Warmmassivumformung /Alt90/. Dabei wurde der Einsatz der Systeme mehr in den USA /Hoa84/ und England /A84/ als in Deutschland forciert, weil die hohen Investitionen für die in Deutschland meist kleinen bis mittelständischen Unternehmen ein zu großes unternehmerisches Risiko waren.

Aus den ersten Erfahrungen mit CAD-Systemen konnten folgende Forderungen formuliert werden: Der Konstruktionsvorgang muß schneller werden.

Das Konstruktionssystem muß den Konstrukteur bei sich häufig wiederholenden Konstruktionstätigkeiten effektiver unterstützen.

Berechnungsmöglichkeiten müssen in das Konstruktionssystem integriert werden.

Eine durchgängige Dokumentation des Konstruktionsprozesses ist notwendig.

Nach Einführung der CAD-Systeme konnte beobachtet werden, daß entgegen anderen Erwartungen kaum Personal im Konstruktionsbereich selbst eingespart werden konnte /Pri89/. Dies war auch nicht weiter verwunderlich, da der Nutzen von CAD-Systemen sich nicht auf das Erstellen von Zeichnungen beschränkt. Der Nutzen einer guten rechnerunterstützten Konstruktion rechnet sich vor allem in den der Konstruktion nachgelagerten Bereichen, also der Arbeitsvorbereitung und Fertigung. Leider waren die CAD-Systeme immer noch zu langsam, kompliziert, umständlich und vor allem geometriefixiert /Kra93/. Die Konstrukteure des Werkzeugbaus, von denen der Umgang mit Freiformflächen verlangt wird, wurden in ihrer spezifischen Denkweise nicht ausreichend unterstützt und formulierten folgende Probleme: Ein Konstruktionsprozeß hat zwar die vier Phasen Planen, Konzipieren, Entwerfen und Ausarbeiten, aber CAD-Systeme unterstützen nur beim Ausarbeiten einer Konstruktion.

Der Konstrukteur muß in Geometrieelementen, wie Linien und Kreisen, statt in Technischen Elementen, wie z. B. Aushebeschrägen, denken.

Die NC-Fertigung wird unzureichend unterstützt.

13

Bei den seit Mitte der 80er Jahre entwickelten CAD/CAM-Systemen wurden diese Probleme berücksichtigt und es zeichneten sich mehrere Entwicklungen ab: der Aufbau von Funktionsmodellen, eine Erweiterung der CAD/CAM-Systeme um Bibliotheks- und Verwaltungsmodule mit Anbindung an Datenbanken, z. B. für die Werkzeugverwaltung, aber auch an PPS-Systeme, und Verwendung von Zeichnungsverwaltungssystemen, eine bessere CAD/CAM-Integration sowie Automatisierung des Konstruktionsprozesses mit Einsatz von anwendungsspezifischen Modulen.

Mit dem Aufbau von Funktionsmodellen sollen auch die Konstruktionsphasen Planen, Konzipieren und Entwerfen unterstützt werden /Ott89/. Das Ziel ist eine funktionsgerechte Konstruktion, die erst danach als Basis für eine fertigungsgerechte Konstruktion dient /Adl90, Ben90, Wit94/. Der Einsatz Künstlicher Intelligenz wurde zuerst im USamerikanischen Forschungsbereich propagiert /Alt90/, um Funktionsmodelle nicht allein auf die konstruktiven Anforderungen zu beschränken. Außerdem werden Modelle für die Arbeitsvorbereitung und die Fertigung aufgestellt, um auch die Arbeit in diesen Bereichen zu vereinfachen.

Die Erweiterung der CAD/CAM-Systeme um Bibliotheks- und Verwaltungsmodule hat sich mittlerweile als eigene Branche etabliert. Es ist sinnvoll, daß die Daten, die in den CAD/CAM-Systemen verwendet werden bzw. die Ergebnisse der rechnerunterstützten Konstruktion nicht nur dem Bearbeiter, sondern auch anderen Unternehmensbereichen zur Verfügung gestellt werden. Relationale Datenbanksysteme wie ORACLE bieten die Basis, diese Daten zu verwalten und sortiert sowie schnell wieder abrufen zu können. Dazu gehören firmenspezifische Richtlinien, aber auch Normteilkataloge und Sammlungen über Werkstoffdaten /Ben94/. Die Daten können dem Konstrukteur unabhängig von seinem CAD/CAM-System zur Verfügung gestellt werden.

Für die Verwaltung der CAD-Ergebnisse entstanden Zeichnungsverwaltungssysteme (Engineering Data Management Systeme, kurz EDM-Systeme). EDM-Systeme regeln den parallelen Zugriff verschiedener Bearbeiter auf den gleichen Konstruktionsvorgang, da z. B. verschiedene Konstruktionszustände definiert und zugewiesen werden können /A93a, A93b/.

In der Massivumformung hat die Entwicklung anwendungsspezifischer Module den größten Einfluß auf die rechnerunterstützte Konstruktion. Der Konstrukteur sollte wieder in Technischen Elementen konstruieren können, z. B. in Aushebeschrägen statt in Kreisen, Linien oder Punkten. Eine bessere Integration von Konstruktion und Ferti-

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gung in CAD/CAM-Systemen erhöht die Leistungsfähigkeit der Systeme, die nicht nur an den Ergebnissen der Werkzeugfertigung, sondern außerdem an den Ergebnissen der (umformenden) Produktion gemessen wird /Lan89, Gla90, Pot90, Kie92/. Da von den formgebenden Werkzeugen oft nur sehr kleine Stückzahlen bis hin zur Losgröße 1 benötigt werden, kann der Programmieraufwand für ein Werkzeug größer sein als der Aufwand für die eigentliche Herstellung des Werkzeuges selbst.

Eine Reduzierung dieses Aufwandes können schmiedespezifische CAD/CAM-Module bieten. Die vorhandenen Geometriemodule des Basissystems werden um Technologiemodule ergänzt, die ein fertigungsgerechtes Konstruieren ermöglichen. Schmiedespezifische CAD/CAM-Module bieten folgende Vorteile: Die Ergebnisse verschiedener Varianten sind schnell verfügbar.

Der Benutzer kann anwendungsnah durch die Konstruktion geführt werden.

Berechnungsverfahren sind im System integriert, so daß die Ergebnisse reproduzierbar und dokumentierbar sind.

Bei der Konstruktion von Schmiedegesenken wird von der Fertigteilzeichnung des einbaufertigen Werkstücks ausgegangen. Zunächst muß das Fertigteil nach verfahrensgerechten Gestaltungsregeln in ein schmiedbares Teil umkonstruiert werden /Bru55/.

Diese Regeln basieren für Schmiedeteile aus Stahl zum größten Teil auf DIN 7523 /DIN7523/ und dienen zur Vermeidung von zu großen Kräften auf das Gesenk, der Verschleißminderung und der Werkstoffflußoptimierung /Doe96c/. Die im folgenden vorgestellten Systeme vollziehen im Grundsatz diese Vorgehensweise rechnerunterstützt nach.

Awiszus stellte 1989 eine Methode zur rechnergestützten Konstruktion von Schmiedewerkzeugen vor /Awi89, Awi90/. Nach der Weiterentwicklung steht heute ein von CAD-Systemen unabhängiges Konstruktionssystem (RUSCHKO, Bild 9) am Institut für Umformtechnik und Umformmaschinen zur Verfügung /Doe94b/. In RUSCHKO kommt der verfahrenstechnischen Unterstützung des Konstruktionsprozesses besondere Bedeutung zu. Das Programmsystem enthält Module für folgende Phasen des Konstruktionsprozesses: Entwicklung des Schmiedeteils aus dem Fertigteil, Entwicklung des Hohlformmodells und der Gratbahn, Konstruktion von Endwerkzeug und Abgratwerkzeug sowie die Auslegung geeigneter Vorformgeometrien, z. B. durch Bestimmung der Massenverteilung und der Querschnittsvorbildungsform.

15

Obere Menüleiste

Seitliches Menü

Grafikbereich Statusbereich

Bild 9:

Konstruktionssystem RUSCHKO /Doe94b/

Körner stellt ein CAD/CAM-Modul für rotationssymmetrische Schmiede- und Warmfließpreßteile vor, das sich auf die Schmiedersche Formenordnung bezieht und auf den Ergebnissen der ICCP-Projekte aufbaut, die vom Arbeitskreis CAD/CAM des IDS initiiert wurden /Koe89, Koe90/. Mit dem System ist seit einigen Jahren auch die Konstruktion von Schmiedewerkzeugen möglich, die nicht rotationssymmetrisch sind /Kol94/. Das System zur Konstruktion von Werkzeugen für das Warmumformen von typischen Werkstücken auf Waagerecht-Stauchmaschinen /Neh95/ entstand ebenfalls in enger Anlehnung an die ICCP-Projekte, deren Basissystem das CAD/CAM-System EUKLID ist.

In Großbritannien entwickeln die Universitäten von Bath und Birmingham eigenständige Systeme für die Konstruktion von Schmiedewerkzeugen. Dabei liegt in Bath der Schwerpunkt auf der automatisierten Generierung von Vorformgeometrien /Bra90b/ und in Birmingham auf dem Präzisionsschmieden von Zahnrädern /Abd86, Dea90, Dre91, Sad91/. Allerdings empfielt Campbell in seiner Analyse von strategischen

16

Technologien die Entwicklung von Anwenderprogrammen auf Basis bestehender CAD-Systeme /Cam90/.

Vemuri beschreibt ein System, das automatisch das Schmiedeteil aus dem Fertigteil entwickelt. Es setzt ein System auf Basis der Künstlichen Intelligenz ein, um die verfahrensgerechten Gestaltungsregeln abzubilden /Vem89/.

Die vorgestellten Systeme sind Lösungen, die als Basis Flächenmodelle verwenden.

Gegenüber Volumenmodellierern bieten Flächenmodellierer den Vorteil, daß Freiformflächen eines Werkstücks oder Werkzeuges der Umformtechnik rechnerintern einfacher dargestellt werden können. Freiformflächen sind allerdings mühsam zu erstellen und schwer handhabbar. Eine Umfrage unter Unternehmen des Werkzeug- und Formenbaus /Toe94/ ergab, daß zwar 66 % der befragten Unternehmen 3D-CADSysteme einsetzen, aber häufig nur in Verbindung mit einem 2D-System. Dreidimensionale Flächenmodelle sind immer dann zu erstellen, wenn sie zur Verwendung in weiteren Systemen benötigt werden. Dies gilt insbesondere für die NCProgrammierung. Die Flächenmodellierung wird zur Zeit noch zu wenig als ein Mittel zur Vereinfachung komplexer Arbeitsgänge beim Konstruieren eingesetzt /Aur95/.

Eine Möglichkeit zur Weiterentwicklung in diesem Bereich ist die Arbeit mit Technischen Elementen.

Technische Freiformelemente

formverändernde Elemente

formgebende generische Elemente

innenliegende

außenliegende

flächenverändernde

Übergänge

Profilnuten

Verblendungselemente

Laschen Sicken

Rippen Durchbrüche

Verrundungselemente Wölbungen

Erhebungen

Fasen Ausformschrägen

Taschen

Bild 10:

Taxonomie für Technische Freiformelemente (nach /Kra96/)

17

Während für analytisch beschreibbare Oberflächen prismatischer und roationssymmetrischer Teile das Modellieren auf Basis Technischer Elemente immer mehr Verbreitung findet, gibt es für Freiformflächen erst einige wenige Ansätze /Geh93, Aur95, Kra96/. Bild 10 zeigt eine Taxonomie für mögliche Technische Freiformelemente.

Die Grundlagen für das Modellieren mit Technischen Elementen werden durch CADSysteme geschaffen, die eine hohe Systemoffenheit durch

Trends bei CAD-Systemen

Offenheit (open system)

3DParametrik

Hybrid CSG B-Rep

Programmierschnittstelle zur CAD-Datenbasis

ABFRAGEN

LÖSCHEN

ERZEUGEN

ÄNDERN

Non-Manifold

Draht Fläche Volumen

Modellierung von Technischen Freiformelementen

Bild 11:

Trends bei CAD-Systemen (nach /Eng94/)

eine Programmierschnittstelle, 3D-Parametrik, hybride Datenmodelle oder Non-Manifold-Strukturen

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ermöglichen (Bild 11): Programmierschnittstelle Echte Wettbewerbsvorteile lassen sich durch den CAD-Einsatz erst erreichen, wenn das CAD-System in seiner Funktionalität gemäß den Notwendigkeiten der Anwendung maßgeschneidert wird und Firmen Know-how in das System eingebracht werden kann.

Dafür muß es entweder durch eine geeignete Sprache frei programmierbar sein oder über eine Programmierschnittstelle verfügen /Eng94/. Der Programmieraufwand kann beträchtlich sein, so daß die Programme häufig bei Dienstleistern in Auftrag gegeben oder firmenübergreifend Branchenlösungen entwickelt werden.

3D-Parametrik Parametrische CAD-Systeme bieten die Möglichkeit, Relationen abzubilden. In einfachen Systemen wird die Struktur von Parametern und Relationen strikt sequentiell aufgebaut, so daß die Entstehungsgeschichte eines Werkstücks die Möglichkeiten der Modifizierung beeinflußt. Wird ein Maß gelöscht, das als Referenz für ein anderes Maß fungiert, wird dieses Maß ebenfalls ungültig.

Eine Weiterentwicklung der parametrischen Modellierer, die diesen Nachteil nicht aufweisen, sind die variablen Modellierer, die aber noch nicht am Markt erhältlich sind. Bei dieser werden die Relationen in einem System von Gleichungen erfaßt, das simultan gelöst werden kann. Dadurch wird es möglich, jederzeit beliebige Maßangaben und Relationen zu verändern und zu löschen. Problematisch kann es werden, wenn das Gleichungssystem unter- oder überbestimmt ist, so daß ein Eingreifen des Benutzers nötig wird /Aur95/.

Hybridmodellierer Der Benutzer muß sich bei Hybridmodellierern nicht mehr zwischen der B-RepMethode, also dem Erstellen von Volumenmodellen auf Basis berandeter Flächen, und der CSG-Methode, das heißt dem Erstellen von Volumenmodellen auf Basis von einfachen Körpern entscheiden. Die B-Rep-Methode wird vor allem für die Modellierung von Freiformflächen eingesetzt. CSG-Modellierer werden dagegen für den Aufbau von 3D-Modellen mit komplexer Struktur aber einfacher Geometrie, für Bewegungssimulationen und Kollisionsuntersuchungen verwendet /Spu84/. Hybridmodellierer bieten die Möglichkeit einer umfassenden Funktionalität und der Konstrukteur muß sich nicht auf eine Methode festlegen.

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Non-Manifold-Modellierung Mit diesen Modellierern ist es möglich, Draht-, Flächen- und Volumenmodelle in der gleichen Datenstruktur abzubilden. Nachbarschaftsbeziehungen zwischen topologischen Elementen auch unterschiedlichen Typs und dazu in beliebiger Menge können definiert werden. So kann z.B. erst ein Fertigteil volumenorientiert konstruiert werden.

Anschließend können die zugehörigen Werkzeuge mit Freiformflächen fertigungsgerecht gestaltet werden /Wei86/. Über die Entwicklung dieser CAD-Werkzeuge hinaus betonen verschiedene Autoren einen starken Handlungsbedarf bei folgenden Aufgaben: Steigerung des Automatisierungsgrades vor allem bei sich häufig wiederholenden Tätigkeiten in Konstruktion und NC-Fertigung /Dah89, Kos91, Hel94a, Fra95/ verbesserte Integration über ein (in STEP) definiertes Produktmodell, das nicht nur CAD und CAM umfaßt /Fri90, Wei91, Wel91, Rue93a, Hel94b/, bessere Möglichkeiten der Datenverwaltung in Datenbanken und mit EDMSystemen /Ehr92, Isr93, Bop95, Scl96/ sowie nicht zuletzt eine bessere Qualifikation der Mitarbeiter bezüglich der Funktionalität von CAD/CAMSystemen, aber auch der Konstruktionssystematik /Bra90a, Kil91, Eve93, Osa95, Sen95a/. Der Konstrukteur muß zum Dienstleister gegenüber seinen Kunden innerhalb und außerhalb der Firma werden.

20

3.2 Das Präzisionsschmieden von Verzahnungen aus konstruktiver Sicht

Gehäuse ca. 36%

Zahnräder ca. 22%

Wellen

ca. 21%

Lager

ca. 9%

Sonstige ca. 12%

Bild 12:

Kostenstruktur eines Getriebes (nach /Kit90/)

Der Wunsch vieler Betriebe, die Zahnräder einsetzen, ist es, über eine preiswerte und gleichzeitig qualitativ hochwertige Fertigungsmöglichkeit für verzahnte Bauteile zu verfügen. Jährlich werden weltweit 34 Mio. Getriebe allein in Personenkraftwagen eingebaut /Doe96b/. Die in Bild 12 gezeigte Kostenstruktur eines Stirnradgetriebes zeigt beispielhaft den Kostenanteil, der schon bei einem einfachen Getriebe allein durch die Zahnräder verursacht wird.

Parallel zu den vorhandenen Möglichkeiten der spanenden Fertigung, z. B. dem Wälzfräsen und Wälzstoßen, entstanden in den letzten Jahrzehnten neue spanlose Verfahren zur Herstellung von Zahnrädern /Roh91-Roh95/. Dazu gehören neben den Walzverfahren das Feinschneiden, das Sintern und Pulverschmieden sowie das Kalt- und Warm-

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formen (Bild 13). Der Trend zu spanlosen Verfahren wird durch die Absicht der Getriebehersteller unterstützt, die Variantenvielfalt der eingesetzten Zahnräder zu verringern /A92, Bru93, Stu93/ und kleine Bauvolumina zu erreichen. Kleine Bauvolumina werden durch die guten mechanischen Eigenschaften der spanlos hergestellten Zahnräder unterstützt /Boo93/.

Bauart

Verfahren Spanende Verfahren

Schneckentriebe Stirnräder Stirnräder Kegelräder + Zylinder(geradverzahnt) (schrägverzahnt) + Tellerräder schraubräder

ja

ja

ja

ja

Kaltfließpressen

nein

ja

ja

ja

Taumelpressen

nein

ja

ja

ja

Feinschneiden

nein

ja

nein

nein

Präzisionsschmieden

nein

ja

ja

ja

Pulverschmieden

nein

ja

ja

ja

Sintern

nein

ja

ja

ja

Längskaltwalzen

nein

ja

ja

nein

Querkaltwalzen

nein

ja

ja

nein

Feingießen

nein

ja

nein

ja

Bild 13:

Herstellbare Zahnradbauarten durch umformende Fertigungsverfahren

Aus Sicht der Industrie werden die Verfahren nach der Wirtschaftlichkeit der gesamten Prozeßkette bis hin zur Hartfeinbearbeitung beurteilt /Mei94/. Das heißt, daß durch das Umformen eine Verzahnungsqualität erreicht werden muß, die ähnlich der des Wälzfräsens ist, aber weniger Kosten verursacht /Koe91/.

Für die spanlose Fertigung von Zahnrädern ist eine hohe Genauigkeit des montierten Werkzeugsystems und die Wiederholgenauigkeit des Prozesses unabdingbar. Auch mit sehr genauen formgebenden Werkzeugen lassen sich nur dann präzise Zahnräder um-

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formen, wenn die Prozeßbedingungen beherrscht werden /Tun88, Wei89/. Das Wissen um die Werkzeugherstellung und die prozeßseitige Abstimmung der Umformwerkzeuge untereinander wird zum ausschlaggebenden Faktor für die Wirtschaftlichkeit beim Präzisionsschmieden /Wit89, Koe91/.

Vor diesem Hintergrund wird zur Zeit am Institut für Umformtechnik und Umformmaschinen der Universität Hannover die schmiedetechnische Herstellung schrägverzahnter Zylinderräder untersucht /Doe94a, Doe96a/. Die Basis für diese Untersuchungen sind ebenfalls am Institut entwickelte Verfahren zur Herstellung geradverzahnter Zylinder- und Kegelräder /Doe87, Ada90b, Doe92a/. Es werden Qualitäten erreicht, die mit denen in der spanenden Weichbearbeitung erreichten Qualitäten konkurrieren.

Bild 14 zeigt Beispiele für am Institut hergestellte Zahnräder.

Bild 14:

Am Institut für Umformtechnik und Umformmaschinen hergestellte Zahnräder (Quelle: Westerkamp)

Die ersten Versuche zum Genauschmieden von Verzahnungen sind aus den 50er Jahren bekannt /Blw50, Gla57, Pol58/. Die in der Literatur vorgestellten Verfahren sind mindestens zweistufig; eine Genauigkeit im Bereich von 0,01 mm kann nur über eine

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ergänzende spanende Bearbeitung und/oder über einen Kalibriervorgang erreicht werden. Es werden sowohl Kalt- als auch Warmumformverfahren eingesetzt, wobei der Kalibriervorgang kalt erfolgt. Im folgenden bezeichnet der Begriff „Schmieden“ immer eine warme Formgebung bei 1100 bis 1200 oC. Das Genauschmieden von Zahnrädern hat sich als sehr aufwendig erwiesen, da der spanlose Bearbeitungsschritt schon bei der Weichbearbeitung durch einen spanenden Schritt ergänzt werden muß. Außerdem sind mit den eingesetzten Werkzeugen nur geringe Standzeiten erreichbar /Sco61/. In Untersuchungen zum Halbwarmumformen bei 500 bis 900 oC verbessert sich zwar die Genauigkeit, aber gleichzeitig steigen die Umformkräfte und damit der Werkzeugverschleiß an /Mei78/.

Beim Kaltfließpressen von Zahnrädern werden die bei der Erzeugung der Verzahnung entstehenden hohen Kräfte und die daraus resultierenden elastischen sowie thermisch bedingten Dehnungen der Matrize für Ungenauigkeiten verantwortlich gemacht. Aus diesem Grund stellt Jütte ein kaltumformendes Nachbearbeitungsverfahren für geradverzahnte Stirnräder vor /Jue86/. Im Rahmen ihrer Untersuchungen nennen er und Lennartz /Len95/ als Möglichkeit zur Verbesserung der Verzahnungsgenauigkeit die Vorkorrektur des Werkzeuges. Diese vorkorrigierten Verzahnungsdaten des Werkzeuges sollen den elastischen Verzerrungen der Matrize unter Last entsprechen. Allerdings seien diese Korrekturen nur mit großem Aufwand zu berechnen und zu fertigen.

Der nächste Entwicklungsschritt in der Warmmassivumformung von Verzahnungen ist das Präzisionsschmieden. Dabei wird der Begriff des Präzisionsschmiedens in der Literatur nicht überall gleich verwendet. Auf der einen Seite wird mit dem Begriff des Präzisionsschmiedens ein zweistufiger Prozeß aus Genauschmieden bei 1100 bis 1200 oC mit anschließendem Kalibriervorgang bei Raumtemperatur verstanden /Wit89/. Auf der anderen Seite bezeichnet der Begriff einen einstufigen Prozeß, bei dem die notwendige Genauigkeit ohne Kalibriervorgang erreicht wird /Lin83, Doe87/.

Die technischen Grenzen des Präzisionsschmiedens liegen für Lindner /Lin83/ beim Werkzeugverschleiß und bei der Korrektur der Schrumpfung. Er beschreibt, wie die Belastbarkeit von Kegelrädern durch einen beanspruchungsgerechten Faserverlauf steigt und fordert dazu auf, die Räder kombiniert funktions- und fertigungsgerecht zu optimieren.

Die Untersuchungen von Adams /Ada90a/ führen zur Auslegung eines einstufigen Präzisionsschmiedeverfahrens für die Herstellung von geradverzahnten Stirnrädern. Er weist darauf hin, daß bei einem Umformprozeß ohne Kalibriervorgang eine Verschiebung des Zahnprofils durch die Schrumpfung erfolgt und fordert eine Vorkorrektur der Werkzeuge. Für die Durchführung der Korrekturen ist eine enge Zusammenarbeit zwi-

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schen Konstruktion, Simulation, Fertigung und Qualitätssicherung notwendig. Das Verfahren wurde für die Herstellung von schrägverzahnten Stirnrädern weiterentwickelt. Die Zahnräder können so genau geschmiedet werden, daß nur noch eine Hartfeinbearbeitung an den Laufflächen notwendig ist /Doe94a/.

3.3 Korrektur von formgebenden Werkzeugen für verzahnte Bauteile Grundsätzlich müssen bei der Korrektur von formgebenden Werkzeugen funktionsund fertigungsgerechte Korrekturen unterschieden werden (Bild 15).

Korrekturen Zahnprofil

Ziel: Anpassung an Bedingungen während des Abwälzens

funktionsorientierte Optimierung Beispiel: Verbesserung der Eingriffsverhältnisse

Bild 15:

Ziel: Anpassung an das Fertigungsverfahren

fertigungsorientierte Optimierung Beispiel: Ausgleich von geometrischen Abweichungen durch Schrumpfung

Ziele der funktions- bzw. fertigungsorientierten Optimierung

Funktionsgerechte Korrekturen wie in Bild 16 dienen der Verbesserung der Tragfähigkeit des Zahnrades und der Verringerung des Werkzeugverschleißes. Die Korrektur von Profil und Flankenlinien dient häufig dazu, Verzahnungsprobleme zu lösen, die u. a. durch die fertigungsgerechte Werkzeuggestaltung für spanende Werkzeuge entstehen /Pet75, Fee92, Sko92, Hle93/.

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Bild 16:

unkorrigierte Zahnflanke

Zahnbreitenkorrektur

Kopf- und Fußrücknahme

topologisch korrigierte Zahnflanke

Funktionsgerechte Korrektur der Zahnflankengeometrie (nach /Boo93/)

Aufgrund der Zahnhöhenverhältnisse des genormten Bezugsprofils nach DIN 867 /DIN867/ sind an der Bewegungsübertragung abwechselnd zwei Zahnpaare (Doppeleingriff) oder nur ein Zahnpaar (Einzeleingriff) beteiligt. Wegen der Verformung der an der Kraftübertragung beteiligten Zähne und der Steifigkeitssprünge beim Eingriffswechsel ändern sich die Eingriffsverhältnisse. Dabei kommt es zu stoßartigem Kopfkanteneingriff und -austritt mit plötzlicher Übersetzungsänderung bei erhöhter Zahnfuß- und Zahnflankenbeanspruchung, und zwar besonders im FußflankenDoppeleingriffsbereich des treibenden Rades mit entsprechender Schwingungs- und Geräuschanregung /Bau91/.

Eine Reihe von Zahnformen besonders bei der Verwendung in großen Serien wurde bisher nicht nur nach den Gesichtspunkten einer optimalen Wälztechnik entwickelt.

Häufig hat der Gesichtspunkt der günstigsten Herstellbarkeit mit bekannten spanenden Methoden die Zahnform beeinflußt. Man gerät leicht in Versuchung, der spanlosen Formgebung eine Produktionsaufgabe zu stellen, die ihren Möglichkeiten und ihren Grenzen nicht immer gerecht wird /Sco61/. Wichtig ist, daß die Funktion von umgeformten mit der Funktion von wälzgefrästen Zahnrädern verglichen werden muß.

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Fertigungsgerechte Korrekturen von formgebenden Werkzeugen dienen der Optimierung der umformenden Fertigung. Die wichtigsten Korrekturen sind dabei: Die Anpassung der Werkzeuggeometrie an den Umformprozeß. Das heißt, daß im Normalfall keine Hinterschneidungen auftreten und statt Ecken möglichst große Radien und tangentiale Übergänge gebildet werden sollen.

Der Ausgleich von geometrischen Abweichungen, die durch die thermischen und elastischen Dehnungen von Werkzeug und Werkstück bei der Umformung entstehen.

Einlaufkufe Evolvente

Aktive Zykloide Optimierter Zahnfuß

Evolvente

funktionsoptimierte Verzahnung mit idealem Schmierkeilaufbau: - geringerer Verschleiß - weniger Geräusch - leistungsoptimiert

Zahnform nach DIN 867: - Eintrittsstöße - höherer Verschleiß - mehr Geräusche

Trochoide

Bild 17:

Gegenüberstellung von funktionsoptimierter Verzahnung und konventioneller Verzahnung nach DIN 867 /Hir95/

In Bild 17 sind eine funktionsgerecht optimierte und eine konventionell spanend hergestellte Zahnform abgebildet. Die konventionelle Zahnform auf Basis der Norm /DIN867/ ist für eine Umformung weniger gut geeignet, da Kanten und Ecken des Profils den Stofffluß beim Schmieden behindern. Die funktionsgerecht optimierte Geometrie weist große Radien auf und der Verlauf des Profils ist immer stetig. Auffallend ist, daß die funktions- bzw. für die Umformung fertigungsgerechte Optimierung die Geometrie analog verändert. Das heißt, daß sich die beiden Optimierungsarten ergänzen, da sie nicht im Widerspruch zueinander stehen. Je mehr sich daher spanlose Verfahren durchsetzen, umso mehr müssen sich die Getriebekonstrukteure mit den neuen

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Herstellverfahren vertraut machen, um Zahnradtypen zu entwickeln, die die Möglichkeiten der verschiedenen spanlosen Herstellverfahren auch wirklich ausnutzen.

Die Konstruktion von Zahnprofilen ist stets eine komplexe Berechnungsaufgabe gewesen /Pet75, Tal71, Hoe82, Hle93/. Heute erfolgt die Konstruktion von Profilen größtenteils rechnerunterstützt mit Programmen zur Zahnradauslegung. Diese Programme basieren auf den Richtlinien der DIN-Normen /DIN867, DIN868, DIN3960, DIN3961, DIN3971 und DIN3999/ und eignen sich gut für die Auslegung von Werkzeugen für die spanende Fertigung /Ruo93/. Die funktionsorientierte Optimierung kann heute ebenfalls rechnerunterstützt durchgeführt werden /Hir94/.

Teil eines warmen Schmiedestückes

abgekühltes Schmiedestück

1120º C 1,54 % 1100º C 1,50 % 1,38 % 700º C

am Ende des Umformvorganges

Temperaturverteilung in einem Schmiedestück am Ende des Umformvorganges

Bild 18:

Wärmeschrumpfung aufgrund der Temperaturverteilung

Temperaturverteilung und Wärmeschrumpfung in einem Schmiedestück /Koe79/

Die fertigungstechnische Korrektur der formgebenden Werkzeuge ist bei der umformenden Herstellung von Zahnrädern ein ungelöstes Problem. Beim konventionellen Schmieden wird mit einem einheitlichen Schrumpfmaß gerechnet, um die Werkzeugabmaße festlegen zu können. Ein einheitliches Schrumpfmaß ist aber beim Präzisionsschmieden zu ungenau.

Zur Verdeutlichung des Schrumpfungsvorganges werden in Bild 18 die Temperaturverteilung in einem Schmiedestück am Ende des Umformvorganges und die dazugehörige Wärmeschrumpfung gegenübergestellt. Der Schrumpfungsfaktor ist von der Feingliedrigkeit der Werkstückgeometrie abhängig. Geometrieelemente, die schneller

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abkühlen, schrumpfen weniger als langsam abkühlende Elemente.

y

s

Radial und tangential geschrumpftes Werkstück Nur tangential geschrumpftes Werkstück y Profilwinkel

Normalverschiebung des Profils

Gr un dk rei sra diu s

Warmes Werkstück

rb

r

r Radialer Schrumpfbetrag s Tangentialer Schrumpfbetrag Bild 19:

Schrumpfungsvorgang eines heißen Zahnrades auf Raumtemperatur /Ada90a/

In Bild 19 ist der Schrumpfungsvorgang an einem heißen und kalten Zahnrad dargestellt. Durch die Schrumpfung erfolgt eine Verschiebung des Profils. Die örtlichen Verschiebungsbeträge normal zum Ausgangsprofil stellen die schrumpfungsbedingten Profilabweichungen dar. Sie sind abhängig vom radialen Schrumpfbetrag r, dem tangentialen Schrumpfbetrag s und dem Profilwinkel y des jeweiligen Punktes. Für die Verschiebung senkrecht zum Ausgangsprofil gilt

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r sin

s cos 2

(Gl. 1)

Da die radialen Maße von Verzahnungen größer sind als die Zahndickenabmaße, ist der radiale Schrumpfbetrag stets höher als der tangentiale. Am Zahnkopf ist die Verschiebung maximal, da hier der Profilwinkel und die radiale Schrumpfung Größtwerte annehmen /Ada90a/. Adams berechnet den größten Betrag der Verschiebung und legt anhand der Maße das Flankenaufmaß fest. Er weist darauf hin, daß die Korrektur über ein gleichmäßiges Flankenaufmaß durch eine Korrektur des Grundkreiswertes verbessert werden muß.

Um das Schrumpfungsverhalten von geradverzahnten Stirnrädern beim Pulverschmieden zu berücksichtigen, wird in einer anderen Untersuchung /Koe86/ die Verzahnung ebenfalls mit einem einheitlichen Flankenaufmaß ausgelegt.

In einer theoretischen Analyse zur Vorhersage der Schrumpfung betonen Sadeghi und Dean /Sad91/ die Notwendigkeit der Werkzeugkorrektur für die Entwicklung des Präzisionsschmiedens. Sie benennen folgende Einflußfaktoren, die untersucht werden: a) Unter Krafteinwirkung dehnen sich die Gravuren elastisch. => Die Abmaße der Gravuren müssen verkleinert werden. b) Die vorgeheizten Gesenke dehnen sich aus. => Die Abmaße der Gravuren müssen verkleinert werden. c) Nach dem Schmieden schrumpfen die Werkstücke. => Die Gravuren müssen vergrößert werden. d) Die Gesenke werden meistens erodiert und es entsteht ein Erodierspalt. => Die Abmaße der Elektroden müssen verkleinert werden.

Sie stellen fest, daß die Schrumpfung der Werkstücke mit ca. 90 % der ausschlaggebende Faktor für die Maßabweichungen ist. Eine Vorgehensweise für die notwendige Korrektur wird nicht vorgestellt.

Weiss und Nägele simulieren den Herstellungsprozeß präzisionsgeschmiedeter Werkstücke mit der Finite-Elemente-Methode /Wei87, Nae95/. Sie weisen nach, daß trotz des hohen Rechenaufwandes die dreidimensionale FE-Simulation einen Beitrag zur Reduktion von „Trial-and-Error“-Versuchen bei der Werkzeugauslegung leisten kann.

Nägele ermittelt radiale, tangentiale sowie axiale Schrumpfmaße bei der Abkühlung des Werkstückes von Schmiede- auf Raumtemperatur und stellt fest, daß ein einheitliches Schrumpfmaß zur Vorkorrektur der Gesenkgravur auch bei Kegelradgravuren nicht ausreicht.

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Untersuchungen zur Verzahnungsmessung können das ungleichmäßige Schrumpfen der Werkstücke bestätigen. Für die Korrektur systematischer Abweichungen wurden neue Auswerteverfahren für abbildend hergestellte Stirnzahnräder entwickelt /Gra96/.

Gravel berücksichtigt in seinen Auswerteverfahren die prozeßspezifischen Rahmenbedingungen und erlaubt durch den Vergleich und die übersichtliche Darstellung der Abweichungen an Werkzeugen und Werkstücken eine fertigungsorientierte Abweichungsanalyse.

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4 Aufgabenstellung Das Schmieden von Zahnrädern ist eine sehr anspruchsvolle Aufgabe. Die Prozeßtechnik beim Schmieden verfügt heute über Möglichkeiten, sehr genaue Werkstücke zu fertigen. Die Werkzeugtechnik muß ebenfalls dem Anspruch, genaue Werkstücke fertigen zu können, genügen. Für das Präzisionsschmieden von Zahnrädern sind Werkzeugkorrekturen notwendig, für die Korrekturstrategien erarbeitet werden müssen. Da die vorhandenen DIN-Normen /DIN867, DIN868, DIN3960, DIN3961, DIN3971 und DIN3999/ für die Zahnradfertigung mit einem geradflankigen Bezugsprofil ausgelegt worden sind, ist eine vollständige Übertragung der in diesen Normen enthaltenen Richtlinien nicht immer sinnvoll.

Programmfreigabe mit Entscheidung für Lieferanten

Entwicklung

Prozess- und Materialplanung

Prototypenfertigung

Werkzeugkonstruktion und -herstellung

Testen

Anlagenvorbereitung

Fertigteilzeichnung

Rohteilzeichnung Feinplanung Vorserienproduktion Serienproduktion

Bild 20:

Parallele Vorgehensweise beim Simultaneous Engineering (nach /Mei93/)

In dieser Arbeit soll ein rechnerunterstütztes Konstruktionssystem vorgestellt werden, das Konstruktion und Werkzeugbau bei der Erstellung von genauen Gravuren für das

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Präzisionsschmieden von Zahnrädern unterstützt. Dabei ist zu beachten, daß die Aufgabe des Konstrukteurs noch nicht beendet ist, wenn Geometriedaten des Fertigteiles bzw. der korrigierten Werkzeuge entstanden sind. Es ist wichtig, daß diese Daten für eine schnelle Weiterverarbeitung in Simulation, NC-Fertigung oder Verzahnungsmessung zur Verfügung gestellt werden. Deren Ergebnisse in Form von berechneten oder gemessenen Abweichungen dienen wiederum einer verfeinerten Korrektur der Konstruktion. Diese parallele Vorgehensweise ist Grundlage für ein Simultaneous Engineering (Bild 20), um die Vorbereitungszeit zwischen Auftrag und Beginn der Produktion senken zu können /Boh92, Jen95/.

Die rechnerunterstützte Konstruktion von Gravuren für das Präzisionsschmieden von Zahnrädern muß folgenden Anforderungen gerecht werden können: Es muß eine einfache Möglichkeit geben, aus den Bestimmungsgrößen der Verzahnung, wie z. B. Modul und Zähnezahl, Zahnprofile zu erstellen. Nur so können schnell verschiedene Varianten erzeugt und gegenübergestellt werden.

Die automatisierte Herstellung von Verzahnungsgeometrien ist notwendig, da ein interaktives Erstellen der Freiformflächen zu aufwendig ist. Auch ist bei einer Automatisierung des Konstruktionsablaufes die Erstellung von Geometrie reproduzierbar und personenungebunden.

Die Visualisierung von Verzahnungsgeometrien ermöglicht einen optischen Vergleich verschiedener Varianten, da nach dem Stand der Technik eine Freigabezeichnung erforderlich ist. Außerdem ist für den Ungeübten das „Lesen in Bestimmungsgrößen“ schwierig.

Es sollen Möglichkeiten für die Fertigung der formgebenden Gravuren im Werkzeug aufgezeigt werden, da mehrere konkurrierende Verfahren wie Wälzfräsen oder Drahterodieren zur Wahl stehen.

Die Ergebnisse der einzelnen Konstruktionsschritte müssen als Zwischenzustände des Konstruktionsvorganges dokumentierbar sein. Der Einsatz einer Datenbank ist sinnvoll, um die konstruktionsrelevanten und verwaltungstechnischen Daten unabhängig vom gewählten CAD-System nutzen zu können und gezielt auf die Geometrie zugreifen zu können.

Die Datenerstellung und Datenübertragung über Schnittstellen zur Simulation, NCFertigung und Verzahnungsmessung ist eine weitere Forderung an das Konstruktionssystem.

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Ein hoher Automatisierungsgrad beim Konstruktionsablauf soll dort realisiert werden, wo häufig wiederkehrende Teilaufgaben abgearbeitet werden müssen. Dabei soll die Automatisierung den Konstrukteur bei der Konstruktion anleiten, aber auf keinen Fall behindern bzw. einschränken. Eine geeignete Benutzerführung kann ihn bei der Abarbeitung der notwendigen Schritte unterstützen und die Dokumentation und Verwaltung des Konstruktionsablaufes übernehmen.

Es soll entsprechend der oben genannten Anforderungen ein Konstruktionssystem entworfen werden, das in den folgenden Kapiteln vorgestellt wird.

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5 Konzept des Konstruktionssystems Die folgende Beschreibung des entwickelten Konstruktionssystems erfolgt anhand eines geradverzahnten Stirnrades, eines schrägverzahnten Stirnrades und eines Kegelrades (Bild 21).

Bestimmungsgrößen Zähnezahl z Modul mn Eingriffswinkel Teilkreisd. d0

n

Schrägungsw.

Profilversch.f. x Zahnradbreite b Teilkreiswinkel d

Bild 21:

Kegelr. Stirnrad Stirnrad Eingerade gerade schräg heit 13 26 17 4,95 3,177 3 mm 20 22,5 20 Grad 64,36 82,73 51,78 mm (außen) 0 10 Grad 0 0 0,4 16,56 71,0 30 mm 55,33 Grad

Verschiedene Zahnradtypen

Bevor das Konstruktionssystem erstellt werden kann, müssen geeignete Softwarewerkzeuge ausgewählt werden. Dafür werden die in Kapitel 3.1 „Rechnerunterstützte Konstruktion in der Massivumformung“ beschriebenen Entwicklungen im Bereich CAD/CAM berücksichtigt.

Die Gliederung des Konstruktionsablaufes ermöglicht die Definition der einzelnen Konstruktionsmodule. Die Vorgehensweise im Konstruktionssystem soll das Ziel, möglichst automatisiert zu konstruieren, unterstützen. Eine Übersicht über den Konstruktionsablauf zeigt Bild 22. Auf Basis der Verzahnungsdaten soll die Werkstückgeometrie erzeugt werden. Abhängig vom CAD-Modell des Werkstückes erfolgt

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die Festlegung des Rohteils und der Geometrie des Werkzeugs, nachdem die fertigungsgerechten Korrekturen durchgeführt worden sind.

Verzahnungsdaten

í30 í59,5 Hannover

All geme intoleranzen

H7

h9

Maástab : Werksto ff:

Na me

+0,021 -0,07 4

0 0

1:1

16 Mn Cr 5

DIN 7168 m

Da tum Bearb .

Gepr.

No rm

Bene nnu ng:

Ritzel Bla tt

In stitu t f• r U mfo rm te chn ik un d Umf or mm asc hin en Pro f. Dr.- Ing . E. Doe ge

Urspr.

Erzeugung der Fertigteilgeometrie im CAD-System

Bl. Ers. f•r:

Ers. du rch:

CAD-Modell des Werkstücks

Festlegung des Rohteils

Geometrie der Rohteile

Bild 22:

Berechnung und Korrektur der Werkzeuggeometrie - Wärmedehnungen - elastische Dehnungen

CAD-Modell des Werkzeugs

Ablauf der rechnerunterstützten Konstruktion von Zahnrädern und Zahnradgesenken

5.1 Auswahl der Basissoftware Die Auswahl der für das Konstruktionssystem notwendigen Softwarewerkzeuge unterliegt engen Randbedingungen. Die Software soll zusammen mit einem marktgängigen CAD/CAM-System eingesetzt werden, um Basisfunktionen z. B. für die Visualisierung nutzen zu können. Innerhalb eines entsprechenden CAD/CAM-Systems werden dann die anwendungsspezifischen Bestandteile erstellt. Daher wird ein CAD/CAM-System gesucht, daß folgende Bedingungen erfüllt:

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-

Es sollten Komponenten eingesetzt werden, die weit verbreitet oder standardisiert sind.

-

Es müssen Prozessoren und Schnittstellen für den Datenaustausch zur Verfügung stehen.

-

Die Einbindung selbst erstellter Anwendersoftware muß möglich sein.

In der Kraftfahrzeug- und Schmiedeindustrie werden verschiedene CAD-Systeme eingesetzt, die die Modellierung von Freiformflächen ermöglichen. Im blechverarbeitenden Bereich der Kraftfahrzeugindustrie ist das CAD-System CATIA von IBM sehr weit verbreitet, in der Schmiedeindustrie hat sich dagegen das CAD/CAM-System EUKLID von strässle durchgesetzt.

CAD/CAM Anwendersoftware z.B.: Werkzeugkonstruktionsmodul Berechnungsmodul NC-Programmodul CAD/CAM Basissystem EUKLID (strässle) mit 2D/3D Konstuktionsfunktionen, Fräsfunktionen, Schnittstellen EDX, IGES, VDAFS

Rechner-Betriebssysteme UNIX oder VMS (Digital)

Bild 23:

Hierarchische Struktur der Bausteine für das Konstruktionssystem

Nachdem der IDS vor einigen Jahren seine Empfehlung für EUKLID ausgesprochen hat, ist es das am häufigsten eingesetzte System in der 3D-Konstruktion von Schmiedewerkzeugen geworden. Es ist ein Flächenmodellierer mit einem integrierten CAMSystem, dessen Stärken insbesondere im Fräsen von Freiformflächen liegen. Eine interaktive Möglichkeit für die parametrische Konstruktion wird nicht zur Verfügung gestellt. Dagegen kommt EUKLID der Forderung nach einer Programmierschnittstelle sehr gut nach, weil EUKLID im Kern selbst eine Programmiersprache ist. Die interaktiven Eingaben des CAD-Benutzers werden im Hintergrund in dieser Programmiersprache protokolliert. Dieses Protokoll kann wiederum als Programm genutzt werden, um CAD-Geometrie zu berechnen. Anwenderprogramme, die auf EUKLID aufbauen

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(Bild 23), ermöglichen die Automatisierung von Befehlsfolgen und auf diese Weise eine implizite Parametrisierung von Geometrie über die Nutzung von Variablen in der Programmiersprache.

Eine Schwierigkeit besteht darin, daß der Einsatz eines Flächenmodellierers häufig als Hindernis für eine einfache und schnelle Konstruktion räumlicher Geometrien angesehen wird /Ioa94/. Das Problem läßt sich eingrenzen, wenn Geometrie schrittweise anhand der in Bild 24 abgebildeten Stufen generiert wird. Wenn die Übergänge zwischen den Stufen automatisiert werden können, wird die Handhabung von Flächenmodellen erheblich vereinfacht.

3D-Geometrie (vollständige Teilegeometrie)

3D-Geometrie (Einzelflächen)

2D-Geometrie

Parameter

Bild 24:

m=3 d0 = 35 ...

Automatisierung

Automatisierung

Automatisierung

Schrittweises Vorgehen bei der Bildung einer Freiformfläche

Es gilt, den Vorteil zu nutzen, daß Zahnräder grundsätzlich nach dem gleichen Muster aufgebaut sind. Sie sind zahnweise rotationssymmetrisch, das heißt, die Zähne sind um einen Grundkörper herum angeordnet. Gelingt es, dieses Muster in einem Variantenprogramm abzubilden, können die Verknüpfungsmechanismen zwischen den Technischen Elementen wie Zahnprofil und Grundkörper bis zur Erstellung der vollständigen 3D-Geometrie automatisiert durchgeführt werden. Beim Aufbau eines entsprechenden Variantenprogramms müssen folgende Anforderungen erfüllt werden:

38

Nicht nur ein Zahnradtyp, sondern möglichst alle schmiedbaren Zahnradtypen sollen mit dem Programm konstruiert werden können.

Nach Aufruf des Variantenprogrammes sollen die Varianten schnell und auch automatisiert erstellbar sein.

Die Geometrieelemente sollen unabhängig voneinander löschbar sein, um Zahnprofile oder Grundkörper einzeln weiternutzen zu können.

Die Aufbereitung von Geometriedaten für Simulation, Werkzeugfertigung und Verzahnungsmessung soll ebenfalls in Variantenprogrammen erfolgen.

Neben der Erstellung und Verarbeitung von Geometriedaten ist die Verwaltung von weiteren Parametern, wie Bestimmungsgrößen und auch Zeichnungsdaten, zwingend notwendig. Gerade bei der Verarbeitung von sich sehr stark ähnlichen Verzahnungsgeometrien muß zu jedem Zeitpunkt des Konstruktionsvorganges überprüfbar und nachvollziehbar sein, mit welchen Ausgangsdaten operiert wird und in welchem Entwicklungszustand sich die Konstruktion befindet. Außerdem sollten die Konstruktionsdaten auch unabhängig vom Konstruktionssystem in anderen Unternehmensbereichen genutzt werden können.

Das CAD/CAM-System EUKLID ermöglicht zwar ein Speichern von Geometriedaten, für die Abfrage und Verwaltung der Konstruktionsdaten stehen jedoch keine ausreichenden Funktionen zur Verfügung. Für die Verwaltung der Konstruktionsdaten wurde das relationalen Datenbanksystem ORACLE ausgewählt, das sehr weit verbreitet ist.

Es existiert mit der gleichen Benutzeroberfläche, den gleichen Kommandos und den gleichen Zusatzprogrammen auf über vierzig verschiedenen Betriebssystemen und achtzig verschiedenen Rechnermodellen /Mar92/.

5.2 Übersicht über den Konstruktionsablauf im Konstruktionssystem Im dem in dieser Arbeit vorgestellten Konstruktionssystem stellt sich der Konstruktionsablauf dem Konstrukteur wie in Bild 25 dar. Es wird zwischen dem Arbeitsbereich des Konstrukteurs und dem rechnerinternen Bereich unterschieden. Im Arbeitsbereich des Konstrukteurs stehen Eingabemasken für die Verzahnungsparameter und das CAD/CAM-System zum Betrachten der Geometrie mit den Anwenderprogrammen zur Verfügung. Im rechnerinternen Bereich laufen die Hintergrundoperationen ab. Dazu gehören die Übergabe von Daten zwischen den Eingabemasken, den Berechnungsroutinen und der Datenbank sowie der Aufruf von grafischen Routinen in den Anwenderprogrammen.

Der Konstrukteur gibt die Parameter der Verzahnung, d.h. die Bestimmungsgrößen, in eine Eingabemaske ein. Rechnerintern werden anschließend weitere Bestimmungsgrö-

39

ßen berechnet (s. Kapitel 7 „Eingabe und Berechnung der Bestimmungsgrößen“). Eingegebene und berechnete Bestimmungsgrößen werden automatisch in der Datenbank abgelegt und über eine Schnittstelle dem Anwenderprogramm zur Verfügung gestellt.

Arbeitsbereich des Konstrukteurs

Rechnerintern

Eingabemasken Berechnungsroutinen

CAD Bild 25:

Grafische Routinen

Konstruktionsablauf aus Sicht des Konstrukteurs

Im CAD-System führt eine Benutzerschnittstelle den Konstrukteur durch die weiteren Schritte der Konstruktion. In den Modulen des entwickelten Anwenderprogrammes (Bild 26) sind die grafischen Routinen zur automatisierten Erstellung von Werkstückbzw. Werkzeuggeometrie enthalten. Die Module für die NC-Programmierung und den Datenaustausch mit Simulation sowie Verzahnungsmessung sind ebenfalls integriert.

Die verschiedenen Zustände von Werkstück- und Werkzeugmodellen werden nach jedem Konstruktionsschritt gespeichert.

Die Speicherung erfolgt standardmäßig mit einem eindeutigen Dateinamen, der aus einer Kennung für das jeweilige Anwenderprogramm mit einer Datumsangabe besteht.

So steht der Dateiname ZS30-APR-97 für ein am 30.04.97 erstelltes Zahnsegment. In der Datei selbst steht an erster Stelle die zugehörige Dateinummer, z.B. „S-012-00“,

40

unter der die Bestimmungsgrößen im Datenbanksystem abgelegt werden. Somit erfolgt eine Protokollierung des Konstruktionsablaufes und es ist möglich, einzelne Schritte gezielt zu wiederholen. Eine manuelle Vergabe von Dateinamen ist ergänzend ebenfalls durchführbar.

Basisgeometrie

Zahnrad- und Werkzeuggeometrie

Schnittstellen und Prozessoren

Einlesen Bestimmungsgrößen

Zahnflankenberechnung

Schnittstelle Simulation

Berechnung Stirnprofil

Erstellung Zahnradsegment

Schnittstelle Messen

Abstand Profilpunkte

Durchführung Vorkorrektur

NC-Daten Fräsen

Flächen-, Rohteilberechnung

Durchführung Feinkorrektur

NC-Daten Drahterodieren

Eingabe Grundkörper

Erstellung Matrizensegment

NC-Daten Schleifprofil

Bild 26:

Aufbau des Anwendermenüs

In den folgenden Kapiteln wird die Umsetzung des hier vorgestellten Konzeptes im Detail erläutert. Dabei wird zuerst auf die Konstruktion der Verzahnungsgeometrie eingegangen, bevor Eingabe und Berechnung der Bestimmungsgrößen erläutert werden. Im Anschluß an die Berechnung von Rohteilabmaßen folgt die Beschreibung der Verzahnungskorrekturen sowie die Fertigung der formgebenden Werkzeuge mit den zugehörigen Schnittstellen.

41

6 Konstruktion der Verzahnungsgeometrie Die Konstruktion der Verzahnung eines Zahnrades bzw. der formgebenden Gravuren ist ohne eine geeignete Anwenderunterstützung sehr aufwendig. Auch dauert die Erstellung von Varianten ohne eine Automatisierung ebenso lange wie eine Erstkonstruktion. Die Verwendung Technischer Elemente, für die der Konstrukteur nur noch die Parameter einzugeben braucht, vereinfacht den Konstruktionsvorgang erheblich. Dies gilt insbesondere für den Einsatz zweidimensionaler Technischer Elemente, auf deren Basis dann die dreidimensionale Geometrie berechnet wird.

Theoretisch gibt es zwei Möglichkeiten für die Änderung von Parametern Technischer Elemente. Die Parameter können einerseits einzeln explizit angegeben werden. Diese Möglichkeit bieten parametrische CAD-Systeme, bei denen interaktiv ein Maß und abhängig davon andere Maße geändert werden können. Bei komplexeren Geometrien mit indirekten Beziehungen ist eine andere Vorgehensweise notwendig.

Bei Verzahnungsgeometrien sind die einzelnen Parameter häufig nicht direkt änderbar.

Entweder bestehen zwischen den Parametern Abhängigkeiten, die berücksichtigt werden müssen oder die Parameter, z.B. der Eingriffswinkel, korrespondieren mit keiner Maßangabe und wirken nur indirekt auf die Geometrie. In diesem Fall können die Parameter nicht über die Änderung einer Maßangabe modifiziert werden. Es ist also notwendig, die Parameter abzufragen. Die von den abgefragten Größen abhängigen Parameter müssen anschließend neu berechnet werden.

Zahnradgeometrien lassen sich grundsätzlich mit den Technischen Elementen Stirnprofil, Leitkurve und Grundkörper beschreiben.

Diese Technischen Elemente legen die Geometrie des Zahnrades eindeutig fest. Für die Festlegung der formgebenden Gravur von Werkzeugen sind zusätzlich Angaben über Werkzeugkorrekturen erforderlich. Die Erstellung dieser Technischen Elemente und deren Weiterverwendung im entwickelten Konstruktionssystem wird in den folgenden Kapiteln beschrieben.

42

6.1 Erstellung des Stirnprofils Bei der Konstruktion von Zahnrädern wird im folgenden grundsätzlich von einer Evolventenverzahnung ausgegangen. Sie ist die im Maschinenbau am häufigsten eingesetzte Verzahnung. Die Vorteile liegen einerseits in der einfachen spanenden Fertigung begründet, andererseits erfolgt eine gleichförmige Bewegungsübertragung auch bei Achsabstandsabweichungen. Im mehrstufigen Getrieben wird diese Eigenschaft in Form der Profilverschiebung genutzt, um die Achsabstände verschiedener Stufen einander anzugleichen.

Die Bildung der Zahnflanke erfolgt bei der spanenden Fertigung über eine Abwälzbewegung des geradflankigen Werkzeuges. Bei der konventionellen Konstruktion eines Stirnprofils wird diese Bewegung nachvollzogen. In dem hier vorgestellten Konstruktionssystem wird die Geometrie des Stirnprofils direkt auf Basis der Bestimmungsgrößen berechnet. Dadurch sind Korrekturen und Änderungen flexibler umsetzbar, da der Umweg über ein geradflankiges Bezugsprofil vermieden wird.

Kopfkreis Kopfrundung ungenutzter Teil im Kopfbereich Wälzbereich (zwischen Fuß- und Kopfnutzkreis) ungenutzter Teil im Fußbereich Fußkreis

Bild 27:

Fußrundung

Grund kreis

Aufbau eines Zahnprofils (nach /Rol76/)

Die unterschiedlichen Elemente eines halben Stirnprofils zeigt Bild 27. Das Profil liegt zwischen dem Fuß- und dem Kopfkreis, der Wälzbereich zwischen dem Fußnutz- und

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dem Kopfnutzkreisdurchmesser. Wenn der Fußkreisdurchmesser größer ist als der Grundkreisdurchmesser, entfällt der ungenutzte Teil im Fußbereich. Die Teilstücke des Profils, die unterhalb des Fuß- bzw. oberhalb des Kopfnutzkreisdurchmessers liegen, sind beim Abwälzprozeß nicht beteiligt und können somit fertigungsgerecht frei gestaltet werden.

Die Konstruktion des Zahnprofils erfolgt über die Generierung der verschiedenen Elemente im Fuß-, Wälz- und Kopfbereich, die einzeln automatisch aus den Bestimmungsgrößen berechnet und anschließend zusammengefügt werden. Für die Konstruktion des Wälzbereiches muß die zugehörige Evolvente berechnet werden. Sie entspricht einer Kurve, die ein Punkt einer auf einem Kreis abwälzenden Geraden beschreibt. Bild 28 zeigt prinzipiell die zeichnerische Konstruktion einer Evolventen, wobei die Wälzgerade auf dem Wälzkreis abwälzt. Wird die Gerade soweit abgewälzt, daß z. B. 3 auf 3’ liegt, dann tangiert sie in 3’ den Wälzkreis und der Punkt 1 der Geraden ist ein Punkt der Evolvente.

Wälzgerade

1

1

1

Wälzkreis

1 1'

2

3

4

5

2'

3' M

6'

Bild 28:

4' 5'

Evolvente

Konstruktion der Evolvente

Programmtechnisch läßt sich dieses Vorgehen abbilden, indem die Koordinaten der einzelnen Evolventenpunkte wie folgt berechnet und diese zu einer Kurve zusammengefaßt werden /Bro81/. Dabei entspricht der Grundkreis db der Verzahnung dem Teil-

44

kreis. In den Gleichungen dient der frei wählbare Parameter t als Laufvariable. Auf Basis des Grundkreises und des Eingriffswinkels , der nicht identisch ist mit dem Parameter t, werden die x- und y-Koordinaten der Wälzkurve erzeugt.

x

db cos t

db t sin t

(Gl. 2)

y

db sin t

db t cos t

(Gl. 3)

Der Grundkreisdurchmesser wird nach DIN 3960 /DIN3960/ bestimmt.

Bild 29 zeigt den Verlauf der berechneten und gedrehten Evolvente im Konstruktionssystem. Sie beginnt ein Stück unterhalb des Fußkreises und endet ein Stück oberhalb des Kopfkreises. Der Bereich unterhalb des Grundkreises (t < 0) wird über eine Spiegelung an der x-Achse so erzeugt, daß ein tangentialer, konkaver Übergang in die Fußrundung ermöglicht wird. Bei regelmäßiger Erhöhung des Parameterwertes t wird der Abstand zweier aufeinanderfolgender Punkte immer größer. Der Abstand der Punkte ist hier so eingestellt, daß sie in der Darstellung unterschieden werden können. Normalerweise muß der Punktabstand so eingestellt werden, daß einerseits ausreichend ge-

N

T

E

s Teilkrei

is ndkre u r G kreis Fuß

Bild 29:

Plotausgabe einer Evolvente im CAD-System

Zah nhö he

E

V

O

L

V

E

Kopfkreis

Y X

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naue Daten zur Verfügung gestellt werden können, andererseits die Datenmenge nicht unnötig groß wird. Über die Eingabe eines Genauigkeitsfaktors, der den maximal zulässigen Sekantenfehler innerhalb der Punktfolge angibt, wird die notwendige Flexibilität geschaffen. Außerdem läßt sich die Punktfolge so generieren, daß die Punkte den gleichen Abstand zueinander haben. Der Abstand ist durch einen Schalter vom Konstrukteur einstellbar. Es sollten grundsätzlich nicht mehr Geometriestützpunkte als nötig generiert werden, da eine hohe Anzahl von Stützpunkten den rechnerinternen Aufwand bei der späteren geometrischen 3D-Flächenberechnung und -generierung vergrößert.

Nach der Generierung der Evolvente werden die Kurven im Fuß- und Kopfbereich des Profils festgelegt. An ein Stück des Fußkreises schließt sich die Fußrundung an. Der Standardwert für den Fußrundungsradius beträgt das 0,38-fache des Normalmoduls mn.

Das Maß der Rundung sollte so ausgewählt werden, daß folgende Bedingungen erfüllt werden: Ausreichend Platz für den Schmierstoff, ausreichend Platz für den Eingriff des Gegenrades, gute Tragfähigkeit und fertigungsgerechte Gestaltung.

Der notwendige Platz für Schmierstoff und Gegenrad ist vorhanden, wenn neben dem Fußkreis auch die Fußrundung unterhalb des Fußnutzkreisdurchmessers bleibt. Für eine gute Tragfähigkeit und schmiedegerechte Gestaltung ist eine möglichst große Fußrundung wünschenswert. Die Form der Fußrundung muß dabei nicht einem Kreisstück entsprechen, sondern kann noch weiter variiert werden. Bei der Zusammenstellung des Profils aus den Teilbereichen ist auf einen tangentialen Übergang zwischen den Bereichen zu achten.

Auch wenn das Profil im Konstruktionssystem üblicherweise automatisch erstellt wird, ist eine manuelle Manipulation der Evolvente oder des Fuß- bzw. Kopfkreises an dieser Stelle möglich. Es muß aber beachtet werden, daß eine Änderung an dieser Stelle dazu führt, daß die Bestimmungsgrößen, aus denen das Profil konstruiert wurde, nicht mehr mit dem manipulierten Profil konsistent sind.

6.2 Bildung der Leitkurve Leitkurve und Grundkörper sind Hilfskonstruktionen zur Erstellung der dreidimensionalen Verzahnungsgeometrien. Die Leitkurve wird zur Positionierung des Zahnprofils

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und Bildung der Zahnflächen eingesetzt. Sie verläuft senkrecht durch die Symmetrieachse des Zahnprofils und durch den Kopfkreis entlang der Verzahnung. Die Bildung der Leitkurve erfolgt bei Kegel- und Stirnrädern unterschiedlich.

Bei einem Kegelrad kann die Leitkurve aus dem Grundkörper (s. Kapitel 6.3 „Bildung des Grundkörpers“) berechnet werden (Bild 30). Allerdings müssen bei Kegelrädern verschiedene Zahnformen berücksichtigt werden. In Abhängigkeit der Lage von Kopf-, Fuß- und Teilkegelspitze ergeben sich Zähne mit konstanter Zahnhöhe oder aber sich verjüngende Zähne (Bild 31).

Leitkurve

Grundkörper

Bild 30:

Bildung der Leitkurve bei einem Kegelrad

Wenn sich die Kegelspitzen in einem Punkt treffen (Bild 31b), wird das der Kegelspitze am nächsten liegende Zahnprofil proportional verkleinert, bevor es positioniert wird. Für den Fall, daß die Mantellinien der Kegel parallel sind (Bild 31a) oder die Kegel nicht zusammenfallen (Bild 31c), ist eine manuelle Konstruktion und Positionierung der Profile am Anfang und am Ende der Leitkurve erforderlich.

Die Bildung der Leitkurve bei Stirnrädern wird im folgenden am Beispiel eines schrägverzahnten Stirnrades demonstriert. Die Vorgehensweise ist bei geradverzahnten Rädern entsprechend. Eine Schrägverzahnung entsteht aus einer Geradverzahnung, indem das entsprechende geradverzahnte Rad in infinitesimal dünne Scheiben geschnitten wird und diese einzelnen Stirnschnitte gegeneinander rotiert und versetzt

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a) parallele Mantellinien von Fuß-, Teilund Kopfkegel

b) Fuß-, Teil- und Kopfkegel fallen zusammen

c) Fuß-, Teil- und Kopfkegel fallen nicht zusammen

Kopfkegel Teilkegel Fußkegel

Bild 31:

Verschiedene Zahnformen bei Kegelrädern (nach /DIN3971/)

werden, bis sich der gewünschte Schrägungswinkel der Zahnflanke ergibt (Bild 32).

Die Leitkurve ist also eine Schraubenlinie.

In jeder Ebene der Stirnschnitte bleiben die Stirnschnittgrößen konstant. Beim Zerspanen werden die Zähne durch Ausarbeiten der Zahnlücke vom Fräser parallel zur Flan-

= Schrägungswinkel einzelne Stirnschnitte sich ergebende Leitkurve Teilkreis

Bild 32:

Bildung der Leitkurve bei einem Stirnrad

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kenlinie erzeugt. Hierfür müssen die Normalschnittgrößen konstant bleiben, wenn nicht für jeden Schrägungswinkel ein anderes Bezugsprofil verwendet werden soll. Der Nachteil ist, daß die Werte im Normalschnitt nicht für alle Flankenlinien exakt stimmen. Für sehr genaue Berechnungen muß daher der Stirnschnitt zugrunde gelegt werden /Rot89/.

Zahnradzylinder

Lei tku rve

Profil Zahnfläche Zahnfläche im CAD-System

entlang der Leitkurve rechnerunterstützt gezogenes Zahnprofil Bild 33:

Darstellung der Flächenbildung durch Profil und Leitkurve

Bei Stirnrädern entspricht die Leitkurve einer Schraubenlinie auf einem Zylinder, dessen Durchmesser dem Durchmesser des Kopfkreises entspricht. Entlang dieser Leitkurve werden die Stirnprofile automatisch positioniert, wobei die Anzahl der zu positionierenden Profile vom Konstrukteur vorgegeben werden kann. Die Stirnprofile werden ebenfalls automatisch miteinander verbunden und bilden die Zahnfläche (Bild 33).

Im Hintergrund des Konstruktionssystems spielt sich folgendes ab: Zahnprofil und Leitkurve werden parametrisch über den Parameter t definiert. Wird aus den beiden Kurven eine Fläche gebildet, bildet der Parameter t der Leitkurve den Parameter u der Fläche und der Parameter t des Zahnprofils den Parameter v der Fläche. Durch die Positionierung mehrerer Zahnprofile werden die Patchgrenzen der zu bildenden Fläche festgelegt.

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6.3 Bildung des Grundkörpers Nach Bildung der Zahnfläche ist der Zahn am Anfang und Ende noch nicht eindeutig definiert. Die Zahnfläche ist an den Enden offen. Um auch die Zahnenden automatisiert konstruieren zu können, wird die Hilfskonstruktion „Grundkörper“ eingesetzt.

Der Grundkörper ist eine abstrahierte Form des Zahnrades, bei der die Generierung der Zähne entfällt. Damit ist der Grundkörper rotationssymmetrisch und mit einem Konturzug zweidimensional beschreibbar (Bild 34).

(Grundkörper + Zahnflanken = Zahnrad) ra ra

Zahnrad: nur dreidimensional beschreibbar

ra

Grundkörper: abstrahierte Form des Zahnrades, zweidimensional beschreibbar

Konturzug: beschreibt Grundkörper zweidimensional

ra = Kopfkreisradius

Bild 34:

Herleitung des Grundkörpers aus der Zahnradgeometrie

Der Konstrukteur kann diesen zweidimensionalen Konturzug für beliebige Zahnräder sehr leicht eingeben, wie die Beispiele in Bild 35 zeigen. Er muß anschließend nur noch festlegen, in welchem Teilabschnitt des Grundkörpers sich die Verzahnung befindet. Die Weiterverarbeitung des Grundkörpers wird dann wieder vom Programm übernommen.

Neben der einfachen Handhabbarkeit hat der Grundkörper noch weitere Vorteile. Zum einen kann jeder Grundkörper nicht nur mit einem Zahnprofil, sondern mit einer Vielzahl von Zahnprofilen kombiniert werden. Die Verbindung von Verzahnung und Grundkörper wird im nächsten Kapitel beschrieben. Ein weiterer Vorteil ist, daß Werkstücke und formgebende Werkzeuge nach dem gleichen Prinzip konstruiert werden, da auch die Form der Werkzeuge durch den zweidimensionalen Konturzug beschrieben werden kann.

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oben: Zahnrad

unten: zugehöriger Grundkörper

Bild 35:

Bildung des Grundkörpers bei verschiedenen Zahnrädern

6.4 Verbindung von Verzahnung und Grundkörper zum Zahnrad Die mit Hilfe von Profil und Leitkurve generierte Zahnflanke muß noch mit dem Grundkörper zu einem Zahnsegment verbunden werden (Bild 36). Die dafür notwendige Manipulation der Flächen von Zahnflanke und Grundkörper wird automatisch vom Konstruktionssystem durchgeführt. Hierbei übernimmt das Konstruktionssystem folgende Arbeitsschritte: Der zweidimensionale Konturzug des Grundkörpers wird um den Winkel, der für ein Zahnradsegment benötigt wird, rotiert und bildet eine Rotationsfläche. Dieser Vorgang erfolgt, nachdem zuerst die Zahnflanke und das Segment des Grundkörpers zueinander exakt positioniert wurden. Anschließend wird das Segment in die Teilabschnitte Oberseite, Verzahnungsabschnitt und Unterseite unterteilt.

Die Zahnflanke wird nun jeweils mit der Ober- und Unterseite des Grundkörpersegmentes verschnitten.

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Zahnflanke Zahnsegment Zahnrad

Grundkörper Bild 36:

Bildung des Zahnsegmentes aus Zahnflanke und Grundkörper

Bei dieser Vorgehensweise können die Verschneidungsfunktionen von EUKLID durch die erstellten Anwenderprogramme sehr effektiv genutzt werden. Da die Orientierung der Flächen zueinander und die Auswahl von Startpunkten für das Verschneiden vom Konstruktionssystem übernommen werden, reduziert sich der Aufwand für den Anwender erheblich. Bild 37 zeigt eine Momentaufnahme während des Verschneidens

Verschnittkurve

Oberseite Grundkörpersegment

Zahnfläche

Bild 37:

Momentaufnahme beim Verschneiden der Zahnfläche

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einer Zahnfläche mit der Oberseite des Grundkörpersegmentes.

Zahnsegment

Kegelrad Bild 38:

Zahnsegment eines Kegelrades und Kegelrad im CAD/CAM-System

Das Ergebnis ist ein Zahnsegment, aus dem sehr einfach durch rotiertes Kopieren die Zahnräder gebildet werden. Aus diesem Grund wird auch nur ein Zahnsegment gespeichert, da eine Speicherung des gesamten Zahnrades keinen Informationsgewinn ergeben würde. In Bild 38 und Bild 39 sind jeweils Zahnsegment und Zahnrad für ein geradverzahntes Kegelrad bzw. für ein schrägverzahntes Stirnrad abgebildet.

Die Erzeugung der Zahnradgeometrie ist der erste Schritt auf dem Weg zur Erzeugung der Werkzeuggeometrien. Die Zahnradgeometrie dient dabei nicht nur als Basis für die Korrektur der formgebenden Werkzeuge und des Schleifprofils, sondern wird auch an die Simulation und Verzahnungsmessung für die Berechnung bzw. Messung von Abweichungen übergeben.

53

Zahnsegment

Stirnrad Bild 39:

Zahnsegment eines Stirnrades und Stirnrad im CAD/CAM-System

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7 Eingabe und Berechnung der Bestimmungsgrößen Bei der Beschreibung der Geometrie von Zahnrädern treten eine Vielzahl von Bestimmungsgrößen auf. In der Norm über die „Kurzzeichen für die Antriebstechnik“ /DIN3999/ sind auf 30 Seiten die für die Verzahnungsgeometrie und für die Zahnradberechnung verwendeten Kurzzeichen zusammengestellt. Diese sind für eine eindeutige Beschreibung oder Herstellung der Zahnräder nur zum Teil notwendig. Wenn z. B. bei schrägverzahnten Stirnrädern der Modul im Normalschnitt angegeben ist, so braucht man den Wert für den Stirnschnitt mt nicht noch zusätzlich anzugeben, da dieser sich aus dem Modul des Normalschnitts mn und dem Schrägungswinkel berechnen läßt.

sämtliche Bestimmungsgrößen für Verzahnungen

notwendige Bestimmungsgrößen für die Zahnradkonstruktion voneinander unabhängige Bestimmungsgrößen

Bild 40:

Hierarchie der Bestimmungsgrößen

Die Analyse von Zahnradzeichnungen ermöglicht es, einen Katalog von Bestimmungsgrößen als Teilmenge sämtlicher Bestimmungsgrößen (Bild 40) zusammenzustellen, auf deren Basis Zahnräder eindeutig gefertigt werden können. Diese notwendigen Bestimmungsgrößen für die Zahnradkonstruktion sind aber teilweise immer noch voneinander abhängig. So wird fast in jeder Zeichnung die Zähnezahl z, der Modul mn, der Schrägungswinkel und der Teilkreisdurchmesser d0 angegeben, obwohl diese Größen nach folgender Beziehung voneinander abhängig sind /DIN3960/.

d0

z mn cos

(Gl. 4)

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Für die Konstruktion eines Zahnrades sind nur wenige voneinander unabhängige Bestimmungsgrößen notwendig, aus denen dann alle weiteren Daten berechnet werden können. Die Eingabe der voneinander unabhängigen Bestimmungsgrößen sowie die Berechnung der für die Konstruktion notwendigen Bestimmungsgrößen erfolgt im Konstruktionssystem auf Basis des Datenbanksystems ORACLE. Bild 41 zeigt die Maske zur Eingabe von Bestimmungsgrößen bei Stirnzahnrädern, die die 3 Teilbereiche Eingabewerte, berechnete änderbare Werte und berechnete Werte zur Information umfaßt.

EINGABEWERTE (Angaben im Normalschnitt) ZAHNRADNR:

S-012-00

BEMERKUNGEN: Testzahnrad

MODUL:

3

mm

ZÄHNEZAHL:

17

-

EINGRIFFSWINKEL:

20

Grad

SCHRÄGUNGSWINKEL:

10

Grad

PROFILVERSCHIEBUNG: 1.2

mm

PROFILVERSCH.FAKT.:

0.4

-

KOPFRUNDUNGSRAD.:

0.3

mm

FUSSRUNDUNGSRAD.:

0.3

mm

ZAHNRADBREITE:

30

FLANKENRICHTUNG:

rechts

SCHLEIFAUFMASS: 0.0 mm

WERKSTOFF: 16MnCr5

QUALITÄT: 8

TOLERANZ: f

BERECHNETE ÄNDERBARE WERTE KOPFKREISDURCHM.:

59.5000 mm

FUSSKREISDURCHM.:

46.0000

mm

ZAHNHÖHE:

6.7500

GRUNDKREISDURCHM.: 48.5755 mm

TEILKREISDURCHM.:

51.7868

mm

ZAHNDICKE:

5.5859

mm

LÜCKENWEITE:

3.3839

mm

TEILUNG:

9.4248

mm

mm

BERECHNETE WERTE ZUR INFORMATION

Bild 41: Eingabe der Bestimmungsgrößen

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Im Teilbereich „Eingabewerte“ werden die voneinander unabhängigen Bestimmungsgrößen im Normalschnitt abgefragt. Die Zahnradnummer, hier „S-012-00“, ist der Schlüssel für die Verwaltung der Daten. Dabei kennzeichnet das „S“ eine Schrägverzahnung (gegenüber „G“ für Geradverzahnung). Die „012“ bezeichnet die Zahnradvariante und die letzten beiden Stellen die Werkzeugvariante abhängig von der Zahnradvariante. Da die letzten beiden Stellen den Wert „00“ haben, enthält die Maske in diesem Fall die Sollgeometrie eines Stirnrades.

In der Maske sind mit Ausnahme der Werte über die Profilverschiebung und den Profilverschiebungsfaktor nur voneinander unabhängige Werte enthalten. Die Angaben über die Profilverschiebung und den Profilverschiebungsfaktor sind zueinander redundant. Da in der Praxis beide Größen parallel verwendet werden, sind hier beide Eingabemöglichkeiten vorgesehen. Bei Eingabe eines Wertes wird automatisch der andere Wert berechnet, übersprungen und in die Maske übernommen.

Im zweiten Teilbereich „Berechnete änderbare Werte“ müssen vom Konstrukteur keine Werte eingegeben werden. Die hier automatisch vorgeschlagenen Werte können aber ohne Auswirkungen auf die Parameter im Teilbereich „Eingabewerte“ geändert werden. Der Teilbereich „Berechnete Werte zur Information“ ermöglicht die Kontrolle weiterer für die Zahnradkonstruktion interessanter Bestimmungsgrößen.

Eingegebene und berechnete Bestimmungsgrößen werden in normalisierten Tabellen abgelegt und stehen nicht nur dem Konstruktionssystem, sondern z. B. auch der Simulation und Qualitätssicherung zur Verfügung.

Die Kopplung zwischen Datenbank und CAD/CAM-System erfolgt über die EDXSchnittstelle, die EUKLID zur Verfügung stellt. In ihr können in einem definierten ASCII-Format Geometriedaten, numerische Werte und Textinformationen abgelegt werden. Mit der Abfragesprache SQL wird auf die im Datenbanksystem ORACLE abgelegten Tabellen zugegriffen, um die Bestimmungsgrößen in eine Datei zu schreiben, die dem EDX-Standard entspricht. Die Module des Konstruktionssystems innerhalb der EUKLID-Umgebung greifen anschließend auf die Daten in der EDX-Datei zu.

Sämtliche Geometrie, die mit Hilfe der Module des Anwenderprogramms erzeugt wird, wird mit der Zahnradnummer gekennzeichnet und gespeichert, so daß jederzeit eine Zuordnung von Bestimmungsgrößen und gespeicherter Geometrie erfolgen kann.

Die vorhandene Möglichkeit zum Ändern und Betrachten der vorhandenen Daten erhöht die Transparenz bezüglich der abgelegten Daten und vereinfacht die Erzeugung von Varianten.

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8 Berechnung der Rohteilabmaße von Stirnrädern Nach der Zahnradkonstruktion können die Solldaten der Simulation und Verzahnungsmessung (s. Kapitel 11 „Automatisierung der Schnittstellen“) zur Verfügung gestellt und die Rohteilabmaße berechnet werden. Die schnelle und einfache Auswahl der Rohteilabmaße ermöglicht eine Unterstützung der Arbeitsplanung und das Durchspielen mehrerer Varianten in der Simulation.

Die Auswahl des Rohteiles ist abhängig von geometrischen, fertigungstechnischen und wirtschaftlichen Überlegungen. Das Rohteil muß in die Matrize hineinpassen und einsetzbar sein. Es muß durch Zangenbacken greifbar und so gestaltet sein, daß durch die Umformung eine ausreichende Formgebung ermöglicht wird. Hohe Genauigkeitsanforderungen und Sonderabmaße sollten aus wirtschaftlichen Überlegungen heraus vermieden werden.

Die in dieser Arbeit behandelten Grundkörper der Kegel- und Stirnräder sind immer rotationssymmetrisch. Für Zahnräder, die nach einem am Institut für Umformtechnik und Umformmaschinen an der Universität Hannover entwickelten Verfahren präzisionsgeschmiedet werden, werden bisher Rundmaterialien als Ausgangsmaterial eingesetzt /Doe94a/. Das Konstruktionssystem berechnet die Rohteilabmaße für das Präzisionsschmieden von Zahnrädern automatisiert auf Basis des Fertigteilvolumens mit Schleifaufmaß, da kein Werkstoff für einen Grat berücksichtigt werden muß.

Für die Festlegung des Rohteiles ist die Volumenangabe und die Angabe der grundsätzlichen Form des Rohteiles notwendig. Das Volumen des Rohteiles entspricht dem Volumen des Zahnrades, wobei ein Volumenanteil für Ausgleichsräume beim Präzisionsschmieden aufgeschlagen werden kann. Abgesehen von der Verzahnung ist die Berechnung des Zahnradvolumens bei Zahnrädern ohne stirnseitige Elemente sehr einfach durchzuführen. Die Berechnung der Stirnschnittfläche ist dagegen bei einem Flächenmodellierer nur sehr aufwendig durchführbar und wurde deshalb im Konstruktionssystem automatisiert.

Für die Berechnung der Stirnschnittfläche wird das Stirnprofil, wie in Bild 42 dargestellt, verwendet. Das Stirnprofil eines einzelnen Zahnsegmentes läßt sich durch nebeneinanderliegende Dreiecke substituieren. Die Summe der Dreiecke ergibt die Fläche unter dem Profil eines Zahnes. Eine aufwendige Triangulation der Werkstückoberflächen zur Volumenberechnung im Freiformflächenmodellierer ist somit vermeidbar und für den CAD-Benutzer entstehen keine Wartezeiten.

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Berechnung der Stirnprofilfläche und des Zahnradvolumens über Addition der Dreiecksflächen

Bild 42:

Volumenbebestimmung

Berechnung möglicher Geometrien für Rohteil

Berechnung von Stirnschnittflächen zur Rohteilberechnung

Aus dem kleinsten formgebenden Durchmesser der Matrize, der bei der Rohteilberechnung dem Fußkreisdurchmesser des Zahnrades entspricht, wird der größtmögliche Rohteildurchmesser abgeleitet (Bild 43). Soll das Zahnrad mit Bohrung geschmiedet

Bild 43:

Rohteil in einem Teil der Matrize im CAD/CAM-System

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werden, so kann das Rohteil auch ein Rohrabschnitt mit Angabe von Innen- und Außendurchmesser sein.

Die Durchmesser des Rohteiles werden vom Konstruktionssystem vorgeschlagen, um Standardabmessungen bei Rohr- und Stangenmaterial berücksichtigen zu können. Sie können aber auch vom Konstrukteur festgelegt werden. Abhängig von den Durchmessern wird zum Abschluß aus dem Volumen die Rohteilhöhe berechnet. Die Rohteilangaben werden automatisch unter der zugehörigen Zahnradnummer gespeichert.

60

9 Korrektur der Verzahnung In den vorherigen Kapiteln wurde gezeigt, wie die Geometrie der Zahnräder automatisiert erzeugt wird. Diese Geometriedaten der fertigen Zahnräder werden als Basis verwendet, um Werkzeugdaten erzeugen zu können.

Bevor die Werkzeugdaten erzeugt werden können, muß eine Vorkorrektur an der Werkzeuggeometrie vorgenommen werden. Da die Rohteile beim Schmieden bis 1200 oC erwärmt werden, kühlen die Werkstücke nach dem Schmieden ab. Dabei schrumpft das Werkstück abhängig vom Werkstoff, der Temperatur und der Geometrie. Mit einer Vorkorrektur werden die Maßabweichungen, die durch die Schrumpfung entstehen, ausgeglichen. In Bild 44 wird an einem Beispiel die Abweichung zwischen einer Werkstück- und einer korrigierten Werkzeuggeometrie dargestellt.

abgekühltes Zahnrad

kalte Matrize

Bild 44:

Abweichung zwischen Werkstück- und korrigierter Werkzeuggeometrie, dargestellt im CAD/CAM-System

Das Konstruktionssystem soll diese Vorkorrektur einfach und schnell ermöglichen.

Dafür wird im folgenden aufgezeigt, wie Korrekturen in einem Anwenderprogramm durchgeführt werden können, welche Parameter in der Konstruktion für die Korrektur zur Verfügung stehen bzw. welche Eingabeparameter für die Korrektur benötigt werden und wie die Korrektur durchgeführt wird.

61

9.1 Vorgehensweise bei Korrekturen Für Vorkorrekturen von Werkzeugen dient als Basis grundsätzlich die Fertigteilgeometrie. Vorkorrekturen umfassen dabei entweder die gesamte Werkzeuggeometrie oder nur Teilbereiche bis hin zu einzelnen Stützpunkten. Betrachtet man die gesamte Werkzeuggeometrie, so lassen sich proportionale und äquidistante Korrekturen unterscheiden (Bild 45).

Proportionale Korrektur: Verwendung eines einheitlichen Schrumpfmaßes

Äquidistante Korrektur: Eingabe eines Offsets (z.B. beim Erodieren)

3% 2,2 mm

gleiche Distanz 3% 1,4 mm

Dehnungszentrum

(Zahlenwerte beispielhaft)

Bild 45:

Geometrievarianten auf Basis einer proportionalen bzw. äquidistanten Korrektur

Die Verwendung eines einheitlichen Schrumpfmaßes beim konventionellen Schmieden entspricht einer proportionalen Korrektur. Das Schrumpfmaß wird aufgrund von Erfahrungswerten gewählt, damit die Maße der Werkstücke den Anforderungen an die Istgeometrie des Fertigteils genügen. Die Anwendung eines einheitlichen Schrumpfmaßes läßt sich im CAD/CAM-System erreichen, indem die Skalierungsfunktionen eingesetzt werden.

Bei Evolventenverzahnungen gibt es eine zweite Möglichkeit, die Geometrie proportional zu korrigieren. Wird der Modul der Verzahnung mit dem Schrumpfungsfaktor beaufschlagt und werden alle Bestimmungsgrößen auf Basis des veränderten Moduls neu berechnet, wird die Verzahnung ebenfalls proportional korrigiert. Diese Möglich-

62

keit wird bisher höchstens theoretisch betrachtet, da die Modulreihen genormt sind und für Abweichungen Sonderwerkzeuge hergestellt werden müssen.

Eine äquidistante Korrektur wird im Maschinenbau immer dann eingesetzt, wenn ein gleich großer Abstand zwischen einem Werkstück und einem Werkzeug erzeugt werden soll. Beim Einsatz von Werkzeugmaschinen wird mit dem Offset z.B. der Fräserradius oder der Erodierspalt ausgeglichen. In CAD/CAM-Systemen stehen für die äquidistante Korrektur ebenfalls Funktionen zur Verfügung.

Bei Verzahnungsgeometrien kann ein äquidistantes Aufmaß auf den Zahnflanken über eine positive Profilverschiebung erzeugt werden. Bei der spanenden Fertigung von Zahnrädern wird auf diese Weise ein Schleifaufmaß erzeugt. Allerdings muß berücksichtigt werden, daß sich mit einer anderen Profilverschiebung auch die Werte für Fußund Kopfkreisdurchmesser ändern, wenn nach den DIN-Richtlinien gerechnet wird.

(Bild 46). Bei einer positiven Profilverschiebung werden der Fuß- und Kopfkreisdurchmesser größer.

Bei einem kompakten Schmiedestück mit gleicher Ausdehnung in alle Raumrichtungen reicht ein einheitliches Schrumpfmaß aus. Je langgestreckter bzw. filigraner ein



x = -0,5

x=0 Kopfkreis

C

C

Fußkreis



x = +0,5 Kopfkreis

C

C

x Profilverschiebungsfaktor C Wälzpunkt

Bild 46:

x = +1,0

Fußkreis

Zahnformen bei verschieden Profilverschiebungsfaktoren x

 Teilkreis



63

Werkstück gestaltet ist, desto schwieriger wird es, ein einheitliches Maß für eine Werkzeugkorrektur zu finden. Beim Präzisionsschmieden reicht ein einheitliches Maß für die Werkzeugkorrektur nicht mehr aus, da die Fertigungstoleranzen erheblich kleiner sind als bei anderen Verfahren der Warmmassivumformung. So liegen beim Präzisionsschmieden für einen Durchmesser von 100 mm bei IT 8 die zulässigen Abweichungen nur noch bei 54 m.

Eine Vorkorrektur der gesamten formgebenden Werkzeuggeometrie über ein einheitliches Schrumpfmaß ist also beim Präzisionsschmieden nicht mehr möglich, so daß die Teilbereiche der Werkzeuggeometrie einzeln korrigiert werden müssen. Bei der Konzeption des Konstruktionssystems wurde dieser Umstand berücksichtigt, indem die Zahnradgeometrie aus einzelnen Technischen Elementen aufgebaut wird. Diese Elemente können einzeln korrigiert und anschließend wieder zusammengefügt werden.

Bevor Korrekturen im Konstruktionssystem durchgeführt werden können, müssen Informationen über Art und Umfang der Korrektur von Simulation oder Verzahnungsmessung zur Verfügung gestellt werden. Werkstück- und Werkzeuggeometrie werden vom Anwenderprogramm so aufbereitet, daß die Verwendung der Geometrie in Simulation und Verzahnungsmessung möglichst einfach ist. Nach Ermittlung der berechneten oder gemessenen Abweichungen werden diese wieder in die Konstruktion zurückgeführt, um die Werkzeugkorrekturen durchzuführen. Die Eingangsdaten für Simulation und Verzahnungsmessung sind die CAD-Daten des Werkstückes bzw. des Werkzeuges in unkorrigierter Form.

Die Durchführung der Korrekturen auf Basis von Simulations- bzw. Meßergebnissen ist Gegenstand der folgenden Kapitel. Welche Korrekturmöglichkeit letztendlich vom Konstrukteur eingesetzt wird, ist sehr stark von den Möglichkeiten für die Fertigung der Werkzeuge abhängig, die in Kapitel 10 „Fertigung der formgebenden Werkzeuge“ vorgestellt werden.

9.2 Vorkorrektur auf Basis der Simulationsergebnisse Für die Berechnung von Schrumpfungen muß die Abkühlung von Schmiede- auf Raumtemperatur simuliert werden. Am Institut für Umformtechnik und Umformmaschinen werden diese Berechnungen mit dem kommerziellen FE-Programm MARC durchgeführt /Nae95, Doe96a, Doe96d/. Nur eine Berechnung mit der FiniteElemente-Methode kann zur Zeit die Vorgänge beim Präzisionsschmieden genau genug simulieren. Dabei werden die Werkzeuge als starre, nicht deformierbare Körper aufgebaut. Dies erfolgte einerseits zur Minimierung der Rechenzeit, andererseits auf

64

der Annahme, daß die elastische Werkzeugausdehnung nach dem Auspressen des Werkstückes aufgehoben wird.

Für die Berechnungen bei der Simulation sind die Geometriedaten des Fertigteiles und des Werkzeuges notwendige Eingangsdaten /Doe92c/. Die Korrektur im Konstruktionssystem auf Basis der Simulationsergebnisse sollte deshalb zusammen mit der Simulation in mehreren Schritten iterativ durchgeführt werden. Im ersten Schritt steht nur die unkorrigierte Werkzeuggeometrie zur Verfügung, die aber nicht der später in der Praxis eingesetzten Werkzeuggeometrie entspricht. Ein iteratives Vorgehen minimiert die daraus resultierenden Abweichungen.

Nach der Ausformung des Werkstückes wird dieses ausgeworfen und von Schmiedeauf Raumtemperatur abgekühlt. In den folgenden Bildern wird das Schrumpfungsverhalten von geradverzahnten Kegel- bzw. Stirnrädern sowie von schrägverzahnten Stirnrädern aufgezeigt. Die Berechnung der Schrumpfmaße ist eng an die Werkstoffkennwerte, insbesondere den Wärmeausdehnungskoeffizienten gebunden. Für diese Koeffizienten werden in der Literatur unterschiedliche Wertebereiche angegeben, was die Genauigkeit der Simulation stark beeinflußt /Nae95/.

Bild 47:

Radiale Schrumpfmaße an der Zahnflanke eines Kegelrades (Quelle: /Nae95/)

65

Bild 48:

Radiale Schrumpfmaße an der Zahnflanke eines geradverzahnten Stirnrades (Quelle: /Nae95/)

Bild 47 zeigt das radiale Schrumpfmaß an drei Stellen der Zahnflanke des geradverzahnten Kegelrades /Nae95/. Dieses variiert in radialer Richtung zwischen 1,11 % und 1,19 %. In Bild 48 wird die ungleichmäßige Schrumpfung für die Verzahnung des geradverzahnten Stirnrades dargestellt /Nae95/. Das Schrumpfmaß variiert hier zwischen 1,52 % in der Zahnspitze und 1,524 % im Zahnfuß. Bild 49 legt dar, daß das radiale Schrumpfmaß des schrägverzahnten Stirnrades im Bereich der Verzahnung zwischen 1,109 % und 1,154 % liegt /Doe96a/.

Die Ergebnisse verdeutlichen eine Abhängigkeit des Schrumpfmaßes von der Geometrie der Zahnräder. Es muß also möglich sein, mehr als nur einen einzelnen Faktor für die Korrektur der Werkzeuggravur zu verwenden. Für jeden Netzpunkt kann die Berücksichtigung eines unterschiedlichen Schrumpfmaßes notwendig sein. Die Rückführung der Schrumpfmaße in die Korrektur erfolgt durch die Angabe von Schrumpfungsverläufen in signifikanten Ebenen.

Im Konstruktionssystem werden die Zahnflächen gebildet, indem über mindestens 2 exakt positionierte Profile und eine Leitkurve eine Fläche gebildet wird. Der Schrumpfmaßverlauf dieser Basisprofile wird von der Simulation in das Konstruktionssystem zurückgeführt, s. Kapitel 11.1 „Datenübertragung zur Simulation“. Die Rückführung jedes einzelnen Schrumpfmaßes an jedem Netzpunkt ist nicht sinnvoll,

66

da bei sehr vielen unterschiedlichen Schrumpfmaßen ein stetiger Verlauf der Zahnfläche in Flankenrichtung nicht mehr gewährleistet wäre.

1142 1113 1083 1054 1024 995 965 936 906 877 847 818 788 759 729

Bild 49:

Zahnkontur im Stirnschnitt

Radiale Schrumpfung [ % ]

Temperatur [ °C ]

1,155 1,147 1,139 1,131 1,124 1,116 1,108

Radiale Schrumpfmaße an der Zahnflanke eines schrägverzahnten Stirnrades (Quelle: /Doe96a/)

Die Rückführung der berechneten Abweichungen von der Simulation in das Konstruktionssystem erfolgt über Tabellen, in denen die Lage signifikanter Punkte und das Schrumpfmaß verzeichnet sind. Diese Tabellen werden zur Korrektur der Technischen Elemente der Verzahnung angewendet, wobei in Bild 50 die Vorgehensweise anhand des Profils gezeigt wird. Anfangs- und Endpunkt von Tabelle bzw. Profil dienen als Referenzpunkte für die Korrektur. Bei ungleicher Anzahl von Zeilen der Tabelle bzw. von Stützpunkten auf dem Profil erfolgt eine Interpolation fehlender Zeilen oder Punkte.

Mit dieser Vorgehensweise wird es ebenfalls ermöglicht, daß die Simulation iterativ durchgeführt werden kann. Da das unkorrigierte und das korrigierte Profil in der gleichen Datenstruktur vorliegen, kann die Korrektur nicht nur am Sollprofil, sondern beliebig oft auch an schon korrigierten Profilen als Basis durchgeführt werden.

67

Simulation korrigierte Werkzeuggeometrie

x

y

Schr.maß

3.66 ...

0.89 ...

0.51

6.53 ...

1.95 ...

0.83

1.109 ...

1.139 ...

1.153

Bild 50:

x

y

Verwendung berechneter Schrumpfmaße für die Korrektur eines Zahnprofils

9.3 Feinkorrektur auf Basis der Ergebnisse der Verzahnungsmessung Die berechneten Abweichungen aus der Simulation ermöglichen eine Vorkorrektur der Werkzeuge. Zur geometrischen Beurteilung der Zahnflanken abbildend hergestellter Stirnräder müssen jedoch die Istgeometrien der Verzahnung gemessen werden. Dabei werden sowohl systematische als auch zufällige Abweichungen mit einer Koordinatenmeßmaschine aufgenommen /Bod95/. Für die Korrektur der Werkzeuge sind aber nur die systematischen Abweichungen interessant, die durch die Werkzeugfertigung und den Umformprozeß entstehen. Diese Maß- und Formabweichungen können berücksichtigt werden, wenn sie an jedem Zahn und an jedem gefertigten Zahnrad auftreten.

Am Institut für Meßtechnik im Maschinenbau an der Universität Hannover wurde ein Analysewerkzeug entwickelt /Gra96/, das es erlaubt, die Abweichungen am Werkstück mit den Abweichungen am Werkzeug zu vergleichen und durch Differenzbildung die Abweichungen durch den Umformprozeß zu bestimmen (Bild 51).

68

Abweichung Werkstück

Abweichung Werkzeug

1.250 mm Abweichung durch den Umformprozeß

Bild 51:

0.040 mm

Bestimmung der Abweichung durch den Umformprozeß bei einem schrägverzahnten Stirnrad

Im Konstruktionssystem werden die Ergebnisse der Verzahnungsmessung für eine Feinkorrektur des Wälzbereiches der Zahnflanke verwendet. Hier stehen zwei verschiedene Vorgehensweisen für die Rückführung der verdichteten systematischen Ab-

Istdaten aus Messung

Korrektur des Zahnprofils Korrigiertes Zahnprofil

Abweichungen aus Messung Grundkreis_Soll Grundkreis_Ist

Bild 52:

Korrektur der Bestimmungsgrößen Grundkr._Werkz.

Grundkr._Soll

Rückführung von Abweichungen aus der Verzahnungsmessung zur Werkzeugkorrektur

69

weichungen zur Verfügung (Bild 52). Im oberen Teil des Bildes wird dargestellt, daß die verdichteten Istdaten zur Korrektur der eigentlichen Werkzeuggeometrie im CADSystem eingesetzt werden. Im unteren Teil des Bildes erfolgt die Korrektur der Werkzeuggeometrie über eine Korrektur der Bestimmungsgrößen mit anschließender Neuberechnung der CAD-Geometrie. Beide Vorgehensweisen werden im folgenden erläutert.

9.3.1 Abweichung zwischen Soll- und Istdaten Die Istdaten der Zähne des Zahnrades, die von der Verzahnungsmessung zu einer Kurve verdichtet wurden, werden in das CAD-System eingelesen und zu dem unkorrigierten Werkstückprofil positioniert. Dabei wird die Feinkorrektur immer am unkorrigierten Profil, d. h. an der Sollgeometrie des Fertigteils, durchgeführt. Das gilt auch, wenn für die Werkzeugfertigung eine Vorkorrektur auf Basis der Simulation vorgenommen wurde. Da die Istdaten am abgekühlten Werkstück gemessen werden, würde die Zusammenstellung von Istdaten und korrigierten Werkzeugdaten zu falschen Interpretationen führen. Bei einer kombinierten Vor- und Feinkorrektur wird erst nach der Feinkorrektur die Vorkorrektur wiederholt und die Tabelle mit dem Schrumpfungsverlauf auf das Profil angewendet.

Bei der automatisierten Feinkorrektur werden folgende Punkte abgearbeitet:

Legende: Solldaten aus Konstruktion Istdaten aus Verzahnungsmessung

Soll- und Istdaten

Bild 53:

Spiegelung Istdaten

Aufbrechen Profil

neue Kombination Teilbereiche

Feinkorrektur des Profils auf Basis der Istdaten

korrigierte Daten

70

Gegenüberstellung Soll- und Istdaten, Spiegelung Istdaten, Aufbrechen des Profils und neue Kombination der Teilbereiche.

In Bild 53 wird der Ablauf der Feinkorrektur dargestellt. Die Istpunkte werden zuerst einzeln an der Sollkurve des Profils gespiegelt. Anschließend wird der Teilbereich des Profils, gegenüber dem sich die gespiegelten Istpunkte befinden, d. h. der gemessene Wälzbereich, aus dem Profil herausgeschnitten. Aus den gespiegelten Istpunkten wird anschließend eine neue Kurve generiert, die als neuer Teilbereich mit tangentialen Übergängen in das Profil integriert wird.

Das vorgestellte Verfahren der Feinkorrektur wird eingesetzt, wenn ein Betrieb Korrekturen auf Basis von Istdaten durchführt. Wenn darüberhinaus diese Istdaten analysiert und in Ist-Bestimmungsgrößen umgerechnet werden, ermöglicht dies die Korrektur der Bestimmungsgrößen im Konstruktionssystem.

9.3.2 Korrektur der Bestimmungsgrößen Das am Institut für Meßtechnik im Maschinenbau entwickelte Analysewerkzeug /Gra96/ kann neben den verdichteten Istdaten als Abweichungsmuster auch IstBestimmungsgrößen berechnen. Diese Ist-Bestimmungsgrößen werden der Konstruktion für die Korrektur zur Verfügung gestellt.

Der einfachste Fall ist, daß nur eine von anderen Bestimmungsgrößen unabhängige IstBestimmungsgröße von den Soll-Bestimmungsgrößen abweicht. In der Eingabemaske muß dieser Wert dann korrigiert werden, indem z. B. bei einer Soll-Profilverschiebung von 0,5 mm und einer Ist-Profilverschiebung von 0,4 mm, eine korrigierte Profilverschiebung von 0,6 mm eingegeben wird. Die Differenz zwischen Soll und Ist wird als Korrektur auf den Sollwert aufgeschlagen.

Bei der Eingabe einer oder mehrerer korrigierter Bestimmungsgrößen, die in Abhängigkeit zu anderen Bestimmungsgrößen stehen, werden die von diesen korrigierten Größen abhängigen Bestimmungsgrößen automatisch mit geändert. Es muß beachtet werden, daß z.B. bei einer Korrektur des Schrägungswinkels ohne Absicht des Konstrukteurs auch die Zahndicke beeinflußt wird, was wiederum durch eine Veränderung der Profilverschiebung ausgeglichen werden muß. Die Korrektur der Bestimmungsgrößen wird deshalb iterativ durchgeführt.

Der weitere Verlauf der Korrektur ist folgendermaßen: Im Konstruktionssystem werden das Sollprofil und das korrigierte Profil übereinandergelegt. Der Konstrukteur ruft

71

in der Datenbank die Soll-Bestimmungsgrößen des Zahnrades auf und erzeugt Werkzeugvarianten, indem er gezielt Bestimmungsgrößen ändert. Welche qualitativen Auswirkungen die Änderung einzelner Bestimmungsgrößen nach sich zieht zeigt Bild 54.

Eingriffswinkel und Grundkreisdurchmesser

Profilverschiebungsfaktor Schrägungswinkel

Fuß- und Kopfkreisrundung

Bild 54:

Fuß- und Kopfkreisdurchmesser

Gezielte Korrektur der Bestimmungsgrößen für die Elektrode

Um den Fertigungsaufwand für die Elektrodenfertigung möglichst gering zu halten, sollte das Modul konstant gehalten werden. Da die normalerweise üblichen Modulwerte den Normzahlreihen angelehnt sind, erfordert jeder andere Modulwert ein gesondertes Bezugsprofil. Die Kontrollstruktur der Eingabemaske berücksichtigt die Verzahnungsgesetze, um die Zahnflanken mit einem geradflankigen Bezugsprofil fertigen zu können.

Bild 55 zeigt beispielhaft eine Gegenüberstellung der Bestimmungsgrößen für eine korrigierte, schrägverzahnte Elektrode. Die Grundkreis- und Eingriffswinkeländerung sind über die Verzahnungsgesetze miteinander gekoppelt. Diese korrigierten Bestimmungsgrößen steuern einer Profilwinkelabweichung durch die Schrumpfung entgegen.

Werden keine weiteren Bestimmungsgrößen korrigiert, würde der Zahn zu dünn werden. Aus diesem Grund wird durch eine Änderung der Profilverschiebung die Zahndicke äquidistant verändert.

72

Bestimmungsgrößen

Sollgeom.

Zahnrad

Korrekt.

Werkzeug

Eingriffswinkel 20º Grundkreis Ø 48,5755 Fußkreis Ø 46,000 Kopfkreis Ø 59,5000 Schrägungsw.

10º Profilverschiebung 1,2 Zähnezahl Normalmodul Breite

Bild 55:

18,0173º 49,1577 46,7453 60,4640 9,877º 2,1 17 3 30

mm mm mm mm mm mm

Soll- und Korrekturdaten eines schrägverzahnten Zahnrades

Bild 56 enthält die Maske für die korrigierten Bestimmungsgrößen. Aus dem dritten Teil der Zahnradnummer („03“) ist ablesbar, daß es sich in diesem Fall nicht um die Sollgeometrie, sondern um die (dritte) Werkzeugvariante eines Zahnrades handelt.

Wenn auf Basis dieser Bestimmungsgrößen erst Elektrode, dann Werkzeug und schließlich Zahnräder gefertigt werden, beinhalten die gepreßten Zahnräder ein Schleifaufmaß, das ebenfalls mit angegeben wird. Ein Schleifaufmaß ermöglicht die anschließende Hartfeinbearbeitung der Zahnräder, wenn eine höhere Genauigkeit z. B. für Laufverzahnungen benötigt wird.

Die Feinkorrektur, die über die Korrektur der Bestimmungsgrößen erfolgt, ist einfacher durchführbar als die Feinkorrektur auf Basis der Istdaten. Sie sollte deshalb bevorzugt eingesetzt werden, wenn Ist-Bestimmungsgrößen aus der Verzahnungsmessung vorliegen.

73

EINGABEWERTE (Angaben im Normalschnitt) ZAHNRADNR:

S-012-03

BEMERKUNGEN: Testzahnrad

mm

MODUL:

3

EINGRIFFSWINKEL:

18.0173 Grad

ZÄHNEZAHL:

17

-

SCHRÄGUNGSWINKEL:

9.8770

Grad

PROFILVERSCHIEBUNG: 2.1

mm

PROFILVERSCH.FAKT.:

0.7

-

KOPFRUNDUNGSRAD.:

0.5

mm

FUSSRUNDUNGSRAD.:

0.5

mm

ZAHNRADBREITE:

30

FLANKENRICHTUNG:

rechts

FUSSKREISDURCHM.:

46.7453

mm

SCHLEIFAUFMASS: 0.1 mm

BERECHNETE ÄNDERBARE WERTE KOPFKREISDURCHM.:

60.4640

mm

ZAHNHÖHE:

6.8593

mm

BERECHNETE WERTE ZUR INFORMATION GRUNDKREISDURCHM.: 49.1577

mm

TEILKREISDURCHM.:

51.7670

mm

ZAHNDICKE:

6.0785

mm

LÜCKENWEITE:

3.3463

mm

TEILUNG:

9.4248

mm

Bild 56:

Korrigierte Bestimmungsgrößen einer schrägverzahnten Elektrode

Wenn weder berechnete noch gemessene Abweichungen zur Verfügung stehen, können bei nicht ganz so hohen Anforderungen an die Genauigkeit, z. B. beim Genauschmieden, dennoch Korrekturen durchgeführt werden. Im Konstruktionssystem wird dafür das Sollprofil des Zahnrades um ein einheitliches Schrumpfmaß skaliert, das bei ähnlichen rotationssymmetrischen Geometrien angesetzt werden würde. Dieses skalierte Profil entspricht der Zielvorgabe für die Korrektur und für die Suche nach den korrigierten Bestimmungsgrößen. Zusätzlich muß der Zahn mit Hilfe der Profilverschiebung noch um 2 bis 5 % der Zahndicke dicker geformt werden. Es hat sich gezeigt, daß mit dieser sehr einfachen Vorgehensweise näherungsweise recht gute Ergebnisse erzielt werden können.

74

10 Fertigung der formgebenden Werkzeuge Nach der Erzeugung der Werkstückgeometrie und der Korrektur der Technischen Elemente kann nun die endgültige Werkzeuggeometrie generiert werden. Dies erfolgt im Prinzip nach der gleichen Vorgehensweise wie bei der Generierung der Werkstückgeometrie. Aus korrigiertem Profil und korrigierter Leitkurve wird eine korrigierte Zahnfläche des Werkzeuges gebildet.

Werkzeuggeometrie

Darstellung

Zeichnung, Bestimmungsgrößen

Berechnung Werkzeuggeometrie

Hilfsmittel Werkzeug

Fertigung

Fertigung

Erstellung NC-Programm

NC-Freiformfräsen Elektrode

NC-Freiformfräsen Werkzeug

NC-Drahterodieren Elektrode

NC-Drahterodieren Werkzeug

NC-Wälzfräsen oder -schleifen Elektrode

NC-Profilschleifen Werkzeug

NC-Senkerodieren Werkzeug

eventuell Feinbearbeitung des Werkzeuges

Hohlformwerkzeug

Bild 57:

Verfahren zur Herstellung von Verzahnungswerkzeugen

Die weitere Vorgehensweise hängt davon ab, welches Fertigungsverfahren zur Herstellung der formgebenden Werkzeuge eingesetzt wird (Bild 57). Die abbildende Geometrie kann unmittelbar entweder durch Fräsen oder Drahterodieren in das Werkzeug ein-

75

gebracht werden. Soll das Werkzeug senkerodiert werden, muß vorher die Elektrode durch (Wälz-)Fräsen, Drahterodieren oder Profilschleifen gefertigt werden.

Im folgenden wird erläutert, welches Fertigungsverfahren sich für die Fertigung der abbildenden Werkzeuge eignet, welche konstruktiven Maßnahmen für deren Einsatz notwendig sind und wie die Maßnahmen in das Konstruktionssystem integriert wurden.

10.1 NC-Freiformfräsen des Werkzeuges oder der Elektrode Das NC-Freiformfräsen des Werkzeuges oder der Elektrode eignet sich für die Fertigung der Verzahnungsgeometrie eines Kegelradwerkzeuges. Für die Werkzeugfertigung für Stirnräder eignet sich das Verfahren nicht, da die Werkzeughohlform nur sehr schwer zugänglich ist. Da die Hohlform keine Innenverzahnung nach DIN ist, entfällt ebenfalls die Möglichkeit der spanenden Herstellung durch Wälzstoßen.

geschruppt

geschlichtet

Bild 58:

Gefrästes Modell des Obergesenkes für die Kegelradfertigung

Es hat sich gezeigt, daß gute Werkzeugqualitäten durch eine konventionelle Fräsmaschine wirtschaftlich nicht erreicht werden können. Hochgeschwindigkeitsfräsmaschinen (HSC-Maschinen) sind für das Fräsen von kleinen, komplexen Freiformflächen besser geeignet als konventionelle Fräsmaschinen. Dennoch können die durchgeführten Fräsversuche mit einer 4-achsigen Fräsmaschine vom Typ „DECKEL FP4 NC mit

76

CNC-Bahnsteuerung“ die grundsätzliche Durchführbarkeit belegen (Bild 58). Es wurde der Modellbauwerkstoff Obomodulan 650 aus Kunststoff mit Holzanteilen eingesetzt, der sehr gute Zerspaneigenschaften aufweist.

Obergesenk korrigierte Kegelradgeometrie

Gesenkteilung

Bild 59:

Untergesenk

Bildung der Hohlformgeometrie aus einer korrigierten Kegelradgeometrie

Die Generierung der Werkzeuggeometrie erfolgt, wie in Bild 59 dargestellt. Die korrigierte Zahnfläche wird noch mit einem Grundkörper zur Werkzeuggeometrie verbunden. Dafür wird ein Grundkörper des Kegelrades verwendet, der in axialer Richtung korrigiert werden muß. Der Grundkörper wird dann auf Höhe der Gesenkteilung, die vom Konstrukteur festgelegt wird, aufgebrochen, so daß Grundkörper jeweils für Ober- und Untergesenk entstehen. Für Segmente des Grundkörpers, die eindeutig Ober- bzw. Untergesenk zuzuordnen sind, erfolgt dies automatisch. Segmente, die von der Gesenkteilung durchschnitten werden, werden vom Konstrukteur dem jeweiligen Gesenk zugeordnet. Nach Verbindung von Grundkörper und Zahnfläche im Obergesenk, steht die Werkzeuggeometrie zur Verfügung. Sie ist die Basis für die Berechnung der NC-Daten.

Das CAD/CAM-System EUKLID stellt im Basismodul Funktionen für die Generierung von NC-Daten zur Verfügung. In einem Anwenderprogramm werden diese Funk-

77

tionen verwendet, um die Verfahrwege des Fräsers automatisch zu berechnen. Die Verfahrwege werden in einer CLT-Datei gespeichert und anschließend in maschinenspezifische NC-Steuerdaten umgerechnet (Bild 60). Bei der Umrechnung werden Einstellungen und Steueranweisungen der Fräsmaschine in das NC-Programm integriert.

Generierung NC-Daten Geometrie der Gravur in EUKLID Fräsprogramm in EUKLID generierte Verfahrwege (CLT-Daten) maschinenabhängiger Postprozessor maschinenspezifische NC-Daten für Fräsmaschine

Bild 60:

Schritte bei der Generierung von NC-Daten

Die Fertigung einer Kegelradgravur erfolgt zahnweise, d.h. jeder einzelne Zahn wird für sich gefräst. Auf diese Weise konnten die Symmetrieeigenschaften des Kegelrades genutzt werden, so daß jeder Zahn das gleiche Fräsbild aufweist. Der Einsatz eines Rundtisches ermöglicht die wiederholte Nutzung des Fräsprogrammes eines Zahnes.

Die Bearbeitungszeit verlängert sich zwar durch die zahnweise Bearbeitung der Gravur, was aber unschädlich ist, da es sich um Einzelteile handelt.

10.2 NC-Drahterodieren des Werkzeuges Für die Fertigung der Verzahnungsgeometrien von geradverzahnten Stirnrädern eignet sich besonders das NC-Drahterodieren des Werkzeuges. Die Werkzeuggeometrie ist in diesem Fall zweidimensional, so daß das korrigierte Stirnprofil als Basis für die Generierung von NC-Daten ausreicht. Ein Berechnen von korrigierten Bestimmungsgrößen aus dem korrigierten Stirnprofil kann hier entfallen, da keine Elektrode gefertigt werden muß. Das korrigierte Stirnprofil ist eine Freiformkurve, die in das Werkzeug einzubringen ist. Deshalb sind mit dem Prozessor auch beliebige andere Profile, die sich rotationssymmetrisch um eine Achse gruppieren, als NC-Programm abbildbar.

78

Wenn das Werkzeugsystem mehrere formgebende Werkzeuge mit Verzahnungsgeometrien enthält (Bild 61), muß darauf geachtet werden, daß gegeneinander bewegliche Teile ausreichend Spiel haben. Ein Klemmen der Werkzeuge, z.B. aufgrund unterschiedlicher Betriebstemperaturen muß unbedingt vermieden werden.

Aus diesem Grund kann im Konstruktionssystem vor Erzeugung der NC-Daten eine weitere Korrektur des Werkzeugprofils durchgeführt werden. Bei Verwendung von Matrize und Stempeln wird das Stempelprofil korrigiert, um nicht die Genauigkeit der Werkstücke zu verringern.

Stempel

Matrize

Bild 61:

Formgebende Werkzeuge für ein geradverzahntes Stirnrad

10.3 NC-Wälzfräsen und Feinbearbeitung der Elektrode Das NC-Wälzfräsen der Elektrode erscheint auf den ersten Blick als die eleganteste Methode auf dem Weg zur Werkzeugfertigung sowohl für geradverzahnte Kegelräder als auch für schrägverzahnte Stirnräder. Die Elektrodengeometrie (Bild 62) entspricht aber nicht der Zahnradgeometrie. Da die Werkzeuggeometrie nach der Korrektur nicht mehr mit der Werkstückgeometrie identisch ist, können die Bestimmungsgrößen des

79

Zahnrades nicht als Bestimmungsgrößen für die Elektrodengeometrie verwendet werden.

Elektrodenhalter Elektrode Eintauchtiefe 5 cm Bild 62:

Schrägverzahnte Schlichtelektrode

Nach der Korrektur des Profils müssen korrigierte Bestimmungsgrößen gefunden werden, die der korrigierten Werkzeuggeometrie entsprechen. Auf Basis der korrigierten Bestimmungsgrößen können anschließend Elektroden konventionell spanend gefertigt werden. Der Aufwand für die Fertigung ist allerdings hoch, da es sich um eine Sonderverzahnung der Losgröße 1 handelt.

Das Konstruktionssystem unterstützt den Konstrukteur bei der Berechnung der korrigierten Bestimmungsgrößen, s. Kapitel 9.3.2 „Korrektur der Bestimmungsgrößen“. Je nachdem, ob auf Informationen aus der Verzahnungsmessung für die Korrektur zurückgegriffen werden kann, verringert sich der Aufwand für die Korrektur. Die Korrektur wird bei vorliegenden Abweichungsmustern erleichtert, weil nach deren Berechnung feststeht, welche Bestimmungsgrößen korrigiert werden müssen.

In Bild 63 werden Werkzeug-Istgeometrie und Sollgeometrie eines schrägverzahnten Zahnrades einander gegenübergestellt, nachdem Korrekturen durchgeführt wurden.

Die Korrektur der Fußund Kopfkreisdurchmesser entspricht der Durchmesseränderung durch die radiale Schrumpfung, und die Korrektur des Schrägungswinkels berücksichtigt die unterschiedliche radiale und axiale Schrumpfung des Zahnrades.

80

keine Korrektur

Korrektur von Eingriffswinkel bzw.

Grundkreisdurchmesser

1.000 mm

1.000 mm

0.150 mm

0.150 mm

Korrektur der Zahndicke 체ber Profilverschiebung

Istgeometrie Werkzeug 1.000 mm 0.150 mm

Bild 63:

Sollgeometrie Zahnrad

Auswirkungen von Werkzeugkorrekturen auf die Zahnradgeometrie (nach /Gra96/)

Nach der Elektrodenfertigung wird die Hohlform der Matrize (Bild 64) senkerodiert.

In Bild 65 ist die Positionierung der formgebenden Werkzeuge zueinander dargestellt.

Der Oberstempel f채hrt auf die Matrize auf und bewegt sie bei festem Unterstempel nach unten bis ein geschlossenes System vorliegt.

81

Unterstempel

Bild 64:

Matrize

Oberstempel

Formgebende Werkzeug f체r die Herstellung schr채gverzahnter Stirnr채der

82

links: offen

rechts: geschlossen Oberstempel Stirnrad Matrize

Unterstempel (Ausstoßer)

Bild 65:

Positionierung der formgebenden Werkzeuge /Doe96b/

10.4 NC-Drahterodieren der Elektrode Das NC-Drahterodieren der Elektrode ist für die Herstellung von Werkzeugen für geradverzahnte Stirnräder nicht erforderlich, da Matrizen und Stempel direkt erodiert werden können. Das Drahterodieren einer schrägverzahnten Elektrode ist dagegen aus geometrischen Gründen nicht möglich, da der Zahn bei einem schrägverzahnten Zahnrad eine Schraubenlinie beschreibt und die schraubenförmigen Flankenlinien der Zahnflanke nicht mit einem Draht erstellt werden können.

Da das Wälzfräsen der Elektroden sehr aufwendig ist, sollte dennoch über einen Einsatz des Drahterodierens als Alternative zur Fertigung einer schrägverzahnten Elektrode nachgedacht werden (Bild 66). Dazu sollte folgendermaßen vorgegangen werden.

83

Modul, Zähne, Durchmesser

Wälzfräsen der Elektroden

Werkzeugkorrektur im CAD-System

NC-Daten

Bild 66:

Senkerodieren der Matrize Drahterodieren der Elektroden

Verschiedene Abläufe für die Fertigung schrägverzahnter Matrizen

Im Konstruktionssystem steht eine automatisierte Schnittstelle für die Fertigung von geradverzahnten Geometrien auf einer Drahterodiermaschine zur Verfügung. Der Einsatz dieser Schnittstelle für Schrägverzahnungen ist für fehlerfreie Geometrien nicht möglich, wie Bild 67 zeigt. Dabei besteht nicht nur das Problem mit den schraubenförmigen Flankenlinien, sondern es kann auch zu Kollisionen zwischen Draht und der zu fertigenden Geometrie kommen.

Erodierdraht

Fehler

Bild 67:

Breite der Scheibe

Zahnflanke

Darstellung des Fehlers beim Drahterodieren von Schrägverzahnungen

84

Je mehr die Breite des Zahnrades und damit der Elektrode abnimmt, desto kleiner wird der Fehler. Es ist fertigungstechnisch nicht notwendig, daß die Elektrode genauso breit ist wie das Zahnrad. Reduziert man die Elektrode nur noch auf eine dünne Scheibe, so läßt sich die Elektrode eventuell doch drahterodieren. Allerdings darf die Elektrode nicht zu dünn werden, um einen zu starken Abbrand der Elektrode zu verhindern.

Auf jeden Fall wird eine weitere Korrektur des Zahnprofils notwendig werden, da die Lücke in der Matrize, die einem späteren Zahn bildet, zu dick sein wird. Die Untersuchungen über die Randbedingungen dieses alternativen Verfahrens wurden am Institut für Umformtechnik und Umformmaschinen begonnen /Doe96b/.

85

11 Automatisierung der Datenübertragung Die Frage nach einsetzbaren und eingesetzten Schnittstellen ist immer wieder ein K.O.-Kriterium für die Nutzung eines CAD/CAM-Systems. Wenn ein Konstruktionssystem konzipiert wird, muß deshalb gewährleistet sein, daß die Daten, die während der Konstruktion erzeugt werden, von den Konstruktionskunden genutzt werden können. Der Konstrukteur wird damit zum Dienstleister von Simulation, Werkzeugfertigung, Produktion und Qualitätssicherung. Zur Zeit werden CAD-Daten aber nur von 13 Prozent der Unternehmen, die CAD einsetzen, für die Simulation genutzt /A96/. Für die NC-Bearbeitung ist der Nutzungsanteil immerhin bei 36,6 Prozent und die Qualitätssicherung nutzt die CAD-Daten zu 24,4 Prozent (Bild 68).

Wofür die CAD-Daten genutzt werden Technische Dokumentation 36,6

NC-Bearbeitung 24,4

Qualitätssich.

15,3

26

13 8,2

Quelle: Institut für Management Praxis (IMP), 1996 Angaben: Prozent der befragten Unternehmen, die CAD einsetzen

Bild 68:

Systemeinsatz

17,5

PPS Berechnung/ Simulation Rapid Prototyping

52 91,5

3DFlächenm.

2DZeichnung

3D-Volumenm.

CAD-Anwendung in der Praxis

Nach einer anderen Analyse /A94/ entscheiden sich 44,4 Prozent von insgesamt 1500 befragten Unternehmen aller Größenordnungen für herstellerspezifische Schnittstellenlösungen, 41,4 Prozent für eine individuell programmierte Lösung und nur 14,2 Prozent bevorzugen eine Standardschnittstelle. Viele Zulieferer umgehen das Schnittstellenproblem für die Übertragung von einem zum anderen CAD-System, indem sie sich die Systeme ihrer Kunden ins Haus holen. Der geringe Einsatz von Standardschnittstellen ist vor allem auf die mangelnde Handhabbarkeit zurückzuführen, weil die CAD-Daten für die Datenübergabe aufbereitet werden müssen.

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Ein in STEP nach ISO10303 definiertes Produktmodell wird viele der heutigen Probleme bei der Übertragung von Geometriedaten lösen. Am weitesten fortgeschritten sind bisher die Teilmodelle für die geometrische Formbeschreibung und für organisatorische Daten. Anwendungsspezifische Datenbeschreibungen (Application Protocols) stehen für den Schmiedebereich noch nicht zur Verfügung. Aus diesem Grund werden die im folgenden beschriebenen Datenübertragungen auf der Basis von IGES und VDAFS realisiert. Die in diesem Zusammenhang getroffenen Vereinbarungen können jedoch später in ein Produktmodell übernommen werden.

11.1 Datenübertragung zur Simulation Die Übertragung von Daten zwischen Konstruktion und Simulation ist eine weitere Aufgabe des Konstruktionssystems. Eine Korrektur der Konstruktionsdaten auf Basis von Simulationsergebnissen ist nur möglich, wenn die Schnittstelle wirtschaftlich ist, fehlerfrei funktioniert und bei den Benutzern akzeptiert wird.

Konstruktionssystem

Vernetzung

IGESDatei

Simulation

Schrumpfwerte

Bild 69:

Datenübertragung zwischen Konstruktionssystem und Simulation

Für einfache geradverzahnte Stirnräder kann die Übertragung von Geometriedaten auf Basis einer gesondert programmierten Schnittstelle erfolgen, mit der die Daten des Stirnprofils zusammen mit der Breite des Zahnrades übergeben werden. Für die Übertragung von Geometriedaten schrägverzahnter Stirnräder oder Kegelräder ist der Aufwand für eine individuell programmierte Schnittstelle zu groß, da Flächendaten übertragen werden müssen. Der Einsatz einer Standardschnittstelle ist möglich, er erfordert

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aber eine Aufbereitung der CAD-Daten. Die Aufbereitung erfolgt automatisiert im Konstruktionssystem.

Wie in Bild 69 dargestellt, erfolgt die Datenübertragung zwischen dem entwickelten Konstruktionssystem und dem FE-System MARC über PATRAN, einem System zur Netzgenerierung für FE-Modelle. Ein Test der Prozessoren von EUKLID und PATRAN zeigte, daß die in der Standardoberfläche von EUKLID integrierte Funktion zum Export von IGES-Daten nicht genutzt werden konnte. Die gewählte Geometrie wird als ein Paket in Form einer hierarchisierten Liste vom IGES-Prozessor verarbeitet. Dieses Paket ist aber vom PATRAN-Prozessor nicht eindeutig auflösbar. Die Hierarchie der CAD-Daten muß also aufgelöst werden, damit sie im FE-System verarbeitbar werden. Die notwendige Auflösung wird durch ein Anwenderprogramm automatisiert durchgeführt.

Es ist nicht sinnvoll, der Simulation nur die Sollgeometrie des Zahnrades bzw. die Geometrie der formgebenden Werkzeuge als IGES-Daten zur Verfügung zu stellen. Für die NC-Fertigung muß die Berechnung des Zahnprofils in der Konstruktion so erfolgen, daß im Werkzeugbau mikrometergenaue Werkzeuge angefertigt werden können.

Für die Simulation ist eine derart hohe Genauigkeit für die Vernetzung nicht erforderlich. Dafür sind für die Berechnungen in der Simulation genaue Angaben im Bereich starker Krümmungen oder Rundungen erforderlich.

Die Schnittstelle überträgt die Geometrie eines Zahnsegmentes, das an den Enden (also an den Seiten des Zahnrades) offen sein muß. Neben der Fläche des Zahnsegmentes sind die flächenbildenden Zahnprofile und die Eckpunkte des Zahnsegmentes notwendige Eingangsdaten zur Simulation.

Die Übertragung von Simulationsergebnissen in die Konstruktion zur Werkzeugkorrektur erfolgt in Form einer Tabelle, die die Schrumpfwerte der Geometrie in axialer oder radialer Richtung enthält (Bild 50). Die Rückführung von Geometriedaten über die IGES-Schnittstelle hätte einen geringeren Informationsgehalt, da in diesem Fall nur erkannt werden könnte, daß eine Korrektur notwendig wird. Die Übermittlung von Simulationsergebnissen über ein Schrumpfungsdiagramm ermöglicht die quantitative Korrektur der Werkzeuggeometrien.

Das Datenbanksystem, mit dessen Hilfe die Bestimmungsgrößen in der Konstruktion eingegeben werden, bietet die Möglichkeit, noch weitere Eingabemasken einzubinden.

Um die Schnittstelle zur Simulation möglichst flexibel zu halten und die vorausgesetzten Randbedingungen dokumentieren zu können, sollten Parameter, wie die Genauigkeit beim Vernetzen, als variable Größen im Datenbanksystem abgelegt werden.

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11.2 Datenübertragung zur Werkzeugfertigung Im Konstruktionssystem werden die NC-Daten in Form eines Haupt- und eines Unterprogrammes generiert (Bild 70). Jeder Aufruf des Unterprogramms entspricht der Fertigung eines Zahnes. Das Hauptprogramm enthält Kopfdaten mit Kommentarzeilen und Informationen über Offset mit Angabe, ob ein Stempel oder eine Matrize gefertigt werden soll, Koordinaten über Startpunkt des Drahtes, gewünschte Fertigungsgenauigkeit und das zugehörige Unterprogramm.

KREISBEWEGUNG

Bild 70:

% O0061 (4WI, HP0060) G03 X -5.152 Y 62.800 I 0.117 J -64.274; G01 X -5.713 Y 62.754; ...

M99; %

Unterprogramm

STARTPUNKT INITIALISIERUNGEN LINIENBEWEGUNG UNTERPROGR.AUFRUF

% O0060 (UP0061, Z=13, 4WI) (Quelle: MP20-MAR-96.SAV) G92 X 0.000 Y 0.000; G95; G90; G42 D1; G01 X 0.000 Y 63.016; M98 P0061; M30; %

Hauptprogramm

beispielhaftes Haupt- und Unterprogramm

Steuerung der Drahterodiermaschine mit Haupt- und Unterprogramm

Über die Kommentarzeilen erfolgt eine eindeutige Zuordnung des NC-Programmes in der Maschine zu den Dateien im Konstruktionssystem. In dem Unterprogramm sind die Verfahrwege enthalten. Der Verfahrweg setzt sich aus Kreis- und Liniensegmenten zusammen, die den Kurvenzug des Profiles approximieren. Über einen Genauigkeitsfaktor im Anwenderprogramm, der den Sekantenfehler angiebt, wird die Approximation gesteuert.

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Datenübergabe und -haltung werden vom Konstruktionssystem aus durchgeführt. Vor der Übertragung des Programms in den Speicher der Maschine können die Verfahrwege durch eine Simulation im Konstruktionssystem überprüft werden.

11.3 Datenübertragung zur Verzahnungsmessung Die Datenübertragung zwischen Konstruktion und Verzahnungsmessung erfolgt wie bei der Simulation zweigleisig. Die Verbindung zwischen Konstruktionssystem und dem am Institut für Meßtechnik im Maschinenbau in Hannover entwickelten Analysewerkzeug bezieht die Flächenschnittstelle des VDA (kurz: VDAFS) mit ein. Für die Messungen am Profil, aus denen Abweichungen von Profil, Teilung und Dicke berechnet werden /Gra96/, wird die Sollgeometrie des Stirnschnittes übergeben. Die Erzeugung der VDAFS-Daten erfolgt automatisch in einem Anwenderprogramm des Konstruktionssystems.

Aus dem Stirnprofil werden genügend Stützpunkte generiert, so daß ein genauer SollIst-Vergleich in der Meßtechnik möglich wird. Zusammen mit den Stützpunkten werden deren Normalenvektoren übertragen, die den Verlauf der Kurve am jeweiligen Stützpunkt angeben. Sie sind außerdem für die Korrektur der Antastpunkte notwendig.

Die bisherigen Untersuchungen wurden im Wälzbereich der Verzahnung durchgeführt.

Die Aussagefähigkeit des Soll-Ist-Vergleiches erhöht sich, wenn auch die Abweichungen im Fuß- und Kopfbereich einer Verzahnung dokumentiert werden können. Die vorhandene Schnittstelle sollte deshalb erweitert werden, so daß neben den Geometriedaten des Profils auch Informationen über den Fuß- bzw. Kopfnutzkreisdurchmesser übertragen werden können.

Die Rückführung von Ergebnissen aus der Verzahnungsmessung erfolgt entweder über die VDAFS oder über die Übertragung von Abweichungen oder Kenngrößen (s. Kapitel 9.3 „Feinkorrektur auf Basis der Ergebnisse der Verzahnungsmessung“). Die Rückführung von Istdaten über die VDAFS zur Korrektur der Werkzeuggeometrie erfolgt mit Hilfe eines Anwenderprogramms in das Konstruktionssystem. Dabei muß darauf geachtet werden, daß die Reihenfolge von Korrekturen auf Basis von Simulationsergebnissen bzw. von Meßergebnissen berücksichtigt wird. So müssen die Istdaten des Zahnrades auch den Solldaten des Zahnrades, d.h. den unkorrigierten Werkzeuggeometrien gegenübergestellt werden. Dies gilt, selbst wenn vorher eine Vorkorrektur auf Basis der Simulationsergebnisse durchgeführt wurde. Erst nach der Feinkorrektur auf Basis der Verzahnungsergebnisse erfolgt eine erneute Korrektur auf Basis der Simulationsergebnisse.

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11.4 Datenübertragung zur Hartfeinbearbeitung Die Genauigkeit von ruhigen Laufverzahnungen oder Paßverzahnungen kann bisher weder durch Fräsen noch durch das Präzisionsschmieden erreicht werden. Wenn solche Verzahnungen verlangt werden, kann die Genauigkeit über eine abschließende Hartfeinbearbeitung erreicht werden. Für das hierfür notwendige Profilschleifen der Verzahnung werden vom Konstruktionssystem ebenfalls aufgabenspezifische Solldaten zur Verfügung gestellt.

Für das Schleifen geradverzahnter Stirnräder entspricht das erforderliche Schleifscheibenprofil der gewünschten Geometrie einer Zahnlücke (Bild 71). Im Fußbereich kann ein Fußfreischnitt berücksichtigt werden oder der Zahnfuß wird ebenfalls profilgeschliffen.

Zahnprofil

Zahnprofil aufschneiden

Zahnlücke

Drehwinkel: Teilung / 2

Bild 71:

Profilhälften drehen und zusammenfügen

Arbeitsschritte für die Erstellung eines Abrichtprofils

Im Gegensatz zum Schleifen geradverzahnter Zahnräder sind die Verhältnisse beim Schleifen von schrägverzahnten Rädern wesentlich komplexer (Bild 72). Es ist nicht nur eine genaue Synchronisation der beiden dargestellten Bewegungsabläufe während des Schleifens erforderlich. Das Schleifscheibenprofil ist nicht direkt aus der Geometrie der Zahnlücke ableitbar, weil die Kontaktlinie zwischen der Schleifscheibe und dem Zahnrad auf einer räumlichen Kurve liegt. Durch Projektion dieser Kurve auf die Achsschnittebene der Schleifscheibe erhält man das erforderliche Schleifscheibenprofil, das nicht mehr durch Evolventen beschrieben werden kann /Loo59/. Außerdem ist die räumliche Berührlinie und damit das Schleifprofil vom Durchmesser der Schleifscheibe abhängig.

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Bild 72:

Profilschleifen eines schrägverzahnten Stirnrades (Quelle: Kapp)

Analytische Verfahren zur Berechnung des Abrichtprofils sind sehr aufwendig. Eine Generierung des Abrichtprofils mit geometrischen Funktionen ist ebenfalls möglich, wenn die Sollgeometrie des Zahnrades vorliegt. Hierbei wird angenommen, daß das Zahnrad virtuell die Funktion des Abrichtwerkzeuges übernimmt. Der Schleifscheibe wird das erforderliche Profil aufgezwungen, wenn gedanklich eine noch unprofilierte, zylindrische Schleifscheibe durch eine Zahnlücke des Abrichtzahnrades geführt wird.

Dieser Vorgang läßt sich im CAD-System simulieren und in einem Anwenderprogramm formulieren.

Das automatisch generierte NC-Programm enthält den Verfahrweg des Abrichtwerkzeuges für das Schleifprofil. Zur Erzeugung der NC-Daten sind neben den Geometriedaten des Zahnrades Informationen über die Breite und den Durchmesser der Schleif-

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scheibe erforderlich. Der Achsabstand zwischen Scheibe und Zahnrad sowie der Anstellwinkel sind wie die Breite und der Eckenradius des Abrichtwerkzeuges weitere Parameter f端r das NC-Programm. Sie werden 端ber die EDX-Schnittstelle in das Anwenderprogramm eingelesen.

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12 Ausblick In den vorigen Kapiteln wurde die Rechnerunterstützte Konstruktion von Gravuren für das Präzisionsschmieden von Zahnrädern erläutert. Das am Institut für Umformtechnik und Umformmaschinen in Hannover erstellte Konstruktionssystem verfolgt den ganzheitlichen Ansatz, nicht nur automatisiert Geometriedaten zu produzieren, sondern Konstruktionsdaten kundengerecht zur Verfügung zu stellen. Es übernimmt Dienstleistungen für die externen Kunden in Form einer Produktzeichnung, aber auch für die internen Kunden in Simulation, Werkzeugfertigung, Produktion und Qualitätssicherung.

Die Erweiterung des Konstruktionssystems um weitere fertigungstechnische Komponenten ist eine vordringliche Aufgabe für zukünftige Arbeiten. Dazu gehört die Fertigung einer schrägverzahnten Elektrode, mit der schrägverzahnte Matrizen erodiert werden können.

Der Vorteil dieses Verfahrens liegt nicht nur auf der fertigungstechnischen Seite. Da in diesem Fall keine Berechnung von korrigierten Bestimmungsgrößen mehr notwendig ist, werden nicht nur die Arbeiten in der Fertigung, sondern auch in der Konstruktion verkürzt. Außerdem entfällt die Abhängigkeit von einem geradflankigen Bezugsprofil wie in der spanenden Zahnradfertigung und es eröffnen sich weitere Möglichkeiten für eine Optimierung der Verzahnungsgeometrie. Dabei sollten funktions- und fertigungsgerechte Optimierungen kombiniert betrachtet werden.

Die als Teil des Konstruktionssystems entstandene Datenbank hat sich zur Verwaltung der Konstruktionsdaten als dringend notwendig erwiesen. Der Zugriff auf die Datenbank ist auch heute schon vom CAD/CAM-System unabhängig und kann von den internen Konstruktionskunden genutzt werden. Da abnehmerspezifisch sehr viele verschiedene Daten von Zahnrad- und Werkzeugvarianten mit den dazugehörigen technologischen Daten, Randbedingungen und Absprachen anfallen, ist eine Erweiterung der Datenbank sinnvoll. Hierbei sind besonders weitere Anforderungen von Seiten der Simulation, der Werkzeugfertigung, der Produktion und der Qualitätssicherung zu berücksichtigen. Bei der Entwicklung eines Produktmodells kann die dort konzipierte Struktur mit den Informationen aus der Datenbank mit Leben gefüllt werden.

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13 Zusammenfassung Die Konstruktion von Werkzeugen mit Verzahnungsgeometrien ist mit den heute verfügbaren CAD-Systemen mühsam und aufwendig. Sich häufig wiederholende Konstruktionstätigkeiten müssen manuell durchgeführt werden und für die Lösung konstruktiver Aufgaben sind CAD/CAM-Spezialisten notwendig. Deshalb gewinnen Anwenderprogramme, die aufgabenspezifisch auf Basis bestehender CAD-Systeme entwickelt werden, in der Massivumformung an Bedeutung.

Die Anpassung an das Fertigungsverfahren durch eine Korrektur der Werkzeuggeometrien ist eine zusätzliche konstruktive Aufgabe bei der Herstellung abbildender Werkzeuge. In dieser Arbeit wird ein neues Konstruktionssystem für abbildend hergestellte Zahnräder vorgestellt. Es berücksichtigt die prozeßspezifischen Rahmenbedingungen beim Präzisionsschmieden und erlaubt die Erzeugung von korrigierten Werkzeuggeometrien und Fertigungsdaten.

Das Konstruktionssystem wurde in Form von Anwenderprogrammen auf Basis eines in der Massivumformung verbreiteten CAD/CAM-System erstellt. Die integrierte Benutzerschnittstelle erleichtert dem Konstrukteur den Umgang mit den Modulen des Konstruktionssystems. Es können mit dem Konstruktionssystem schnell nicht nur Sollgeometrien von Werkstücken, sondern auch Varianten von verzahnten Werkzeuggeometrien erzeugt werden. Auf diese Weise sind leicht fertigungstechnische Optimierungen an der Zahnform von Werkzeugen möglich. Außerhalb des Wälzbereiches im Zahnprofil wird die Zahnform vom Konstruktionssystem schmiedespezifisch angepaßt.

Da neben den Geometriedaten von Zahnrädern und formgebenden Werkzeugen auch Fertigungsdaten erzeugt werden, können die Werkzeuge für geradverzahnte Kegelund Stirnräder direkt im Anschluß an die Konstruktion gefertigt werden. Für eine abschließende Hartfeinbearbeitung der Zahnräder werden die NC-Daten zum Abrichten des Schleifprofils ebenfalls automatisiert erzeugt.

Ein weiterer Schwerpunkt im Konstruktionssystem ist die Bereitstellung von korrigierten Bestimmungsgrößen für die Elektrodenfertigung mit konventionellen spanenden Methoden der Zahnradfertigung. Alle notwendigen Korrekturen lassen sich mit diesen konventionellen spanenden Verfahren problemlos ausführen, da sie auf Korrekturen der Parameter Grundkreisdurchmesser und Profilverschiebung zurückgeführt werden.

Liegen berechnete oder gemessene Abweichungen aus Simulation bzw. Verzahnungsmessung vor, erfolgt die Korrektur anhand der vorliegenden Abweichungen. Bei geringeren Genauigkeitsanforderungen kann eine Korrektur auch ohne die Einbeziehung von berechneten oder gemessenen Abweichungen durchgeführt werden. Dadurch wird

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das Schmieden von Verzahnungsgeometrien auch für kleine oder mittelgroße Unternehmen interessant.

Die Datenverwaltung der Verzahnungsdaten und Werkzeugvarianten erfolgt in einer automatisierten Anwendung auf Basis eines relationalen Datenbanksystems. Die vom CAD/CAM-System unabhängige Verwaltung der Daten ermöglicht den Zugriff von Simulation, Fertigung und Qualitätssicherung auf Bestimmungsgrößen und Sollgeometrien.

Im Konstruktionssystem wurden für den Export von Daten Schnittstellen integriert und automatisiert, so daß Solldaten kundenspezifisch an interne und externe Kunden bereitgestellt werden. In weiteren Schnittstellen erfolgt die Rückführung von Abweichungen in die Konstruktion. Mit dem in der Simulation berechneten thermischen und elastischen Verhalten von Werkstück und Werkzeug wird im Konstruktionssystem eine Vorkorrektur der Werkzeuggeometrie durchgeführt. Die in der Verzahnungsmessung bestimmten Ist-Werte und Abweichungen unterstützen die Werkzeugkonstruktion ebenfalls bei der Ableitung von Korrekturmaßnahmen.

Am Beispiel eines geradverzahnten Kegelrades sowie von gerad- und schrägverzahnten Stirnrädern wird gezeigt, daß sich der Konstruktionsablauf und die Erstellung von Fertigungsdaten durch das Konstruktionssystem erheblich vereinfacht haben. Häufig wiederkehrende Vorgänge, vor allem bei der Berechnung des Zahnprofils, der Modellierung der formgebenden Werkzeuge, der Erzeugung von NC-Daten und beim Datentransfer wurden automatisiert.

Mit dem vorgestellten Prototyp steht ein anwenderfreundliches Konstruktionssystem für das Erstellen von Gravuren für das Präzisionsschmieden von Zahnrädern zur Verfügung. Es wurde somit ein wichtiger Beitrag zur Fertigungsoptimierung, der Verringerung der Durchlaufzeiten und der Qualitätssicherung geschaffen.

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Lebenslauf Persönliches: Meike Wiarda, geb. am 30.04.1963 in Lingen (Ems) wohnhaft: Plieninger Straße 57 B, 70567 Stuttgart Eltern: Remmo Wiarda, Montageinspektor; Marianne Wiarda, Einzelhandelskauffrau

Schulbildung: 1969 - 1973

Paul-Gerhardt-Schule, Lingen (Ems)

1973 - 1982

Gymnasium Georgianum, Lingen (Ems)

Studium: 13.10.1982 15.07.1990

Beginn Studium Maschinenbau an der Universität Hannover bestandene Diplomprüfung, Studienrichtung: Fertigungstechnik

01.06.1982 02.09.1982

Praktikum bei der Deutschen Schachtbau- und Tiefbohrgesellschaft mbH, Lingen (Ems)

13.07.1987 09.10.1987

Praktikum am Department of Mechanical Engineering, Birmingham

Berufstätigkeit: 01.11.1984 30.06.1990

wissenschaftliche Hilfskraft am Institut für Fertigungstechnik und Spanende Werkzeugmaschinen, Universität Hannover

April 1987, 1988, 1989

Beratungstätigkeit im CIM-Leitzentrum auf der Hannover-Messe-Industrie

01.08.1990 31.08.1996

wissenschaftliche Mitarbeiterin am Institut für Umformtechnik und Umformmaschinen, Universität Hannover

01.10.1996 heute

Anwendungsberaterin bei der CAD/CAM strässle Informationssysteme GmbH, Stuttgart