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Erreichen der AA-Klasse mit GCX Linear

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ANCAs umfassende Software- und Hardware-Schälfräser-Lösung

 
Xiaoyu Wang, Produktmanager – Gear Tools
ANCA CNC Machines
 


Schälfräsen stark gefragt


Branchenprognosen und Studien zur weltweiten Nachfrage nach Zahnrädern prognostizierten bis 2019 einen Anstieg von 6% pro Jahr auf 221 Mrd. USD. Allein Kraftfahrzeuggetriebe machen 45% des gesamten Getriebemarktes aus [3]. Die Elektrifizierung von Fahrzeugen wird voraussichtlich erhebliche Auswirkungen auf die Getriebeindustrie haben. In einem herkömmlichen Antriebsstrang gibt es 25 bis 30 Gänge. Anstelle von 9 bis 10 Gangstufen verfügen Elektromotoren über ein einfacheres Getriebe, wobei nur eine Einzel- oder Doppelgeschwindigkeit üblich ist

Hohe Motordrehzahlen von bis zu 20.000 U / min in Elektrofahrzeugen (EV) bedeuten, dass die Zahnräder im Getriebe engere geometrische Toleranzen einhalten müssen. Interne Zahnräder in einem Planetengetriebe sind in den neuen Antriebsstrangkonstruktionen weit verbreitet. Um die Genauigkeit sowie die Effizienz im Herstellungsprozess zu verbessern, betrachtet die Getriebeindustrie das Schälen zunehmend als Lösung. Das Schälen ist sechs- bis achtmal effizienter als das Formen, flexibler als das Räumen und kann sowohl interne als auch externe Zahnräder erzeugen [4]. Die zunehmende Beliebtheit des Schälens hat zu einem Anstieg der Nachfrage nach Schälfräsern geführt. Die Branche hat jedoch eine Vorlaufzeit von bis zu 20 Wochen, sodass Schälfräserlieferung zum Engpass bei einer weit verbreiteten Einführung der Technologie wird.

 

Schälfräserdesign


Detaillierte und komplexe geometrische Berechnungen sind für das Schälfräserdesign von grundlegender Bedeutung. Grundlage ist die Schälfräs-Kinematik, die die Basis für den Unterschied zwischen Schälfräsern und herkömmlichen Formfräsern bildet.

 

Schälfräs-Kinematik


Das erste Schälverfahren wurde 1910 von Wilhelm von Pittler entwickelt und patentiert [2]. Die Kinematik des Schälens kombiniert die Rollbewegung und die Fräsbewegung, wobei der Fräser und das Werkstück mit hoher Geschwindigkeit synchronisiert werden müssen. Von den 1960er bis in die 90er Jahre wurden viele Versuche unternommen, eine Schälmaschine mit der erforderlichen Synchronisation und Steifigkeit zu bauen. Aber erst in den letzten 10-15 Jahren sind Maschinen verfügbar geworden, die das Schälen zu einer praktischen Lösung machen.  
 

Figur 1. Schälfräs-Kinematik. Quelle: König, Fertigungsverfahren Band 1

 

Schälfräser im Vergleich mit Stoßwerkzeug


Ein Schälfräser erzeugt ein Ritzelgetriebe, und sieht einem herkömmlichen Stoßwerkzeug sehr ähnlich. Bei Betrachtung der Relativbewegung zwischen Zahnrad (Werkstück) und Fräser ist klar, dass die Prinzipien des Stoßwerkzeugs auf einem Paar paralleler Achsenzahnräder beruhen. Auf der anderen Seite basieren Schälfräser auf einem Zahnradpaar mit gekreuzten Achsen. Ein Zahnradpaar mit gekreuzten Achsen berührt nur einen einzigen Punkt, und anschließend sind das Profil und die Geometrie eines Schälfräsers komplexer als bei einem Stoßwerkzeug. Zusätzlich zum Werkstückprofil erfordert die Bestimmung der Geometrie eines Schälfräsers die Kinematik des erzeugenden Feldes: Achsabstand und Rollkreise entsprechend dem Übersetzungsverhältnis, dem Schaftwinkel und dem Neigungswinkel.

Nach den in der Norm DIN 1829 festgelegten Grundsätzen kann die Schneide eines Schälfräsers anhand des umgebenden Getriebes betrachtet werden, das einem virtuellen zylindrischen Zahnrad entspricht. Für Schälfräser stellt das Profil des umgebenden Getriebes keine ideale Evolvente dar, wie dies bei Stoßwerkzeugen der Fall ist.
 

Genauigkeitsanforderungen


Schälfräser werden als Ritzelschneider klassifiziert, und derzeit gibt es keine für sie spezifische Industrienorm. Die Industrie hat die DIN 1829 - Teil 2 als Standardmessstandard weitgehend übernommen. DIN 1829 - Teil 2 legt die zu bewertenden Merkmale und die Toleranz für die Qualifizierung jeder Qualitätsklasse fest. Beispielsweise muss für Fräser mit einem Referenzdurchmesser von weniger als 50 mm und einer Modulgröße von weniger als 1 mm der erforderliche Formfehler ff kleiner oder gleich 2 Mikrometer sein, um als DIN AA zu gelten.
 

Figur 2. Messtandardtabelle 3. Quelle: DIN 1829 – part 2
 
Aufgrund der Neuheit des Schälfräsers verfügen viele branchenübliche Benchmark-Messgeräte nicht über integrierte mathematische Modelle zur Bewertung des Fräserprofils, was eine besondere Herausforderung für den Herstellungs- und Qualitätskontrollprozess darstellt.  
 

ANCA’s Schälfräser-Lösung


Als Reaktion auf die Marktnachfrage entwickelte ANCA eine umfassende Software- und Hardwarelösung, um sicherzustellen, dass der Fräser auf effiziente Weise korrekt entworfen und optimiert wird. Der neue GCX Linear wurde erstmals 2019 auf der EMO Hannover vorgestellt und setzt Maßstäbe für die Herstellung von Schälfräsern. Mit rein linearen Achsen für die Antriebsgenauigkeit kann der GCX Linear alle Vorgänge in einem Setup abschließen. Er verfügt über Funktionen, die speziell für die Herstellung von Schälfräsern und Stoßwerkzeugen nach DIN AA höchster Qualität entwickelt wurden.  
 

Figure 3. ANCA GCX Linear 
 

Umfassendes Software-Paket


Das GCX-Softwarepaket umfasst mehrere Softwarekomponenten zum Herstellen und Nachschärfen von Zahnradschneidern. Es umfasst Design, Simulation, Programmierung der Schleifsequenz, Scheiben editieren und abrichten sowie Unterstützung für die vollständige Virtualisierung des Herstellungsprozesses, wodurch die Rüstzeit und die Wahrscheinlichkeit von Ausschuss verringert werden.

Zahnradschneidwerkzeuge wie Schälfräser und Stoßräder weisen komplexe Geometrien auf. Wesentlich für den Entwurfsprozess ist die iterative Optimierung. Dies ist besonders wichtig unter Randbedingungen des Werkstücks, wie z. B. störenden Bauteilen und Kollisionsbedingungen. Auf der Designstation kann der Fräser aus grundlegenden Zahnradwerkstückdaten konstruiert werden. Die Kinematik des Schälens kann simuliert werden, um das Schneidendesign zu überprüfen und mögliche Kollisionen zu korrigieren.

Die iGrind-Software unterstützt sowohl gestufte als auch konische Spanflächen und bietet viele andere Vorgänge wie Digitalisieren, Nutenschleifen, Rundschleifen und separates Spitzenfreiwinkelschleifen. Der Schleifprozess kann in CIMulator3D simuliert und Parameter analysiert werden.  
 

Akkurates Scheibenabrichten


Das Abrichten der komplexen Profilscheibe ist entscheidend, um die hohe Genauigkeit der Zahnprofilform für Schälfräser zu erreichen. Mit der neuesten Technologie zur Überwachung der Schallemission fügt AEMS dem GCX Linear ein „Ohr“ hinzu, das auf die feinen Tonhöhen des Scheibenabrichtens abgestimmt ist. AEMS lernt und hört zu, da es mit einem fortschrittlichen überwachten Algorithmus für maschinelles Lernen erstellt wurde. Das System kann so trainiert werden, dass es in einer lauten Produktionsumgebung die richtigen Melodien für ein perfektes Abrichten aufnimmt. Es stellt sicher, dass das Scheibenprofil in kürzester Zeit mit einer Genauigkeit von Mikrometern bearbeitet wird, während die Verringerung der Schleifscheibengröße minimiert wird.  
 

Verbesserte thermische Stabilität


Um die strengen Genauigkeitsanforderungen zu erfüllen, ist die thermische Stabilität der Maschine von entscheidender Bedeutung. ANCA entwickelte die zum Patent angemeldete Motortemperaturregelungstechnologie (MTC), um die Temperatur der motorisierten Spindeln in der linearen GCX-Maschine aktiv zu verwalten und aufrechtzuerhalten. Abgesehen von einer drastisch verkürzten Aufwärmzeit der Maschine, einer Verbesserung der Produktivität und der Maschinenauslastung sorgt MTC vor allem für eine gleichmäßige thermische Stabilität der Spindel über die Zeit, unabhängig von Änderungen der Spindellast oder -geschwindigkeit oder der Kühlmitteltemperatur der Spindelkühlung. Dies verbessert die Dimensionsstabilität der Schleifergebnisse erheblich.
 

Figure 4. EBeispiel für einen Tonhöhen-Messbericht eines auf GCX Linear hergestellten Schälfräsers mit einem individuellen Tonhöhen-Fehler fp von etwa 1 µm und einem benachbarten Tonhöhen-Fehler von weniger als 2 µm.
 
Referenzen
  1. Wilfried König. (n.d.). Fertigungsverfahren Band 1. ISBN 978-3-662-07205-9 - 1997
  2. Pittler von, W. Verfahren zum Schneiden von Zahnrädern mittels eines zahnrad-artigen, an den Stirnflächen der Zähne mit Schneidkanten versehen-en Schneidwerkzeuges, Patent Application, Germany, March, 1910.
  3. World Gears Industry study with Forecasts for 2019 & 2024 The Freedonia Group
  4. Dr. H.J. Stadtfeld Power Skiving of Cylindrical Gears on Different Machine Platforms, American Gear Manufacturers Association Fall Technical Meeting, 2013
 
 
 
 

19 August 2020