Verzahnungsentwicklung und -prüfung Hand in Hand

Transkript

1 Verzahnungsentwicklung und -prüfung Hand in Hand Dipl.-Ing. Jürg Langhart, Projektingenieur, KISSsoft AG, Schweiz Dr. Ernst Müller, Geschäftsleiter, GOM International AG, Schweiz Dipl.-Ing. Hanspeter Dinner, Geschäftsleiter, EES KISSsoft GmbH, Schweiz Verzahnungsfertigung im Wandel Während in der klassischen Verzahnungsherstellung häufig ohne 3D-Daten gearbeitet wurde, werden digitalisierte Verzahnungsdaten zunehmend in der Praxis verfügbar und vermehrt für die Fertigung und Inspektion verwendet. Die neue Technik weist viele Vorteile und ein immenses, jedoch bisher kaum genutztes Potential auf. Sie erlaubt nämlich einen durchgängigen Prozess von der Verzahnungsentwicklung bis zur Verzahnungsprüfung. Weiter ermöglicht das optische Messen aufgrund der 3D-Daten eine sehr transparente und gesamtheitliche Bewertung, welche Rückschlüsse für die Verzahnungsfestigkeitsrechnung erlaubt. Im vorliegenden Artikel werden die Vorteile des durchgängigen Prozesses von der Verzahnungsauslegung bis zur Qualitätskontrolle an Stirnrädern und Kegelrädern aufgezeigt. Weiter wird aufgezeigt, wie die Resultate der Messung für eine Überprüfung der Verzahnungsfestigkeiten einfliessen können. Der Prozess Verzahnungsauslegung mit Geometrieausgabe in 3D Im ersten Schritt des Getriebedesigns werden die Verzahnungen aufgrund der erforderlichen Übersetzung und der zu übertragenden Leistung des Antriebstranges dimensioniert. Es ist üblich und effizient, die Dimensionierung aufgrund der Festigkeitsnormen wie beispielsweise der ISO 6336 festzulegen. Die analytischen Berechnungen eignen sich sehr gut für die Entwurfsphase sowie für Nachweise und erlauben einen hohen Grad an Vergleichbarkeit von Varianten. Parallel dazu werden auch Wellen, Lager und Gehäuse definiert. Mit der Festlegung der selbigen ist der Konstrukteur in der Lage, Flankenmodifikationen an den Verzahnungen vorzunehmen. Dieser Schritt der Verzahnungsoptimierung hat das Ziel, eine möglichst geringe Geräuschanregung und eine bestmögliche Lastverteilung der Zahnflanken zu erhalten. Mit einer geschickten Auswahl und Überlagerung von Balligkeiten, Winkelkorrekturen oder auch Kopf- oder Fussrücknahmen werden z.b, der Εintrittsstoss und die Breitenlastverteilung KHβ optimiert. Die Bewertung der Flankenmodifikationen wird nicht mehr mit der ISO Norm, sondern mit einer Kontaktanalyse durchgeführt, welche über Dutzende Abwälzstellungen die tatsächlichen momentanen Eingriffsverhältnisse berechnet, simuliert und somit das Laufverhalten unter Last bewertet. Nach dem Schritt der Verzahnungsfestlegung werden produktionsspezifische Aspekte berücksichtigt: Diese hängen von der Anzahl der zu fertigenden Werkstücke und von der erforderlichen Qualität ab. So wird beispielsweise bei einer hohen geforderten Qualität ein Schleifen der Verzahnung als Prozessschritt nach dem Härten benötigt, was ein Vorfräsen der Verzahnung erfordert. Für die Vorbearbeitung wird typischerweise ein

2 Protuberanzfräser verwendet, wodurch sich beim Schleifen der Verzahnung die festigkeitsmindernde Schleifkerbe im Zahnfuss weitgehend vermeiden lässt. Der letzte Schritt der Verzahnungsdefinition beinhaltet die Optimierung, Überprüfung und Ausgabe der jeweiligen 3D Modelle. In der Hüllendarstellung lassen sich die Berührlinien des Kontaktes in jeder Eingriffsstellung prüfen. Zusätzlich können die Einbauparameter wie Achsschränkung, -neigung sowie -abstand variiert werden. Anschliessend werden die Modelle für den Prozessschritt der Vorbearbeitung sowie der Endbearbeitung separat erstellt. Die Modelle können sowohl für spanende als auch für formgebende Verfahren genutzt werden und eigenen sich somit sowohl für die Verzahnungsherstellung auf einer 5-Achsfräsmaschine als auch für jene mittels Spritzguss oder Sintern. Diese Vorgehensweise ermöglicht es, bei der Fertigung sowie bei der Messung mit den jeweiligen korrekten Soll-Daten zu arbeiten, was zu einer hohen Durchgängigkeit und Prozessstabilität führt. KISSsoft bietet mit dem Berechnungsprogramm für Maschinenelemente die erwähnten Berechnungsschritte von der schnellen Berechnung für den Festigkeitsnachweis nach verschiedenen Normen bis zur Kontaktanalyse für eventuell nötige Optimierungen. Des Weiteren stellt KISSsoft als Ausgabe 3D-Modelle mit exakter Geometrie bereit, welche sich dann weiter mit CAD- und/oder CAM-Software verarbeiten lassen. Dabei kann die Geometrie bis zu 0.01μm genau berechnet, dargestellt und als Soll-Datensatz zur Verfügung gestellt werden. Bei den Stirnrädern können die Gerad- und Schräg- sowie Pfeilverzahnungen und Zahnstangen mit sämtlichen Korrekturen ausgegeben werden. Neben den Stirnrädern deckt KISSsoft alle gängigen evolventischen Verzahnungen ab also Kegelräder, Schnecken- und Schraubräder, Kronenräder, Beveloidräder und Unrundräder (Error! Reference source not found.). Bild 1. Verschiedene Zahnradtypen, 3D-Geometrie exakt berechnet in KISSsoft.

3 Flächenhafte optische Messtechnik in der Qualitätssicherung Nach den kritischen Fertigungsstufen oder in der Endkontrolle ist eine Formprüfung sinnvoll, um sicherzustellen, dass in hoher Qualität gefertigt wird oder Korrekturen vorgenommen werden können. Durch den Vergleich der aus der Verzahnungssoftware ausgeleiteten 3D-Modelle mit den optischen Messdaten ist ein lückenloser Prozess gewährleistet. Das optische Messen hat sich in der Qualitätssicherung in vielen Produktionsbereichen bereits erfolgreich etabliert. Im Getriebebau ist es jedoch erst vereinzelt anzutreffen. Völlig zu Unrecht, bietet es doch neben einer schnellen und präzisen Erfassung der Messung auch fast unbegrenzte Möglichkeiten in der Auswertung. Somit eignet es sich für die Beurteilung von Wellen, Verzahnungen bis hin zu Getriebegehäusen. Im Gegensatz zum taktilen Messen mit Koordinatenmessmaschinen oder Rundtischen, bei dem mittels Messtaster eine Berührung der Messkugel mit dem Werkstück stattfinden muss, ist beim optischen Messen kein Kontakt mit dem Werkstück nötig. Das erlaubt eine hohe Flexibilität und Vorteile in der Anordnung von Messmittel und Werkstück. Die Messung der Verzahnungen basiert auf der Fotogrammetrie: Für die Digitalisierung werden Stereokameras mit integrierter Projektionseinrichtung verwendet. Die aufprojzierten Muster werden auf dem Objekt je nach Form leicht verzerrt sichtbar und mit den Stereokameras erfasst. Aus den Bildern werden mittels Triangulation für jedes Kamerapixel exakte Positionsdaten definiert und zu einem Datennetz für jede Messung verrechnet. Messungen aus verschiedenen Ansichten werden automatisch in ein Projekt zusammengefasst und durch Polygonisierung zu einem umfassenden und präzisen STL-Datennetz vereint. Die Auswertung der resultierenden Messwert-Punktewolke wird mit dem freien Programm GOM Inspect oder dem professionellen Programm GOM Inspect Pro durchgeführt. Dabei werden die Messwerte gemäss der erforderlichen funktionalen Ausrichtung in die Soll-Geometrie eingepasst und daraufhin die Formdifferenz berechnet. Die Formabweichungen werden als Messwerte für ausgewählte Referenzpunkte oder als flächige Farbinformation auf der Soll-Form oder auf den Messdaten dargestellt. Die Darstellung der Abweichungen per Farbcode ist intuitiv und auch für Nichtspezialisten leicht interpretierbar. Bei Bedarf kann die Messwert- Punktwolke auch nach der alten Zahnradmessmethode ausgewertet werden. Der aufgezeigte Prozess von der Verzahnungsberechnung bis zur Messung mit der Verwendung von 3D- Daten gestaltet sich somit sehr einfach und stabil (Error! Reference source not found.).

4 Bild 2. Die Prozesskette mit der exakten Zahnradgeometrie aus KISSsoft als Ausgangspunkt sowie der Messung mit der optischen Messtechnik von GOM, inkl. Vergleich der Messdaten zur Soll-Geometrie mit der freien GOM Inspect Software. Die optischen Messsysteme sind besonders vorteilhaft in der Entwicklung und in den Prüfprozessen für komplexe Oberflächen, Teile und Baugruppen, weil sie mit der allgemeinen Formerfassung massgeblich zum Verständnis der einzelnen Prozessschritte beitragen. Dies ist erforderlich, um die Teile in den kontinuierlich zunehmend engeren Toleranzen und Qualitäten herstellen zu können. Neben der allgemeinen Formauswertung erlauben die Auswertungsmöglichkeiten an Verzahnungen es auch, die etablierten klassischen Verzahnungsparameter wie Teilungsabweichungen oder bei Kegelrädern die Auswertung der Flankentopologie mit Messgitter auszuwerten. So können die Teilungsabweichungen bei Stirnrädern am Messkreis im Stirnschnitt ausgewertet werden, oder bei Kegelrädern gemäss der Definition von ISO , die Teilung mit Passkugeln ausgewertet werden (Error! Reference source not found.). Auch eine Bewertung der Flankentopologie mit Messgitter ist einfach möglich, indem die Durchstosspunkte auf der Flanke ermittelt und deren Abweichungen in Normalenrichtung zur Soll-Form eruiert und dargestellt werden.

5 Bild 3. Abweichungen zu den Sollpositionen von Passkugeln, seitlich und in der Tiefe der Zahnradgeometrie, quantifizieren die Zahnbreiten und den Gleichlauf. Besonders bewährt hat sich in der Praxis die Möglichkeit, die Messungen nachträglich bearbeiten zu können. Das ist insbesondere für Referenzierung, Ausrichtung und Nullpunktsetzung wichtig und sehr praktikabel, denn es zeigt sich, dass eine falsche Ausrichtung der Verzahnungen eine häufige Ursache sowie Fehlerquelle beim Messen und Bewerten von Verzahnungen sind. So können dem Kunden die Unterschiede in beispielsweise Rundlauffehler oder Teilungsfehler einfach und verständlich dargelegt werden. Das optische Messen hat nicht nur grosse Vorteile bei der Prozessentwicklungsphase von Verzahnungen. Auch für die Serienprüfung kann das optische Messen angewendet werden, beispielsweise mit der ATOS ScanBox für den automatisierten Ablauf (Error! Reference source not found.).

6 Bild 4. Optische Vermessung eines Zahnrades in der ATOS ScanBox. Rückschlüsse auf die Verzahnungsauslegung Die übersichtlichen Auswertungen der Messung und Messberichte geben dem Konstrukteur wichtige Rückschlüsse über die erreichten Verzahnungseigenschaften. Das kann einerseits das Ermitteln des minimalen Aufmasses beim Vorverzahnen oder Erfassen der Härteverzüge sein, andererseits wird das gesamte Bauteil mit beispielsweise Fussausrundungen und Formfehler der Wellenzylinder erfasst. Die Fussrundungen haben einen grossen Einfluss auf die Fussfestigkeit der Verzahnung. Diese Berechnung wurde am Anfang des Prozesses mit der ISO 6336 durchgeführt und kann nun mit der tatsächlichen Form der Fussrundung bewertet werden. Dass dieses Vorgehen in der Praxis relevant ist, wird nachfolgend anhand eines Beispiels einer Ritzelwelle dargestellt. Der Prozess am Beispiel einer Ritzelwelle Die Firma Buss AG in Pratteln (Schweiz) stellt Ko-Kneter für Compoundier-Aufgaben in der Kunststoffindustrie her. Aufgrund der hohen Anforderungen an Geräusch und Festigkeit, wurde die hier betrachtete Verzahnung als Hochverzahnung ausgeführt. Um den erhöhten Anforderungen gerecht zu werden, wurden Profilund Breitenkorrekturen definiert, um eine minimierte Vibrationsanregung bei einem neu gegebenen Belastungsfall zu erreichen. Für die Ermittlung der Breitenballigkeit wurde in KISSsoft die etablierte Bewertung nach ISO 6336, Anhang E, verwendet. Diese ermöglicht eine schnelle Berechnung des Breitenlastfaktors, einschliesslich der Einflüsse der Wellendurchbiegung und Lagersteifigkeiten. Ausserdem wurden in der Auslegung die Toleranzen aufgrund der zulässigen Flankenformabweichungen berücksichtigt und in sämtlichen Kombinationen analysiert. Für die Profilkorrekturen wurde die Verzahnung mit der Kontaktanalyse unter Last bewertet und die Spannungsverteilung sowie die Drehwegabweichung berechnet. Für die maximale Leistungsdichte des Getriebes wurde die Fussfestigkeit der Ritzelwelle erhöht, indem der Fussradius grösstmöglich gestaltet wurde. Da die Zahnradfertigung in Vorbearbeitung mit Protuberanzwerkzeug und Endbearbeitung mit Schleifen durchgeführt wurde, erfolgte in KISSsoft ebenfalls die Simulation der

7 einzelnen Prozessschritte. Somit konnte der Festigkeitsnachweis nach ISO 6336 aufgrund der tatsächlichen verwendeten Werkzeuggeometrie und Schleifaufmass durchgeführt werden. Nach dem Schleifen wurde für die Messung der tatsächlich gefertigten Fussrundung das optische Messen von GOM eingesetzt (Error! Reference source not found.). Das Messen mittels taktiler Messmethoden war aufgrund der möglichen Hinterschnitte und der engen Platzverhältnisse nicht möglich. Da die Form der Fussausrundung festigkeitsrelevant ist, können Abweichungen zwischen Soll- und Ist-Form dazu führen, dass Teile als Ausschuss betrachtet werden müssen. Das kann der Fall sein, wenn Schleifkerben festgestellt werden oder wenn die nicht ausreichende Rundung zu einer reduzierten, nicht mehr akzeptablen, Fussfestigkeit führt. Bild 5. Links: Abweichung der Fussform [mm], Übersicht. Rechts: Detailansicht Fuss. Die vom Konstrukteur vorgegebene Fussform wurde mit der gemessenen Fussform verglichen. Dabei zeigten sich erhebliche Abweichungen. Es stellte sich heraus, dass bei der Weitergabe der Werkzeuggeometrien Kommunikationsdefizite vorlagen, welche vom Hersteller nicht beachtet wurden. Bei der Nachrechnung zeigte es sich, dass die rechnerische Fusssicherheit in der Auslegung SF=1.54 betrug und damit über dem üblichen, geforderten Wert von SF=1.40 lag. Die Berechnung mit dem gefertigten Fussrundungsradius ergab aber nur noch eine Sicherheit von SF=1.34 unter dem Sollwert. Der Konstrukteur konnte hiermit das gefertigte Zahnrad nachträglich auf seine tatsächlichen Eigenschaften bewerten und entsprechende Korrekturmassnahmen in der Fertigung vornehmen. Zusammenfassung Für die zielgerechte Auslegung, Herstellung und Qualitätssicherung von Verzahnungen wird ein lückenloser und durchgängiger Prozess benötigt, welcher von KISSsoft und GOM bereitgestellt wird. Die Verzahnungsauslegung und Optimierung erfolgt in KISSsoft, wo die Dimensionierung aufgrund des Pflichtenheftes nach den üblichen Normen durchgeführt wird. Auch die Optimierung der Zahnflanken unter Berücksichtigung der Wellendurchbiegung, Nachgiebigkeit des Getriebegehäuses und weitere relevante Aspekte stellen für den Konstrukteur wichtige Hilfsmittel dar, um eine optimale Verzahnung zu realisieren. Die Bewertung erfolgt mit der Kontaktanalyse, womit eine genaue Evaluation mit Drehwegabweichung, Lastverteilung oder Wirkungsgrad möglich ist. Als Grundlage für die Fertigung und Prüfung der Verzahnungen wird eine Soll-Geometrie mit KISSsoft erstellt. Die Soll-Geometrie basiert entweder auf einer Berechnung der Verzahnung durch Abwälzen eines oder mehreren Werkzeuge oder durch eine direkte Definition der Evolvente. Anschliessend wird die exakte 3D-Geometrie als Volumenmodell ausgegeben.

8 Mit der optischen Messung auf Basis der 3D-Soll-Geometrien ist ein durchgängiger Prozess möglich. Die Auswertung von Soll- und Ist-Geometrie in der GOM Inspect Software hat den Vorteil, dass die neue Technik einfach, genau und flexibel einsetzbar ist. Das optische Messen kann sowohl für verschiedene Arten von Teilen wie Zahnräder, Wellen als auch für Gehäuse oder Werkzeuge eingesetzt werden und ist für Serien- und Erstmusterprüfung geeignet. Diese Informationen sind besonders bei der Prozessentwicklung hilfreich sowie unverzichtbar und beschleunigen diese deutlich. Mit der optischen Messtechnik werden auch Formänderungen in Prozessschritten sichtbar; zudem werden Prozessstabilitäten erfasst und dargestellt. Diese erlaubt, beispielsweise das vorgefräste und gehärtete Rad so auf der Schleifmaschine auszurichten, dass ein gleichmässiger und optimaler Abtrag der Zahnflanken gewährleistet wird. Der Fertigungsprozess kann dadurch begleitet und die nötigen Korrekturen frühzeitig eingeleitet werden, sodass konstant eine hohe Produktqualität gefertigt wird. ATOS Digitalisiersysteme, die in der Werkzeugfertigung und in der Produktionskontrolle etabliert sind, übernehmen auch die Qualitätskontrolle von Verzahnungen. Damit wird die Verzahnungsfertigung in den etablierten Fertigungs- und Produktionsprozess integriert und profitiert so von den Möglichkeiten moderner CAD CAM Konstruktion sowie Planung, Fertigung und von integrierter Messtechnik.