CH681866A5

CH681866A5 -

Info

Publication number: CH681866A5
Application number: CH1628/90A
Authority: CH
Inventors: Ingo Dr-Ing Faulstich
Original assignee: Pfauter Hermann Gmbh Co
Priority date: 1989-05-17
Filing date: 1990-05-14
Publication date: 1993-06-15
Also published as: DE3915976A1; GB2231520A; IT9020291A0; GB9010962D0; JPH0398714A; IT1239982B; DE3915976C2; GB2231520B; FR2647041B1; DD297926A5; IT9020291A1; FR2647041A1

Description

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Beschreibung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Schlichtbearbeitung der Flanken von Zylinderrädern durch Wälzschälen nach dem Oberbegriff des Anspruches 1 sowie eine Vorrichtung zur Durchführung eines solchen Verfahrens nach dem Oberbegriff des Anspruches 2.

Wälzschälen ist ein kontinuierlich ablaufendes Verfahren zur spanenden Herstellung zylindrischer Zahnräder. Das Werkzeug ähnelt einem Wälzstossrad; seine Drehachse ist jedoch gegenüber der Achse des Werkstückes geneigt angeordnet. Während der Bearbeitung führen Werkzeug und Werkstück eine Grunddrehung aus. Dabei stehen die Drehzahlen im umgekehrten Verhältnis der Zähnezahlen beider Elemente zueinander. Der Grunddrehung überlagert führt das Werkzeug relativ zum Werkstück eine Schraubbewegung aus. Diese Schraubbewegung besteht aus einer Verschiebung des Werkzeuges in Richtung der Werkstückachse und einer dieser Verschiebung proportionalen Zusatzdrehung des Werkstückes. Die Zusatzdrehung ist so bemessen, dass im Falle der Bearbeitung eines Werkstückes ohne Flankenlinien-Modifikation die Zusatzdrehung 2k beträgt, wenn der Axialschlittenweg gleich der Steigungshöhe der zu erzeugenden Verzahnung ist. Es gilt also

A ff A_z

25T H

bzw.

A z

H

25K

UIK* & Vp — ' A 2

Es bedeuten:

aZ = Axialschlittenverschiebung Acp = Zusatzdrehung H = Steigungshöhe des Werkstückes p = reduzierte Steigungshöhe.

In der Praxis besteht häufig der Wunsch, die Flanken zylindrischer Verzahnungen nicht exakt als Evolventen-Schraubenflächen auszubilden, sondern Profil- und Flankenlinie zu modifizieren. Die Verzahnung soll z.B. höhen- und breitenballig ausgeführt werden. Die Beschreibung dieser Modifikationen erfolgt üblicherweise anhand von Profil- bzw. Flankenlinien-Diagrammen.

Durch Wälzschälen lassen sich Flanken-Modifikationen erzeugen. In erster Näherung gilt: Profilmodifikationen werden über eine Modifikation des Werkzeugprofiles und Flankenlinien-Modifikationen über eine Modifikation der Maschinenbewegung erzeugt.

Bei näherer Betrachtung erkennt man jedoch, dass die Modifikation der Maschinenbewegung auch das Werkstückprofil beeinflusst.

Dieser Einfluss führt z.B. dazu, dass beim Wälzschälen breitenballiger Verzahnungen verwundene Flanken entstehen. Diese Verwindung bedeutet, dass in unterschiedlichen Stirnschnitten Profile mit unterschiedlicher Profil-Winkelabweichung und auf unterschiedlichen Zylindern Flankenlinien mit unterschiedlichen Flankenlinien-Winkelabweichungen vorliegen.

Die Verwindungen der Flanken schlichtwälzgeschälter Zylinderräder, beschreibbar über die Schränkung von Profil- und Flankenlinien, ist häufig unerwünscht. Daraus ergibt sich die Aufgabe, das gat-tungsgemässe Verfahren und die gattungsgemässe Vorrichtung dahingehend weiterzuentwickeln, dass die Verwindung der Flanken vermieden oder auf einen vernachlässigbar kleinen Wert gebracht wird.

Diese Aufgabe wird beim gattungsgemässen Verfahren erfindungsgemäss mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruches 1 und bei der gattungsgemässen Vorrichtung erfindungsgemäss mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruches 2 gelöst.

Beim erfindungsgemässen Verfahren werden eine oder gleichzeitig mehrere der Einstellgrössen während der Verschiebung des Axialschlittens, also dynamisch, geändert. So kann auf eine Aussermittig-keit des Werkzeuges (e=0) verzichtet und der Schwenkwinkel X während der Verschiebung des Axialschlittens geändert werden. Dabei entsteht in Zahnbreitenmitte an beiden Werkstückflanken des Zylinderrades eine Profil-Winkelabweichung. Sie muss bei der Werkzeugauslegung berücksichtigt werden. Gleichzeitig entsteht bei der dynamischen Änderung des Schwenkwinkels X eine geringe Breitenbal-

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ligkeit. Sollte diese eine Toleranzüberschreitung am Werkstück bedingen, ist sie bei der Festlegung der Maschinenbewegung zur Erzeugung der gewünschten Balligkeit (über a (z) bzw. p (z)) zu berücksichtigen. Bei einer solchen Verfahrensweise ergibt sich zusätzlich ein Vorteil dadurch, dass in vielen Fällen ein rein zylindrisches Werkzeug, also ein Werkzeug ohne konstruktive Freiwinkel, eingesetzt werden kann.

Die Erfindung wird anhand eines in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispieles näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 eine Rechtsflanke eines linksschrägen Zylinderrades,

Fig. 2 Flankenlinien-Abweichungen auf dem Fussformzylinder, dem vorgeschriebenen Messzylinder und an dem Kopfformzylinder in unterschiedlichen Messebenen der Rechtsflanke des linksschrägen Zylinderrades gemäss Fig. 1,

Fig. 3 den prinzipiellen Verlauf der Werkzeugspuren an den Links- und Rechtsflanken eines Zylinderrades mit einer linksschrägen und einer rechtsschrägen Verzahnung sowie mit einer Geradverzahnung,

Fig. 4 in Seitenansicht eine erfindungsgemässe Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäs-sen Verfahrens zur Schlichtbearbeitung der Flanken, von Zylinderrädern durch Wälzschälen,

Fig. 5 die Vorrichtung nach Fig. 4 in Draufsicht.

Anhand der Fig. 1 sei das Zustandekommen der Verwindung der Flanken an Verzahnungen bei der herkömmlichen Verfahrensweise erläutert.

Fig. 1 zeigt die Rechtsflanke eines linksschrägen Zylinderrades.

Es bedeuten:

b = Zahnbreite z = Koordinate in Richtung der Werkstückachse, bezogen auf die Zahnbreitenmitte

Fß = Flankenlinien-Abweichung (bzw. -Modifikation)

I = Vorderseite des Rades

II = Rückseite des Rades

Der Begriff Vorderseite wird benötigt zur Bezeichnung der jeweiligen Flanke als Rechts- bzw. Linksflanke. Die Flankenlinien-Abweichung wird auf dem Messzylinder, in Fig. 1 auf der Linie Fi Fr gemessen, die Profilabweichung im Stirnschnitt in Zahnbreitenmitte, also auf der Linie Pi Pi'. Abweichungen der Flanke von der zugehörigen unmodifizierten Evolventen-Schraubenfläche sind senkrecht zur Zeichenebene vorzustellen.

Zur Erleichterung des Verständnisses sei zunächst unterstellt, dass alle Spuren auf einer Flanke den gleichen Verlauf und alle Punkte einer Spur den gleichen Abstand von der unmodifizierten Evolventen-Schraubenfläche aufweisen, also um den gleichen Betrag über bzw. unter der Zeichenebene liegen. Bei der Beschreibung der Flankengeometrie mit Hilfe eines Rechners sind die vorstehend formulierten Vereinfachungen natürlich nicht erforderlich.

Vorgeschrieben sei ein Verlauf der Flankenlinien-«Abweichung» entsprechend der Darstellung im rechten Teil der Fig. 1. Auf dem Messzylinder liegt der Hochpunkt der Flanke in Zahnbreitenmitte; im Fussgebiet der Verzahnung liegt er bei Si, im Kopfgebiet bei S-i'. Auf jedem Zylinder zwischen Fussformund Kopfzylinder liegt praktisch der gleiche Verlauf der Flankenlinienabweichung vor. Lediglich der Hochpunkt ist entsprechend der z-Komponente der Spur Si Si' in Richtung Z verschoben. Da die Länge des Fß-Diagrammes immer gleich der Zahnbreite ist, wird auf unterschiedlichen Messzylindern immer ein etwas anderer Bereich des vorgeschriebenen Verlaufes erfasst. Die Kurve ist deshalb zur Beschreibung des Fß-Verlaufes im Kopfgebiet der Verzahnung auf der Seite I und zur Beschreibung des Verlaufes im Fussgebiet der Verzahnung auf der Seite II gegenüber dem Verlauf auf dem vorgeschriebenen Messzylinder zu verlängern.

Die Profilabweichung in einem bestimmten Stirnschnitt ist der Abstand des jeweils betrachteten Punktes von der unmodifizierten Evolventen-Schraubenfläche. Entsprechend den vorstehenden Ausführungen erhält man z.B. die Profilabweichung in Zahnbreitenmitte an den Stellen Pi (Fussformkreis) bzw. Pi' (Kopfformkreis) als Abstand der durch diese Punkte verlaufenden Spuren von der unmodifizierten Evolventen-Schraubenfläche. Pi hat demnach den gleichen Abstand wie der Punkt H6 von der unmodifi-zierten Evolventen-Schraubenfläche, nämlich den Abstand H6' H6"; entsprechend hat Pi' den Abstand H2' H2". Führt man diese Betrachtung für weitere Punkte zwischen Pi und Pf durch, so erkennt man: Der Verlauf der Profilabweichung Fa in Zahnbreitenmitte ist gleich dem Verlauf der Flankenlinien-Ab-weichung Fß zwischen H6' über H-r nach H2'.

Wendet man die vorstehend formulierten Überlegungen bezüglich der Flankenlinien-Abweichungen auf den Fussform- bzw. den Kopfformzylinder und bezüglich der Profilabweichungen auf die Ebenen I und II an, so erhält man folgende Ergebnisse:

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Messgrösse

Messebene

Messung

Verlauf

bzw. -Zylinder zwischen den Punkten der Abweichung

Fa

I

P2-P2'

H3'—H4'—H5'

Radmitte

P1-P1'

H6'-HI'-H2'

II

P3-P3'

Hg'—H8'—H/

Fß

Fussformzylinder

F3-F3'

Hs'-Hg'

vorgeschr. Messzylinder

F1-F1'

H4'-H8'

Kopfformzylinder

F2-F2'

h5'-h7'

Trägt man die Ergebnisse graphisch auf, so erhält man die Darstellung entsprechend Fig. 2. In dieser Darstellung ist die im jeweiligen Punkt vorhandene Abweichung mit q bezeichnet, also

= V Hi" = 0

q2 = S/ E,"

q3 = V H3"

Ferner bezeichnen

Fppf Flankenlinien-Abweichungen auf dem Fussformzylinder FßFa Flankenlinien-Abweichungen auf dem Kopfformzylinder

Abgesehen von den Punkten auf der Spur Si Si' liegen alle Punkte der modifizierten Flanke gegenüber einer unmodifizierten Evolventen-Schraubenfläche zurück; die Grössen q2 qg besitzen deshalb negatives Vorzeichen.

Bezeichnet man die Flankenlinien-Winkelabweichung auf dem Fussformzylinder mit faßf und die auf dem Kopfformzylinder mit FHßa, so erhält man fHßf = q9 - q3 fHaa = q7 - qs

Die Schränkung der Flankenlinien ist AfHß = fHßa-fHßf

Aus den Profil-Winkelabweichungen fHa i = qs - q3

in der Ebene I und

FHa Ii = q7 - q9

in der Ebene II erhält man die Schränkung des Profils zu

AfHa = fHall - fHal.

Es sei noch festgehalten, dass im hier betrachteten Beispiel AfHß und AfHa positives Vorzeichen besitzen. Dies lässt sich anhand der in Fig. 1 und 2 dargestellten Grössen nachvollziehen.

Die vorstehenden Ausführungen betreffen die Rechtsflanken einer linksschrägen Verzahnung. Die

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Betrachtungen lassen sich leicht auf die übrigen Fälle übertragen, also auf die Linksflanken der linksschrägen Verzahnung und auf die beiden Flanken einer rechtsschrägen Verzahnung bzw. einer Geradverzahnung. Man benötigt dazu lediglich den Verlauf der Werkzeugspur auf der jeweiligen Werkstückflanke.

Die Spur lässt sich im Rahmen der Werkzeugauslegung bzw. bei der Simulation des Fertigungsprozesses berechnen. Sie verläuft auch in den übrigen Fällen, also insbesondere bei Geradverzahnung, schräg über die Werkstückflanke. Fig. 3 zeigt den prinzipiellen Verlauf der Spuren für die oben angegebenen Fälle.

Geradverzahnung lässt sich durch Wälzschälen nur mit einem schrägverzahnten Werkzeug bearbeiten. Das Vorzeichen der «Steigung» der Spuren hängt dabei ab vom Vorzeichen des Werkzeug-Schrä-gungswinkels. Es gibt demzufolge bei geradverzahnten Werkstücken die beiden skizzierten Verläufe der Spuren.

Während bei der Rechtsflanke der linksschrägen Verzahnung die Punkte der Spur im Kopfgebiet der Werkstückverzahnung gegenüber dem Fussgebiet näher an der Ebene II liegen, liegen diese Punkte der Linksflanke der linksschrägen Verzahnung näher an der Ebene I. Bei Anwendung des vorstehend erläuterten Rechenganges findet man, dass die Schränkung der Flankenlinien und die Schränkung des Profils der Linksflanke der linksschrägen Verzahnung negatives Vorzeichen besitzen. Es wurde schon erwähnt, dass die entsprechenden Grössen der Rechtsflanken positives Vorzeichen besitzen. Auch in den übrigen Fällen gilt: Die Schränkung von Profil- und Flankenlinien besitzt auf der Rechtsflanke entgegengesetztes Vorzeichen der Schränkung dieser Grössen auf der Linksflanke.

In den Fig. 4 und 5 ist die zur Durchführung des beschriebenen Verfahrens vorgesehene Wälzschälmaschine dargestellt. Sie hat ein Bett 1, auf dem ein Axialschlitten 2 in Z-Richtung verschiebbar ist. Er trägt einen Radialschlitten 3, der relativ zum Axialschlitten 2 in X-Richtung verschiebbar ist. Am Radialschlitten 3 ist ein Schälkopf 4 um eine Achse 5 schwenkbar angeordnet, der mit dem Radialschlitten in X-Richtung verschoben werden kann. Auf dem Bett 1 ist starr eine Werkstückspindeleinheit 6 befestigt. Der Schälkopf 4 und die Werkstückspindeleinheit 6 haben jeweils eine Spindel 7 und 8 zur Aufnahme eines Werkzeuges 9 bzw. eines Werkstückes 10.

Während des Bearbeitens des Werkstückes 10 führen das Werkzeug 9 und das Werkstück 10 in bekannter Weise eine Grunddrehung aus. Sie drehen sich hierbei im umgekehrten Verhältnis ihrer jeweiligen Zähnezahl. Bei der Bearbeitung entsteht während einer Werkstückumdrehung ein schmales Band der endgültigen Werkstückverzahnung. Zur Ausbildung der Verzahnung am Werkstück 10 über die gesamte Breite ist eine Schraubbewegung erforderlich. Sie kommt dadurch zustande, dass der Axialschlitten 2 in Z-Richtung verschoben wird und gleichzeitig das Werkstück 10 eine Zusatzdrehung ausführt. Die Achsen von Werkzeug 9 und Werkstück 10 sind während der Bearbeitung in bekannter Weise unter dem Winkel s zueinander geschwenkt.

Um die Verwindung der Flanken schlichtwälzgeschälter Zylinderräder zu vermeiden oder auf einen vernachlässigbaren kleinen Wert zu bringen, werden während der Axialschlittenverschiebung eine oder gleichzeitig mehrere der Einsteligrössen Achsabstand a, Aussermittigkeit e des Werkzeuges, Schwenkwinkel z und reduzierte Steigungshöhe p zur Beschreibung der Zusatzdrehung automatisch so geändert, dass die bei der Erzeugung der Flankenlinien-Modifikation entstehende Verwindung der Werkstückflanke kompensiert wird. Für die Bearbeitung wird das Werkzeug 9 eingesetzt, dessen Schneidengeometrie an den Rechts- bzw. Linksflanken an die während der Spanabnahme durch die jeweilige Schneide wirksamen Einstellgrössen angepasst ist.

Bei einem ersten Ausführungsbeispiel wird auf eine Aussermittigkeit des Werkzeuges 9 verzichtet, d. h. e = 0. Während der Verschiebung des Axialschlittens 2 wird der Schwenkwinkel dynamisch geändert. Dabei entsteht in Zahnbreitenmitte an beiden Werkstückflanken eine Profilwinkelabweichung. Sie muss bei der Werkzeugauslegung berücksichtigt werden. Gleichzeitig entsteht bei der dynamischen Änderung des Schwenkwinkels £ eine geringe Breitenballigkeit. Sollte diese eine Toleranzüberschreitung am Werkstück 10 bedingen, ist sie bei der Festlegung der Maschinenbewegung zur Erzeugung der gewünschten Balligkeit (über a (z) bzw. p (z) ) zu berücksichtigen.

Bei der hier vorgeschlagenen Lösung ergibt sich zusätzlich ein Vorteil dadurch, dass in vielen Fällen ein rein zylindrisches Werkzeug 9, also ein Werkzeug ohne konstruktive Freiwinkel, eingesetzt werden kann.

Es ist auch möglich, über eine Änderung der Aussermittigkeit e des Werkzeuges 9 während der Verschiebung des Axialschlittens 2, also über eine dynamische Änderung der Aussermittigkeit e, eine Verwindung der Flanken zu kompensieren. Dazu sind relativ grosse Änderungen der Aussermittigkeit erforderlich. Dies führt dazu, dass in unterschiedlichen Stirnschnitten unterschiedliche Fussformkreise am Werkstück 10 entstehen. Dem ist entgegenzuwirken über eine Anpassung des Achsabstandes a während der Axialschlittenverschiebung.

Gleichzeitig entsteht bei der dynamischen Änderung der Aussermittigkeit e eine grosse Flankenlinien-abweichung. Diese ist zu kompensieren über eine dynamische Anpassung der reduzierten Steigungshöhe p.

Das Werkzeug 9 ist so auszulegen, dass in Zahnbreitenmitte keine Profilwinkelabweichung entsteht.

Die vorstehend formulierte Simulation des Fertigungsprozesses zur dynamischen Anpassung der Einstelldaten ist iterativ so lange zu wiederholen, bis die Werkstücktoleranzen eingehalten sind.

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Claims

Patentansprüche

1. Verfahren zur Schlichtbearbeitung der Flanken von gerad- oder schrägverzahnten, innen- oder aussenverzahnten Zylinderrädern durch Wälzschälen, bei dem die Rechts- bzw. Linksflanken in getrennten Arbeitsgängen erzeugt werden und bei dem zur Erzeugung von Flankenlinien-Modifikationen, wie Breitenballigkeit und/oder Flanken-Endrücknahme, die Vorrichtung abhängig von der Axialschlittenverschiebung eine Änderung des Achsabstandes und/oder eine Änderung der Zusatzdrehung des Werkstückes relativ zum Werkzeug ausführt, dadurch gekennzeichnet, dass während der Axialschlittenverschiebung eine oder gleichzeitig mehrere der Einstellgrössen Achsabstand (a), Aussermittigkeit (e) des Werkzeuges (9), Schwenkwinkel (£) und reduzierte Steigungshöhe (p) zur Beschreibung der Zusatzdrehung automatisch so geändert werden, dass die bei der Erzeugung der Flankenlinien-Modifikati-on entstehende Verwindung der Werkstückflanke kompensiert und für die Bearbeitung ein Werkzeug (9) eingesetzt wird, dessen Schneidengeometrie an den Rechts- bzw. Linksflanken angepasst ist an die während der Spanabnahme durch die jeweilige Schneide wirksamen Einstellgrössen.

2. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, mit einem Bett, auf dem eine Spindel für ein Zähne aufweisendes Werkzeug und eine Werkstückspindel angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehachse des Werkzeuges (9) während der Bearbeitung gegenüber der Werkstückachse veränderbar ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Aussermittigkeit (e) des Werkzeuges (9) während der Bearbeitung veränderbar ist.

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