CH684176A5 - Verfahren zum Bearbeiten von Werkstücken sowie Vorrichtung zur Durchführung eines solchen Verfahrens. - Google Patents

Description

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Beschreibung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bearbeiten von Werkstücken nach dem Oberbegriff des Anspruches 1 bzw. 2 sowie eine Vorrichtung zur Durchführung eines solchen Verfahrens nach dem Oberbegriff des Anspruches 8.

Die Flanken zylindrischer Zahnräder basieren in den meisten Fällen auf Evolventen-Schraubenflä-chen. Zahnräder, deren Flanken aus exakten Evolventen-Schraubenflächen gebildet werden, ergeben normalerweise kein optimales Betriebsverhalten; der Konstrukteur wünscht deshalb Flankenmodifikationen.

Es gibt einfache und kompliziertere Flankenmodifikationen.

Einfache Modifikationen sind Profilmodifikationen (Kopfrücknahme, Fussrücknahme, Profilwinkei-Modi-fikation, Höhenballigkeit), wenn diese nur in einer Messebene einzuhalten sind, z.B. in Zahnbreitenmitte, und Flankenlinien-Modifikation (Flankenlinien-winkelmodifikationen, Endrücknahme, Breitenballig-keit), wenn diese nur auf einem Zylinder einzuhalten sind, z.B. auf dem Teilzylinder.

Kompliziertere Modifikationen sind dadurch gekennzeichnet, dass Vorschriften über die Profilmodifikation in mehreren Stirnschnitten und/oder über die Flankenlinienmodifikation auf mehreren Zylindern gemacht werden.

Im kompliziertesten Fall legt der Konstrukteur ein Netz von Messpunkten auf der Flanke fest und gibt für jeden dieser Punkte an, um welchen Betrag dieser Punkt gegenüber der Evolventen-Schraubenfläche vorstehen oder zurückliegen soll. Für die Fertigung besteht die Aufgabe, eine gleichmässig verlaufende Fläche zu erzeugen, auf der alle vorgegebenen Punkte liegen oder von der sie höchstens einen tolerierten Abstand aufweisen. Modifikationen der hier beschriebenen Art werden als topologische Modifikationen bezeichnet.

Einfache Flankenmodifikationen lassen sich nach den im Oberbegriff aufgeführten Verfahren herstellen. Dabei wird die gewünschte Profilmodifikation im wesentlichen ins Werkzeug gelegt und die Flanken-linien-Modifikation über eine entsprechende Maschinenbewegung erzeugt.

Es ist auch ein Verfahren bekannt, bei dem eine gewünschte Profilmodifikation erzeugt wird, indem man die Flanke in mehreren Durchgängen mit unterschiedlichen Einstelldaten Achsabstand a, Aus-sermittigkeit e des Werkzeuges, Schwenkwinkel ri und Einstelldrehwinkel y des Werkstückes, aber bei unveränderter Maschinenbewegung, bearbeitet.

Kompliziertere Modifikationen im vorstehend erläuterten Sinne und insbesondere topologische Modifikationen lassen sich nach dem im Oberbegriff erläuterten Verfahren nicht herstellen. Profilverfahren weisen anderen Verfahren gegenüber aber Vorteile auf; diese betreffen insbesondere im Bereich grösserer Werkstückabmessungen zum Beispiel die Bearbeitungszeit.

Aus dieser Situation ergibt sich die Aufgabe, das gattungsgemässe Verfahren nach Anspruch 1 bzw. 2 und die gattungsgemässe Vorrichtung gemäss Anspruch 8 dahingehend weiterzuentwickeln, dass mit ihnen auch kompliziertere Flankenmodifikationen bis hin zu topologischen Modifikationen erzeugt werden können.

Diese Aufgabe wird beim gattungsgemässen Verfahren nach Anspruch 1 erfindungsgemäss mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruches 1, beim gattungsgemässen Verfahren nach Anspruch 2 erfindungsgemäss mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruches 2 und bei der gattungsgemässen Vorrichtung erfindungsgemäss mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruches 8 gelöst.

Das erfindungsgemässe Verfahren erhöht die Flexibilität der im Profilverfahren mit scheibenförmigem Werkzeug im diskontinuierlichen Teilverfahren erzeugbaren Flankentopografie wesentlich; es wird deshalb im folgenden als Topoflex-Verfahren bezeichnet.

Änderungen einer Einstellgrösse wirken sich nicht nur in der gewünschten Weise auf das Profil aus, sondern zusätzlich auch zum Beispiel auf die Zahnweite bzw. das Aufmass. Die unerwünschte Wirkung muss über eine zusätzliche Änderung einer zweiten Grösse kompensiert werden, so dass mindestens zwei Einsteligrössen gleichzeitig zu ändern sind.

Die Erfindung wird anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 die Zusammenhänge zwischen den Änderungen der Einsteligrössen Aa, Ae, Ari, Av und A H bzw. rb • Acp und der Abweichungsgeometrie eines Zahnrades, die durch qt, fHa, ca und f{a beschrieben wird, wobei die Darstellung anhand eines Beispieles für die Rechtsflanken eines rechtsschrägen Rades berechnet wurde.

Fig. 2 den Zahn eines rechtsschrägen Rades, dessen Rechtsflanke eine Schränkung aufweist, die durch Änderung des Achsabstandes Aa~z während der Bearbeitung entsteht, wobei anstelle der geforderten Flankenlinie (Soll-Flankenlinie) die Ist-Flankenlinie gebildet wird. Die Flankenlinienabweichung kann durch Anpassung der Zusatzdrehung während der Bearbeitung kompensiert werden.

Fig. 3a eine Profilwinkel-Modifikation der Linksflanke LF und der Rechtsflanke RF, wie sie bei einer Zweiflankenbearbeitung eines Rades mit para-belförmig verlaufender Breitenbaliigkeit, die über eine Achsabstandsänderung Aa(z) erzeugt wurde, entsteht.

Fig. 3b die Profilwinkel-Modifikation in Abhängigkeit vom Abstand z von der Messebene II der Linksflanke LF und der Rechtsflanke RF eines Rades, die bei einer Zweiflankenbearbeitung über eine Änderung der Aussermittigkeit des Werkzeuges und gleichzeitig über eine vorgegebene Änderung von Zusatzdrehung und Schwenkwinkel während der Bearbeitung entsteht. Der Unterschied zwischen der gewünschten (ausgezogene Linien) und der entstehenden Profilwinkel-Modifikation (gestrichelte Linien) kann über eine statische Achsabstandsänderung entsprechend Zeile 1, Spalte 2 in Fig. 1 kompensiert werden. Im dargestellten Fall wird eine Verringerung des Achsabstandes vorgenommen. Die hier erläuterten Modifikationen sind zu «erzeugen», um

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die nach Fig. 3a entstehende Schränkung zu vermeiden.

Fig. 4 eine Skizze zur Erläuterung der Unterteilung einer Flanke in Elemente und zur Beschreibung der Profilmodifikation und der Flankenlinien-modifikation dieser Elemente als Grundlage für die Beschreibung einer topologischen Modifikation der Flanke,

Fig. 5 Beispiele von Flanken, von denen bestimmte Bereiche (schraffierte Bereiche) geneigt sind; sie fallen vom Hauptteil der Flanke zu deren Rändern ab.

Fig. 6 eine erfindungsgemässe Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens.

Bei der Erzeugung schrägverzahnter Räder im diskontinuierlichen Profilverfahren entstehen verwundene Flanken, wenn die Verzahnung breitenballig ausgeführt wird. Die Verwindung äussert sich bei einer Profilmessung durch eine Profil-Winkelabwei-chung, deren

Betrag in allen Stirnschnitten unterschiedlich ist.

Unterstellt man einen Verlauf der Breitenballigkeit entsprechend einer quadratischen Parabel über der Zahnbreite, so erhält man eine Profilwinkelabweichung in unterschiedlichen Stirnschnitten, die in guter Näherung proportional zum Abstand der Messebenen verläuft. Bezeichnet man die der Vorderseite des Rades am nächsten liegende Messebene mit I, die der Rückseite am nächsten liegende Messebene mit II, so erhält man die Schränkung SFa des Profils zu

SFa = fHa.ll - fHal. (1)

Hierbei bedeutet fHa die Profilwinkelabweichung (DIN 3960).

Gleichzeitig mit der Schränkung des Profils tritt eine Schränkung SFß der Flankenlinien auf. Die Schränkungen SF« und SFß stellen jedoch nur unterschiedliche Formen der Beschreibung desselben Effektes dar; im folgenden wird deshalb nur noch die Schränkung SFa des Profils behandelt.

Es gibt Fälle, in denen der Konstrukteur Flanken ohne Schränkung oder Flanken mit einer Schränkung SFa wünscht, die sich von der verfahrensbedingten Schränkung SF«v unterscheidet. In diesem Falle wäre eine zusätzliche Schränkung

SF„Z = SF« - SFav (2)

zu erzeugen, die, der verfahrensbedingten Schränkung SFav überlagert, die gewünschte Schränkung SF« ergibt.

Wie aus der DE-OS 3 816 270 bekannt, lässt sich die Profilabweichung Fa, die bei nicht den Auslegungsdaten entsprechenden Einstelldaten Achsabstand a, Aussermittigkeit e, Schwenkwinkel ri (es ist ri = 90° - Achskreuzwinkel X) und Werkstück-Ein-stelldrehwinkel v auftritt, zerlegen in eine Profilwinkelabweichung fHa, eine Höhenballigkeit ca, eine Profilformabweichung ffa und eine den Einfluss auf die Zahndicke beschreibende Grösse. Wählt man dazu das im Stirnschnitt je Flanke vorhandene «Auf-mass» qt, so erhält man als Zerlegung des Profils

Fa = qt + fHa + Ca + ffa- (3)

In der DE-OS 3 816 270 wird vorgeschlagen, die Auswirkung der Einstelldaten auf die vorstehend aufgeführten Anteile der Profilabweichung experimentell zu bestimmen oder zu berechnen. Ergänzt man diese Betrachtung um den Einfluss, der aus einer nicht der geforderten Steigungshöhe H entsprechenden Schraubbewegung während der Bearbeitung resultiert, so lassen sich die im vorliegenden Fall interessierenden Zusammenhänge für ein konkretes Bearbeitungsbeispiel übersichtlich darstellen (siehe Fig. 1).

Das Beispiel gilt für eine Einflankenbearbeitung der Rechtsflanken eines rechtsschrägen Rades mit z = 38, m = 8,467 mm, a = 17,5°,

ß = + 27,5°, b = 171 mm, Lß = b.

Es bedeuten:

z Zähnezahl m Modul a Eingriffswinkel ß Schrägungswinkel b Zahnbreite

Lß Flankenlinien-Auswertebereich

Jede Zeile in Fig. 1 enthält die Auswirkung einer Einflussgrösse auf qt (Spalte 1), fHa (Spalte 2), ca (Spalte 3) und ff« (Spalte 4). Zu beachten ist, dass in den Spalten 1 und 2 ein gröberer Massstab als in den Spalten 3 und 4 gewählt wurde.

Die Zeilen 1 bis 3 betreffen die Einstelldaten des Werkzeuges Achsabstand (Zeile 1), Aussermittigkeit (Zeile 2) und Schwenkwinkel (Zeile 3). Die Zeile 4 betrifft den Werkstück-Einstelidrehwinkel und die Zeile 5 die über die Maschinenbewegung realisierte Schraubung.

Änderungen von Achsabstand a und Aussermittigkeit e wirken sich stark auf das Aufmass qt und die Profilwinkelabweichung Fho, aber kaum auf die Höhenballigkeit ca und die Profilformabweichung fo aus. Zum Beispiel bewirken

Aa = 100 um ein ca = 0 sowie ein ffa = 0.1 um und Ae = 100 um ein ca » 0,6 um sowie ein fta = 0.

Änderungen von Schwenkwinkel ri wirken sich ebenfalls stark auf die Profilwinkelabweichung fHa, wesentlich weniger stark als der Achsabstand a und die Aussermittigkeit e auf das Ausmass qt, aber stärker als der Achsabstand a und die Aussermittigkeit e auf die Höhenballigkeit ca und die Profilformabweichung ffa aus. So bewirkt Ali = 0,1° ein Ca = 2,5jim und ein fta = 0,6 um.

Eine Änderung des Werkstück-Einstelldrehwinkels V beeinflusst weder die Profilwinkelabweichung fHa noch die Höhenballigkeit Ca noch die Profilformabweichung fta, sondern nur das Ausmass qt. Mit dem Aufmass qt steht demnach eine Grösse zur Verfügung, über die eine praktisch beliebige Zahnweite bei Einflankenbearbeitung realisiert werden kann, ohne das Profil der Flanke dabei zu beeinflussen.

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Eine Änderung der über die Maschinenbewegung erzeugten Schraube ist in Zeile 5 gekennzeichnet durch eine Änderung der Steigungshöhe H. Die Grösse H ist im Zusammenhang mit der Flankento-pografie allerdings unanschaulich. Sie ist deshalb umgerechnet in eine auf die Zahnbreite bezogene Zusatzdrehung A<p des Werkstückes bzw. in den dieser Zusatzdrehung entsprechenden Bogen rb x A<p auf dem Grundkreis der Verzahnung. Als Grundkreisradius ist hier der nach DIN 3960 ohne Berücksichtigung der gewünschten Schränkung bestimmbare Radius gewählt.

Zeile 5 enthält eine zweite Skalierung für rb x A(p.

Zum Aufmass qt in Zeile 5, Spalte 1 der Fig. 1 eine Anmerkung: qt berücksichtigt hier nur den aus der Änderung von Fa resultierenden Anteil auf das «Aufmass». Man erkennt, dass im dargestellten Bereich von A<p dieser Anteil praktisch 0 ist. Die Zusatzdrehung A<p bewirkt aber (bei Einflankenbearbeitung) eine mit dem Axialweg z proportional verlaufende Änderung von qt, denn es gilt:

rb *

q = x 2 (4)

Lß

Dieser Anteil ist in Zeile 5, Spalte 1 in Fig. 1 gestrichelt dargestellt.

Es wird nun vorgeschlagen, den Achsabstand a, die Aussermittigkeit e oder den Schwenkwinkel ti während der Axialschlittenverschiebung zu ändern und so eine Schränkung SFa des Profils zu erzeugen. Gleichzeitig soll die dabei entstehende Flankenlinien-Abweichung über eine Anpassung der Schraubbewegung kompensiert werden.

Erläutert sei die Erzeugung einer Schränkung SFa über eine Achsabstandsänderung. Ändert man den Achsabstand a proportional zum Axialschlittenweg z z.B. so, dass in der Ebene l Aai = - 50 jim und in der Ebene II Aan = + 50 um ist, so erhält man aus der Darstellung gemäss Zeile 1, Spalte 2 in Fig. 1 mit fHai = - 10,85 um und fHaii = + 10,85 um eine Schränkung SF« = 21,7 (im. Aus der Darstellung in Zeile 1, Spalte 1 der Fig. 1 folgt für die oben angegebenen Werte von Aa in den Ebenen I bzw. II ein qti = - 15,65 um bzw. qm = + 15,65 um. Unter den hier angegebenen Bedingungen würden Zähne entstehen, deren Rechtsflanken RF (Fig. 2) einen be-tragsmässig zu grossen Schränkungswinkel bzw. eine zu kleine Steigungshöhe besitzen (IST-Flanken-linie in Fig. 2). Um diese Auswirkung zu kompensieren, muss die Maschinenbewegung so angepasst werden, dass eine auf die Zahnbreite b bezogene Zusatzdrehung rb x Ac? = 31,3 [im erzeugt wird, solange keine Änderung von a vorliegt. Mit der Änderung von a (Achsabstand) erhält man resultierend, also unter Berücksichtigung der Zusatzdrehung, den gewünschten Schränkungswinkel (SOLL-Flankenli-nie in Fig. 2).

Die Zusatzdrehung rb x Atp lässt sich im vorliegenden Fall aufgrund der praktisch linearen Zusammenhänge als Fiankenlinien-Winkelmodifikation Mhp auffassen. Bei Maschinen mit entsprechender Steuerung lässt sich dieser Wert unmittelbar in die Steuerung eingeben; die Maschine führt dann während der Bearbeitung die gewünschte Zusatzdrehung automatisch aus.

Aus Zeile 5, Spalte 2 in Fig. 1 geht hervor, dass bei einer Änderung von H eine Profilwinkelabweichung fHa entsteht. Man könnte deshalb annehmen, dass die erzeugten Profil-Winkelabweichungen in den Ebenen I und II infolge AH um einen konstanten Summanden korrigiert werden müssen. Für eine derartige Korrektur wäre z.B. eine Änderung der oben angegebenen Achsabstände in den Ebenen I und II um einen ebenfalls konstanten Betrag geeignet. In Wirklichkeit darf diese «Korrektur» aber nicht ausgeführt werden, denn AH wird nur benötigt, um sicherzustellen, dass die korrekte Flankenlinie am Werkstück erzeugt wird. Die korrekte Flankenlinie ist aber am Werkstück bei der Berechnung der Abhängigkeiten in den Zeilen 1 bis 3 der Fig. 1 vorausgesetzt. Die in Zeile 5, Spalte 2 in Fig. 1 enthaltene Profilwinkelabweichung würde tatsächlich entstehen, wenn die erzeugte Flankenlinie eine entsprechende Flankenlinien-Winkelabweichung faß aufweisen würde; dies ist aber nicht der Fall.

Es wurde schon darauf hingewiesen, dass im hier diskutierten Beispiel praktisch lineare Beziehungen für faß (Aa), qt (Aa), fHa (Atp) und qt (Atp) bestehen. Damit ergeben sich natürlich praktisch auch lineare Beziehungen für die Modifikation von Achsabstand Aa (z) und Zusatzdrehung Atp (z). Es ist nicht in allen Fällen zulässig, die zur Ermittlung der Maschinenbewegungen erforderlichen Zusammenhänge zu linearisieren. In derartigen Fällen kann man die zu erzeugende Verzahnung für die Berechnung in mehrere schmale Verzahnungen zerlegen, das vorstehend beschriebene Verfahren auf jede einzelne schmale Verzahnung anwenden und die Ergebnisse aneinanderfügen. Dies bedeutet, dass stärker nicht-linear verlaufende Funktionen bereichsweise linearisiert und die Ergebnisse anschliessend zusammengefügt werden. Man erhält dann für Aa (z) und A<p (z) nichtlineare Beziehungen (bereichsweise lineare Beziehungen). Die Verwirklichung dieser Abhängigkeiten über die Maschine ist zumindest bei NC-Maschinen problemlos möglich.

Die für die Steuerung des Bewegungsablaufes der Maschine benötigten Zusammenhänge lassen sich besonders bequem über eine Simulation des Fertigungsprozesses auf einem Digitalrechner ermitteln, weil bei diesem Verfahren die Berechung auch bei Vorliegen nichtlinearer Zusammenhänge in kurzer Zeit durchführbar ist und weil dabei automatisch die - normalerweise geringe - Verlagerung der Berührpunkte zwischen Werkzeug und Werkstück automatisch mit erfasst wird. Die bisher erläuterte Vorgehensweise unterstellt, dass die einzelnen Effekte sich nicht gegenseitig beeinflussen, dass also z.B. bei Anwendung eines bestimmten Ae für die Auswirkung der übrigen Einflüsse die ursprünglich ermittelten Abhängigkeiten ohne Änderung gültig sind. Genauere Ergebnisse erhält man, wenn man die tatsächlich gewählte Kombination von Werkzeug-Einstelldaten und Schraubung als Basis für eine rechnerische Simulation des Fertigungsprozes-

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ses wählt und dabei das zu erwartende Profil berechnet. Man erzeugt dabei z.B. über Aa eine Profilwinkelabweichung fHa und ein qt und iteriert anschliessend Aa und A<p solange, bis auf dem Messzylinder ein Punkt mit der geforderten z-Kom-ponente auf der geforderten Flankenlinien liegt.

Dieses Verfahren ist natürlich auch anwendbar, wenn die zu erzeugende Profilwinkelmodifikation sich nicht proportional mit der Axialschlittenverschiebung ändern soll.

Als Ergebnis erhält man z.B. die Bahnkoordinaten in Abhängigkeit von der jeweiligen Position des Axialschlittens (z-Position) oder unmittelbar das NC-Programm für die Maschine.

Die geforderte Schränkung SF« lässt sich erfindungsgemäss statt über Aa (z) und Acp (z) auch über Ae (z) und A(p (z) beziehungsweise über Ari (z) und A<p (z) sowie über Kombinationen derartiger Funktionen erzeugen. Für Aip (z) gilt in den vorstehend angegebenen Fällen natürlich jeweils quantitativ eine andere Beziehung; dies ergibt sich zwangsläufig aus Fig. 1, wenn man das für Aa (z) und A<p (z) erläuterte Verfahren auf die übrigen Fälle überträgt.

Bei der Erzeugung von SFa über Ae (z) und Acp (z) bzw. über Ari (z) und a<p (z) ist zu beachten, dass neben der gewünschten Schränkung eine geringe Höhenballigkeit bzw. Hohlballigkeit auftritt, deren Betrag sich mit dem Axialweg ändert (siehe die Zeilen 2 und 3, Spalte 3 in Fig. 1). Die Hohlballigkeit lässt sich vermeiden, indem man im vorliegenden Beispiel für Ae nur Werte kleiner 0 und für Ari nur Werte grösser 0 zulässt; siehe hierzu die Zeilen 2 und 3, Spalte 3 in Fig. 1. Wollte man z.B. die Schränkung SFa über Ari (z) und Aip (z) erzeugen, dabei aber Werte für ca < 0, (d.h. Hohlballigkeit) vermeiden, so könnte der Bereich, in dem Ar] (z) geändert wird, näherungsweise symmetrisch um Ati = + 0,1° liegen. Die bei diesem Wert entsprechend Zeile 3, Spalte 2 in Fig. 1 entstehende Profilwinkelabweichung fHa » 20 um kann über eine Anpassung des Achsabstandes entsprechend Zeile 1, Spalte 2 in Fig. 1 kompensiert werden. Die hier erforderliche Anpassung des Achsabstandes ist konstant; sie ändert sich also nicht beim Verfahren des Axialschlittens. Die mit der Anpassung von a verbundene Zunahme von qt (siehe Zeile 1, Spalte 1 in Fig. 1 ) lässt sich bequem über Av (siehe Zeile 4, Spalte 1 in Fig. 1) ausgleichen. Natürlich ist es auch möglich, die zu erwartende Profil-Winkelab-weichung schon bei der Werkzeugauslegung zu berücksichtigen. Man kann dann auf die Änderung von Achsabstand a und Werkstück-Einstelldrehwinkel v verzichten.

Es sei noch einmal darauf hingewiesen, dass für Ari * O stets eine geringe Profilformabweichung auftritt (siehe Zeile 3, Spalte 4 in Fig. 1). Es ist demzufolge in jedem Fall zu prüfen, ob diese Abweichung akzeptiert werden kann oder nicht.

Die zu erwartende Profilformabweichung verläuft S-förmig über dem Wälzweg. Da die Amplitude sich über dem Axialweg ändert, ist eine vollständige Kompensation über die Werkzeugauslegung nicht möglich. Es ist lediglich möglich, einen - z.B. in Zahnbreitenmitte - zu erwartenden Wert bei der

Auslegung zu berücksichtigen. Damit liesse sich die verbleibende Formabweichung über der Zahnbreite etwa halbieren. Im vorliegenden Beispiel ist die zu erwartende Formabweichung allerdings so gering, dass man auf ihre Kompensation verzichten kann, wenn nicht extrem hohe Genauigkeitsforderungen zu erfüllen sind. Sollten nicht zu tolerierende Formabweichungen verbleiben, wird man auf die Erzeugung der Schränkung SF« über Ari (z) und Atp (z) verzichten und einen der alternativ angegebenen Lösungswege wählen.

Das vorgeschlagene Verfahren arbeitet nicht mit konstanten Einstelldaten. Dies führt zu Verlagerungen der das Werkstückprofil ausbildenden Punkte auf dem Werkzeug. Diese Verlagerung lässt sich bei der Simulation des Fertigungsprozesses berechnen und bei der endgültigen Festlegung der nutzbaren Scheiben-(Werkzeug)Profilhöhe berücksichtigen. In einigen Fällen muss die nutzbare Höhe des Scheibenprofils gegenüber der Standardauslegung etwas vergrössert werden, in anderen Fällen könnte sie etwas geringer gewählt werden. Sofern die Untersuchung nicht am Rechner erfolgt, sollte die nutzbare Höhe im Kopf- und Fussgebiet der Scheibe um mindestens Aa/2 vergrössert werden.

Die in Fig. 1 zusammengestellten Abhängigkeiten gelten, wie erwähnt, für die Rechtsflanken von rechtsschrägen Rädern. Führt man entsprechende Untersuchungen für die Linksflanken rechtsschräger Räder durch, so erhält man, abgesehen von der zweiten und vierten Zeile in Fig. 1, die gleichen quantitativen Zusammenhänge wie bei den Rechtsflanken. In den Zeilen 2 und 4 sind die Kurven an der jeweiligen Abszisse gespiegelt; die «Geraden» besitzen also Steigungen mit den für die Rechtsflanken gültigen Werten, aber mit entgegengesetzten Vorzeichen.

Diese Situation lässt sich nutzen, das vorgeschlagene Verfahren auch bei Zweiflankenbearbeitung anzuwenden. Dazu ein für die Praxis interessantes Beispiel: Eine Verzahnung werde im Zweiflankenschliff mit einer parabelförmig verlaufenden Breitenballigkeit cß = 20 (im, bezogen auf die gesamte Zahnbreite, ausgeführt. Die dabei üblicherweise entstehenden Schränkungen betragen auf der Linksflanke SFai_ = 10 (im, auf der Rechtsflanke SFaR = -10 (im. Diese Schränkungen sollen nun vermieden werden. Fig. 3a zeigt, welchen Verlauf die zu vermeidende Profilwinkel-Modifikation über der Zahnbreite besitzt.

Fig. 3b zeigt, welchen Verlauf die zu «erzeugende» Profilwinkel-Modifikation besitzen soll (ausgezogene Linien), um im Endergebnis ein Rad ohne Schränkung zu erhalten.

Um die geforderte Schränkung auf der Rechtsflanke RF zu erzeugen, muss in der Ebene II die

Aussermittigkeit en = Ae» = = +78 um

0/064

und in der Ebene I ei = Aei = -78 (im realisiert werden. Der Faktor 0,064 ist die Steigung der Funktion in Fig. 1, Zeile 2, Spalte 2. Zwischen den Ebenen I und II wäre die Äussermittigkeit e linear zu interpolieren, ausserhalb linear zu extrapolieren.

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Die hier beschriebene Zusatzbewegung liefert noch nicht das gewünschte Ergebnis. Es ist vielmehr erstens die Zusatzdrehung, wie für die Einflankenbearbeitung schon erläutert, so festzulegen, dass die gewünschte Flankenlinie tatsächlich ausgebildet wird. Im vorliegenden Fall erfolgt diese Anpassung allerdings über die Funktion in Fig. 1, Zeile 2, Spalte 1.

Es ist zweitens die Positionierung des Werkzeuges anzupassen; im vorliegenden Beispiel ist der erforderliche Korrekturbetrag allerdings, wie noch gezeigt wird, vernachlässigbar klein.

Aufgrund der Tatsache, dass bei Zweiflankenbearbeitung einer Schrägverzahnung «gleichzeitig» erzeugte Punkte auf dem Messzylinder normalerweise auf beiden Flanken andere z-Komponenten aufweisen, entstehen die in Fig. 3b gestrichelt dargestellten Änderungen der Profilwinkelmodifikationen Mhcc (z).

Man erkennt, dass die in den Ebenen I und II vorhandenen Äussermittigkeiten das Profil der Rechts- und Linksflanken in unerwünschter Weise beeinflussen. Die geforderten Schränkungen sind zwar auf beiden Flanken vorhanden, es liegen aber an allen Stellen zu grosse MHoc-Werte vor. Diese liessen sich über eine Achsabstandsänderung Aa nach Zeile 1, Spalte 2 in Fig. 1 bzw. über eine Schwenkwinkeländerung Ari nach Zeile 3, Spalte 2 in Fig. 1 beseitigen. Dazu wäre die Werkzeugpositionierung geringfügig anzupassen über Aa = -1 um bzw. über Ar) ■= -4". Im vorliegenden Beispiel kann man auf diese Korrektur natürlich verzichten.

Das vorstehend beschriebene Beispiel betrifft eine Zweiflankenbearbeitung mit parabelförmig verlaufender Breitenballigkeit. Diese wird über eine praktisch ebenfalls parabelförmig verlaufende Änderung des Achsabstandes Aa(z) erzeugt. Die Tatsache, dass die verfahrensbedingte Schränkung SF«v beseitigt wurde, bedeutet aber nicht, dass nun in allen Stirnschnitten fHa konstant ist, sondern nur, dass in den Messebenen l und II gleiche fHa vorliegen. Tatsächlich wird fHa im vorliegenden Beispiel zur Zahnbreitenmitte hin grösser. In Zahnbreitenmitte steht also der Kopf der Verzahnung verglichen mit der Situation in den Ebenen I und II vor. Die Erklärung dieses Effektes erhält man aus der Änderung des Achsabstandes Aa (z) unter Berücksichtigung des Zusammenhanges gemäss Zeile 1, Spalte 2 in Fig. 1. Es ist möglich, über der Zahnbreite eine konstante Profilwinkelabweichung fHa oder eine nach einem vorgegebenen Gesetz verlaufende Profilwinkelabweichung fHa (z) zu erzeugen über eine weitere Bewegung, nämlich über eine an die gewünschte Abhängigkeit fHa (z) angepasste Bewegung auf der Bahn Ari (z).

Die für das Topoflex-Verfahren bei Zweiflankenbearbeitung benötigten Werkzeuge unterscheiden sich nur unwesentlich von konventionell eingesetzten Werkzeugen. Für das Topoflexverfahren müssen die Werkzeuge in der Dicke angepasst werden an die aus den jeweiligen Zusatzbewegungen resultierenden Einflüsse auf die Zahnweite. Zusätzlich muss das Werkzeug (Scheibe) in dem an die Werkstückgeometrie angepassten Bereich ausreichend Sicherheit für die Verlagerung der Arbeitspunkte infolge der geänderten Einsteildaten Aa, Ae, Ari und aH erhalten.

Nach dem Topoflex-Verfahren lassen sich auch topologische Flankenmodifikationen erzeugen. Topologische Modifikationen sind z.B. erwünscht an Schaberädern, Rollrädern, Abrichträdern, mitunter aber auch an grossen, hochgenauen Rädern im Schiffs- und Turbinengetriebebau. Das Verfahren lässt sich wie folgt beschreiben:

Der Konstrukteur legt, wie vorstehend angedeutet, ein Netz von Messpunkten auf der Flanke fest und gibt für jeden dieser Punkte an, um welchen Betrag er gegenüber der unmodifizierten Evolven-ten-Schraubenfläche vorstehen oder zurück liegen soll.

Die Messpunkte und die Modifikationen werden in eine Tangentialebene an den Grundzylinder der unmodifizierten Verzahnung transformiert. Anschliessend wird, z.B. unter Venwendung von Spli-nes, eine möglichst gleichmässig verlaufende Fläche durch die lagemodifizierten Punkte bestimmt, die Verzahnung in Ni-Streifen der Breite ALa und Nj Scheiben mit einer Dicke Az zerlegt (Fig. 4). Damit erhält man in der oben angegebenen Tangentialebene als Fiächenelemente Parallelogramme mit den Seitenlängen ALa und Az/cos ßt>. Der Mittelpunkt Pm (i, j) des Elementes (i, j) hat die Koordinaten (Li + Zj x tan ßb), Zj. Der Punkt P'm auf der oben berechneten Fläche liegt um Mß (i, j) über Pm (i, j). Messzylinder für den Streifen i sei der Zylinder konzentrisch zur Verzahnungsachse, der z.B. durch den Punkt Pm (i, j) verläuft. Nun werden die Steigungen der P'm (i. j) enthaltenden Flächenelemente M Ha (i, j) im Stirnschnitt bzw. MHß (i, j) auf dem Messzylinder bestimmt.

Die Berechnung der Bahnkoordinaten für die Maschinenbewegungen erfolgt nun so, dass die erzeugte Flanke jeden Punkt P'm (i, j) enthält und -z.B. über die Aussermittigkeit Ae des Werkzeuges das entsprechende Mhk (i. j) sowie über eine entsprechende Zusatzdrehung das geforderte Mhp (i, j) erzeugt wird. Der Berechnungsvorgang läuft iterativ ab. Es ist natürlich auch möglich, MHa (i, j) über Aa bzw. über Ari oder über Kombinationen aus Ae, Aa und Ati zu erzeugen.

Liegen die Bahnkoordinaten für einen Streifen fest, ist der Einstelldrehwinkel v des Werkstückes zu ermitteln. Dazu wird das in einem beliebigen Element des Streifens ermittelte «Aufmass» qt ermittelt und mit dem Sollwert an dieser Stelle verglichen. Die erforderliche Drehung des Werkstückes zur Postionierung für die Bearbeitung des Streifens ist Ay = qt/rtj.

Die vorstehend beschriebene Vorgehensweise wird anschliessend auf alle Streifen der Linksflanken und der Rechtsflanken der Verzahnung angewendet. Schliesslich werden die Bahnkoordinaten in die Steuerung der Maschine geladen und die Bearbeitung durchgeführt. Jeder Streifen wird separat erzeugt, also je Werkstückumdrehung auf jeder Linksflanke bzw. Rechtsflanke ein Streifen. Es gibt Flanken mit Modifikationen, die im diskontinuierlichen Profiiverfahren nicht in einem Arbeitsgang erzeugt werden können. Dabei handelt es sich z.B. um Flanken, von denen bestimmte Bereiche gegen5

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über dem verbleibenden Teil der Flanke zurückliegen sollen. Der verbleibende Teil wird im folgenden als Hauptteil der Flanke bezeichnet. In einfachen Fällen lassen sich die zurückzulegenden Partien wieder über Evolventen-Schraubenflächen beschreiben und erzeugen.

Zur Erzeugung auch komplizierterer Flankenrücknahmen eignet sich das Topoflex-Verfahren. Dabei bearbeitet man zunächst den Hauptteil der Verzahnung, entsprechend der geforderten Topografie gegebenenfalls konventionell im Ein- oder Zweiflankenschnitt. In einem oder mehreren weiteren Schritten wird die gewünschte Rücknahme erzeugt. Die Flanken werden separat bearbeitet mit angepasster Werkzeug- und Werkstückpositionierung sowie angepasster Maschinenbewegung.

Es wird vorgeschlagen, die Begrenzungslinie zwischen dem Hauptteil und dem zurückzulegenden Teil der Flanke zu beschreiben, z.B. in einer Tangentialebene an den Grundzylinder, und entweder einen Zylinder konzentrisch zur Verzahnungsachse festzulegen, z.B. den Kopf-Formzylinder und/oder den Fuss-Formzylinder, auf dem der Verlauf der Rücknahme z.B. in Form Mß (z) beschrieben wird, oder einen Stirnschnitt, z.B. in der Nähe der Ebene I und/oder II, in dem der Verlauf der Rücknahme z.B. in der Form Fa (Ly) beschrieben wird. Ly ist der Wälzweg zum Punkt mit dem beliebigen Radius ry (siehe DIN 3960).

Aus diesen Angaben wird anschliessend iterativ die Bahn der Maschine, also z.B. Ae (z) und Atp (z) für feste Werte a und ti iterativ berechnet und zusätzlich die erforderliche Verdrehung des Werkstük-kes als Änderung des Werkstückeinstelldrehwinkels A\|/ bestimmt. Wie vorstehend erläutert, erhält man Av aus dem Vergleich des unter den gewählten Einstelldaten und Bahnen für die Maschinenbewegungen zu erwartenden «Aufmasses» qt an einer bestimmten Stelle der Verzahnung mit dem Sollwert für qt an dieser Stelle.

Nach dem Topoflex-Verfahren lassen sich praktisch beliebige Begrenzungslinien zwischen Hauptteil der Flanke und dem zurückzulegenden Bereich verwirklichen; in Fig. 5 sind einige Beispiele angegeben. Natürlich sind Form und Betrag der Rücknahme im Bereich der an zylindrischen Verzahnungen erwünschten Rücknahmen praktisch beliebig wählbar.

Fig. 6 zeigt eine Maschine zur Durchführung der beschriebenen Verfahren. Sie hat einen Antrieb 1 für eine Werkzeugspindel 3, auf der das Werkzeug

0 sitzt. Mit dem Antrieb 1 für die Drehung der Werkzeugspindel 3 wird die Schnittgeschwindigkeit erzeugt. Das zu bearbeitende Werkstück 2 ist auf einem Tisch 7 befestigt, der mit einem Antrieb 4 um seine Achse gedreht werden kann. Der Antrieb

1 ist an einem Schlitten 8 gelagert, der an einem Ständer 9 in vertikaler Richtung verstellbar ist. Der Ständer 9 selbst ist auf dem Maschinenbett 10 senkrecht zur Verstellrichtung des Schlittens 8 versteilbar. Schliesslich ist der Antrieb 1 um eine senkrecht zur Verstellrichtung des Schlittens 8 liegende Achse 11 einstellbar. Auf dem Ständer 9 ist ein Antrieb 5 für die Verstellung des Schlittens 8 in Höhenrichtung angeordnet. Der Antrieb 1 seinerseits ist senkrecht zur Verstellrichtung des Ständers und des Schlittens 8 verstellbar. Zur Erzeugung der Schraubbewegung zwischen Werkzeug 0 und Werkstück 2 sind die Mittel 4 bis 6 vorgesehen. Die Antriebe 4 und 5 sind an eine Steuerung 6 angeschlossen, welche die von den Antrieben 4 und 5 erhaltenen Signale verarbeitet und ein Regelsignal 12 an den Antrieb 4 zur Drehung des Werkstückes 2 abgibt.

Zur Erzeugung der Schraubbewegung zwischen Werkzeug 0 und Werkstück 2 wird eine Relativverschiebung zwischen dem Werkzeug 0 und dem Werkstück 2 in Richtung der Werkstückachse z und eine der Steigungshöhe H der Schraube entsprechende Drehung des Werkstückes 2 durchgeführt. Im dargestellten Ausführungsbeispiel wird das Werkzeug 0 mittels des Antriebes 5 und des Schlittens 8 in Richtung der Werkstückachse z im gewünschten Mass verschoben, wobei gleichzeitig der Antrieb 4 das Werkstück 2 im erforderlichen Masse dreht. Die hierfür erforderlichen Messwerte erhält die Steuerung 6 von den Antrieben 4 und 5, die mit dem Regelsignal 12 dann das Werkstück 2 entsprechend dreht, um die gewünschte Steigungshöhe zu erhalten. Die Zustellbewegung a wird durch Verfahren des Ständers 9 auf dem Maschinenbett 10 radial zum Werkstück 2 erzeugt. Durch Drehen des Werkstückes 2 mittels des Antriebes 4 kann der jeweils erforderliche Werkstück-Einstelldrehwinkel v bzw. die Zusatzdrehung Aip des Werkstückes 2 vorgenommen werden. Die Einstellung der Aussermittigkeit e erfolgt durch Verschieben des Antriebes 1 bzw. des Werkzeuges 0 in Richtung ihrer Achse, während zur Einstellung des Schwenkwinkels ri der Antrieb 1 mit dem Werkzeug 0 um die Achse 11 gedreht wird.

Claims (9)

Patentansprüche

1. Verfahren zum Zahnflankenschleifen oder -frä-sen innen- bzw. aussenverzahnter Werkstücke mit einem profilierten scheibenförmigen Werkzeug im diskontinuierlichen Teilverfahren, bei dem die Werkzeugdrehung im wesentlichen die Schnittgeschwindigkeit erzeugt und das Werkzeug zur Bearbeitung einer Flanke am Werkstück eine Schraubbewegung ausführt, der zur Erzeugung von Flankenlinienmodi-fikationen eine Änderung des Achsabstandes und/ oder eine Änderung des Drehanteils der Schraubbewegung in Abhängigkeit von der jeweiligen Momentanstellung axial zum Werkstück überlagert ist und bei dem zur Erzeugung einfach profilmodifizierter Flanken ein entsprechend angepasstes und/oder ein entsprechend positioniertes Werkzeug eingesetzt wird und/oder die Flanken in mehreren Durchgängen bei angepasster Werkzeugpositionierung, aber gleicher Bewegung erzeugt werden, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erzeugung komplizierterer Flankenmodifikationen neben der zur Erzeugung einfach modifizierter Flanken benötigten Bewegung eine Zusatzbewegung ausgeführt wird, die aus mindestens zwei in unterschiedlichen Achsen der Maschine verlaufenden Anteilen zusammengesetzt ist, wobei die einzelnen Anteile so aufeinander abgestimmt sind, dass eine vorgeschriebene Schränkung

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der Flanken entsteht, wobei als Zusatzbewegung für eine Einfiankenbearbeitung zur Erzeugung der Schränkung

Aa (z) und Acp (z)

und/oder

Ae (z) und Acp (z)

und/oder

Ati (z) und A<p (z)

ausgeführt werden, wobei die Änderungen Aa (z) den Achsabstand

Ae (z) die Scheibenposition in Richtung ihrer Drehachse,

Ari (z) den momentanen Schwenkwinkel und

A<p (z) den Drehanteil der Schraubbewegung betreffen, und zwar zugeordnet jeweils der Momentanstellung (z) des Werkzeuges in Richtung der Werkstückachse.

2. Verfahren zum Zahnflankenschleifen oder -fräsen innen- bzw. aussenverzahnter Werkstücke mit einem profilierten scheibenförmigen Werkzeug im diskontinuierlichen Teilverfahren, bei dem die Werkzeugdrehung im wesentlichen die Schnittgeschwindigkeit erzeugt und das Werkzeug zur Bearbeitung einer Lücke am Werkstück eine Schraubbewegung ausführt, der zur Erzeugung von Flankenlinienmodi-fikationen eine Änderung des Achsabstandes und/ oder eine Änderung des Drehanteils der Schraubbewegung in Abhängigkeit von der jeweiligen Momentanstellung axial zum Werkstück überlagert ist und bei dem zur Erzeugung einfach profilmodifizierter Flanken ein entsprechend angepasstes und/oder ein entsprechend positioniertes Werkzeug eingesetzt wird und/oder die Flanken in mehreren Durchgängen bei angepasster Werkzeugpositionierung, aber gleicher Bewegung, erzeugt werden, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erzeugung komplizierter Flankenmodifikationen neben der zur Erzeugung einfach modifizierter Flanken benötigten Bewegung eine Zusatzbewegung ausgeführt wird, die aus mindestens zwei in unterschiedlichen Achsen der Maschine verlaufenden Anteilen zusammengesetzt ist, wobei die einzelnen Anteile so aufeinander abgestimmt sind, dass eine vorgeschriebene Schränkung der Flanken entsteht, wobei für eine Zweiflankenbearbeitung Ae (z) und Acp (z) als Zusatzbewegung zur Erzeugung der Schränkung der Linksflanke und der Rechtsflanke ausgeführt werden und zusätzlich bei schrägverzahnten Werkstücken die aus dem Versatz der Bearbeitungsspuren auf den Links- bzw. Rechtsflanken des Werkstückes resultierende Profilwinkelabweichung kompensiert wird durch Positionierung des Werkzeuges auf einen angepassten mittleren Achsabstand und/oder auf einen angepassten mittleren Schwenkwinkel und die Werkzeuggeometrie so angepasst wird, dass der aus der Anpassung von Achsabstand und/oder Schwenkwinkel resultierende Einfluss auf die Zahnweite des Werkstückes über die Werkzeugdicke berücksichtigt wird und die profilierte Zone des Werkzeuges ausreichende Sicherheit für die Verlagerung der Arbeitspunkte zum Beispiel infolge Achsabstandsänderung erhält, wobei die Änderungen

Ae (z) die Scheibenposition in Richtung ihrer Drehachse und

Acp (z) den Drehanteil der Schraubbewegung betreffen, und zwar zugeordnet jeweils der Momentanstellung (z) des Werkzeuges in Richtung der Werkstückachse.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Flanken aus mindestens zwei Flächenelementen zusammengesetzt werden, die in getrennten Arbeitsgängen mit jeweils geänderter Einstellung erzeugt werden, wobei mindestens zwei der vier Einstelldaten Achsabstand (a), Aussermittigkeit (e) des Werkzeuges, Schwenkwinkel (n) und Einstelldrehwinkel (y) des Werkstückes für die Erzeugung des jeweiligen Flächenelementes unterschiedlich gewählt werden.

4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Werkzeug (0) mit angepasster Auslegung und/oder angepasster Positionierung für die Zusatzbewegung eingesetzt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die profilierte Zone des Werkzeuges ausreichend Sicherheit für die Verlagerung der Arbeitspunkte auf dem Werkzeug zum Beispiel infolge Aa (z) erhält.

6. Verfahren nach Anspruch 2 zur Erzeugung breitenballiger Flanken, dadurch gekennzeichnet, dass die aus der die Breitenballigkeit erzeugenden Achsabstandsänderung der Profilwinkelabweichung (fHa (z)) kompensiert wird über eine angepasste Schwenkwinkeländerung (Ati (z)).

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bearbeitung bestimmter Partien von Zahnflanken, die gegenüber dem Hauptteil der Zahnflanken um definierte Beträge zurückzulegen sind, der Fertigungsprozess iterativ über Anpassung der Einstelldaten und Bewegungen so simuliert wird, dass die geforderten Bedingungen - Betrag der Rücknahme und Übergangslinie zum Hauptteil der Flanke - eingehalten sind und die so ermittelten Bahnkoordinaten für den Bewegungsablauf während der Bearbeitung genutzt werden.

8. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 7, mit einem Antrieb für die Drehung der Werkzeugspindel zur Erzeugung der Schnittgeschwindigkeit, mit Antriebseinrichtungen zur Erzeugung einer Schraubbewegung zwischen Werkzeug und Werkstück, bestehend aus einer Relativverschiebung zwischen Werkzeug und Werkstück in Richtung der Werkstückachse und einer der Steigungshöhe der Verzahnung entsprechenden Drehung des Werkstük-kes, einer Regeleinheit zur Erzeugung einer Teilbe-

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wegung, einer Zustellbewegung radial zum Werkstück und/oder in Werkstücksumfangsrichtung und mit den Antrieben sowie der Regeleinheit zur Erzeugung einer Flankenlinienmodifikation durch Änderung des Achsabstandes und/oder der Werkstückdrehung während der Axialschlittenverschiebung, sowie mit Antrieben zur Positionierung des Werkzeuges bezüglich Achsabstand, Aussermittigkeit und Schwenkwinkel und zur Positionierung des Werkstückes bezüglich Ausgangsdrehwinkel für eine Bearbeitung, dadurch gekennzeichnet, dass während der Bearbeitung abhängig von der momentanen Axialschlittenstellung (z) das Werkzeug (0) um eine Achse, die der kürzesten Verbindung von Werkzeug- und Werkstückachse entspricht, schwenkbar ist oder zumindest Bewegungen ausführen kann, die Komponenten in der angegebenen Bewegungsrichtung aufweist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkzeug (0) während der Bearbeitung abhängig von der momentanen Axialschlittenstellung (z) in Richtung seiner Achse verschiebbar ist.

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