HINTERGRUND DER ERFINDUNG
1. Gebiet der Erfindung
Diese Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Herstellen einer Verzahnung nach dem Abwälzverfahren zum Schleifen von Geradstirn- bzw. Zylinderzahnrädern, Schrägzahnrädern und anderen Zahnrädern auf einer Form- bzw. Profilverzahnungsschleifmaschine zur Verwendung zum Form- bzw. Profilverzahnungsschleifen dieser Zahnräder. Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren zum Herstellen einer Verzahnung nach dem Abwälzverfahren, das dahingehend vielseitig ist, dass es die Verwendung von Schleifscheiben bzw. -rädern unterschiedlicher Formen erlaubt und ausserdem die erforderliche Anzahl von Zahnradindexierungen bzw. Weiterschaltungen verringern kann.
2. Stand der Technik
Zu den bekannten Verfahren zum Schleifen von Zahnrädern gehört auch ein Verfahren, das ein scheibenartiges Rad zum Form- bzw. Profilverzahnungsschleifen verwendet, sowie ein Verfahren, das zahnstangenartige oder schneckenartige Schleifsteine zum Verzahnungsschleifen nach dem Abwälzverfahren verwendet. Die Fig. 3 verdeutlicht das Form- bzw. Profilverzahnungsschleifen. Gemäss der Darstellung wird dazu eine Schleifscheibe bzw. -rad 24 verwendet, deren bzw. dessen Profil 24a einem Zahnzwischenraum 23a des Werkrads 23 komplementär ist. Das Werkrad 23 ist auf einem Index bzw. Drehkopf einer Hauptspindel befestigt und wird zum Weiterschalten um einen Zahn gedreht, sobald der Schleifvorgang für einen Zahnzwischenraum beendet ist. Fig. 4 verdeutlicht das Verfahren zum Schleifen nach dem Abwalzverfahren bzw. Wälzschleifen einer Verzahnung.
Gemäss der Darstellung werden Relativbewegungen zwischen einer Schleifscheibe bzw. -rad (die im dargestellten Beispiel ein schneckenartiges Rad 22 ist) und einem Werkrad 23 entsprechend dem gegenseitigen Eingriff erzeugt. Beim Form- bzw. Profilverzahnungsschleifen ändert sich das Profil des Schleifrades bzw. Schleifscheibe mit der Anzahl der Zähne oder dem Schrägverzahnungswinkel sogar innerhalb desselben Moduls. Sofern eine solche Änderung notwendig wird, ist das Schleifrad unbedingt auszutauschen oder muss korrigiert werden. Wird eine Schleifmaschine mit einem Abrichtwerkzeug verwendet, muss das Schleifrad unter Umständen nicht ersetzt werden, wenn die Korrektur des Profils geringfügig ist. Ändert sich jedoch die Zähnezahl um einen grossen Betrag, kann die genaue Zahnform nicht erzielt werden, wenn das Schleifrad bzw. die Schleifscheibe nicht ersetzt wird.
Unter diesem Gesichtspunkt ist das Form- bzw. Profilverzahnungsschleifverfahren nicht geeignet für eine Kleinserienfertigung grosser Zahnräder.
Beim Verzahnungsverfahren nach dem Abwälzverfahren kann dasselbe Schleifrad verwendet werden, wenn der Modul gleich bleibt, sofern eine Korrektur des Zahnprofils nicht erforderlich ist. Im Folgenden wird das Prinzip des Abwälzverfahrens anhand der Fig. 5 beschrieben. Fig. 5 zeigt ein Beispiel eines Zahnrads mit einem Modul von 7, einer Zähnezahl von 17 und einem Schrägverzahnungswinkel von 8 DEG . Die Abwälzbewegung verläuft von der Position im oben links bei (1) dargestellten Zustand zur Position im oben rechts dargestellten Zustand (3), dann vom Mitte links gezeigten Zustand (4) zur Position im rechten Zustand (6) und sodann von dem Zustand (7) unten links zur Position im Zustand (9) (linke Seite). Im Zustand (9) rechts unten sind neun Bewegungsbahnen des zahnstangenartigen Schleifprofils 25 gezeigt. Diese Bewegungen zeigen ein Zahnprofil.
Das zahnstangenartige Schleifprofil 2b wird entlang der Verzahnungswälzbahn bzw. Teillinie A des Werkrads von der Position im Zustand (1) zur Position im Zustand (9) bewegt. Während dieser Bewegung wird das Werkrad von Position (1) im Zustand (1) zur Position (9) im Zustand (9) gedreht. Die Verschiebung des zahnstangenartigen Schleifprofils 2b erfolgt entlang der Verzahnungs-Schnittwälzbahn bzw. Teillinie A und die Verschiebung des Werkrads erfolgt entlang des Bezugs-Wälzkreises bzw. -Teilkreises B. Mit C ist die Bezugs-Wälzbahn bzw. -Teillinie des zahnstangenartigen Schleifrades bezeichnet. Wenn das Verzahnungsprofil nur für die rechte Seite geschliffen bzw. bearbeitet werden soll, genügt die Bewegung vom Zustand (1) zum Zustand (6).
Wie bereits zuvor erwähnt wurde, ist es für das Form- bzw. Profilschleifen erforderlich, eine Vielzahl von Schleifrädern vorzusehen. Insbesondere bei der Fertigung von Zahnrädern unterschiedlicher Zähnezahl in kleinen Losgrössen ist die Produktivität dieses Verfahrens dem Wälzverfahren unterlegen. Bei Verwendung einer herkömmlichen Verzahnungsschleifmaschine, die nach dem Abwälzverfahren arbeitet und die ein scheibenartiges Schleifrad mit demselben Profil wie ein Zahnstangenprofil aufweist, treten Eingriffsbewegungen von Zahnstange und Zahnrad auf. Beispielsweise wird ein Schrägzahnrad durch Eingriffsbewegung einer Schrägzahnstange und eines Schrägzahnrads gefertigt. Das bedeutet, dass die Eingriffslinie des Schrägzahnrades bezüglich der Zahnflanke geneigt ist.
Ausserdem erfordert das Schleifen des Schrägzahnrades eine vergleichsweise lange Zeit im Vergleich zum Geradstirnzahnrad. Beträgt die Profilüberdeckung des Schrägzahnrads beispielsweise 1,2, wird die doppelte Schleifzeit wie bei einem Geradstirnzahnrad bzw. gerade verzahntem Stirnrad benötigt. Die Fig. 6 zeigt gleichzeitige Kontaktlinien von miteinander in Eingriff stehenden Zahnflanken einer schräg verzahnten Zahnstange 26 und eines Werkrads 27. Mit (1) bis (7) sind die Kontaktlinien bezeichnet. Das Schleifrad vollführt das Schleifen entlang dieser gleichzeitigen Kontaktlinien.
Betreffend die Zahnformkorrektur wird beim Wälzschleifverfahren die Kopfhöhe und die Fusshöhe bzw. Fusstiefe des Schleifrades durch das Abrichtwerkzeug korrigiert. Zur Ermittlung eines gegebenen Korrekturwerts ist eine komplizierte Berechnung erforderlich. Der Grund dafür liegt darin, dass die Zahnstangenform korrigiert wird, bevor die Zahnstange in Kontakt mit dem Werkrad gebracht wird.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die Erfindung soll die zuvor erläuterten Nachteile beim Stand der Technik beseitigen und ein Verfahren zum Herstellen einer Verzahnung nach dem Abwälzverfahren in Vorschlag bringen, mit dem Wälzschleifen eines Zahnrades auf einer Form- bzw. Profilverzahnungsschleifmaschine möglich ist.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung eines Verfahrens zum Herstellen einer Verzahnung nach dem Abwälzverfahren, das eine verringerte Anzahl von Indexierungen bzw. Weiterschaltungen eines Schrägzahnrades im Vergleich zur Wälzschleifverzahnungsmaschine nach dem Stand der Technik erfordert. Ausserdem soll das Verfahren eine Fertigpolygon-Fehlersteuerung (ready polygon error control) auf der Anwenderseite sowie vielseitige Verwendung mit Schleifrädern unterschiedlicher Formen bzw. Profile bei der Verzahnungsherstellung ermöglichen.
Diese Aufgabe wird durch das im Patentanspruch 1 definierte Verfahren gelöst.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
Im Folgenden wird die Erfindung anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine Vorderansicht einer Form- bzw. Profilverzahnungsschleifmaschine, die zur Ausführung des erfindungsgemässen Verfahrens verwendbar ist,
Fig. 2 eine Teilseitenansicht der Formverzahnungsschleifmaschine von Fig. 1,
Fig. 3 eine Vorderansicht zur Erläuterung der Beziehung zwischen einem Werkrad und einem Formschleifrad bei einem Profilschleifverfahren,
Fig. 4 eine Vorderansicht zur Erläuterung der Beziehung zwischen einem Werkrad und einem zahnstangenartigen Schleifrad bei einem Verfahren zum Herstellen einer Verzahnung nach dem Abwälzverfahren,
Fig. 5 eine Darstellung zur Verdeutlichung des Prinzips der Verzahnung nach dem Abwälzverfahren,
Fig.
6 eine Darstellung eines Modells gleichzeitiger Kontaktlinien der Flanken von in gegenseitigem Eingriff stehender schräg verzahnter Zahnstange und Werkrad,
Fig. 7 eine Darstellung zur Verdeutlichung eines Beispiels einer Korrektur eines zahnstangenartigen Schleifrads bei einem Abwälzverfahren gemäss dem Stand der Technik,
Fig. 8 eine Darstellung zur Erläuterung des Unterschieds zwischen den Verfahren zum Herstellen einer Verzahnung nach dem Abwälzverfahren gemäss der Erfindung und denen gemäss dem Stand der Technik hinsichtlich gleichzeitiger Kontaktlinien zwischen einem Schleifrad und einem Werkrad bei Vorschub des Schleifrads in der Richtung der Flankenlinie,
Fig.
9 eine Darstellung zur Verdeutlichung eines Zustands, bei dem bei dem erfindungsgemässen Verfahren eine Arbeitsfläche eines CBN-Schleifrades um einen Betrag delta von einer Zahnstangenbezugslinie nach innen beabstandet ist, und
Fig. 10(a) bis (c) Darstellungen zur Verdeutlichung der Prinzipien der Polygon-Fehlerbewertung bzw. Schätzung gemäss der Erfindung.
BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSFORMEN
Gemäss den Fig. 1 und 2 ist ein Z-Achsentisch bzw. Schlitten 20 für die Hin- und Herbewegung nach links und rechts (d.h. in den Richtungen der Z-Achse) auf einem Maschinenbett 21 vorgesehen. Ein Indexkopf 13 und ein Reitstock 14 sind auf dem Z-Achsentisch so montiert, dass ihre Achsen zueinander ausgerichtet sind bzw. miteinander fluchten. Der Z-Achsentisch 20 ist mittels eines Z-Achsenservomotors 16, der auf einer Seite des Maschinenbetts 21 angeordnet ist, über eine Kugelumlaufspindel 18 und eine Kugelumlaufmutter 17 in den Richtungen der Z-Achse hin- und herbewegbar. Die Achse des Indexkopfes 13 wird als C-Achse bezeichnet. Das Werkrad ist so zwischen den Indexkopf 13 und den Reitstock 14 eingesetzt, dass dessen Achse mit der C-Achse fluchtet. Ein Ständer 1 steht von einem hinteren Abschnitt des Maschinenbetts 21 nach oben.
Ein Y-Achsenschlitten 5 ist in vertikaler Richtung (d.h. in der Richtung der Y-Achse) verschiebbar am Ständer 1 montiert.
Ein Radkopfhalter 7 ist an der Vorderseite des Y-Achsenschlittens 5 montiert, und ein Radkopf 8 mit einer Schleifradwelle 19 ist am Radkopfhalter 7 befestigt. Am unteren Ende der Schleifradwelle 19 ist, an Stelle eines geraden, zahnstangenartigen Schleifsteins, wie er beim Verfahren zum Herstellen einer Verzahnung nach dem Abwälzverfahren gemäss dem Stand der Technik verwendet wird, ein scheibenartiges Schleifrad 9 mit einem Krümmungsradius entlang der Kante, wie es zum Form- bzw. Profilverzahnungsschleifen verwendet wird, montiert. Der Radkopfhalter 7 kann um eine horizontale Achse (d.h. die A-Achse), die senkrecht zur zuvor erwähnten C-Achse und durch die Mitte des Rades 9 verläuft, mittels eines A-Achsenservomotors 6, der am Y-Achsenschlitten 5 gehalten wird, um 360 DEG gedreht bzw. verschwenkt werden.
In dem Fall, in dem das Werkrad ein Schrägzahnrad ist, wird das Schleifrad 9 gemäss dem Schrägungswinkel um die A-Achse gekippt bzw. gedreht und tritt in einen Zahnzwischenraum des auf dem Indexkopf 13 befestigten Werkrads ein. Das Werkstück wird sodann durch Form- bzw. Profilverzahnungsschleifen in der in Fig. 3 gezeigten Lagebeziehung geschliffen. Ist der Schleifvorgang für einen Zahnzwischenraum beendet, schaltet der Indexkopf 13 zum nächsten Zahnzwischenraum weiter. Dieser Vorgang wird entsprechend der Zahnzahl des Werkrads wiederholt.
Um mit der zuvor beschriebenen Form- bzw. Profilverzahnungsschleifmaschine eine Verzahnung nach dem Abwälzschleifverfahren herzustellen, wird ein Ablauf wie der mit den Bewegungen einer Zahnstange und eines Zahnrades, welche zuvor anhand von Fig. 5 beschrieben wurde, mit der Bewegung des zahnstangenartigen Schleifprofils, das am unteren Ende der Schleifradwelle befestigt ist, in der Y-Richtung sowie der Indexdrehung des Werkrads mittels des Indexkopfes 13 erreicht. Natürlich kann für eine Bewegung in der Zahnbreitenrichtung der Z-Achsentisch 20 in der Z-Achsenrichtung bewegt werden. In diesem Fall kann die gleiche Bewegung wie die einer schraubenförmigen Bewegung erreicht werden, indem der Z-Achsentisch 20 gleichzeitig mit der Bewegung der Y-Achse bewegt wird.
Können jedoch der Z-Achsentisch 20 und die C-Achse des Indexkopfs 13 bewegt werden, während die Y-Achse fixiert bleibt, ist es anders als bei der Schleifmaschine nach dem Stand der Technik möglich, sogar ein schräg verzahntes Zahnrad bzw. Schrägstirnrad mit derselben Anzahl von Operationen wie ein Geradstirnrad zu schleifen. In Verbindung mit der Fig. 5 ist jeder der Zustände (1) bis (9) in der Zahnbreitenrichtung fixiert (bei dem Abwälzschleifverfahren gemäss dem Stand der Technik führt die Bewegung in der Zahnbreitenrichten zum Übergang vom Zustand (1) zum Zustand (2) und sodann zum Zustand (3)).
Wie aus den Fig. 6 und 8 hervorgeht, ist es durch Anwendung des zuvor beschriebenen Verfahrens möglich, eine Verzahnung nach dem Abwälzschleifverfahren deutlich effizienter als nach dem Stand der Technik durchzuführen. Aus Fig. 8 ist erkennbar, dass bei einer kontinuierlichen Abwälzbewegung nach dem bekannten Schleifverfahren die gleichzeitigen Kontaktlinien 29 der Zahnflanken des Schleifsteins und des Werkrades geneigt sind. Gemäss der Erfindung verlaufen die Kontaktlinien gerade entlang der Flankenlinie. Ausserdem kann die Zahnformkorrektur einfach durch Steuerung der Zahnstangenverschiebung erreicht werden. Beispielsweise kann die Zahnformkorrektur erreicht werden, indem die Zahnstange noch weiter nach rechts im linken oberen Zustand (1) in Fig. 5 bewegt wird.
Hinsichtlich der zuvor beschriebenen Zahnformkorrektur werden bei dem bekannten Schleifverfahren die Kopfhöhe und die Fusshöhe eines Zahnrades korrigiert, indem die Kopfhöhe und die Fusshöhe des Schleifrades korrigiert werden (vgl. Fig. 7). Die Berechnungen zur Ermittlung der Korrekturgrössen sind kompliziert, da ein vorgegebener Korrekturwert in die Zahnstangenzahnform umgerechnet wird. Gemäss der Erfindung wird jedoch eine Korrekturgrösse bezüglich der Eingriffslinie angegeben, sodass es möglich ist, beispielsweise die Korrekturgrösse/cos( alpha c) für die Bewegung des zahnstangenartigen Schleifsteins in der Y-Richtung zu verwenden.
Gemäss der Erfindung ist es ausserdem möglich, das Verzahnungsschleifen nach dem Abwälzverfahren unter Verwendung eines durch galvanische Metallabscheidung hergestellten CBN-Schleifrades für das Form- bzw. Profilverzahnungsschleifen durchzuführen. Beim Verfahren nach dem Stand der Technik kann ein durch galvanische Metallabscheidung hergestelltes CBN-Schleifrad nicht verwendet werden, wenn die Zähnezahl des Schrägungswinkels selbst bei gleichem Modul verändert wird. Die Anwendung des zuvor beschriebenen Abwälzverfahrens sowie der Zahnformkorrekturtechniken erlaubt jedoch ein Schleifen nach dem Abwälzverfahren durch Korrektur lediglich der Abweichung bzw. des Versatzes von der Zahnstange in der Y-Achsenbewegung des Schleifrades. Bei diesem Verfahren muss das Querschnittprofil des Schleifrades kein gerades Zahnstangenprofil sein.
Gemäss Fig. 9 ist das CBN-Schleifrad 30 um den Abstand AA min = delta von der Bezugslinie D der Zahnstange nach innen beabstandet. In diesem Fall kann zum Schleifen eine Verschiebung um delta /cos( alpha c) in der Y-Achsenrichtung erfolgen. In diesem Beispiel weist dieses CBN-Schleifrad ein Modul von 4 und eine Zähnzahl von 60 auf.
Die Anzahl der Indexschritte führt zu einer Abweichung von der Abwicklungskurve bzw. Evolvente (Polygonfehler). Es ist schwierig, den Polygonfehler mit der Schleifmaschine nach dem Stand der Technik zu steuern bzw. zu kontrollieren; daher kann er auf der Bedienerseite nicht eingestellt werden. Gemäss der Erfindung kann der Abstand CD gemäss Fig. 10 auf später noch zu beschreibende Weise als Fehlergrösse analytisch bestimmt werden. Somit kann die Anzahl der Indexschritte automatisch berechnet werden, wenn eine Fehlergrösse gegeben ist.
im Folgenden wird ein Verfahren zum Schätzen des einer Zahnprofilkurve entsprechenden Polygonfehlers (beispielsweise des Krümmungsradius der Evolvente) beschrieben werden. Gemäss den Fig. 10(a) bis (c) ist die Kurve ADB eine theoretische Zahnform- bzw. Zahnflankenkontur einer Verzahnung und die Geradensegmente AC und CB sind Teile der tatsächlichen Zahnform. Mit A und B sind Koordinaten des Werkrads bezeichnet und die Neigungen der Geradensegmente AC und CB sind im Voraus bekannt.
Der Radius Rg eines Grundkreises kann aus Rp cos( alpha s) ermittelt werden, wobei Rp der Radius eines Wälzkreises bzw. Teilkreises ist. alpha s ist. ein axial normaler Eingriffswinkel, der gegeben ist als
tan<-><1> tan( alpha c) / cos( beta )Ü;
chi /2 ist der spezifische Winkel eines Grundkreises in Fig. 10(c), der gegeben ist als
EMI10.1
wobei Z die Zähnezahl ist.
Zuerst wird der Polygonscheitel C(Xc, Yc) als Schnittpunkt der Geradensegmente AC und BC erhalten.
Geradensegment AC:
EMI10.2
... (1)
Geradensegment BC:
EMI10.3
... (2)
Durch gleichzeitiges Lösen der Gleichung (1) und (2) erhält man:
EMI10.4
... (3)
EMI10.5
... (4)
sodann wird die Länge des Geradensegments CE ermittelt.
Aus Fig. 10(c) ergibt sich:
Geradensegment
EMI11.1
... (5)
Geradensegment
EMI11.2
... (6)
Somit ergibt sich:
Geradensegment
EMI11.3
... (7)
Winkel ANGLE COE = alpha im Dreieck COE ergibt sich als alpha = tan<-><1> (Geradensegment CE/Rg)
Winkel ANGLE GOH = beta ergibt sich als beta = tan<-><1> (yc/xc)
Winkel ANGLE EOH = gamma ergibt sich als gamma - /2 - ( alpha + beta )
Punkt E (xE, yE) auf dem Grundkreis ergibt sich als E (xE, yE) = (Rg sin gamma , Rg cos gamma )
Winkel ANGLE FOE = epsilon ergibt sich als epsilon = /2 - ( chi /2 + gamma ) = alpha + beta - chi /2 ... (8)
Sodann wird der Radius DE der Krümmung der Involvente erhalten als:
DE = epsilon . Rg ... (9)
Durch Verwendung der Gleichungen (7) und (8) wird der Polygonfehlerbetrag CD bezüglich des Zahnprofils ermittelt als:
CD (Polygonfehler) = CE (Geradensegment) - DE (Krümmungsradius der Evolvente)
EMI12.1
... (10)
Auf diese Weise kann die Grösse des Polygonfehlers abgeschätzt werden.
Gemäss der vorstehenden Beschreibung kann im Falle eines Schrägzahnrades gemäss der Erfindung im Vergleich zum Abwälzschleifverfahren nach dem Stand der Technik die Anzahl der Indexschritte verringert werden. Zusätzlich kann der Polygonfehler einfach auf der Benutzerseite gesteuert werden. Ausserdem können, anders als bei dem Abwälzschleifverfahren nach dem Stand der Technik, gemäss der Erfindung Schleifsteine oder Schleifräder mit unterschiedlichen Formen bzw. Profilen verwendet werden. Beispielsweise werden bei dem Stand der Technik Schleifsteine mit geraden Querschnittprofilen zum Schleifen von Evolventenverzahnungen durch Abwälzschleifen verwendet, wohingegen gemäss der Erfindung auch die Verwendung von Schleifsteinen mit gekrümmten Profilquerschnitten möglich ist, wie sie beim Form- bzw. Profilverzahnungschleifen verwendet werden.