CH707100B1 - Verfahren zum Wälzschleifen eines Werkstückes mit Zähnen. - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Wälzschleifen eines Werkstückes mit Zähnen, wobei eine Schleifschnecke tangential in Breitenrichtung vershiftet und/oder parallel zur Werkstückachse verschoben wird, wobei eine Vorschubbewegung der Schleifschnecke in axialer Richtung zum Werkstück gefahren wird, die in Abhängigkeit der Gangzahl der Schleifschnecke und der Zahnzahl des Werkstückes gesteuert wird.

Description

Beschreibung [0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Wälzschleifen eines Werkstückes mit Zähnen mit einer Schleifschnecke.

[0002] Die zum Wälzschleifen eingesetzten schneckenförmigen Schleifwerkzeuge sind üblicherweise deutlich breiter als ihre reine Eingriffbreite ausgeführt. Dies hat regelmässig den Zweck, diverse Shiftmethoden des Werkzeugs, d. h. entlang der Drehachse der Schleifschnecke, anwenden zu können, um die Zahnräder in spezieller W/eise zu schleifen. Hierbei besteht die Möglichkeit, das Werkzeug diskontinuierlich in Werkzeugachsenrichtung zu vershiften, um beispielsweise unterschiedliche Schleifbereiche der Schleifschnecke auszunutzen.

[0003] Aus der DE 3 707 607 A1 ist ein Schleifverfahren bekannt, bei dem die Schleifschnecke während des Schleifvorgangs kontinuierlich in axialer Werkzeugrichtung vershiftet wird, um ein Werkstück mit spezieller modifizierter Zahnflankentopologie bzw. Oberflächenstruktur zu erhalten.

[0004] Ein wesentlicher Nachteil bei diesem nach dem Stand der Technik bekannten Schleifvorgang besteht darin, dass sich die Zahntopologie einzelner Zahnlücken des Werkstückes an seinem Umfang geringfügig unterscheiden kann. Aufgrund des Werkzeugvorschubs parallel zur Werkstückachse bei gleichzeitiger Axial- und/oder Diagonalbewegung des Werkzeuges werden alle Zähne zu unterschiedlichen Zeiten fertiggestellt. Daher steht aufgrund der Vorschubbewegung mit jedem Werkstückzahn ein unterschiedlicher Werkzeugbereich in Eingriff. Die angesprochene Tatsache führt zu messbaren Abweichungen der einzelnen Zahntopologien des bearbeiteten Werkstückes.

[0005] Die Abweichungen liegen zwar üblicherweise lediglich im Mikrometer-Bereich, jedoch kann sich eine derart geringfügige Abweichung deutlich wahrnehmbar auf das Laufgeräusch der Verzahnung, insbesondere bei geräuschkritischen Verzahnungen, auswirken.

[0006] Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zum Schleifen und/oder Diagonalschleifen von Werkstücken mit korrigierter Verzahnungsgeometrie und modifizierter Oberflächenstruktur aufzuzeigen, das die vorstehende Problematik zu überwinden weiss.

[0007] Diese Aufgabe wird durch das Verfahren gemäss den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungen des Verfahrens sind Gegenstand der sich an den Hauptanspruch anschliessenden abhängigen Ansprüche.

[0008] Gemäss Anspruch 1 wird ein Verfahren zum Schleifen eines Werkstückes mit Zähnen vorgeschlagen, um ein Werkstück mit korrigierter Verzahnungsgeometrie und bzw. oder modifizierter Oberflächenstruktur herzustellen. Als Schleifwerkzeug wird eine Schleifschnecke eingesetzt. Zur Bearbeitung des Werkstücks wird die Schleifschnecke während des Schleifvorgangs parallel zur Werkstückachse verschoben und beim Diagonalschleifen zusätzlich in tangentialer Richtung zum Werkstück, d. h. in Breitenrichtung des Werkzeugs, vershiftet.

[0009] Die Tangentialbewegung erfolgt vorzugsweise kontinuierlich während eines vollständigen Schleifhubs.

[0010] Wird während des Schleifvorgangs nur ein geringer Vorschub in Radialrichtung zum Werkstück gefahren, so weisen einzelne Verzahnungen des Werkstücks unter Umständen mehr oder weniger grössere Abweichungen bezüglich ihrer Zahntopologie bzw. Flankentopologie auf. Dieser Effekt wird insbesondere dadurch verstärkt, wenn das verwendete Werkzeug selbst eine topologische Korrektur zur Erzeugung einer korrigierten Verzahnungsgeometrie und/oder modifizierten Oberflächenstruktur aufweist und im Diagonalschleifverfahren geschliffen wird.

[0011] Während bei den Schleifverfahren nach dem Stand der Technik der Vorschub unabhängig von der Werkstückzähnezahl im Rahmen der Technologiegrenzwerte nahezu beliebig modifiziert werden kann, liegt der Erfindung der Kerngedanke zugrunde, die Vorschubbewegung des Schleifwerkzeuges in axialer Richtung in Abhängigkeit ein oder mehrerer Parameter zu steuern. Erfindungsgemäss erfolgt die Steuerung der Vorschubbewegung des Werkzeuges in Abhängigkeit von der Werkzeuggangzahl und der Zähnezahl des Werkstückes.

[0012] Der technologisch als optimal erkannte Vorschubwert wird vorzugsweise mit der Zähnezahl des Werkstückes und/ oder mit der Werkzeuggangzahl multipliziert. Durch diesen Ansatz wird jeder Breitenbereich einer Zahnflanke von einem definierten Werkzeugbereich bearbeitet. Dies führt zu einer sehr gleichmässigen Flankentopologie über allen Werkstückzähnen.

[0013] Mit dieser ermittelten Vorschubgeschwindigkeit wird zunächst ein erster Schleifhub ausgeführt und das Werkstück bearbeitet. Für die Ausführung des nächsten Schleifhubes muss das Werkstück genau um eine oder mehrere Zahnlücken weitergetaktet werden und es findet eine analoge Folgebearbeitung statt. Das Zahnrad ist fertiggestellt, wenn genauso viele Schleifhübe, wie das Zahnrad Zähne hat, durchgeführt wurden.

[0014] Durch das erfindungsgemässe Verfahren kann sichergestellt werden, dass nach z (z Zähnezahl des Werkstücks) Schleifhüben das Zahnrad fertiggestellt wird. Abweichungen zwischen den einzelnen Zahntopologien des Werkstückes werden nahezu vollständig vermieden bzw. auf ein Minimum reduziert. Das Verfahrenserzeugnis weist eine wahrnehmbar höhere Profilqualität gegenüber Erzeugnissen auf, die nach einem bekannten Schleif- und Diagonalschleifverfahren hergestellt werden.

[0015] Idealerweise wird die Vorschubgeschwindigkeit in axialer Richtung parallel zur Werkstückachse in Abhängigkeit des Übersetzungsverhältnisses von Werkzeugzähnezahl zu Werkzeugstückzähne bestimmt.

[0016] Zudem besteht die Möglichkeit, die verwendete Schleifschnecke entlang ihrer Achsrichtung in zwei oder mehrere Schleifbereiche zu unterteilen. Zweckmässig ist die Separierung der Schleifschnecke in wenigstens einen Schruppbereich sowie wenigstens einen Schlichtbereich. Folglich ist die Tangentialbewegung bzw. Diagonalbewegung der Schleifschnecke während des Schlicht- bzw. Schruppbetriebs auf den jeweiligen Schleifbereich begrenzt.

[0017] Wie eingangs beschrieben wurde, liegen die Topologieabweichungen der einzelnen Verzahnungen aufgrund des Diagonalschleifverfahrens nur im Mikrometerbereich. Während des Schruppbetriebs spielt eine derartige Mikrometerabweichung nur eine untergeordnete Rolle. In diesem Fall ist es zweckmässig, nur eine geringfügige Vorschubbewegung während des Schruppbetriebs zu fahren. Üblicherweise wird dabei auch auf die Diagonalbewegung des Werkzeuges verzichtet.

[0018] Die Qualität der Verzahnung wird während des Schlichtbetriebs erzeugt. Vor diesem Hintergrund ist es besonders vorteilhaft, dass während des Schlichtbetriebs die Vorschubgeschwindigkeit in Abhängigkeit der Schneckengangzahl und bzw. oder der Zahnzahl des Werkstückes bzw. alternativ in Abhängigkeit des Übersetzungsverhältnisses von Werkzeugzähnezahl zu Werkzeugzähne gesteuert wird.

[0019] Die Vorschubgeschwindigkeit während des Schruppbetriebs liegt zweckmässigerweise im Bereich zwischen 0,2 mm und 1mm pro Werkstückumdrehung, kann aber unter bestimmten Bedingungen auch höher liegen. In der Regel wird hier mit einer kontinuierlichen Vorschubgeschwindigkeit im gewünschten Geschwindigkeitskorridor gefahren.

[0020] Mit dem erfindungsgemässen Verfahren lassen sich sowohl zylindrische Stirn- als auch zylindrische Schrägverzahnungen schleifen. Werkstücke mit einer korrigierten Topologie weisen besonders vorteilhafte Laufeigenschaften auf. Insbesondere wird bei Getrieben die Laufcharakteristik anhand des Laufgeräusches ausgemacht. Eine korrigierte Flankentopologie bzw. modifizierte Oberflächenstruktur der Getriebezahnräder führt bei geeigneter Wahl zu besonders leisen und angenehmen Geräuschverhältnissen.

[0021] Es kann vorgesehen sein, dass mittels der Schleifschnecke auf wenigstens einer Zahnflanke des Werkstückes in wenigstem einem Profilbereich der Zahnflanke Flankenmodifikationen bzw. Flankenwelligkeiten, insbesondere periodische Flankenmodifikationen bzw. Flankenwelligkeiten, erzeugt werden.

[0022] Hierzu ist vorzugsweise eine speziell abgerichtete Schleifschnecke und/oder eine Überlagerung der normalen Arbeitsbewegungen der Schleifmaschine mit oszillierenden Zusatzbewegungen einzelner am Schleifprozess beteiligter Maschinenachsen notwendig. Das Schleifwerkzeug für dieses Verfahren ist eine Schleifschnecke, deren Oberflächenstruktur abgerichtet und profiliert wird, um die periodische Flankenwelligkeit auf der aktiven Oberfläche erzeugen zu können. Mittels eines Abrichtwerkzeuges werden vorzugsweise einzelne Profilbereiche der Schleifschnecke freigelegt, die im anschliessenden Schleifhub am Werkstück nicht zu Eingriff kommen. Alternativ oder zusätzlich können durch oszillierende Zusatzbewegungen einzelner, am Prozess beteiligter Maschinenachsen im Schleifprozess Modifikationen oder Welligkeiten auf der Zahnflanke über Teile der Flanke oder über der gesamten Werkstückbreite erzeugt werden.

[0023] Unter Schleifhub im Sinne dieser Erfindung versteht man einen Bearbeitungsschritt bei dem das Schleifwerkzeug in axialer Richtung, parallel zur Werkstückachse bewegt wird und dabei zumindest Teilbereiche der Zahnradflanken zwischen den beiden Stirnflächen bearbeitet.

[0024] Wenn das Werkzeug in einen Schrupp- und einen Schlichtbereich aufgeteilt ist, kann auch nur der Schlichtbereich über seiner gesamten Breite spiralförmig abgerichtet werden und für diesen speziellen Prozessschritt vorbereitet sein.

[0025] Neben der für diese vorteilhafte Ausführungsform des Verfahrens aufbereiteten Schleifschnecke können auch noch Zusatzbewegungen einer oder mehrerer am Schleifprozess beteiligter Maschinenachsen notwendig sein.

[0026] Mögliche Achsbewegungen sind dabei oszillierende Bewegungen einer oder mehrerer Maschinenachsen in radialer oder tangentialer Richtung zur Verzahnung, abhängig von der aktuell bearbeiteten Werkstückbreitenposition. Diese Zusatzbewegungen erzeugen periodisch wiederkehrende Oberflächenstrukturen oder Welligkeiten in dem bearbeiteten Profilhöhenbereich auf der Zahnflanke, die zu einer anregungsoptimierten Zahnradoberfläche führen.

[0027] Die Amplitude dieser Strukturen oder Welligkeiten liegt dabei im Mikrometerbereich.

[0028] Eine Zustellbewegung in einer ersten Ausführungsform kann eine radiale Zustellbewegung des Werkzeuges zum Werkstück hin oder vom Werkstück weg sein. Diese Bewegung wird der für den Schleifhub notwendigen Zustellbewegung überlagert und erfolgt dabei in Abhängigkeit von der Werkstückbreitenposition oder von dem Schleifschneckendrehwinkel.

[0029] Eine weitere Form einer Zusatzbewegung kann in Form einer tangentialen Zusatzbewegung in Richtung der Werkzeugachse erfolgen. Des Weiteren ist eine Modifikation in Form von zusätzlich überlagerter Beschleunigung oder Verzögerung zu den Drehbewegungen der Werkzeug- und/oder Werkstückdrehbewegung möglich. Auch über diese Zusatzbewegungen kann eine wellige Flankenstruktur erzeugt werden [0030] Auch über ein Schwenken der Schleifschnecke können Modifikationen auf der Zahnflanke erzeugt werden. Durch ein Schwenken des Schleifwerkzeuges wird die Werkzeugbreite im Eingriff erhöht oder ggf. reduziert. Auch damit lassen sich Welligkeiten oder Modifikationen auf der Zahnflanke erzeugen.

[0031] Die Oszillation der Zusatzbewegungen kann dabei phasenverschoben oder phasenversetzt zur den Zusatzbewegungen im ersten Schleifhub erfolgen. Damit wird ein ungleichmässiges Welligkeitsbild auf der Flanke der Verzahnung erzeugt.

[0032] Die Wiederholung der Schleifhübe mit der oder ohne die zugehörigen Zusatzbewegung erfolgt so lange, bis die gesamte Zahnflanke der Verzahnung bearbeitet worden ist. Durch die Verschiebung der Phasenlage der Welligkeit je Hub, kann ein phasenverschobenes Wellenmuster über der Profilhöhe bzw. Zahnbreite erzeugt werden.

[0033] Die Erfindung betrifft des Weiteren eine Verzahnmaschine zur Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens bzw. einer vorteilhaften Ausführungsform des Verfahrens. Die Maschine benötigt offensichtlich neben den bekannten Rotationsachsen zum Antrieb des Schleifwerkzeugs bzw. des Werkzeugtisches eine Antriebseinheit zum Verfahren der Schleifschnecke tangential zum Werkstück sowie eine weitere Antriebseinheit zum Verschieben der Schleifschnecke parallel zur Werkstückachse.

[0034] Diese Achsen sind bei Maschinen nach dem Stand der Technik vorhanden. Zur Nutzung der Erfindung müssen zusätzlich Mittel vorgesehen sein, die eine Steuerung der Vorschubbewegung in Abhängigkeit der Gangzahl der Schleifschnecke und/oder der Zahnzahl des Werkstückes bzw. des entsprechenden Übersetzungsverhältnisses gestatten.

[0035] Die Vorteile und Eigenschaften der erfindungsgemässen Verzahnmaschine entsprechen offensichtlich denen des erfindungsgemässen Verfahrens, weshalb an dieser Stelle auf eine wiederholende Erläuterung verzichtet wird.

[0036] Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung werden anhand von Figuren näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1: eine perspektivische Ansicht einer CNC-Wälz- und Profilschleifmaschine zur Durchführung des erfindungs gemässen Verfahrens,

Fig. 2: ein hergestelltes Zahnrad mit acht Zähnen,

Fig. 3a: ein Schliffbild eines Zahnrads gemäss Fig. 2, hergestellt nach einem aus dem Stand der Technik bekann ten Schleifverfahren und

Fig. 3b: ein Schliffbild eines Zahnrads, hergestellt nach dem erfindungsgemässen Verfahren.

[0037] Fig. 1 zeigt eine perspektivische Ansicht einer CNC-Wälz- und Profilschleifmaschine zur Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens. Die Wälz- und Profilschleifmaschine weist dabei die für die Bearbeitung notwendigen Freiheitsgrade auf und kann insbesondere die eingezeichneten Bewegungen A1, B1, B3, C2, C3, C5, V1, X1, Z1 sowie Z4 ausführen. Im Einzelnen beschreibt X1 die Radialbewegung des Ständerschlittens, V1 die Tangentialbewegung des Werkzeugs, Z1 die Axialbewegung des Werkzeugs, B1 die Drehbewegung des Werkzeugs, C2 die Drehbewegung des Werkstücks, A1 die Schwenkbewegung des Werkzeugs, Z4 die Vertikalbewegung des Gegenhalters, C3 die Drehbewegung des Ringladers, B3 die Drehbewegung des Abrichtwerkzeugs sowie C5 den Schwenkwinkel des Abrichtwerkzeugs zur Änderung des Eingriffswinkels am Werkzeug.

[0038] Zur Ausführung des erfindungsgemässen Verfahrens ist auf dem Werkzeugtisch 3 das entsprechende Werkstück eingespannt. Auf der Werkzeugwelle 5 sitzt eine entsprechende Schleifschnecke als Bearbeitungswerkzeug, die um die Drehachse B1 zur Ausführung des Diagonalschleifverfahrens rotiert. Während des Schleifvorgangs wird die Schleifschnecke parallel zur Werkstückachse mittels des Schlittens in Z1 -Richtung verschoben. Gleichzeitig erfolgt eine Tangential-vershiftung bzw. Diagnonalvershiftung der Schleifschnecke zum Werkstück in V1-Richtung.

[0039] Für ein optimiertes Schleifergebnis wird die Vorschubbewegung entlang der Achse Z1 in Abhängigkeit des Übersetzungsverhältnisses zwischen der Schneckengangzahl und der Zähnezahl des Werkstücks bestimmt, und zwar derart, dass lediglich eine Zahnlücke pro Schleifvorgang fertiggestellt wird.

[0040] Die Steuerung der Vorschubbewegung in Z1 -Richtung erfolgt nur während der Feinbearbeitung, d.h. der Schlichtbearbeitung des Werkstückes. Insbesondere wird der Vorschubwert je Werkstückumdrehung mit der Zähnezahl des Werkstückes multipliziert. So wird die Vorschubgeschwindigkeit so weit nach oben genommen, dass je Hub immer nur eine Lücke gleichzeitig fertiggestellt wird. Damit gelten für alle Lücken gleiche Eingriffsbedingungen über der Werkstückbreite. Somit ist die Flankentopologie bei allen Zahnlücken vergleichbar.

[0041] Selbstverständlich kann eine entsprechende Steuerung der Vorschubbewegung auch während der Schruppbearbeitung eines Werkstückes erfolgen.

[0042] Die Fig. 2 zeigt ein Zahnrad mit acht Zähnen 1-8, wie es beispielsweise mit dem erfindungsgemässen Verfahren geschliffen werden kann. Die Zahnflanken sind dabei jeweils beschriftet mit LF=Linke Flanke und RF=Rechte Flanke.

[0043] Fig. 3a zeigt ein Schliffbild der acht linken Flanken eines Zahnrades gemäss Fig. 2, die nach der Wälzschleifmethode gemäss dem Stand der Technik geschliffen wurden. In der Übersicht der Fig. 3a sind die Flanken nebeneinander angeordnet dargestellt. Das Bezugszeichen 10 kennzeichnet exemplarisch eine Eingriffslinie der Schleifschnecke zu einem Zeitpunkt tx. Der Abstand 20 zeigt den Vorschub des Werkzeuges parallel zur Werkstückachse pro Werkstückumdrehung an. In diesem Fall ist ein kontinuierlicher Vorschub von 0,2 bis 1 mm je Werkstückumdrehung aufgezeigt. Gut erkennbar

Claims (9)

1. ist der Höhenversatz der einzelnen Eingrifflinien zwischen den aufeinanderfolgenden Zahnflanken. Der Höhenversatz wird durch die schräg verlaufende Linie 30 zusätzlich verdeutlicht. [0044] Fig. 3b zeigt die jeweils acht linken Flanken einer Verzahnung, die nach dem erfindungsgemässen Verfahren wälzgeschliffen wurden. Insgesamt sind dazu acht Schleifhübe 1S bis 8S durchgeführt worden. Diese Schleifhübe 1S bis 8S sind mit Linien unterschiedlichen Aussehens eingezeichnet, um den jeweiligen Schleifhub auf einer Zahnflanke besser identifizieren zu können. Die Anzahl der Schleifhübe pro Werkstück entspricht der Zähnezahl. Der Vorschubweg 40 pro Werkstückumdrehung entspricht dem Normalvorschub, multipliziert mit der Zähnezahl des Werkstückes, was in diesem Fall Z x (0,2 bis 1mm) entspricht. Durch den zähnezahlabhängigen Vorschub gleichen sich die Schliffbilder auf den einzelnen Flanken der Fig. 3b. Nach Z Eingriffslinien in Richtung der Zahnflanke wiederholt sich das Schleifbild, was durch die Markierungen 50 und 60 gekennzeichnet ist. Patentansprüche

   1. Verfahren zum Wälzschleifen eines Werkstückes mit Zähnen, wobei eine Schleifschnecke parallel zur Werkstückachse verschoben wird und/oder tangential in Breitenrichtung vershiftet wird, dadurch gekennzeichnet, dass eine Vorschubbewegung der Schleifschnecke in einer Richtung parallel zur Werkstückachse gefahren wird, die in Abhängigkeit der Gangzahl der Schleifschnecke und der Zähnezahl des Werkstückes gesteuert wird, wobei eine Vorschubgeschwindigkeit der Vorschubbewegung parallel zur Werkstückachse so bestimmt wird, dass je Schleifhub immer nur eine Zahnlücke gleichzeitig fertiggestellt wird.
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorschubgeschwindigkeit parallel zur Werkstückachse in Abhängigkeit des Übersetzungsverhältnisses von Gangzahl der Schleifschnecke zu Werkstückzähnezahl gesteuert wird.
3. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Bearbeitung des Werkstückes in mehreren Schleifhüben ausgeführt wird.
4. 4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass während des Schruppbetriebs eine geringere Vorschubgeschwindigkeit gewählt wird als im Schlichtbetrieb.
5. 5. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorschubgeschwindigkeit während des Schruppbetriebs im Bereich von 0,2 mm bis 1,5 mm, insbesondere im Bereich von 0,2 mm bis 1 mm, pro Werkstückumdrehung liegt.
6. 6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schleifschnecke über die Schleifbreite für den Schlichtbetrieb eine topologische Korrektur aufweist.
7. 7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass daraus ein Werkstück mit Zähnen resultiert, welches eine Stirnverzahnung oder eine Schrägverzahnung aufweist.
8. 8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mittels der Schleifschnecke auf wenigstens einer Zahnflanke des Werkstückes in wenigstem einem Profilbereich der Zahnflanke eine periodische Flankenmodifikation, insbesondere Flankenwelligkeit, erzeugt wird.
9. 9. Verzahnmaschine zur Durchführung des Verfahrens zum Wälzschleifen eines Werkstückes mit Zähnen nach einem der Ansprüche 1 bis 8, welche Rotationsachsen zum Antrieb einer Schleifschnecke bzw. eines Werkzeugtisches sowie eine Antriebseinheit zum Verfahren der Schleifschnecke tangential zum Werkstück sowie eine weitere Antriebseinheit zum Verschieben der Schleifschnecke parallel zu einer Werkstückachse umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass die Verzahnmaschine zusätzlich Mittel aufweist, die eine Steuerung der Vorschubbewegung in Abhängigkeit der Gangzahl der Schleifschnecke und der Zähnezahl des Werkstückes, insbesondere eines entsprechenden Übersetzungsverhältnisses, gestatten.