DE10054795A1

DE10054795A1 - Verzahnungsbearbeitung doppelseitig verzahnter Kronenräder

Info

Publication number: DE10054795A1
Application number: DE10054795A
Authority: DE
Inventors: Walter Wirz
Original assignee: Reishauer AG
Current assignee: Reishauer AG
Priority date: 2000-11-04
Filing date: 2000-11-04
Publication date: 2002-06-13
Also published as: ITMI20012251A1; JP2002192423A; US6739943B2; JP3917844B2; US20020077030A1

Abstract

Das auf der Werkzeugspindel (14) einer numerisch gesteuerten Zahnradwälzschleif- oder Abwälzfräsmaschine gespannte Werkzeug (13) ist aufgrund der erfindungsgemäßen konstruktiven Gestaltung des Werkzeugkopfes (17) dazu geeignet, mit seinen einander gegenüberliegenden Seiten (18, 19) die obere und untere Verzahnung (2, 3) eines doppelseitig verzahnten Kronenrades (1) in derselben Aufspannung und ohne Lösen der beim Schleifen der ersten Verzahnung eingehaltenen Synchronität zwischen Schleifschnecken- und Werkstückdrehung kollisionsfrei zu bearbeiten. Dadurch entfällt die Notwendigkeit, das Werkstück (1) zwischen der Bearbeitung der beiden Verzahnungen (2, 3) umzuspannen, wodurch die Gesamtbearbeitungszeit erheblich verkürzt und Genauigkeitsverluste durch das Umspannen des Werkstücks (1) vermieden werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Schleifen oder Wälzfräsen von Kronenradverzahnungen.

Dank der modernen NC-Technik auf den heutigen Werkzeugmaschinen ist es möglich geworden, Kronenradverzahnungen im kontinuierli chen Wälzverfahren in höchster Präzision zu bearbeiten. Der ent scheidende Schritt hierzu war die Lösung der Aufgabe, die dazu benötigten geometrisch sehr komplizierten schneckenförmigen Werkzeuge in der erforderlichen Genauigkeit herzustellen.

Hochgenaue Kronenräder sind unter anderem in Helikoptergetrieben vorteilhaft, weil damit Winkelgetriebekonstruktionen möglich sind, die sich mit Kegelrädern nicht oder nur wesentlich aufwen diger bauen lassen. Beispielsweise sind Getriebekonstruktionen bekannt, die dank Momentensplitting trotz sehr hoher übertragba rer Leistungen sehr kompakte Abmessungen und ein geringes Ge wicht aufweisen. Momentensplitting bedeutet, dass das Antriebs drehmoment bei der Übertragung auf eine Abtriebswelle aufgeteilt und über zwei oder mehr Zahneingriffe auf das selbe Abtriebs zahnrad geleitet wird. Durch diese Massnahme lässt sich das Ab triebszahnrad für eine vorgegebene Leistung kleiner und damit leichter dimensionieren.

Eine vorteilhafte Bauart einer solchen Getriebestufe mit Momen tensplitting erfordert ein Abtriebskronenrad, welches am Radum fang zwei einander gegenüberliegende Verzahnungen aufweist. In jede dieser Verzahnungen greift ein Ritzel ein und überträgt die Hälfte des Gesamtdrehmoments. Von besonderer Wichtigkeit für die optimale Nutzung des Momentensplitting ist, dass die Momenten aufteilung sehr exakt erfolgt. Deshalb müssen die beiden Kronen radverzahnungen bezüglich ihrer Winkellage um die Drehachse sehr genau zueinander ausgerichtet sein.

Die Herstellung solcher doppelter Kronenradverzahnungen ist bis her sehr anspruchsvoll und muss in zwei Operationen erfolgen:

1. Bearbeiten der ersten Verzahnung; dann Abspannen, Wenden und erneutes Aufspannen des Werkstücks.
2. Genaues Ausrichten der bereits bearbeiteten Verzahnung zum Werkzeug derart, dass die zweite zu bearbeitende Verzahnung auf die vorgegebene Lage zur ersten Verzahnung bearbeitet wird; danach Bearbeiten der zweiten Verzahnung.

Dieser Prozess ist zeitaufwendig und birgt die Gefahr von Genau igkeitsverlusten.

Zweck der Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung anzugeben, welche die Herstellung solcher doppelseitig verzahn ter Kronenräder wesentlich erleichtern und eine höhere erreich bare Genauigkeit gewährleisten. Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale der Ansprüche 1 und 3 gelöst.

Die Erfindung wird nachfolgend am Beispiel des Schleifens der beiden Verzahnungen eines doppelseitig verzahnten Kronenrades auf einer numerisch gesteuerten Kronenradwälzschleifmaschine er klärt. Sie ist aber sinngemäss ebenso gut auf einer numerisch gesteuerten Kronenradabwälzfräsmaschine anwendbar.

Erfindungsgemäss besteht das Verfahren darin, dass mit einem be sonders ausgebildeten Werkzeugkopf, der einen Einsatz der Werk zeugschnecke auf zwei einander gegenüberliegenden Seiten ermög licht, die beiden Verzahnungen eines doppelt verzahnten Kronen rades in derselben Aufspannung ohne Lösen der beim Schleifen der ersten Verzahnung eingehaltenen Synchronisation zwischen Schleifschnecken- und Werkstückdrehung zu bearbeiten.

Dadurch lassen sich zugleich mehrere Vorteile erzielen:

1. Das Umspannen des Werkstücks zum Schleifen der zweiten Ver zahnung entfällt, was die Gesamtbearbeitungszeit erheblich verkürzt.
2. Werkstück und Spannmittel müssen deshalb nur für eine Auf spannlage ausgeführt sein.
3. Die beiden bearbeiteten Verzahnungen laufen sehr genau kon zentrisch und winkelmässig definiert zueinander, was eine erhöhte Qualität der Lastverteilung zur Folge hat.
4. Die gegenseitige drehwinkelmässige Ausrichtung der Verzah nungen kann sehr einfach und hochgenau über die Steuerung erfolgen, was ebenfalls zur Erhöhung der gesamten Verzah nungsqualität beiträgt.

Ein weiterer besonderer Vorteil des erfindungsgemässen Verfah rens liegt darin, dass sich topologisch korrigierte doppelseiti ge Kronenradverzahnungen, bei denen die Topologie durch Modifi kationen des Werkzeugflankenprofils erzeugt wird, nacheinander schleifen lassen, ohne dass ein Umprofilieren oder Auswechseln des Werkzeugs zwischen den beiden Operationen notwendig ist. Dies deshalb, weil jeweils die Zug- und Schubflanken von beiden Verzahnungen bei der Bearbeitung mit denselben Partien des Werkzeugs in Berührung kommen, während beim bekannten Verfahren mit Umspannen des Werkstücks zwischen der Bearbeitung der ersten und zweiten Verzahnung die Zuordnung der Werkzeugflanken zu den Werkstückflanken wechselt.

Anhand der Fig. 1 bis 4 wird ein Ausführungsbeispiel der Erfin dung verdeutlicht werden. Es zeigen:

Fig. 1 den Axialquerschnitt eines doppelseitigen Kronenrad getriebes,

Fig. 2 den Arbeitsraum einer üblichen Kronenradschleif maschine,

Fig. 3 die erfindungsgemässe Vorrichtung zum Schleifen von doppelseitigen Kronenrädern in derselben Aufspannung,

Fig. 4 symbolisch das erfindungsgemässe Schleifverfahren und

Fig. 5 einen perspektivischen Ausschnitt der Verzahnung des Kronenrades.

In Fig. 1 ist schematisch der Querschnitt eines doppelt verzahn ten Abtriebskronenrades 1 gezeigt, wie es beispielsweise in He likoptergetrieben verwendet wird. Auf die beiden Verzahnungen 2, 3 wird mittels der separaten Antriebsritzel 4, 5 je ein Teil des Antriebsdrehmomentes übertragen. Die Achsen 6, 7 der Ritzelwel len 8, 9 können parallel oder in einem bestimmten Neigungswinkel δ zueinander liegen. Im zweiten Fall ist mindestens eine der Kro nenradverzahnungen 2, 3 konkav oder konvex.

Die oben erwähnte genaue tangentiale Ausrichtung der Kronen radverzahnungen 2, 3 zueinander kann derart sein, dass jeweils die Zahnlückenmitte der beiden Verzahnungen auf einem definier ten. Radius in derselben Ebene durch die Kronenradachse liegen oder aber um den Offsetwinkel ε zueinander versetzt sind.

Fig. 2 zeigt den Arbeitsraum einer üblichen NC-gesteuerten Kro nenradwälzschleifmaschine. Das zu bearbeitende Kronenrad 1 ist mittels einer geeigneten Spannvorrichtung 10 auf der Werkstück spindel 11 aufgespannt. Es rotiert während der Bearbeitung um seine Achse 12. Die Schleifschnecke 13 ist auf der Schleifspin del 14 montiert, welche im Schleifkopf 15 drehbar gelagert ist und vom Schleifmotor 16 über hier nur beispielhaft angedeutete Mittel 25 angetrieben wird. Während der Bearbeitung der Kronen radverzahnung 2 drehen Werkstück 1 und Schleifschnecke 13 ent sprechend dem Verhältnis Schleifschneckengangzahl zu Kronenrad zähnezahl synchron zueinander, während sich der Schleifkopf 15 und damit auch die Schleifschnecke 13, gesteuert über die NC- Achsen X, Y und Z, entlang der gedachten Ritzelachse 6 bewegen. Nach dem Wenden des Werkstücks 1 wird in gleicher Weise die Ver zahnung 3 bearbeitet, wobei die Schleifschnecke 13 entlang der gedachten Ritzelachse 7 bewegt wird.

Fig. 3 zeigt die erfindungsgemässe Vorrichtung zum Schleifen von doppelseitigen Kronenrädern in derselben Aufspannung. Die Schleifschnecke 13 ist auf der Schleifspindel 14 montiert, wel che im Schleifkopf 17 drehbar gelagert ist. Dabei ist der Schleifkopf 17 derart gestaltet und der Antriebsmotor 16 so an geordnet, dass die Schleifschnecke 13 mit zwei einander gegen überliegenden Seiten 18, 19 ohne Kollision mit dem Werkstück 1 in jeweils eine der beiden Kronenradverzahnungen 2, 3 eingreifen kann. Der Schleifkopf 17 ist in der radial zur Werkstückachse 12 verlaufenden Richtung X auskragend, und die Lager und Antriebs teile der Schleifspindel 14 sind entweder in Z-Richtung schmaler als der Durchmesser der Schleifschnecke 13 oder axial gegenüber der Schleifschnecke 13 so versetzt, dass sie mit dem Werkstück 1 und mit der Werkstückspindel 11 weder bei der Bearbeitung der Verzahnung 2 noch bei der Bearbeitung der Verzahnung 3 kollidie ren. Dazu sind im zweiten Fall die Lager- und Antriebsteile der Spindel 14 in Achsrichtung dieser Spindel gegenüber der axialen Mitte der Schnecke 13 um mindestens den halben Aussendurchmesser des Werkstücks 1 versetzt. Zudem weist die Spannvorrichtung 10 eine axiale Verlängerung 30 auf, deren Aussendurchmesser 31 ge ringer ist als die Differenz zwischen dem Innendurchmesser 32 der Verzahnung 3 und dem Aussendurchmesser der Schleifschnecke 13. Die axiale Länge 33 der Verlängerung 30 entspricht etwa der Differenz zwischen dem Durchmesser der Schleifschnecke 13 und der Länge des über die Verzahnung 3 des Werkstücks 1 axial vor stehenden Teils der Werkstücknabe 34.

In Fig. 4 ist symbolisch das erfindungsgemässe Verfahren für das Schleifen der beiden Kronenradverzahnungen 2, 3 des Kronenrades 1 in derselben Aufspannung dargestellt. Im hier gezeigten Bei spiel wird zuerst die Verzahnung 3 bearbeitet. Genauso gut könn te auch mit dem Schleifen der Verzahnung 2 begonnen werden. Aus gangspunkt für die Bewegung der Schleifschnecke 13 im Bearbei tungsablauf ist die Position 20. Die Schleifschnecke wird zu nächst in bekannter Weise längs der gedachten Ritzelachse 7 über die zu schleifende Verzahnung 3 auf den Bahnen 21 hin und her bewegt und dabei entsprechend dem Aufmass der vorgefertigten Kronenradverzahnung schrittweise zugestellt. Nach Erreichen des Fertigmasses der Verzahnung 3 wird die Schleifschnecke 13, ohne die zum Schleifen notwendige Synchronisation zwischen Werkzeug- und Werkstückdrehung zu lösen, zurückgefahren um einen Betrag 22, der ein anschliessendes kollisionsfreies Verschieben 23 in die Startstellung 24 für das Schleifen von Verzahnung 2 ermög licht.

Vor Beginn des Schleifvorganges an Verzahnung 2 wird die Schleifschnecke 13, die immer noch synchron zum Werkstück dreht, um einen relativen Werkzeugverdrehwinkel ϕ verdreht. Die Grösse dieses Winkels hängt ab von der Zähnezahl der Kronenradverzah nung, der Gangzahl der Schleifschnecke, dem gewünschten Winkel versatz ε (Offsetwinkel) zwischen den beiden Kronenradverzahnun gen 2, 3 und dem Neigungswinkel δ der beiden Verzahnungen zuein ander, d. h. der Parallelitätsabweichung der gedachten Ritzelach sen 6 und 7. Die Verdrehung der Schleifschnecke 13 um den Werk zeugverdrehwinkel ϕ erfolgt mit hoher Präzision durch die NC- Steuerung, die den genauen Winkelbetrag aufgrund der obigen Ein gabeparameter berechnet. Nach dem Verdrehen der Schleifschnecke 13 um den Werkzeugverdrehwinkel ϕ wird diese wiederum in der bei Verzahnung 3 beschriebenen Weise parallel zur gedachten Ritzelachse 6 über die Verzahnung 2 hin und her bewegt und entspre chend der gewünschten Spanabnahme zugestellt, bis das Fertigmass erreicht ist. Nach dem Zurückfahren der Schleifschnecke in die Ausgangslage ist die Bearbeitung der beiden Verzahnungen 2, 3 abgeschlossen.

Claims

1. Verfahren zum kontinuierlichen Schleifen oder Wälzfräsen der Verzahnung doppelseitiger Kronenräder auf einer numerisch gesteuerten Kronenradschleif- oder Wälzfräsmaschine, dadurch gekennzeichnet, dass zuerst die eine Verzahnung (3) bearbei tet, danach das Werkzeug (13) ohne Lösen der beim Bearbeiten der ersten Verzahnung (3) eingehaltenen Synchronität zwi schen Werkzeug- und Werkstückdrehung (1) bezüglich seiner Winkellage und seiner räumlichen Position gegenüber dem Werkstück (1) mittels der NC-Maschinenachsen X, Y und Z auf die geforderte Verzahnungslage der zweiten Verzahnung (2) ausgerichtet und danach die zweite Verzahnung (2) bearbeitet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkzeug (13) nach dem Bearbeiten der ersten Verzahnung (3) zwecks seiner drehwinkelmässigen Ausrichtung auf die Winkel lage der zweiten Verzahnung (2) um einen Winkelbetrag ϕ
gegenüber seiner Sollposition, die durch die Synchronisation mit der Werkstückdrehbewegung zum Bearbeiten der ersten Ver zahnung bestimmt ist, verdreht wird, wobei gilt:
ϕ = Werkzeugverdrehwinkel in Grad
ε = Offsetwinkel zwischen den Referenzzahnlücken der beiden Kronenradverzahnungen (2, 3) in Grad
g = Gangzahl des Werkzeugs
z = Zähnezahl der Kronenradverzahnungen (2, 3)
δ = Parallelitätsabweichung der Ritzelachsen (6, 7) in Grad.

3. Vorrichtung zum kontinuierlichen Wälzschleifen oder Wälzfrä sen von Kronenradverzahnungen auf einer numerisch gesteuer ten Zahnradwälzschleif- oder Abwälzfräsmaschine nach einem der Ansprüche 1 oder 2 mit einer Werkstückspindel (11) und mittels Spannvorrichtung (10) darauf gespanntem Werkstück (1) sowie, einem durch NC-Achsen X, X und Z gegenüber dem Werkstück (1) verschieblichen Werkzeugkopf (17) mit Werk zeugspindel (14) und auf ihr gespannter Werkzeugschnecke (13), wobei die Drehbewegungen des Werkstücks (1) und der Werkzeugschnecke (13) entsprechend der Zähnezahl des Werk stücks (1) und der Gangzahl der Werkzeugschnecke (13) zuein ander synchronisiert sind, dadurch gekennzeichnet, dass sich aufgrund der konstruktiven Gestaltung des Werkzeugkopfes (17) das in ihm gelagerte Werkzeug (13) sowohl mit dem einen Teil (18) als auch dem gegenüberliegenden Teil (19) seines Umfangs mit der einen Verzahnung (3) bzw. der gegenüberlie genden Verzahnung (2) des Werkstücks (1) ohne Kollision zwi schen letzterem und dem Werkzeugkopf (17) in Bearbeitungs eingriff bringen lässt.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Werkzeugkopf (17), in Richtung der Werkstückachse (12) gemessen, schmaler ist als der Aussendurchmesser des Werk zeugs (13).

5. Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Lager- und Antriebsteile der Werkzeugspindel (14) im Werkzeugkopf (17) in Richtung der Werkzeugspindelachse um mindestens den halben Aussendurchmesser des Werkstücks (1) gegenüber der axialen Mitte der Werkzeugschnecke (13) ver setzt sind.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3-5, dadurch gekenn zeichnet, dass die Werkstück-Spannvorrichtung (10) in Rich tung der Werkstückspindelachse (12) eine Verlängerung (30) aufweist, deren Aussendurchmesser (31) geringer ist als die Differenz zwischen dem Innendurchmesser (32) der Verzahnun gen (2, 3) und dem Aussendurchmesser der Werkzeugschnecke (13).