DE10104410A1 - Schleifschnecke zum Wälzschleifen von Zahnrädern - Google Patents

Abstract

Das Schleifwerkzeug umfasst einen Schleifschneckenflansch (2) und eine Schleifschnecke (9) zum Walzschleifen von Zahnrädern, wobei der Flansch (2) Anlageflächen (5, 6) zur spielfreien Befestigung auf einer Schleifspindel (1) aufweist. Der Flansch (2) hat eine äußere leicht konische Auflagefläche (8). Auf diese ist die Schleifschnecke (9) mit einer entsprechend konischen Bohrung (10) aufgesetzt und spielfrei mit dem Flansch (2) verbunden. Die Schleifschnecke (9) besteht aus einem Trägerring (23) und einem Schleifkörper (24), wobei der Verformungswiderstand des Trägerrings (23) größer ist als jener des Schleifkörpers (24). Dadurch werden fliehkraftbedingte Verlagerungen und Verformungen der Schleifschnecke (9) minimiert.

Description

Die Hartfeinbearbeitung von Zahnrädern mittels ein- oder mehr­ gängiger Schleifschnecken hat dank verbesserter Eigenschaften des Schleifkorns, der Bindung und ihrer Gefügestruktur in jünge­ rer Zeit eine hohe Leistungssteigerung erfahren und in der Zahn­ radfertigung aufgrund ihrer hohen Qualität und gestiegenen Wirt­ schaftlichkeit zusehends an Bedeutung gewonnen. Systematisch entwickelte spezifische Profilier- und Schleiftechnologien sor­ gen in Verbindung mit den durch die NC-Technik verbesserten dy­ namischen Eigenschaften der Zahnflankenschleifmaschinen für eine hohe Genauigkeit, Flexibilität in der Formgebung auch kompli­ ziert modifizierter Zahnflanken und hohe Nutzungsgrade der Werk­ zeuge. Insbesondere die heute nicht nur bei galvanischer sondern auch bei abrichtbarer Bindung möglichen hohen Schleifgeschwin­ digkeiten haben durch die damit erzielte Steigerung der Abtrags­ intensität zur Erhöhung der Schleifleistung und der Wirtschaft­ lichkeit dieses Verfahrens beigetragen. Die bei hohen Schleifge­ schwindigkeiten auftretenden Fliehkräfte werden jedoch so gross, dass profilierbare Schleifschnecken mit volumetrischer Schleif­ scheibenstruktur in keramischer, Kunstharz- oder anderer volume­ trischer Bindung aufgrund der niedrigen. Bindungssteifigkeit und Inhomogenitäten im Schleifkörper nach aussen wachsen und unter Berücksichtigung der unvermeidlichen Unwucht in unkontrollierter Weise ihre Form verändern, wodurch infolge der damit verbundenen Rund- und Planlaufabweichung der Arbeitsfläche der Schleif­ schnecke - der Schleifschneckengangflanken - die Flankengenauig­ keit des Werkstücks beeinträchtigt wird. Verstärkt wird dieser Effekt noch dadurch, dass die Bohrung der Schleifschnecke gegen­ über dem Durchmesser des Schleifschneckenflansches gewöhnlich Spiel aufweist und die Schleifschnecke auf dem Flansch nur durch die axiale Klemmung zwischen Bund und Flanschdeckel des Schleif­ schneckenflansches reibschlüssig gehalten wird, wodurch infolge von Unwucht im Schleifkörper unter der Wirkung steigender Flieh­ kräfte eine radiale Verschiebung des Schleifkörpers eintreten kann. Es ist leicht einzusehen, dass durch Nachwuchten auf der Maschine zwar die Schwingungserregung der Schleifspindel mini­ miert, nicht aber Geometrieveränderungen der Schleifschnecke in­ folge sich ändernder Umfangsgeschwindigkeit kompensiert werden können.

Die Auswirkung fliehkraftbedingter Verlagerungen und Verformun­ gen des Schleifscheibenkörpers auf die Schleifgenauigkeit wird unterdrückt, solange das Profilieren mit derselben Schleif­ schneckenärehzahl wie das Schleifen erfolgen kann, so das die beim Profilieren erzeugte. Form des Schleifschneckengangs beim Schleifen unverändert erhalten, bleibt. Sie wird jedoch zu einem Problem, wenn die Schleifdrehzahl die Profilierdrehzahl, welche durch den für das Profilieren notwendigen Bewegungsablauf zwi­ schen Schleifschnecke und Profilierwerkzeug bzw. die Dynamik der hierfür vorhandenen NC-Achsantriebe begrenzt ist, überschreitet, wie dies vornehmlich bei Schleifschnecken mit hochhartem Schleifmittel, z. B. CBN oder Diamant, und bei Schleifschnecken mit kleinem Aussendurchmesser der Fall ist. Das Problem vergrö­ ssert sich, wenn bei eingängigen Schnecken die die Unwucht er­ zeugenden Ausläufe des Schleifschneckengangs nicht auf derselben Mantellinie der Schleifschnecke liegen, so dass sich deren dyna­ mischer Wuchtzustand mit durch das Profilieren abnehmendem Schleifschneckendurchmesser verändert. Zwar verfügen moderne Zahnflankenschleifmaschine heute über eine Auswuchteinrichtung auf der Schleifspindel. Durch sie kann aber nur der gesamte Wuchtzustand des Aufspannflansches mit Schleifschnecke verbes­ sert werden. Infolge der unterschiedlichen Dichte von Schleif­ schnecke und Aufspannflansch werden sich jedoch die die Unwucht verursachenden Rundlauffehler der beiden Massenschwerpunkte und damit auch die Rundlauffehler ihrer Aussendurchmesser unter­ scheiden, so dass der auf der Maschine ausgewuchtete Zustand letztlich nicht einem optimalen Rundlauf des Schleifschnecken­ gangs gleichsetzbar ist. Ausserdem kann auf der Schleifmaschine nur die statische, nicht jedoch die dynamische Unwucht kompen­ siert werden, da die Wuchtmassen in einer Ebene angeordnet sind.

Eine der Möglichkeiten zur Umgehung dieses Problems liegt bei­ spielsweise in der Verwendung von Schleifschnecken mit galvani­ scher Bindung der Schleifkörner auf einem schleifschneckenförmi­ gen Stahlkörper. Dieser Weg wird vorzugsweise beim Schleifen mit CBN (Kubischem Bornitrid) beschritten, das eine sehr hohe Ver­ schleissfestigkeit aufweist. Derartige Schleifschnecken besitzen eine spielfreie Aufnahme auf die Schleifspindel, und dank der Materialfestigkeit bleibt die Ganggeometrie der Schleifschnecke auch bei hoher Schleifgeschwindigkeit unverändert erhalten. Sie sind aber nicht abrichtbar. Die bei der Herstellung der Schleif­ schnecke erzeugte Geometrie der Schleifschneckengänge kann somit auf der Schleifmaschine bei Bedarf nicht verändert werden und bleibt über der gesamten Standzeit der Beschichtung unverändert. Nachteilig ist auch, dass sich das Schleifverhalten solcher Schleifschnecken über den Verlauf der Standzeit verändert und zur Erzielung hoher Abtragsraten einerseits und geringer Werk­ stückrauheit andererseits mit unterschiedlicher Körnung belegte Schleifschnecken eingesetzt werden müssen. Zudem bedarf es zur galvanischen Beschichtung der Schleifschnecken spezifischer Ein­ richtungen und Erfahrungen, so das diese nach jeder Standzeit von einem externen Werkzeughersteller neu mit Schleifkörnern be­ legt werden müssen. Darum ist der Einsatz derartiger Schleif­ schnecken auf die Grossserienfertigung beschränkt, bei der auf hohe Flexibilität hinsichtlich der Flankenformgebung, wie sie bei abrichtbaren Schleifschnecken durch das Profilieren auf der Maschine geboten wird, verzichtet werden kann.

In DE 196 19 401 C1 wird zur Lösung des Problems ein Verfahren vorgeschlagen, bei dem durch Verwendung einer galvanisch mit Diamantkörnern beschichteten Abrichtschnecke auch mit hohen Schleifgeschwindigkeiten eingesetzte Schleifschnecken mit Schleifdrehzahl profiliert werden können. Einer der Nachteile dieses Verfahrens liegt in der grossen Anzahl benötigter Diaman­ tabrichtschnecken zur Abdeckung des Werkstückmodulbereichs der Maschine. Die damit verbundenen Kosten sowie die technische Be­ herrschbarkeit des dynamisch schwierigen Abrichtprozesses haben dazu geführt, dass sich diese Lösung bisher nicht durchsetzen konnte.

DE 199 01 238.1 schlägt ein Verfahren vor, bei dem die durch den Drehzahlunterschied zwischen Profilieren und Schleifen entste­ henden verformungsbedingten Geometriefehler der Schleifschnecke durch das Schleifen einer Probe oder die Vermessung der Schleif­ schneckengänge bei Schleifdrehzahl mittels einer Messsonde er­ mittelt und im anschliessenden Profilierprozess als Korrekturen berücksichtigt werden. Dieses Verfahren ist ein sicherer Weg zur Lösung des Problems. Es ist jedoch aufwendig, und zur Aufrecht­ erhaltung einer hohen Werkstückgenauigkeit muss die Fehlerer­ mittlung mit abnehmendem Durchmesser der Schleifschneckengänge häufig wiederholt werden, was jeweils eine Unterbrechung des Produktionsprozesses mit entsprechendem Zeitverlust erfordert.

Ein weiterer Weg, den störenden Einfluss des Drehzahlunter­ schieds zwischen Profilieren und Schleifen zu vermindern, wird in DE 44 03 236 A1 beschrieben. Um die bei eingängigen Schleif­ schnecken mit abnehmendem Durchmesser des Schleifschneckengangs eintretende Veränderung des dynamischen Wuchtzustands der Schleifschnecke zu minimieren, wird vorgeschlagen, die Schleif­ scheibenbreite im Bereich des Schneckengewindes so zu bemessen, dass Gewindeein- und -auslauf auf derselben Mantellinie des Schleifschneckenumfangs zu liegen kommen, was gleichbedeutend ist mit einer ganzzahligen Windungszahl. Mit dieser Massnahme ist aber nur ein Teil des Problems gelöst. Denn der Einfluss von Bohrungsspiel und Inhomogenitäten im Schleifkörper ist nach wie vor vorhanden.

Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, eine auf der Schleifma­ schine profilierbare Schleifschnecke vorzuschlagen, die die be­ schriebenen Nachteile nicht aufweist. Diese Aufgabe wird durch Kombination der Erfindungsmerkmale gemäss der Patentansprüche gelöst. Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnungen näher beschrieben. Darin zeigen:

Fig. 1 eine Schleifschnecke mit einem Schleifschneckenflansch und einem Schleifspindelkopf,

Fig. 2 bis 6 verschiedene Ausführungsvarianten der erfindungs­ gemässen Schleifschnecke und

Fig. 7 eine zweite Ausführungsform.

Grundprinzip der erfindungsgemässen Lösung ist es, jegliches Spiel zwischen der Schleifschnecke und der Schleifspindel konse­ quent zu vermeiden sowie den Materialanteil mit niedrigem Ela­ stizitätsmodul, d. h. mit geringem Verformungswiderstand, auf diejenigen Körperzonen der Schleifschnecke zu beschränken, die zum Schleifen effektiv benötigt werden.

Der Spindelkopf der Schleifspindel 1 in Fig. 1 ist zur spiel­ freien Aufnahme des Schleifschneckenflansches 2 in bekannter Weise mit einem Aufnahmekonus 3 und einer Schulter 4 versehen, über welche der Schleifschneckenflansch 2 mittels entsprechender Anlageflächen 5, 6 anliegt und mittels Schrauben 7 verschraubt und fest und spielfrei mit der Schleifspindel 1 verbunden ist. Der Schleifschneckenflansch 2 besitzt umfangsseitig eine leicht konische Aussenfläche 8 für die Schleifschnecke 9, die eine ent­ sprechende konische Bohrung 10 aufweist. Der Konuswinkel der Fläche 8 und Bohrung 10 ist vorzugsweise weniger als 10°. Die Schleifschnecke 9 ist über einen radial spielarmen auf dem Flansch 2 aufgenommenen Flanschdeckel 11 mittels Flanschschrau­ ben 12 gegen eine Schulter 13 des Flansches 2 angezogen. Hier­ durch erfährt die konische Schleifschneckenbohrung 10 eine leichte Aufweitung, wodurch ein spielfreier Sitz der Schleif­ schnecke 9 auf dem Flanschkonus 8 gewährleistet ist. Zur Sicher­ stellung einer auch bei grösseren Masstoleranzen des Schleif­ schneckenkörpers spielfreien Aufnahme der Schleifschnecke 9 auf dem Schleifschneckenflansch 2 dienen zwischen Flansch 2 und Schleifschnecke 9 vorgesehene feste Verbindungsstellen 14, zum Beispiel Klebstellen, die am Standzeitende der Schleifschnecke 9 ohne Beschädigung des Schleifschneckenflansches 2 gelöst werden können. Die Schleifschnecke 9 ist eine profilier- und abrichtba­ re Schleifscheibe mit vorzugsweise hochhartem Schleifmittel und minimierten Rundlauffehler des Schleifschneckenganges 15.

Vor der Aufnahme auf die Schleifspindel 1 werden Schleifschnecke 9 und Flansch 2 im montierten Zustand ausserhalb der Schleifma­ schine dynamisch ausgewuchtet. Hierbei dienen in radialer Rich­ tung verstellbaren Zylinderschrauben 20 im Flanschdeckel 11 und bei der Schulter 13 des Schleifschneckenflansches 2 als Wuchtmassen.

Der Flanschdeckel 11 ist mit einem Messbund 21 versehen, mittels dessen über einen berührungslosen Messfühler der rund- und plan­ lauf auf der Schleifmaschine geprüft und das Steuersignal für eine automatische Auswuchteinrichtung der Schleifspindel 1 er­ zeugt wird.

Die erfindungsgemässe Ausführungsform der Schleifschnecke 9 ist auf den jeweiligen Einsatzfall und die. Differenz zwischen Au­ ssen- und Bohrungsdurchmesser des Schleifkörpers abgestimmt, wo­ bei dieser aus einem unsegementierten oder segmentierten, axial ungeteilten oder geteilten Ring gebildet werden kann.

Die in Fig. 2 in ihrem Ringquerschnitt dargestellte axial unge­ teilte Schleifschnecke 9 ist eine vorzugsweise bei mehrgängigen Schleifschnecken 9 mit kleiner Durchmesserdifferenz zwischen Aussenumfang 22 und Bohrung 10 verwendete Ausführungsform. Falls die Schleifschnecke 9 mehrgängig ist, ist eine Breitenanpassung auf eine ganzzahlige Windungszahl zur Vermeidung von Änderungen des dynamischen Wuchtzustands infolge abnehmenden Gangdurchmes­ sers beim Nachprofilieren nicht erforderlich.

Fig. 3 zeigt eine axial ungeteilte, radial jedoch geteilte Aus­ führungsform der Schleifschnecke 9, die vorzugsweise für mehr­ gängige Schleifschnecken 9 mit grosser Differenz zwischen Aussenumfang 22 und Bohrungsdurchmesser 10 eingesetzt wird. Um den Ringquerschnittsanteil mit niedrigem Verformungswiderstand möglichst klein zu halten, wird die Durchmesserdifferenz zwi­ schen Aussenumfang 22 und Bohrung 10 der Schleifschnecke 9 durch einen Trägerring 23 überbrückt, welcher aus Metall oder einem andern Material mit höherem Verformungswiderstand als dem des Schleifkörpers 24 besteht. Hierdurch wird die Verformung der Schleifschnecke 9 infolge des Fliehkraftunterschiedes zwischen Profilier- und Schleifdrehzahl auf das Minimum reduziert. Der Schleifkörper 24 ist mit dem Trägerring 23 starr verbunden, zum Beispiel durch weitere Klebstellen 14.

In Fig. 4 wird eine axial und radial geteilte Ausführungsform beschrieben, die vorzugsweise beim einem grossen Durchmesserun­ terschied zwischen Aussenumfang 22 und Bohrung 10 eingängiger Schleifschnecken 9 eingesetzt wird, bei denen folglich zur Ver­ meidung von Veränderungen des dynamischen Wuchtzustands mit durch das Nachprofilieren abnehmendem Gangdurchmesser eine Brei­ tenanpassung auf eine ganzzahlige Windungszahl erforderlich ist. Diese Schleifschnecke 9 besitzt ausser dem Trägerring 23 zur Überbrückung der Durchmesserdifferenz zwischen Umfangs- und Boh­ rungsdurchmesser der Schleifschnecke 9 durch Material mit hohem Verformungswiderstand an beiden Stirnflächen Blindscheiben 25 aus abdreh- bzw. abrichtbarem Material mit gegenüber dem Schleifkörper 24 erhöhter Festigkeit. Diese Blindscheiben 25 dienen einerseits dem Schutz des seitlich auslaufenden Schnec­ kenganges 15 gegen Ausbrüche beim Profilieren und andererseits der Breitenanpassung der Schleifschnecke 9 im Bereich des nutz­ baren Schleifschneckendurchmessers. Hierzu werden die beiden äu­ sseren Stirnseiten der Blindscheiben 25 im Bereich des nutzbaren Fleischschneckendurchmessers, das heisst bis zum kleinstmögli­ chen Durchmesser des Gangfusses 16 der Schleifschnecke 9 in axialer Richtung mittels eines Dreh- oder Abrichtwerkzeugs so­ weit gegen den Schleifkörper 24 hin versetzt, dass der Abstand der Schultern 26 in diesem Durchmesserbereich auf eine Schleif­ schneckenbreite reduziert wird, welche eine ganzzahlige Schleif­ schneckenwindungszahl ergibt. Der kleinstmögliche Fusskreis­ durchmesser des Schleifschneckenganges 15 ist gleich dem Aussen­ durchmesser des Flanschdeckels 11 und der Schulter 13.

Das zur Ausführungsform gemäss. Fig. 4 Gesagte gilt in gleicher Weise für die radial und mehrfach axial geteilten Ausführungs­ formen nach Fig. 5 und 6, welche vorzugsweise bei sehr brei­ ten Schleifschnecken 9 Verwendung finden, sowie in Fällen, in denen die Teilabschnitte 29 des Schleifkörpers 24 zum Beispiel zum Schrupp- oder Feinschleifen eine unterschiedliche Scheiben­ spezifikation besitzen, wobei der Trägerring 23 und die Blind­ scheiben 25 der Ausführungsform gemäss Fig. 5 in der Ausfüh­ rungsform nach Fig. 6 eine Einheit 30 bilden, die aus hochfe­ stem aber abrichtbarem Material besteht. Dies bedeutet, dass hier nur geteilte Schleifkörperringe verwendet werden können.

Fig. 7 zeigt eine Ausführungsform des erfindungsgemässen Schleifwerkzeugs, bei der dieses über einen ersten Spannkonus 31 in der Schleifspindel 1 und einen zweiten Spannkonus 32 spiel­ frei eingespannt ist, der sich in einem um die Werkzeugachse 35 drehbaren Pinolenfutter 33 eines Gegenhalters 34 befindet. Die Drehmitnahme des Werkzeugs erfolgt durch. Kraftschluss im Schleifspindelkonus 31. In dieser Ausführungsform wird die Schleifschnecke 9 von einem zylindrischen metallischen, an bei­ den Enden mit Aussenkonen 37 versehenen Werkzeugdorn 36 getra­ gen, mit welchem sie mittels einer ohne Beschädigung des Dorns 36 lösbaren Verbindung 14, zum Beispiel durch Kleben, fest ver­ bunden ist. Abweichend von der dargestellten Variante kann der Werkzeugdorn 36 und dementsprechend die Bohrung des Trägerrings 23 leicht konisch sein, entsprechend den Ausführungsformen nach Fig. 1-6.

Für die Ausführungsform nach Fig. 7 sind natürlich ebenfalls alle Varianten der Ausbildung der Schleifschnecke 9 gemäss Fig. 2-6 möglich, wobei die Bohrung 10 je nach Ausbildung des Werkzeugdorns 36 entweder zylindrisch oder leicht konisch ist.

Claims (11)

1. Schleifwerkzeug umfassend einen Schleifschnecke (9) zum Wälz­ schleifen von Zahnrädern, dadurch gekennzeichnet, dass die Schleifschnecke (9) spielfrei mit einem Drehteil (2, 36) verbun­ den ist, welches konische Anschlagflächen (5, 37) zur spielfrei­ en Verbindung mit einer Schleifspindel (9) aufweist, und dass die Schleifschnecke (9) aus einem inneren Trägerring (23) und einem damit starr verbundenen Schleifkörper (24) besteht, wobei der Verformungswiderstand des Trägerrings (23) grösser ist als jener des Schleifkörpers (24).

2. Schleifwerkzeug nach Anspruch 1, wobei der Schleifkörper (24) aus mindestens zwei axial getrennten Segmenten (29) besteht, die vorzugsweise unterschiedliche Spezifikationen aufweisen.

3. Schleifwerkzeug nach Anspruch 2, wobei die Segmente (29) durch eine hochfeste aber abrichtbare, fest mit diesen verbunde­ ne Blindscheibe (25) getrennt sind.

4. Schleifwerkzeug nach einem der Ansprüche 1-3, wobei beidsei­ tig des Schleifkörpers (24) starr mit diesem verbundene hochfe­ ste aber abrichtbare und/oder abdrehbare (weitere) Blindscheiben (25) angeordnet sind.

5. Schleifwerkzeug nach Anspruch 3 oder 4, wobei die Blindschei­ ben (25) einstückig mit dem Trägerring (23) ausgebildet sind.

6. Schleifwerkzeug nach Anspruch 4 oder 5, wobei die Blindschei­ ben (25) Schultern (26) aufweisen, welche die Schleifschnecken­ breite in ihrem Nutzdurchmesserbereich auf einen Wert reduzie­ ren, der eine ganzzahlige Schneckenwindungszahl ergibt.

7. Schleifwerkzeug nach einem der Ansprüche 1-6, wobei die kraftschlüssige Mitnahme und der spielfreie Sitz der Schleif­ schnecke (9) auf dem Drehteil (2, 36) durch ohne Beschädigung des Drehteils lösbare Verbindungen (14), zum Beispiel durch Kle­ bung, gesichert sind.

8. Schleifwerkzeug nach einem der Ansprüche 1-7, wobei das Dreh­ teil ein Schleifschneckenflansch (2) ist, welcher eine äussere leicht konische Auflagefläche (8) aufweist, auf welche die Schleifschnecke (9) mit einer entsprechenden konischen Bohrung (10) aufgesetzt und spielfrei mit dem Flansch (2) verbunden ist.

9. Schleifwerkzeug nach Anspruch 8, wobei auf dem Schleifschnec­ kenflansch (2) stirnseitig ein Flanschdeckel (11) befestigt ist, der an der einen Stirnfläche der Schleifschnecke (9) anliegt, wo­ bei der Flanschdeckel (11) vorzugsweise einen Messbund (21) auf­ weist, um mittels berührungsloser Messfühler den Rundlauf zu prüfen und Steuersignale für ein automatisches Auswuchten der Schleifspindel (1) zu erzeugen.

10. Schleifwerkzeug nach Anspruch 9, wobei der Schleifschnecken­ flansch (2) auf der Seite mit dem grösseren Aussendurchmesser eine radiale Anlageschulter (13) zur Anlage der Schleifschnecke (9) aufweist.

11. Schleifwerkzeug nach einem der Ansprüche 1-7, wobei das Dreh­ teil ein metallischer zylindrischer, an beiden Enden mit Spann­ konen (37) zur spielfreien Einspannung und Drehmitnahme versehe­ ner Spanndorn (36) ist, auf welchem die Schleifschnecke (9) spielfrei befestigt ist.