DE102010021749A1

DE102010021749A1 - Verfahren zum Schleifen der Außen- und/oder Innenverzahnung eines dünnwandigen Werkstücks

Info

Publication number: DE102010021749A1
Application number: DE201010021749
Authority: DE
Inventors: Dr. Reichel Frank
Original assignee: Niles Werkzeugmaschinen GmbH; Kapp GmbH
Current assignee: Niles Werkzeugmaschinen GmbH; Kapp GmbH
Priority date: 2010-05-28
Filing date: 2010-05-28
Publication date: 2011-12-01
Anticipated expiration: 2030-05-29
Also published as: DE102010021749B4

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Schleifen der Außen- und/oder Innenverzahnung (1) eines dünnwandigen und im wesentlichen hohlzylindrischen Werkstücks (2) auf einer Verzahnungsschleifmaschine, wobei ein Schleifwerkzeug (3) in radialer Richtung (r) mittels eines Schlittens (4) in eine vorgefertigte und zu bearbeitete Zahnlücke (5) zugestellt und die Zahnlücke (5) mit definierter radialer Zustellung (x) geschliffen wird. Um in einfacher Weise eine Verzahnung mit präziser Geometrie am montierten Werkstück herzustellen, sieht die Erfindung vor, dass das Verfahren die Schritte aufweist: a) Spannungsfreies Auflegen des Werkstücks (2) auf einem Messtisch oder auf der Werkstückaufnahme der Verzahnungsschleifmaschine, so dass keine radial (r) wirkenden Kräfte auf das Werkstück (2) wirken; b) Vermessen einer zylindrischen Bezugsfläche (6) des Werkstücks (2) und Speichern der Messwerte für den Radius (r) der Bezugsfläche (6) über dem Umfang (B) des Werkstücks (2) und/oder der Veränderung des Radius (Δr) über dem Umfang (B) des Werkstücks (2); c) Start des Schleifens durch Schleifen einer ersten Zahnlücke (5) unter Zugrundelegung einer nominalen radialen Zustellung (x0); d) Schleifen der weiteren Zahnlücken (5), wobei die radiale Zustellung (x) so erfolgt, dass zu ihr ein Zusatzwert addiert wird, der sich aus der gemessenen Veränderung des Radius (Δr) über dem Umfang (B) des Werkstücks (2) an der Umfangsstelle der aktuell zu schleifenden Zahnlücke (5) ergibt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Schleifen der Außen- und/oder Innenverzahnung eines dünnwandigen und im wesentlichen hohlzylindrischen Werkstücks auf einer Verzahnungsschleifmaschine, wobei ein Schleifwerkzeug in radialer Richtung mittels eines Schlittens in eine vorgefertigte und zu bearbeitete Zahnlücke zugestellt und die Zahnlücke mit definierter radialer Zustellung geschliffen wird.
In verschiedenen maschinenbautechnischen Anwendungen werden dünnwandige, ringförmige Werkstücke eingesetzt, die mit einer Verzahnung am Außen- oder Innendurchmesser versehen sind. Ein Beispiel sind Hohlräder eines Planetengetriebes. Ein Hohlrad weist einen relativ großen Durchmesser und relativ hierzu eine relativ geringe radiale Ringdicke (Wandstärke) auf. In die zylindrische innenliegende Oberfläche ist eine Verzahnung eingearbeitet, mit der die Planetenräder kämmen.
Während der Vorbearbeitung (einschließlich der Vorverzahnung) bzw. Wärmebehandlung des ringförmigen Werkstücks werden häufig Spannungen frei, was zu Abweichungen der Werkstückform von der idealen Kreisform führt, d. h. das Werkstück erhält eine Unrundheit. Diese ist in vielen Fällen ellitptisch ausgebildet.
Beim Schleifen der Innenverzahnung – beispielsweise mit dem diskontinuierlichen Profilschleifverfahren – wird dann das Verzahnungsprofil unter Zugrundelegung der idealen Kreisform des Werkstücks geschliffen, d. h. die einzelnen Zahnlücken des Werkstücks werden Zahnlücke für Zahnlücke geschliffen, wobei stets dieselbe radiale Zustellung für das Schleifwerkzeug zugrunde gelegt wird; in das Werkstück wird als eine „ideale” zylindrische Verzahnung eingebracht.
Nachteilig ist dabei, dass bei manchen Anwendungen bei der Montage des verzahnten Rings in ein Gehäuse, z. B. des Planetengetriebes, die auf den Außendurchmesser des Werkstücks bezogene Unrundheit wieder zumindest teilweise beseitigt wird, da sich das Werkstück an die zylindrische und steife Anlagefläche des Gehäuses anpasst. Damit wird in nachteiliger Weise die vormals zylindrische Innenverzahnung wieder verformt. Dieser Effekt tritt auch beispielsweise auf, wenn eine ringförmige Außenverzahnung zum Einsatz kommt, die auf eine steife Basiskonstruktion, z. B. auf eine Walze, montiert wird.
In anderen Fällen sind es die Befestigungsbohrungen in einem Gehäuse, die zur Montage z. B. eines Hohlrads verwendet werden und die infolge einer gewissen Unrundheit dafür verantwortlich sind, dass die präzise gefertigte Verzahnung nach ihrem Einbau keinen optimalen Rundlauf mehr hätte. Hier wird häufig ohne äußere Kräfte gefügt und die Verbindung zum Gehäuse durch axiales Verschrauben hergestellt. Hier wäre es wünschenswert, beim Montieren der Verzahnung durch Druckstücke das Zahnrad, z. B. ein Hohlrad, auf bestmöglichen Rundlauf des Bezugsdurchmessers verformen zu können.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art so fortzubilden, dass es möglich ist, mit geringem Aufwand diesbezüglich eine Verbesserung zu schaffen. Demgemäß soll sich nach der Endmontage des ringförmigen Werkstücks eine Verzahnung ergeben, die eine optimierte Zylindrizität hat.
Die Lösung dieser Aufgabe durch die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass das eingangs genannte Verfahren zum Schleifen der Außen- und/oder Innenverzahnung eines dünnwandigen und im wesentlichen hohlzylindrischen Werkstücks die Schritte aufweist:

a) Spannungsfreies Auflegen des Werkstücks auf einem Messtisch oder auf der Werkstückaufnahme der Verzahnungsschleifmaschine, so dass keine radial wirkenden Kräfte auf das Werkstück wirken;
b) Vermessen einer zylindrischen Bezugsfläche des Werkstücks und Speichern der Messwerte für den Radius der Bezugsfläche über dem Umfang des Werkstücks und/oder der Veränderung des Radius über dem Umfang des Werkstücks;
c) Start des Schleifens durch Schleifen einer ersten Zahnlücke unter Zugrundelegung einer nominalen radialen Zustellung;
d) Schleifen der weiteren Zahnlücken, wobei die radiale Zustellung so erfolgt, dass zu ihr ein Zusatzwert addiert wird, der sich aus der gemessenen Veränderung des Radius über dem Umfang des Werkstücks an der Umfangsstelle der aktuell zu schleifenden Zahnlücke ergibt.

Das Werkstück kann dabei ein innenverzahnter Ring sein. In diesem Falle ist bevorzugt vorgesehen, dass die Bezugsfläche ein außenliegender, zylindrischer Umfang des Werkstücks ist.
Das Werkstück kann aber auch ein außenverzahnter Ring sein. Dabei ist die Bezugsfläche bevorzugt eine innenliegende, zylindrische Fläche des Werkstücks.
Es kann weiter vorgesehen werden, dass das Werkstück ein außen- oder innenverzahnter Ring ist, wobei axial neben der Verzahnung mindestens ein Bezugsdurchmesser angeordnet ist. Demgemäß ist also vorgesehen, dass auf der Verzahnungsseite ein weiterer Bezugsdurchmesser ausgebildet ist (beispielsweise ein Innendurchmesser neben der Verzahnung bei einem innenverzahnten Ring, wobei der Innendurchmesser konzentrisch zum Außendurchmesser des Werkstücks ist). Dies erleichtert das Ausrichten auf der Maschine, da der Außendurchmesser oftmals von den Spannmitteln zumindest teilweise verdeckt ist. Vorgesehen kann auch werden, dass die genannten Bezugsdurchmesser auch zur Zentrierung eines ringförmigen Bauteils genutzt werden.
Das Schleifen der Zahnlücken erfolgt bevorzugt durch ein diskontinuierliches Schleifen, insbesondere durch diskontinuierliches Profilschleifen.
Eine besonders bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass nach der Vermessung der zylindrischen Bezugsfläche und Speichern der Messwerte gemäß obigem Schritt b) die Messwerte einer Fourier-Analyse unterzogen werden, wobei dann beim Schleifen der weiteren Zahnlücken gemäß obigem Schritt d) der zur radialen Zustellung zu addierende Zusatzwert aus einer Fourier-Reihe gebildet wird, bei der eine definierte Anzahl Glieder (Harmonischer) der Fourier-Reihe berücksichtigt wird.
Bevorzugt werden maximal die ersten vier Glieder (Harmonischen) der Fourier-Reihe hierbei berücksichtigt.
Dadurch kann mit minimalem Rechenaufwand ein gutes Ergebnis erreicht werden.
Es wird gemäß der Erfindung also vorgeschlagen, dass vor dem Schleifen die Unrundheit des Werkstücks an einem Bezugsdurchmesser gemessen wird. Danach wird das Schleifen so durchgeführt, dass die Verzahnung der Unrundheit der Basis folgt. Wird später dann das Werkstück durch äußere Kräfte wieder in eine annähernd zylindrische Form gezwungen, wird auch die Verzahnung näherungsweise wieder dem idealen Profil angenähert. Demgemäß sind die Verzahnungsabweichungen im montierten Zustand des Werkstücks wesentlich kleiner, als dies ohne das vorgeschlagene Verfahren der Fall wäre.
Das Verfahren kann sowohl für innenverzahnte als auch für außenverzahnte ringförmige, d. h. dünnwandige Werkstücke verwendet werden.
Das Schleifen von unrunden, z. B. elliptischen Zahnrädern ist zwar als solches bekannt. Dabei ist allerdings – im Gegensatz zum erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahren – die elliptische Form gewollt, um eine gezielt ungleichförmige Drehübertragung beim Kämmen der Zahnräder zu erhalten. Die Bearbeitungsverfahren sind in diesem Falle diesem Ziel angepasst und erzeugen entsprechend unterschiedliche Zahnformen am Umfang. Mit dem vorgeschlagenen Verfahren wird indes ein optimal zylindrisch umlaufender Verlauf der Verzahnung angestrebt.
In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Die einzige Figur zeigt die Draufsicht auf eine Schleifmaschine, wobei diese nicht näher dargestellt ist und wobei ein Werkstück in Form eines Planetengetriebe-Hohlrads geschliffen wird.
In der Figur ist ein Werkstück 2 zu sehen, das vorliegend in horizontaler Lage bearbeitet wird; demgemäß ist hier die Draufsicht auf das Werkstück 2 bzw. auf die – nicht näher dargestellte – Verzahnungsschleifmaschine zu sehen. Das Werkstück 2 in Form eines Hohlrads eines Planetengetriebes hat eine ringförmige Kontur, d. h. der Außendurchmesser des Werkstücks 2 ist groß im Verhältnis zur radialen Dicke (Wanddicke) des Rings.
Das Werkstück 2 hat eine Verzahnung 1 an seiner innenliegenden zylindrischen Fläche. Die Verzahnung 1 besteht aus Zähnen, zwischen denen sich Zahnlücken 5 befinden. Zum Schleifen der Verzahnung 1 taucht eine Schleifscheibe 3 in Form einer Profilschleifscheibe in die Zahnlücke 5 ein, um benachbarte Flanken in bekannter Weise im diskontinuierlichen Profilschleifverfahren zu schleifen.
Die Schleifscheibe 3 ist auf einem Schlitten 4 angeordnet, der (auch) in Richtung einer radialen Zustellbewegung x verfahren werden kann. D. h. die radiale Zustellrichtung x und die radiale Richtung r des Werkstücks 2 stimmen überein.
Der Außenumfang des Werkstücks 2 ist zylindrisch ausgeführt und dient als Bezugsfläche 6. Allerdings ist der Radius der Bezugsfläche nicht konstant sondern infolge freigewordener Spannungen im Material des Werkstücks 2 über den Umfang (Umfangsrichtung B) leicht variant (im Zehntel-Millimeter-Bereich). Der Radius r ist also eine Funktion der Umfangskoordinate B. Der Radius bewegt sich zwischen einem Minimalwert r_min und einem Maximalwert r_max. An einer definierten Umfangsposition, also bei einem gegebenen Wert für die Umfangskoordinate B, liegt mithin eine Veränderung Δr des Radius vor – verglichen mit einem Nominalwert; dies ist in der Figur angedeutet (mit der gestrichelten Linie wird der Verlauf gezeigt, der sich vom minimalen Radius r_min bei konstantem Radius ergeben würde).
Beim Schleifen der Verzahnung 1 des Werkstücks 2 wird wie folgt vorgegangen:
Zunächst wird das Werkstück 2 spannungsfrei, d. h. insbesondere frei von radial auf das Werkstück 2 wirkenden Kräften, auf der Werkstückaufnahme der Verzahnungsschleifmaschine (z. B. auf einem Drehtisch) aufgenommen und fixiert.
Bevor mit dem Schleifen begonnen wird, wird der zylindrische Außenumfang, d. h. die Bezugsfläche 6, mit einem (nicht dargestellten) Messtaster vermessen und der Verlauf des Radius über der Umfangsrichtung B aufgezeichnet.
Nachdem das Werkstück 2 an der zylindrischen Bezugsfläche (Bezugsdurchmesser) 6 gemessen wurde, wird das Messergebnis einer Fourier-Analyse unterzogen. Die Fourier-Analyse beschreibt bekanntlich das Zerlegen eines periodischen Signals in eine Summe von Sinus- und Kosinusfunktionen, d. h. in eine Fourier-Reihe. Sie zerlegt ein Signal damit in seine Frequenzanteile.
Dabei ist die erste Harmonische vorliegend die exzentrische Lage des Werkstücks 2. Die zweite Harmonische ist die elliptische Form des Werkstücks 2. Die dritte und vierte Harmonische können vorhanden sein, wenn das Werkstück bei der Vorbearbeitung, d. h. namentlich beim Drehen in einem Futter (mit drei bzw. vier Backen) gespannt war.
Entsprechend ergibt sich für den Start des Verzahnungsschleifens, d. h. für die erste Zahnlücke 5, eine nominale radiale Zustellung x₀, um die das Schleifwerkezeug radial zugestellt wird.
Die weiteren Zahnlücken 5 werden dann allerdings nicht mit dieser nominalen radialen Zustellung x₀ geschliffen, sondern der Zustellung wird ein Wert überlagert (hinzuaddiert), der sich aus der Unrundheit des Werkstücks 2 an der betreffenden Stelle der zu schleifenden Zahnlücke 5 ergibt.
Bei dem sich anschließenden Verzahnungsschleifen wird also die unrunde Form gemäß der zweiten bis n-ten Harmonischen (in der Praxis reicht zumeist die Berücksichtigung bis zur vierten Harmonischen) „nachgefahren”, indem eine entsprechende zusätzliche Bewegung bei der radialen Zustellung x berücksichtigt wird.
Der gewünschte, oben beschriebene positive Effekt wird insbesondere dann erreicht, wenn die Fehler im Rundlauf gering sind (Unrundheit von wenigen Zehntel Millimeter, was allerdings typisch ist).
Das so fertig geschliffene Werkstück 2 wird dann ggf. nach der weiteren Fertigstellung verbaut und in ein steifes Gehäuse montiert. Das Gehäuse drückt das Werkstück 2 in eine weitgehend zylindrische Form zurück und bringt damit die geschliffenen Zahnlücken in die optimale Form, die weitgehend der idealen Verzahnung entspricht.
Wie erwähnt, ist es für das vorgeschlagene Verfahren zumeist ausreichend, nur die ersten vier Glieder (Harmonischen) der Fourier-Reihe zu berücksichtigen, da im wesentlichen nur derartige Verformungen beim Einbau des Werkstücks 2 in sein Gehäuse „zurückgedrückt” werden.
Bezugszeichenliste

1: Verzahnung (Außen- oder Innenverzahnung)
2: Werkstück (Hohlrad)
3: Schleifwerkzeug (Profilschleifscheibe)
4: Schlitten
5: Zahnlücke
6: zylindrische Bezugsfläche
r: radialer Richtung
x: radiale Zustellung
B: Umfangsrichtung
Δr: Veränderung des Radius
x₀: nominale radiale Zustellung
r_min: minimaler Radius
r_max: maximaler Radius

Claims

Verfahren zum Schleifen der Außen- und/oder Innenverzahnung (1) eines dünnwandigen und im wesentlichen hohlzylindrischen Werkstücks (2) auf einer Verzahnungsschleifmaschine, wobei ein Schleifwerkzeug (3) in radialer Richtung (r) mittels eines Schlittens (4) in eine vorgefertigte und zu bearbeitete Zahnlücke (5) zugestellt und die Zahnlücke (5) mit definierter radialer Zustellung (x) geschliffen wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren die Schritte aufweist: a) Spannungsfreies Auflegen des Werkstücks (2) auf einem Messtisch oder auf der Werkstückaufnahme der Verzahnungsschleifmaschine, so dass keine radial (r) wirkenden Kräfte auf das Werkstück (2) wirken; b) Vermessen einer zylindrischen Bezugsfläche (6) des Werkstücks (2) und Speichern der Messwerte für den Radius (r) der Bezugsfläche (6) über dem Umfang (B) des Werkstücks (2) und/oder der Veränderung des Radius (Δr) über dem Umfang (B) des Werkstücks (2); c) Start des Schleifens durch Schleifen einer ersten Zahnlücke (5) unter Zugrundelegung einer nominalen radialen Zustellung (x₀); d) Schleifen der weiteren Zahnlücken (5), wobei die radiale Zustellung (x) so erfolgt, dass zu ihr ein Zusatzwert addiert wird, der sich aus der gemessenen Veränderung des Radius (Δr) über dem Umfang (B) des Werkstücks (2) an der Umfangsstelle der aktuell zu schleifenden Zahnlücke (5) ergibt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkstück (2) ein innenverzahnter Ring ist.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Bezugsfläche (6) ein außenliegender, zylindrischer Umfang des Werkstücks (2) ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkstück (2) ein außenverzahnter Ring ist.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Bezugsfläche (6) eine innenliegende, zylindrische Fläche des Werkstücks (2) ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkstück (2) ein außen- oder innenverzahnter Ring ist, wobei axial neben der Verzahnung mindestens ein Bezugsdurchmesser angeordnet ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Schleifen der Zahnlücken (5) durch ein diskontinuierliches Schleifen erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Schleifen der Zahnlücken (5) durch diskontinuierliches Profilschleifen erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass nach der Vermessung der zylindrischen Bezugsfläche (6) und Speichern der Messwerte gemäß Schritt b) von Anspruch 1 die Messwerte einer Fourier-Analyse unterzogen werden und dass beim Schleifen der weiteren Zahnlücken gemäß Schritt d) von Anspruch 1 der zur radialen Zustellung zu addierende Zusatzwert aus einer Fourier-Reihe gebildet wird, bei der eine definierte Anzahl Glieder (Harmonischer) der Fourier-Reihe berücksichtigt wird.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass maximal die ersten vier Glieder (Harmonischen) der Fourier-Reihe berücksichtigt werden.