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Arbeitsdruckgesteuerte Vorrichtung zum Bearbeiten von wälzfähigen
profilierten Teilen, beispielsweise von Zahnrädern oder dergleichen
Die Erfindung
bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Bearbeiten von wälzfähigen profilierten Teilen,
beispielsweise von Zahnrädern, mit einem zahnrad-, zahnstangen- oder schneckenförmigen
Werkzeug (schaben, honen, läppere, burnishen, fräsen, schleifen, rollen u.a.), bei
der der bei der Bearbeitung auftretende Druck des Werkzeugs auf das Werkstück mit
einer Kraftmeßeinrichtung gemessen und zur Korrektur der Stellung des Werkzeugs
relativ zum Werkstück benutzt wird.
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Bei den bekannten Maschinen dieser Art, beispielsweise auch bei den
Zaharadschabmaschinen, besteht eine starre Verbindung zwischen dem Werkstück und
dem Werkzeug über die Werkstück- bzw. Werkzeugträger, die Vorschubmittel und den
Maschinenrahmen. Diese Bauart hat den Nachteil, daß in den Grenzen der zur Verfügung
stehenden Vorschubkraft jede beliebige Spanstärke abgenommen werden kann. Die Erfahrungen
haben aber gezeigt, daß beim Zahnradschaben die Schnitt- bzw. Arbeitsdrücke die
Arbeitsgüte beeinflussen, so daß durch einen ungewollt großen Span die Arbeitsqualität
herabgesetzt werden kann. Auch berücksichtigen die bekannten Maschinen keine Einstellungenauigkeiten,
beispielsweise Abweichungen von der Parallelität, so daß namentlich auf großen Maschinen
wiederholt die Zahnräder "zerechabt" wurden.
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Es ist bereits bekannt, diesen Mangel dadurch zu beheben, daß der
Rückdruck des Werkzeugs mit Hilfe eines Dehnungemeßstreifens gemeeavn wird und daß
das Meßergebnis zur Korrektur der Stellung des Werkzeugs relativ
zum
Werkstück benutzt wird. Diese Vorrichtung hat den Nachteil, daß sie als Feinmeßeinrichtung
eine hohe Aufmerksamkeit des die Maschine betreuenden Mannes erfordert, der überdies
überdurchschnittliche Qualitäten aufweisen muß, um die Meßeinrichtung sicher zü
betreuen, die Meßergebnisse genau abzulesen und auf die Meßung richtig zu -reagieren.
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Zweck der Erfindung ist, die Maschine von der menschlichen Unzulänglichkeit
unabhängig zu machen: Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird dadurch gelöst,
daß die in der Werkzeug- oder Werkstückunterstützung vorgesehene Kraft-oder Druckmeßeinrichtung
Steuermittel beeinflußt, die die Antriebsmittel für das Werkstück oder Werkzeug
selbsttätig. steuern. Hierdurch wird eine nach dem Arbeitsdruck vollautomatisch
gesteuerte Maschine geschaffen, die nicht nur für das Zahnradschaben bedeutungsvoll
ist sondern auch für alle anderen Feinbearbeitungsverfahren, die ein von einer Zahnstange
abgeleiteten Wälzkörper bildendes Werkzeug benutzen.
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Je nach der Richtung der Kraft, die als Kriterium für die Steuerung
dient, kann die Erfindung ausgestaltet sein. So kann es günstig sein, die Vorrichtung
nach einer radial. oder axial zum Werkstück oder zum Werkzeug wirkenden Kraft zu
steuere.. Auch kann es zweckdienlich sein, die Vorrichtung nach einem übertragenen
Drehmoment zu regeln.
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Auch in Bezug auf die Wirkung der Steuerung kann die Vorrichtung
nach der Erfindung verschieden ausgelegt sein. So kann beispielsweise die Spanstärke,
d.h. im wesentlichen der Tiefenvorschub bzw. die Spantiefe geregelt oder der Längs-,
Quer- oder Diagonalvorschub oder auch die Drehzahl (Schnittgeschwindigkeit)
den Antriebs geregelt werden.
Eine noch vollkommenere
Steuerung ergibt sich durch eine Kombination aus mehreren der vorgenannten Regelungsarten.
Damit die endgültige Form des Werkstücks gesichert ist, wird ferner vorgeschlagen,
daß die letzte Spanabnahme durch einen Anschlag oder ein an sich bekanntes Leitlineal
bestimmt wird.
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Schließlich wird noch vorgeschlagen, die Vorrichtung nach der Erfindung
mit einer oder mehreren an sich bekannten elektrischen, pneumatischen oder hydraulischen
Kraftmeßeinrichtungen zu versehen, die über einen Kraftverstärker den Antrieb für
den Tiefen-, Längs-, Diagonal- und/oder Quervorschub, auch die Drehzahl des Antriebe,
regeln.
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Mit den Fig. 1 bis 7 ist die Erfindung erläutert: Fig. 1 zeigt eine
Zahnradschabmaschine, auf der die Erfindung angewendet ist, von oben, Fig. 2 zeigt
einen Längsschnitt durch eine Werkzeugspindel, die mit einer Meßeinrichtung nach
der Erfindung versehen ist, Fig. 3 zeigt einen Schnitt entlang der Linie III - III
in Fig. 2, Fig. 4 zeigt eine Vorrichtung für den Tiefenvorschub an der
Maschine
mich Fig. 1, der nach der Erfindung ausgestaltet ist, Fig. 5 zeigt
eine hydraulische Steuerung nach der Erfindung, Fig. 6 zeigt eine elektrische
Steuerung nach der Erfindung, Fig. 7 zeigt eine hydraulische Vorschubsteuerung
nach der Erfindung. Mit den Fig. 1 bis 5 ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung
gezeigt. Auf einem Maschinenständer 10 ist ein Werkstück 11 zwischen einem mit einer
Spitze versehenen Reitatock 12 und einem mit einem Mitnehmer versehenen Spindelstock
13 in bekannter Weise aufgenommen. Das Werkstück wird von einet Antriebsmotor
14 oder einen ßchleichgangmotor 15 aus in
bekannter Weise über ein
im Spindelstock untergebrachtes schaltbares, gestuftes oder stufenloses Getriebe
angetrieben. Auf dem Maschinenständer ist ein Längsschlitten 16 parallel zur Werkstückachse
längsverschiebbar, gelagert. Er kann von einem Vorschubmotor 17 aus in bekannter
Weise über ein schaltbares Getriebe und geeignete mechanische Vorschubmittel, z:B.
eine Vorschubspindel, angetrieben werden. Als Vorschubmittel kann auch eine Hydraulikanlage
dienen, worauf später noch eingegangen wird. Das Bett des Längsschlittens kann in
bekannter Weisfe 1;o schwünkbar unfi. fe!citt3tellbrir angeordnet sein, daß der
Längsvorschub nicht parallel sondern geneigt zur Werkstückachse gerichtet ist zum
Zwecke des Feinbearbeitens konischer Räder. Auch können bekannte Mittel zum Erzeugen
balliger Zähne vorgesehen sein. Auf dem Längsschlittere 16 ist ein Werkzeugschlitten
18 radial zum Werkstück verschiebbar angeordnet. Sein Antrieb erfolgt von einem
Handrad 19 oder ' einem nicht gezeigten Motor aus über die üblichen Vorschubmittel.
Der Werkzeugschlitten ist feststellbar. Stirnseitig ist am Werkzeugschlitten 18
ein Werkzeugträger 20 so_um eine Achse 21 schwenkbar und feststellbar gelagert,
daß das Werkzeug, beispielsweise ein Schabrad oder ein Honrad o. dgl., mit dem Werkstück
mit gekreuzten Achsen laufen kann. Die Werk-
zeugspindel 23 ist in bekannter
Weise in einer Exzenterbuchse 24 gelagert, so daß durch Verstellen dieser Exzenterbuchse
das Werkzeug dem Werkstück genähert oder von ihm entfernt werden und so eine Feinzustellung
hervorgerufen werden kann. Zu diesem Zweck ist an der Exzenter-Buchse ein Nebel
25 befestigt, an dem über eine hasche Z6 eine Zustellspindelmutter 27 befestigt
ist, in die eine Zustellspindel 28 eingreift. Die Zustellspindel ist mit einem Handrad
29 versehen, mit dem somit die
Exzenterbuchse verstellt werden.
kann. Die Zustellspindel durchdringt ein im Gehäuse des Werkzeugträgers gelagertes
Kegelrad 30, in das ein weiteres Kegelrad 31 eingreift, das von einem Elektromotor
32 angetrieben wird. Dieser Elektromotor ist zweckmäßig mit einem Getriebe in einem
gemeinsamen Gehäuse vereinigt. Die Zustellspindel ist mit einem Keilprofil oder
dergl. versehen, auf dem eine Kupplungshälfte 33 verschiebbar angeordnet ist. Wird
die Kupplungshälfte 33 mit dem ebenfalls als Kupplungshälfte ausgebildeten Kegelrad
30 in Eingriff gebracht, so kann die Zustellspindel vom Elektromotor 32 aus angetrieben
werden. Die Vorschub Spindel trügt. Einen Kolben 54, der in einem rim Werkzeugträger
befestigten Zylinder 35 geführt ist, so daß zwei Zylinderräume 36, 37 gebildet werden,
die über Leitungen 3$, 39 mit Druckmittel, beispielsweise Ö1,"versorgt werden können.
Eine Meßuhr 40 zeigt in bekannter Weise die Stellung der Exzenterbuchse und damit
das Maß der Zustellung an. Die Arbeitsspindel ist auf der Werkzeugseite mit einem
Kugellager 41, oder in anderer Weise nach allen Seiten schwenkbar gelagert, in der
Exzenter-buchse gelagert. Sie wird mit der anderen Lagerstelle mit Hilfe eines Nadellagers
42 oder dergl. von einem Lagergehäuse 43 aufgenommen, das mit geeigneten bekannten
Mitteln spielfrei längsverschiebbar gehalten ist. Im Ausführungsbeispiel ist hierfür
eine Kugel-.oder Rollenführung 44 vorgesehen, es kann aber auch eine auf Bändern
beruhende oder die Elastizität des Lagermaterials ausnutzende Aufhängung vorgesehen
seän. Das Lagergehäuse stützt sich über hydraulische Druckmeßdosen 60, 61 auf einem
Gehäuse 45 ab, dar-, spielfrei drehbar in einer Flanschbuchse 46 gelagert ist, welche
an der Exzenterbuchse 24 befestigt und mit einem Deckel 47 verschlossen ist. Das
Gehäuse kann relativ zum Werkzeug 22 verdreht werden und ist mit Hilfe eines Auslegers
47 und einer Schraube
48 oder dergl. auf einer Leiste 49 angelenkt.
Die Leiste kann in einer etwa halbkreisförmig verlaufenden T-Nute 50 nach der gewünschten
Wirkungsrichtung der Druckmeßdosen verschoben und festgeschraubt werden. Ein Schlitz
52 im Ausleger 47 sorgt dafür, daß die Exzenterbuchse 24 gegenüber dem Gehäuse verdreht
und die Achse der Werkzeugspindel 23 parallel verschoben,werden kann, ohne daß sich
dabei die Wirkungsrichtung der Druckmeßdose wesentlich verändert.
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Die beiden Druckmef.#do ren wirken über eine gemeinname Leitung 63
auf einen Kolben 64 (Fig. 5), der mit einem Steuerschieber 65 verbunden ist. Die
Hydraulikanlage kann mit Hilfe einer Handpumpe 66 mit Druckmittel versorgt werden.
Die hydraulische Meßeinrichtung kann mit einem Ventil 67 zur Handpumpe hin verschlossen
werden. Die gesamte Hydraulikanlage ist.lediglich schematisch dargestellt. Alle
notwendigen, aber üblichen Elemente, beispielsweise zum Entlüften, Entleeren, evtl.
zur Druckregulierung und Ausgleich der Viskositätsänderung auch Sicherheitsventile
und dergl. sind nicht gezeichnet. Der Steuerschieber reguliert den Zustrom von der
Pumpe P zu den Zylinderräumen 36, 37 mit folgenden Mitteln: Aus einem Vorratsbehälter
68 saugt die Pumpe Druckmittel über einen Filter 69 an und drückt es über ein Druckregulierventil
70 und/ oder Sicherheitsventil und/oder Vorspannventil und über 'Leitung 70a in
das Steuergehäuse 71 des Steuerkolbens 65. Je nach der Stellung des Steuerschiebers
leitet dieser das Druckmittel entweder über die Leitung 38 in den Zylinderraum 36
oder über die Leitung 39 in den Zylinderraum 37. Das jeweils abfließende Medium
wird über die Leitungen 72 oder 73 und 74 in den Vorratsbehälter zurückgeleitet.
Nicht gezeichnete Drosselungen in den Rücklaufleitungen 7?.., 73 sorgen für ein
spielfreies Arboiten des Kolbens 54 (oder aridere geeignete bekannte Mittel).
Die
Wirkungsweise der Zahnradschabvorrichtung ist bekannt, so daß sich die Beschreibung
der Funktion auf die Erfindung beschränkt. Wenn beim Schaben das Werkzeug 22 relativ
zum Werkstück 11 einen Längsvorschub in Richtung des Doppelpfeiles 80 ausführt,
so wird aufgrund der Sparabrahme gleichzeitig auf das Werkzeug ein Rückdruck in
Richtung des Pfeiles 81 ausgeübt, dem durch eine Sam Kugellager 41 angreifende Kraft
82 und eine am Nadellager bzw. an den Druckmeßdosen 60, 61 wirkende Kraft 83 das
Gleichgewicht gehalten wird. Die Reaktionskraft 83' zu 83 drückt auf die Druckmeßdose
60 und verdrängt Druckmittel, das einerseits in die Druckmeßdose 61 geleitet wird,
die kleiner ist als 60 und für eine spielfreie Anlage sorgt (sie könnte auch durch
eine ständige nachgiebige Kraft beispielsweise einer Feder ersetzt sein,) und andererseits
den Kolben 64 belastet. Die auf den Kolben 64 ausgeübte Kraft hält eine Feder 75
zunächst im Gleichgewicht. Die Kraft der Feder kann mit einer Schraube 76 eingt:stellt
werden. Übersteigt der Rückdruck einen vorgewählten Wert, so überwindet der auf
dem Kolben 64 lastende Druck die Feder 75 und der Steuerschieber 65 wird nach unten
verschoben, so daß die Steuerkanten 84 und 85 geöffnet werden. Die Pumpe fördert
jetzt Druckmittel über das Druckregulierventil 70, Leitung 70a, Steuerkante 84,
Leitung 59 in den Zylinderraum 37. Gleichzeitig kanp@das Druckmittel aus dem Raum
36.über Leitung 38, Steuerkante 85 und Leitungen 72, 74 abströmen. Der Kolben 34
mit der Zustellspindel 28 weicht nach oben aus, dreht die Exzenterbuchse gegen den
Uhrzeigersinn und das Werkzeug
wird so weit zurückgezogen, bis wieder Gleichgewicht
vorhanden ist und die Steuerkanten 84, 85 geschlossen sind. Wird der Rückdruck
zu klein, so ist auch die Sparabnahme zu gering und in sinngemäßer Weise wird der
Kolben 64 nach oben gesteuert und das Werkzeug mit Hilfe der Exzenter-
Buchse
zugestellt. Durch Verdrehen des Gehäuses 45 kann die Richtung der zum Steuern heranzuziehenden
Kraft gewählt werden.
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Eine entsprechende elektrische Steuereinrichtung zeigt Fig. 6. Das
Lagergehäuse 43 wird von einer elektrischen Druckmeßdose 90 abgestützt, die auf
eine Veränderung des ohm'schen Widerstands anspricht. Zu diesem Zweck enthält sie
eine Kohlesäul<e 91, die in bekannter Weise in eine Widerstandsmeßbrücke
eingefügt ist. Diese besteht außer aus der besagten Kohlesäirl.e aus einem veränderlichen
Widerfctand 92 zum Abstimmen, zwei konstanten oder veränderlichen Widerständen 93,
94 und einem Geber 95 für den Stellmotor 96, der den Tiefenvorschub betätigt, ähnlich
wie im Zusammenhang mit. dem Motor 32 (Fig. 4) beschrieben wurde. Die Funktion derartiger
Meßsteuerungen ist grundsätzlich bekannt. Die Wirkungsweise innerhalb der Erfindung
ist sinngemäß die gleiche wie die vorher beschriebene hydraulische Steuerung. Statt
einer auf den Widerstand ansprechenden Steuereinrichtung können auch kapazitive,
induktive oder elasto-magnetische Mittel vorgesehen sein. Auch können statt einer
Brückenschaltung Quotient- oder Differenzschaltungen oder andere geeignete Schaltmethoden
gewählt werden. Auch sind Druckmeßeinrichtungen möglich, die auf dem Piezo-Effekt
beruhen.
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Fig. 7 zeigt ein Ausführungsbeispiel für die Anwendung der Erfindung
zur Steuerung eines Längsvorschubes. Als Beispiel ist ein hydraulischer Antrieb
für den Vorschub gewählt, genauso gut sind aber auch elektrische bzw. mechanische
Mittel möglich. Die Werkstückspindel 23 ist radial unnachgiebig, dafür aber axial
nachgebend gelagert. Sie wird in axialer Richtung über Längslager 100, 101 von zwei
in entgegengesetzten Richtungen wirkenden Druckmeßdosen 102, 103 abgefangen. Diese
Druckmeßdosen
sind jeweils über eine Leitung 104, 105 und Ventilen
106, 107 sowie über eine Leitung 108 mit der Druckseite eines Steuerkolbens 109
verbunden, der auf einen Steuerschieber 110 drücken kann, welcher andererseits von
einer einstellbaren Feder 111 belastet ist. Der Steuerkreis dieser Anlage kann mit
einer Handpumpe 112 gefüllt werden. Zur Handpumpe hin ist er mit einem Ventil 113
verschließbar. Die für Hydraulikanlagen üblichen Mittel, wie beispielsweise zum
Entlüften und andere wurden, da sie für das Verständnis der Erfindung nicht notwendig
sind, nicht gezeichnet. Der hydraulische Arbeitskreis besteht aus einer Pumpe P,
die über einen Filter 114 Druckmittel aus einem Vorratsbehälter 115 ansaugt und
über ein Druckregulierventil 116 einem Steuergehäuse 117 zuführt, das den Steuerschieber
110 enthält, welcher je nach seiner Stellung das Druckmittel in den Zylinderraum
118 oder 119 leitet, die beide von dem Vorschubzylinder 120 und dem Vorschubkolben
121 gebildet werden. Der Vorschubkolben 121 treibt über eine Kolbenstange 122 den
Längsschlitten 16 an. In den Leitungen 125 bis 128, die das Steuergehäuse 117 mit
dem Vorschubzylinder 120 verbinden, ist ein Umschaltventil 129 zur Wahl der Vorschubrichtung
vorgesehen. In den Rücklaufleitungen 131, 132 oder 133 zwischen dem Steuergehäuse
117 und dem Vorratsbehälter 115 können Drosselstellen vorgesehen sein, um-ein spielfreies
Arbeiten des Vorschubkolbens 121 zu gewährleisten.
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Die Wirkungsweise ist folgende: Es sei ein Vorschub in Richtung des
Pfeiles 124 angenommen. Dann ist das Ventil 106 geöffnet und das Ventil 107 geschlossen.
Das Umschaltventil 129 ist so gestellt, daß die Leitung 127 mit 128 und die Leitung
125 mit 126 verbunden sind. Wirksam ist so die Meßdose 102. Zu Beginn des Vormchubs
wird rauf die Meßdone 10? noch keJne Kraft ausgeübt, so daß die
Feder
111 den Steuerschieber 110 nach oben drückt, so daß die Pumpe P das aus dem Vorratsbehälter
115 angesaugte Druckmittel über die Steuerkante 135, die Leitung 127, Umschaltventil
129 und Leitung 128 in den Zylinderraum 118 fördert, während das Druckmittel aus
dem Zylinderraum 119 auf dem Wege 126, 129, 125, Steuerkante 134 und Rücklaufleitungen
132, 133 abfließen kann. Der Längsschlitten 16 wird in Richtung des Pfeiles 124'
bzw. 124 vorgeschoben. Überschreitet die Vorschubkraft einen an der Feder 111 vorgewählten
Wert, so überwindet die von der aus der Meßdose 102 verdrängte Flüssigkeit auf den
Steuerkolben 109 ausgeübte Kraft die Feder 111. Der Steuerschieber 110 wird nach
unten verschoben und die Steuerkanten geschlossen. Die Geschwindigkeit des Längsschlitten
wird so vermindert, daß das Kräftegleichgewicht am Steuerschieber wieder hergestellt
ist und die Vorschubkraft den gewünschten Wert einnimmt. Für die entgegengesetzte
Vorschubrichtung 123 wird das Ventil 106 geschlossen, Ventil 107 geöffnet, und das
Umschaltventil 129 auf Stellung 129a umgeschaltet. Die Funktion ist dann sinngemäß
so wie vorher geschildert wurde.
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Statt der hydraulischen Steuerung kann auch hier eine elektrische
gewählt werden, ähnlich wie mit Fig. 6 gezeigt wurde. Auch kann jede andere Schnitt-
oder Vorschubkraft als Kriterium zum Steuern verwendet werden. Vor allem sei darauf
hingewiesen, daß die Maschine nach der Erfindung-nach dem Antriebsdrehmoment gesteuert
werden kann, und zwar können dabei entweder die Antriebsdrehzahl oder auch die Vorschübe
gesteuert werden. Die Ausführungsbeispiele bezogen sich auf eine Schabmaschine für
große Zahnräder. Sie ist auch anwendbar auf Maschinen für mittlere und kleine Räder,
wobei die Stellung des Werkzeugs relativ zum Werkstück (Werkzeug über oder
unter dem Werkstück) keine Rolle spielt. Auch ist
die Erfindung
auf Maschinen zum Bearbeiten von Innenz:-Ihnkränzen und Maschinen mit einer Einrichtung
zum Erzeugen balliger Zähne anwendbar. Die Erfindung richtet sich ferner auf jedes
Arbeitsverfahren zum Bearbeiten von Zahnrädern, also auch auf häppen, Honen, Burnishen,
Fräsen, Schleifen, Rollen und Walzen.
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Es sei noch ausdrücklich erwähnt,-daß die Richtung der gemessenen
Kraft und die Richtung des gesteuerten Vorschubs nicht zusammenzufallen brauchen.
So kann beispielsweise der radiale Rückdruck gemessen und der Längsvorschub gesteuert
werden. Hierdurch wird die Erfindung auch geeignet für die spanlose Bearbeitung
von Teilen mit wälzfähigen Profilen, wie beispielsweise von Zahnrädern, Keilprofilen
und Gewinden.