DE19900011A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Feinbearbeiten von Getriebezahnrädern - Google Patents

Abstract

Das Verfahren beschreibt, wie sich Getriebezahnräder (6) sehr rationell und hochgenau herstellen lassen, indem in einer einzigen Aufspannung die Komplett-Hart-Feinbearbeitung an allen wichtigen Funktionsflächen am Werkstück gleichzeitig ausgeführt wird. Ermöglicht wird dieser Mehrfachprozess durch die kombinierte Anwendung eines kontinuierlichen Wälzschleifverfahrens für die Verzahnungsbearbeitung, einer bekannten Methode für die Bohrungs- und eventuell der Stirnseitenbearbeitung und der Aufspannung der Werkstücke (6) an Formelementen wie Fasen oder Planflächen mittels Zentrierelementen (9, 10), die so gestaltet sind, dass sie den freien Zugang der einzelnen Werkzeuge (5, 11, 28) an die zu bearbeitenden Flächen (7, 8, 27) nicht behindern.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Feinbearbeiten an Getriebezahnrädern.

Der Wunsch nach Gewichtseinsparung und Geräuschreduktion bei den PKWs zwingt dazu, unter anderem auch die Getriebe immer sorgfältiger und genauer zu fertigen. Das führt zur Notwen­ digkeit, die bisher häufig nur im weichen Zustand geschabten und dann gehärteten Verzahnungen der Getrieberäder einer Feinbearbeitung nach dem Härten zu unterziehen.

Bei den üblichen Konstruktionen der heutigen Handschaltge­ triebe sind über 70% aller Zahnräder scheibenförmig, d. h. der Durchmesser ist grösser als die Breite, und sie besitzen meist eine zylindrische Bohrung.

Eine gängige und weit verbreitete Technik für die Herstellung solcher typischen PKW-Getrieberäder ist dabei folgender Pro­ zessablauf:

• - Drehen des Rohlings, Bohrung mit Schleifaufmass,
• - Verzahnung im weichen Zustand vorfräsen, Aufspannung in der vorgearbeiteten Bohrung,
• - Härten,
• - Zahnrad in der Verzahnung aufnehmen und Bohrung schleifen,
• - Zahnrad in der Bohrung aufnehmen und Verzahnung schleifen.

Beide Schritte der Hartfeinbearbeitung sind relativ aufwendig und deshalb teuer. Das ist auch ein Grund dafür, dass bis heute noch viele Verzahnungen statt hartfeinbearbeitet im weichen Zustand auf das Fertigmass geschabt werden. Die beim Härten entstehenden Verzüge nimmt man dabei in Kauf, man ver­ sucht sie aber mit allen möglichen Massnahmen klein zu hal­ ten. Wie erwähnt, genügen aber bei vielen modernen Getrieben solche nur geschabten Räder den Anforderungen nicht mehr.

Nicht ohne Hartfeinbearbeitung kann die Bohrung bleiben, denn meist ist ein solches Zahnrad mit Nadellagern auf der Getrie­ bewelle geführt, was eine sehr genaue und feine Bohrungsober­ fläche verlangt. Für die Bohrungsbearbeitung wird das Werk­ stück normalerweise in der vorgearbeiteten Verzahnung ge­ spannt, um einen möglichst guten Rundlauf zur Bohrung zu ge­ währleisten. Gerade dieses Aufspannen in der Verzahnung ist aber heikel und kostspielig. Nicht nur, dass die benötigten Aufspannmittel für jede Verzahnung gesondert hergestellt wer­ den müssen, sondern auch wegen ihrer Kompliziertheit und der Anfälligkeit auf Verschmutzung und Verschleiss sind sie in der Massenproduktion nicht gern gesehen.

Ein guter Rundlauf ist in jedem Falle erforderlich, egal ob die Verzahnung hinterher hartfeinbearbeitet wird oder nicht. Ist aber eine Hartfeinbearbeitung der Verzahnung vorgesehen, dann ist dafür wiederum ein teures Spannmittel für eine hoch­ genaue Aufnahme in der Bohrung erforderlich. Solche Spannmit­ tel sind meist als hydraulisch expandierbare Dorne mit zylin­ drischer Spannzone ausgeführt.

Es ist das Ziel der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung anzugeben, mit welcher die Hartfeinbearbei­ tung von PKW-Getrieberädern rationalisiert und verbessert werden kann und die mit weit einfacheren und kostengünstige­ ren Aufspannmitteln auskommt. Diese Aufgabe wird durch die Merkmalskombination der Ansprüche gelöst.

Erfindungsgemäss wird dabei die Bearbeitung der Verzahnung und der Bohrung von Zahnrädern in der selben Aufspannung und gleichzeitig ausgeführt. Dabei ist die Aufspannung der Werk­ stücke so gestaltet, dass die zu bearbeitenden Flächen für das entsprechende Werkzeug frei zugänglich bleiben. Neben den zeitlichen Einsparungen in der Fertigung wird damit automa­ tisch ein einwandfreier Rundlauf von Bohrung zu Verzahnung erreicht, und ausserdem werden die teuren Aufspannmittel für die Aufnahme der Werkstücke in der Verzahnung wie auch hin­ terher in der Bohrung zum Verzahnungsschleifen eliminiert.

Die Durchführbarkeit des erfindungsgemässen Verfahrens wird ermöglicht dank einiger spezifischen Merkmale an scheibenför­ migen Getrieberädern, wie sie z. B. in PKW-Getrieben zu finden sind, und der Verfügbarkeit des kontinuierlichen Wälzschleif­ verfahrens, das eine rasche und kontinuierliche Drehung des Werkstückes für den Bearbeitungsprozess benötigt. Diese Dreh­ bewegung wird gleichzeitig während der Verzahnungsbearbeitung genutzt, um die Bohrung in bekannter Art, z. B. durch Innen­ schleifen oder Honen, zu bearbeiten.

Wie oben erwähnt, werden die gehärteten Werkstücke nach heu­ tiger Praxis zum Bohrungsschleifen in den meisten Fällen in der Verzahnung gespannt. Dies hat hauptsächlich fertigungs­ technische Gründe. Einerseits lassen sich solche Werkstücke für diese Bearbeitung häufig kaum anders spannen, anderer­ seits ist die danach folgende Verzahnungshartbearbeitung ein aufwendiger und teurer Prozess, und man versucht deshalb, das Aufmass möglichst klein zu halten. Um hernach bei der Bear­ beitung trotz geringem Aufmass alle Zahnflanken sauber zu be­ kommen, ist es deshalb notwendig, schon die Bohrung so genau wie möglich rundlaufend nach der vorgefertigten Verzahnung zu bearbeiten. Dass die Genauigkeit eines solchen Spannens in der Verzahnung ihre Grenzen hat, liegt auf der Hand, denn die Verzüge durch das Härten lassen sich nicht ausschalten. Ein­ deutig funktionale Gründe hat dagegen das hochgenaue Spannen der Werkstücke in der Bohrung zur Verzahnungsfeinbearbeitung: hier soll ja gerade die Laufqualität des Zahnrades erzeugt werden.

Wird das Werkstück so gespannt, dass die Verzahnung und die Bohrung gleichzeitig bearbeitbar sind, kann auf eine hochge­ naue Aufspannung verzichtet werden, weil ein perfekter Rund­ lauf zwischen den beiden Funktionspartien automatisch gegeben ist.

Eine solche Aufspannung kann erreicht werden, wenn beide Fa­ sen der Bohrung oder eine Fase und eine Planfläche oder die Aussenfläche einer allfälligen Nabe des Werkstückes zur Zen­ trierung mittels passender Zentrierstücke herangezogen wer­ den, wobei mindesten das Zentrierstück auf der Seite des In­ nenbearbeitungswerkzeuges eine Durchgangsbohrung aufweisen muss.

Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnungen erläutert. Darin zeigt:

Fig. 1 eine mögliche Variante der Anordnung der Maschi­ nen-Komponenten für die Durchführung des erfin­ dungsgemässen Verfahrens,

Fig. 2 einen vergrösserten Ausschnitt aus der Darstellung nach Fig. 1,

Fig. 3 eine Variante einer Werkstückaufspannung mit plan­ seitiger Abstützung und Zentrierung über eine Fase der Bohrung, und

Fig. 4 eine Variante einer Werkstückaufspannung ähnlich wie in Fig. 3, jedoch mit vertauschten Zentner­ stücken.

Fig. 1 zeigt eine erste Ausführungsform der Erfindung. Auf einer kontinuierlich arbeitenden Verzahnungsschleifmaschine mit Werkstückschlitten 1, Spindelstock 2 mit Werkstükspin­ del 3 und Reitstockschlitten 4 wird mittels einer schnecken­ förmig profilierten Schleifscheibe 5 das Werkstück 6 in sei­ ner Verzahnung 7 und gleichzeitig in seiner Bohrung 8 ge­ schliffen. Das Werkstück 6 wird gespannt zwischen der antrei­ benden, als Mitnehmer wirkenden Zentrierung 9, die in der Werkstückspindel 3 eingespannt ist, und der mitlaufenden Reitstockzentrierung 10. Für die Bewegungen des Werkzeuges 11 bzw. der Innenschleifspindel 12 zum Schleifen der Bohrung 8 des Werkstückes 6 ist auf dem Reitstockschlitten 4 ein Kreuz­ schlitten 13, bestehend aus dem Vorschubschlitten 14 und dem Zustellschlitten 15, angeordnet. Die Reitstockzentrierung 10 ist im Halter 16, gelagert, welcher seinerseits auf dem Reit­ stockschlitten 4 festgeschraubt ist.

Fig. 2 zeigt einen vergrösserten Ausschnitt. Das Werkstück -6 wird mittels der Zentrierungen 9 und 10 in seiner Bearbei­ tungsposition über seine zwei Fasen 17 und 18 an den Boh­ rungsstirnseiten gespannt. Die Gegenfläche der Fase 17 am Mitnehmer 9 ist im Bereich ihrer Auflagezone 19 mit einem Be­ lag aus feinem Diamant- oder einem anderen Hartstoffkorn be­ legt. Dadurch wird das für die Bearbeitungskräfte, insbeson­ dere für das Wälzschleifen der Verzahnung 7, aufzubringende Drehmoment auf das Werkstück rutschfrei übertragen. Die axia­ le Anpresskraft für die Erreichung des notwendigen Drehmomen­ tes wird über die Zentrierung 10 via das Lager 23 vom Hal­ ter 16 aufgebracht. Sowohl die Zentrierung 9 wie auch der Halter 16 sind so gestaltet, dass sie ausserhalb der Kollisi­ onskontur 20 der Schleifschnecke 5 liegen. Die Zentrierung 10 hat eine koaxiale Durchgangsbohrung 35 und die Zentrierung 9 eine koaxiale Sackbohrung 36. Beide Bohrungen 35, 36 sind ge­ ringfügig grösser als das Fertigmass der Bohrung 8 des Zahn­ rades 6. Dies erleichtert das Ein- und Ausfahren des Werkzeu­ ges 11.

In Fig. 3 wird das Werkstück mittels der Zentrierungen 10 und 30 in seiner Bearbeitungsposition gespannt. Im Unter­ schied zu der Variante von Fig. 2 wird in diesem Fall das Werkstück 6 durch die mitnahmeseitige Zentrierung 30 nicht in der Fase der Bohrung geführt, sondern an der gewöhnlich vor­ handenen Kupplungsverzahnung 21 zentriert und planseitig über die ringförmige Stirnfläche 22, welche wiederum mit Hart­ stoffkörnern belegt ist, mitgenommen. Reitstockseitig ist das Werkstück gleich wie in Fig. 1 und 2 gezeigt an seiner Fa­ se 18 abgestützt. Über diese Fase 18 wird wiederum die axiale Kraft, die notwendig ist, um die Mitnahme des Werkstückes über die Stirnfläche 22 sicherzustellen, aufgebracht.

In Fig. 4 ist eine weitere Variante der Werkstückspannung dargestellt, bei der das Werkstück 6 mitnahmeseitig in der Fase 17 der Bohrung 8 durch die hartstoffkornbelegte Mitnah­ mefläche 19 zentriert ist und reitstockseitig von der Gegen­ lagerung 24 über die Planfläche 25 und den Halter 16 abge­ stütz wird.

Die beschriebenen Arten der Aufspannung der Werkstücke nach Fig. 2 bis 4 erfordern eine gewisse Minimalgrösse der ent­ sprechenden Fasen am Werkstück, damit die Zentrierungen sich noch richtig abstützen können. In der Regel ist eine geringe Vergrösserung der Fasen gut machbar, weil sich im eingebauten Zustand des Zahnrades im Bereich der Bohrungsenden die Käfige der Nadellager befinden und deshalb diese Zonen der Bohrungs­ wand nicht benötigt werden. Der Innendurchmesser der Zentrie­ rungen 9 und 10 wird zweckmässigerweise geringfügig grösser ausgelegt als der Fertigdurchmesser der Werkstückbohrung 8, damit das Innenbearbeitungswerkzeug ungehindert einfahren kann.

Soll auch eine allenfalls vorhandene Planfläche 27 am Werk­ stück 6 (siehe Fig. 3 und 4) in der gleichen Aufspannung bearbeitet werden, ist der äussere oder innere Durchmes­ ser 26, 29 der Zentrierung 10, 24 so zu dimensionieren, dass ein Planbearbeitungswerkzeug 28 ungehinderten Zugang zum Be­ arbeiten der Fläche 27 hat. Bei der Variante nach Fig. 3 ist natürlich das Werkzeug 28 in Umfangsrichtung gegenüber der Schleifschnecke 5 versetzt, damit die Bearbeitung gleichzei­ tig erfolgen kann. Bei entsprechend vorhandener Einrichtung, z. B. einer zusätzlichen Schleifspindel mit Planschleifschei­ be, ist auch diese Bearbeitungsoperation gleichzeitig mit den übrigen beiden ausführbar, womit ein exakter Rund- und Plan­ lauf aller wichtigen Funktionsflächen am Werkstück gewährlei­ stet ist.

Claims (10)

1. Verfahren zum Feinbearbeiten der wichtigen Funktions­ flächen an vorgearbeiteten und gehärteten Getriebezahnrä­ dern (6) mit einer zylindrischen Bohrung, wobei in ein und derselben Aufspannung des Werkstückes an Flächen, die keiner Hartbearbeitung bedürfen, die Verzahnung (7) nach einem kon­ tinuierlich arbeitenden Wälzschleifverfahren und gleichzeitig die Bohrung (8) und eventuell zusätzlich eine Stirnfläche be­ arbeitet werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei zum Bearbeiten der Verzahnung (7) das kontinuierliche Wälzschleifen mit zylin­ drischer Schleifschnecke angewendet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, wobei zum Bearbeiten der Verzahnung das kontinuierliche Profilwälzschleifen mit glo­ boidähnlicher Schleifschnecke angewendet wird, vorzugsweise mit anschliessendem Honen in der gleichen Aufspannung.

4. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 3, umfassend eine Werkstückspindel (3), in der ein Mitnehmer (9) mit einer ersten Stirnfläche (19, 22) eingespannt ist, einen Reitstock (16), in dem ein Gegen­ halter (10, 24) mit einer zweiten Stirnfläche (18, 25) dreh­ bar gelagert ist, wobei der Reitstock (16) gegenüber der Werkstückspindel (3) bewegbar ist und das Zahnrad (6) zwi­ schen den beiden Stirnflächen einspannbar und am Mitneh­ mer (9) und/oder am Gegenhalter (10, 24) zentrierbar ist, wo­ bei der Gegenhalter (10, 24) eine koaxial zu seiner Drehachse verlaufende Durchgangsbohrung (29, 35) aufweist, durch welche ein Innenbearbeitungswerkzeug (11) zum Bearbeiten der Boh­ rung (8) des Zahnrades (6) geführt werden kann, sowie eine Schleifspindel zum Aufspannen einer Schleifschnecke (5), mit welcher gleichzeitig die Verzahnung (7) bearbeitet wird.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, wobei mindestens eine der Stirnflächen (18, 19) konisch ausgebildet ist, zum Eingriff in eine Fase (17, 18) des Zahnrades (6).

6. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, wobei mindestens eine der Stirnflächen (22, 25) eine Planfläche ist.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, wobei die erste Stirnfläche (19, 22) mit Hartstoffkörnern beschich­ tet ist.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 7, wobei die Drehmomentübertragung von der Werkstückspindel (3) auf das Zahnrad (6) ausschliesslich über Reibschluss der ersten Stirnfläche (19, 22) erfolgt.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 8, wobei der Durchmesser der Durchgangsbohrung (29, 35) grösser ist als der Durchmesser der Bohrung (8) des Zahnrades (6).

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 9, wobei der Mitnehmer (9) eine koaxiale Sackbohrung (36) aufweist, deren Durchmesser grösser ist als der Durchmesser der Boh­ rung (8) des Zahnrades (6).