DE19900011B4

DE19900011B4 - Vorrichtung zur gleichzeitigen Verzahnungs- und Bohrungsfeinbearbeitung an Getriebestirnzahnrädern

Info

Publication number: DE19900011B4
Application number: DE19900011A
Authority: DE
Inventors: Walter Wirz
Original assignee: Reishauer AG
Current assignee: Reishauer AG
Priority date: 1999-01-02
Filing date: 1999-01-02
Publication date: 2005-12-15
Anticipated expiration: 2019-01-03
Also published as: JP4499224B2; ITTO991110A1; US20020094761A1; ITTO991110A0; IT1311323B1; DE19900011A1; US6805617B2; JP2000198025A; US6350181B1

Abstract

Vorrichtung zum gleichzeitigen Hartfeinbearbeiten der Verzahnung und Bohrung von vorgearbeiteten und gehärteten Getriebestirnzahnrädern (6) mit zylindrischer Durchgangsbohrung (8) in ein und derselben Aufspannung mittels einer auf einer Schleifspindel aufgespannten Schleifschnecke (5) zum kontinuierlichen Wälzschleifen der Verzahnung, und eines Innenbearbeitungswerkzeuges (11) zum Bearbeiten der zylindrischen Durchgangsbohrung (8), umfassend
– eine Werkstückspindel (3), in der ein eine erste Stirnfläche (22) oder einen ersten Zentrieransatz (19) aufweisender Mitnehmer (9) eingespannt ist,
– einen Reitstock (16), in dem ein eine zweite Stirnfläche (25) oder einen zweiten Zentrieransatz (18) aufweisender Gegenhalter (10, 24) drehbar gelagert ist,
– wobei der Reitstock (16) gegenüber der Werkstückspindel (3) bewegbar ist und das Zahnrad (6) zwischen dem über Reibschluss drehmomentübertragenden Mitnehmer (9) und dem Gegenhalter (10, 24) jeweils über die Stirnfläche (22, 25) oder den Zentrieransatz (18, 19) bei zumindest einseitiger Zentrierung über einen Zentrieransatz (18, 19) einspannbar ist,
– und wobei der Gegenhalter...

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum gleichzeitigen Feinbearbeiten der Verzahnung und Bohrung von Getriebestirnzahnrädern mit Durchgangsbohrung in ein und derselben Aufspannung.
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 Notwendigkeit, 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 Handschaltgetriebe 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 Prozessablauf:

– 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 versucht sie aber mit allen möglichen Massnahmen klein zu halten. 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 Getriebewelle geführt, was eine sehr genaue und feine Bohrungsoberfläche verlangt. Für die Bohrungsbearbeitung wird das Werkstück normalerweise in der vorgearbeiteten Verzahnung gespannt, um einen möglichst guten Rundlauf zur Bohrung zu gewährleisten. Gerade dieses Aufspannen in der Verzahnung ist aber heikel und kostspielig. Nicht nur, dass die benötigten Aufspannmittel für jede Verzahnung gesondert hergestellt werden 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 hochgenaue Aufnahme in der Bohrung erforderlich. Solche Spannmittel sind meist als hydraulisch expandierbare Dorne mit zylindrischer Spannzone ausgeführt.

Aus der US 4 724 599 ist es bekannt, bei einem Zahnrad, das integral an einer Welle angeformt ist, gleichzeitig mit der Verzahnung auch einen Aussendurchmesser der Welle zu bearbeiten. Dazu wird die Welle mit einem Dorn in einer Sackbohrung der Welle gespannt und mit einer Spitze auf der Gegenseite zentriert.

Das Bearbeitungswerkzeug für die Verzahnung ist ein Honrad. Dieses Bearbeitungsverfahren setzt eine exakte Zentrierung der Sackbohrung, der Zentrierspitze und der vorbearbeiteten Verzahnung voraus, also die oben erwähnten vier vorangehenden Schritte. Falls der vierte Schritt weggelassen wird, ist ein grosses Schleifaufmass, also eine lange Schleifdauer erforderlich.

Aus der DE 196 25 370 C1 ist eine Schleifmaschine zum Schleifen von Stirnzahnrädern bekannt. Die Verzahnung kann nur präzis geschliffen werden, wenn vorgängig die Bohrung geschliffen wird, also der obige vierte Verfahrensschritt vorgeschaltet wird.

In „Antriebstechnik" 36 (1979) Nr. 9 Seite 78-81 ist die Aufspannung des Zahnrades in der Verzahnung zur Durchführung dieses vierten Verfahrensschrittes ausführlich erläutert.

In „Fertigung" August 1989, Seite 94 ist eine Schleifmaschine zum gleichzeitigen Schleifen von Aussen- und Innenkonturen von Rotationskörpern beschrieben. Die Werkstücke werden einseitig in einem Spannfutter eingespannt, was eine entsprechende Basisfläche erfordert. Mit der beschriebenen Maschine können keine Verzahnungen geschliffen werden.

In „Werkstatt und Betrieb" 130 (1997) Seite 1123-1125 ist eine Maschine beschrieben, mit welcher in der gleichen Aufspannung nacheinander ein Zahnrad geschliffen und gehont werden kann. Auch diese Maschine setzt die vorgängige Feinbearbeitung der Bohrung voraus.

In DE 1 821 102 U ist eine Spannvorrichtung zum Einspannen zylindrischer Hohlkörper, zum Beispiel von Rohren, beschrieben. Weil bei solchen rohrförmigen Körpern keine Körnerspitze zum Zentrieren angebracht werden kann, und um zu vermeiden, dass man als Ersatz dazu eine in die Rohröffnung eingesetzte Platte einsetzen muss, wird der Hohlkörper an einer Fase mittels eines Druck-Drehlagers mit Durchgangsbohrung zentriert. Die Vorrichtung ist gedacht für das Drehen der Aussenkontur auf einer Drehbank.

Es ist das Ziel der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung anzugeben, mit welcher die Hartfeinbearbeitung von PKW-Getrieberädern rationalisiert und verbessert werden kann und die mit weit einfacheren und kostengünstigeren Aufspannmitteln auskommt. Diese Aufgabe wird durch die Merkmalskombination des Hauptanspruchs 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 Werkstücke so gestaltet, dass die zu bearbeitenden Flächen für das entsprechende Werkzeug frei zugänglich bleiben. Neben den zeitlichen Einsparungen in der Fertigung wird damit automatisch ein einwandfreier Rundlauf von Bohrung zu Verzahnung erreicht, und ausserdem werden die teuren Aufspannmittel für die Aufnahme der Werkstücke in der Verzahnung wie auch hinterher in der Bohrung zum Verzahnungsschleifen eliminiert.

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

Wie oben erwähnt, werden die gehärteten Werkstücke nach heutiger Praxis zum Bohrungsschleifen in den meisten Fällen in der Verzahnung gespannt. Dies hat hauptsächlich fertigungstechnische Gründe. Einerseits lassen sich solche Werkstücke für diese Bearbeitung häufig kaum anders spannen, andererseits ist die danach folgende Verzahnungshartbearbeitung ein aufwendiger und teurer Prozess, und man versucht deshalb, das Aufmass möglichst klein zu halten. Um hernach bei der Bearbeitung trotz geringem Aufmass alle Zahnflanken sauber zu bekommen, 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. Eindeutig 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 hochgenaue Aufspannung verzichtet werden, weil ein perfekter Rundlauf zwischen den beiden Funktionspartien automatisch gegeben ist.

Eine solche Aufspannung kann erreicht werden, wenn beide Fasen der Bohrung oder eine Fase und eine Planfläche oder die Aussenfläche einer allfälligen Nabe des Werkstückes zur Zentrierung mittels passender Zentrierstücke herangezogen werden, wobei mindesten das Zentrierstück auf der Seite des Innenbearbeitungswerkzeuges eine Durchgangsbohrung aufweisen muss.

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

1 eine mögliche Variante der Anordnung der Maschinen-Komponenten für die Durchführung des Verfahrens,

2 einen vergrösserten Ausschnitt aus der Darstellung nach 1,

3 eine Variante einer Werkstückaufspannung mit planseitiger Abstützung und Zentrierung über eine Fase der Bohrung, und

4 eine Variante einer Werkstückaufspannung ähnlich wie in 3, jedoch mit vertauschten Zentrierstücken.

1 zeigt eine erste Ausführungsform der Erfindung. Auf einer kontinuierlich arbeitenden Verzahnungsschleifmaschine mit Werkstückschlitten 1, Spindelstock 2 mit Werkstükspindel 3 und Reitstockschlitten 4 wird mittels einer schneckenförmig profilierten Schleifscheibe 5 das Werkstück 6 in seiner Verzahnung 7 und gleichzeitig in seiner Bohrung 8 geschliffen. Das Werkstück 6 wird gespannt zwischen der antreibenden, 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 Kreuzschlitten 13, bestehend aus dem Vorschubschlitten 14 und dem Zustellschlitten 15, angeordnet. Die Reitstockzentrierung 10 ist im Halter 16 gelagert, welcher seinerseits auf dem Reitstockschlitten 4 festgeschraubt ist.
2 zeigt einen vergrösserten Ausschnitt. Das Werkstück 6 wird mittels der Zentrierungen 9 und 10 in seiner Bearbeitungsposition über seine zwei Fasen 17 und 18 an den Bohrungsstirnseiten gespannt. Die Gegenfläche der Fase 17 am Mitnehmer 9 ist im Bereich ihrer Auflagezone 19 mit einem Belag aus feinem Diamant- oder einem anderen Hartstoffkorn belegt. Dadurch wird das für die Bearbeitungskräfte, insbesondere für das Wälzschleifen der Verzahnung 7, aufzubringende Drehmoment auf das Werkstück rutschfrei übertragen. Die axiale Anpresskraft für die Erreichung des notwendigen Drehmomentes wird über die Zentrierung 10 via das Lager 23 vom Halter 16 aufgebracht. Sowohl die Zentrierung 9 wie auch der Halter 16 sind so gestaltet, dass sie ausserhalb der Kollisionskontur 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 geringfügig grösser als das Fertigmass der Bohrung 8 des Zahnrades 6. Dies erleichtert das Ein- und Ausfahren des Werkzeuges 11.
In 3 wird das Werkstück mittels der Zentrierungen 10 und 30 in seiner Bearbeitungsposition gespannt. Im Unterschied zu der Variante von 2 wird in diesem Fall das Werkstück 6 durch die mitnahmeseitige Zentrierung 30 nicht in der Fase der Bohrung geführt, sondern an der gewöhnlich vorhandenen Kupplungsverzahnung 21 zentriert und planseitig über die ringförmige Stirnfläche 22, welche wiederum mit Hartstoffkörnren belegt ist, mitgenommen. Reitstockseitig ist das Werkstück gleich wie in 1 und 2 gezeigt an seiner Fase 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 4 ist eine weitere Variante der Werkstückspannung dargestellt, bei der das Werkstück 6 mitnahmeseitig in der Fase 17 der Bohrung 8 durch die hartstoffkornbelegte Mitnahmefläche 19 zentriert ist und reitstockseitig von der Gegenlagerung 24 über die Planfläche 25 und den Halter 16 abgestütz wird.
Die beschriebenen Arten der Aufspannung der Werkstücke nach 2 bis 4 erfordern eine gewisse Minimalgrösse der entsprechenden 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 Bohrungswand nicht benötigt werden. Der Innendurchmesser der Zentrierungen 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 Werkstück 6 (siehe 3 und 4) in der gleichen Aufspannung bearbeitet werden, ist der äussere oder innere Durchmesser 26, 29 der Zentrierung 10, 24 so zu dimensionieren, dass ein Planbearbeitungswerkzeug 28 ungehinderten Zugang zum Bearbeiten der Fläche 27 hat. Bei der Variante nach 3 ist natürlich das Werkzeug 28 in Umfangsrichtung gegenüber der Schleifschnecke 5 versetzt, damit die Bearbeitung gleichzeitig erfolgen kann. Bei entsprechend vorhandener Einrichtung, z.B. einer zusätzlichen Schleifspindel mit Planschleifscheibe, ist auch diese Bearbeitungsoperation gleichzeitig mit den übrigen beiden ausführbar, womit ein exakter Rund- und Planlauf aller wichtigen Funktionsflächen am Werkstück gewährleistet ist.

Claims

Vorrichtung zum gleichzeitigen Hartfeinbearbeiten der Verzahnung und Bohrung von vorgearbeiteten und gehärteten Getriebestirnzahnrädern (6) mit zylindrischer Durchgangsbohrung (8) in ein und derselben Aufspannung mittels einer auf einer Schleifspindel aufgespannten Schleifschnecke (5) zum kontinuierlichen Wälzschleifen der Verzahnung, und eines Innenbearbeitungswerkzeuges (11) zum Bearbeiten der zylindrischen Durchgangsbohrung (8), umfassend – eine Werkstückspindel (3), in der ein eine erste Stirnfläche (22) oder einen ersten Zentrieransatz (19) aufweisender Mitnehmer (9) eingespannt ist, – einen Reitstock (16), in dem ein eine zweite Stirnfläche (25) oder einen zweiten Zentrieransatz (18) aufweisender Gegenhalter (10, 24) drehbar gelagert ist, – wobei der Reitstock (16) gegenüber der Werkstückspindel (3) bewegbar ist und das Zahnrad (6) zwischen dem über Reibschluss drehmomentübertragenden Mitnehmer (9) und dem Gegenhalter (10, 24) jeweils über die Stirnfläche (22, 25) oder den Zentrieransatz (18, 19) bei zumindest einseitiger Zentrierung über einen Zentrieransatz (18, 19) einspannbar ist, – und wobei der Gegenhalter (10, 24) eine koaxial zu seiner Drehachse verlaufende zweite Durchgangsbohrung (29, 35) aufweist, durch welche das Innenbearbeitungswerkzeug (11) zum Bearbeiten der Durchgangsbohrung (8) des Zahnrades (6) gleichzeitig während der Verzahnungsbearbeitung hindurch geführt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens einer der Zentrieransätze (18, 19) konisch ausgebildet ist, zum Eingriff in eine Fase (17, 18) der Durchgangsbohrung (8) des Zahnrades (6).
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine der Stirnflächen (22, 25) eine Planfläche ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Stirnfläche (19, 22) mit Hartstoffkörnern beschichtet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser der zweiten Durchgangsbohrung (29, 35) grösser ist als der Durchmesser der Durchgangsbohrung (8) des Zahnrades (6).
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Mitnehmer (9) mit einer Planfläche als erster Stirnfläche (22) eine koaxiale Sackbohrung (36) aufweist, deren Durchmesser grösser ist als der Durchmesser der Durchgangsbohrung (8) des Zahnrades (6).