DE19918289A1

DE19918289A1 - Verfahren zum Herstellen verzahnter Werkstücke

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Publication number: DE19918289A1
Application number: DE1999118289
Authority: DE
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1999-04-22
Filing date: 1999-04-22
Publication date: 2000-10-26

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen verzahnter Werkstücke (18), bei dem in einem ersten Schritt durch Schruppen mit einem Schruppwerkzeug (15) aus einem Rohling eine grobe Kontur und Oberfläche (30) und in einem zweiten Schritt durch Feinbearbeiten mit einem Schlichtwerkzeug (16) eine endgültige Kontur und Oberfläche erzeugt werden. DOLLAR A Es wird vorgeschlagen, daß im ersten Schritt ein Wälzfräsverfahren eingesetzt und dieses auf derselben Werkzeugmaschine (1) durchgeführt wird, wie das anschließende Feinbearbeitungsverfahren, und daß das Werkstück (18) während beider Bearbeitungsschritte in derselben Aufspannvorrichtung (20) verbleiben kann.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen verzahnter Werkstücke mit den Merkmalen nach dem Oberbe griff des Anspruchs 1.

In der Regel werden verzahnte Werkstücke, insbesondere für Hochleistungsverzahnungen von Getrieben, in mehreren Bearbeitungsschritten hergestellt. Zunächst wird in einem ersten Verfahrensschritt aus einem Rohling mit einem Schruppwerkzeug eine grobe Zahnkontur erzeugt, die noch eine grobe Oberflächenstruktur aufweist. In einem zweiten Schritt wird dann mit einem Schlichtwerkzeug die endgültige Kontur und Oberfläche erzeugt. Aus wirtschaftlichen Gründen wird als Schruppwerkzeug häufig ein Wälzfräser auf dafür geeigneten Maschinen eingesetzt. Die wälzgefrästen Zahn flanken haben noch wellenförmige Unebenheiten. Diese sind u. a. abhängig von der Gangzahl des Wälzfräsers und von der Vorschubgeschwindigkeit, mit der ein Wälzfräser über die Breite des Werkstücks hinweg arbeitet. Eine kleine Vor schubgeschwindigkeit des Wälzfräsers pro Werkstückumdrehung würde zwar die Oberflächenunebenheiten auf ein tolerierba res Maß reduzieren, jedoch verlängert dies die Bearbei tungszeit und erhöht somit die Bearbeitungskosten. Deshalb werden spezielle Maschinen eingesetzt, die durch Feinbear beiten mit einem Schlichtwerkzeug die Vorschubmarkierungen entfernen.

In der Regel werden Zahnräder für Getriebe aller Art vor, während oder nach den mechanischen Bearbeitungsvorgän gen gehärtet. Um die Zerspanungsarbeit klein zu halten und den Verzug der Werkstücke beim Härten nachträglich inner halb der gehärteten Schicht ausgleichen zu können, wird der Härtevorgang häufig zwischen der Schruppbearbeitung und der Feinbearbeitung durchgeführt.

Entsprechend der zeitlichen Einordnung des Härtever fahrens lassen sich die Feinbearbeitungsverfahren in zwei Gruppen einteilen, nämlich danach, ob die Feinbearbeitung der Zahnflanken in weichem Zustand oder in hartem Zustand erfolgt, also vor oder nach dem Härten der Zahnflanken. Zur ersten Gruppe gehört vor allem das Schaben, zur zweiten vor allem das Schleifen und Honen. In beiden Gruppen werden verschiedene Werkzeugformen und Fertigungsmethoden ange wandt, um eine relativ dünne Schicht auf den Zahnflanken abzutragen und so eine neue Oberflächenkontur und Oberflä chenbeschaffenheit zu erzielen.

Ferner entstehen beim Bearbeiten der verzahnten Werkstücke an den Stirnkanten Grate, die nachträglich entfernt werden müssen. Außerdem besteht insbesondere bei Werkstücken mit einem großen Schrägungswinkel die Gefahr, daß eine Stirnkante jeweils sehr spitz ausfällt und bei einer Kantenbelastung leicht ausbricht. Dies kann zu großen Folgeschäden im Antriebsstrang führen. Um dies zu vermei den, wird die Kante in einem besonderen Arbeitsschritt abgeschnitten bzw. gebrochen.

Während des gesamten Fertigungsvorgangs müssen die Werkstücke mehrfach zwischen verschiedenen Werkzeugmaschi nen transportiert und auf diese aufgespannt werden. Dabei entstehen lange Rüstzeiten und Transportzeiten. Ferner besteht die Gefahr, daß die halbfertigen bzw. fertigen Werkstücke während des Transports beschädigt werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Ferti gung verzahnter Werkstücke zu vereinfachen und zu beschleu nigen. Ferner soll die Qualität verbessert werden. Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Nach der Erfindung wird in einem ersten Schritt ein Wälzfräsverfahren eingesetzt, das wirtschaftlich eine grobe Kontur und Oberfläche erzeugt. Auf der gleichen Werkzeugma schine wird anschließend das Feinbearbeitungsverfahren durchgeführt, wobei das Werkstück während beider Bearbei tungsschritte in derselben Aufspannvorrichtung verbleiben kann. Mit der heutigen Technologie numerisch gesteuerter Werkzeugmaschinen ist es möglich, ohne großen Mehraufwand auf der gleichen Werkzeugmaschine eine Schruppbearbeitung mit einer höheren Zerspanungsleistung und eine Feinbearbei tung mit großer Präzision durchzuführen. Somit werden beim erfindungsgemäßen Verfahren Transportkosten und Rüstzeiten eingespart. Ferner kann eine größere Präzision erzielt werden, wenn das Werkstück während der gesamten mechani schen Bearbeitung in derselben Aufspannvorrichtung verblei ben kann. In einer einzigen Aufspannung lassen sich leich ter engere Fertigungstoleranzen in Serienfertigung erzie len, als wenn das Werkstück mehrfach aufgespannt und justiert werden muß.

Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich sowohl für die Bearbeitung von Zahnflanken vor einem Härteprozeß, also im weichen Zustand, als auch nach einem Härteprozeß, also in einem harten Zustand. Entsprechend sind die Werkzeuge auszuwählen. Für die Verzahnbearbeitung durch Wälzfräsen werden je nach der Härte des Werkstücks Werkzeuge aus Hochleistungsstahl, aus Hartmetall oder aus Keramik mit jeweils einer geeigneten Hartstoffbeschichtung eingesetzt. Für die Bearbeitung im harten Zustand eignen sich auch feingeschmiedete Rohlinge, bei denen die Zerspanungsarbeit bis zum fertigen Zustand sehr gering ist.

Zur Feinbearbeitung können verschiedene Verfahren angewendet werden. Werkstücke im weichen Zustand können vorteilhaft mit einem Schabrad geschabt werden, aber auch ein wälzfräserähnliches Schlichtwerkzeug, das gegenüber einem Schruppwälzfräser ein Vielfaches an Schneiden auf weist, ist für die Feinbearbeitung geeignet.

Für die Feinbearbeitung im weichen und harten Zustand eignet sich ein zahnradförmiges Schlichtwerkzeug, das auf der Zahnflankenoberfläche Schneidkörner trägt, wobei sich bei der Bearbeitung die Achsen von Werkzeug und Werkstück kreuzen. Eine andere Möglichkeit besteht darin, daß das Schlichtwerkzeug die Form einer zylinderförmigen oder einer globidförmigen Schnecke aufweist, die jeweils mit Schneid körnern aus Diamant oder kubischem Bornitrit besetzt ist. Je nach Länge des Wendelgangs, auf dem die Schneidkörner sitzen, kann es zweckmäßig sein, diesen zu unterbrechen und in mehrere Teilstücke aufzuteilen.

Nach einer Ausgestaltung der Erfindung wird vorge schlagen, daß die Stirnkanten mit einem wälzfräserähnlichen Schneidwerkzeug, insbesondere mit dem Wälzfräser selbst, auf der gleichen Werkzeugmaschine gebrochen werden, indem der Synchronlauf von Werkstück und Werkzeug sowie die radiale Zustellung des Werkzeugs so gesteuert werden, daß die Zahnflanken abgeschnitten werden. Dadurch erreicht man, daß insbesondere bei Hochverzahnungen für Hochleistungsge triebe oder mit einem großen Schrägungswinkel die spitz an den Stirnflächen auslaufenden Stirnkanten abgearbeitet werden und nicht ausbrechen. Eine gleiche Wirkung kann dadurch erzielt werden, daß die Steuerung so erfolgt, daß die Stirnkanten durch eine starke Konizität im Bereich der Stirnkanten entsprechend zurückgenommen und dadurch entla stet werden.

Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens eignen sich Werkzeugmaschinen in verschiedenen Konfigura tionen. Nach einer Ausgestaltung wird vorgeschlagen, daß die Werkzeugmaschine mindestens fünf numerisch steuerbare Achsen besitzt und das Schruppwerkzeug und das Schlicht werkzeug auf einer angetriebenen Werkzeugachse nebeneinan der angeordnet sind. Dabei kann entweder ein Werkzeugstän der oder eine Aufspannvorrichtung des Werkstücks relativ zum jeweils anderen Teil verfahren werden, um in die entsprechende Bearbeitungsposition zu gelangen. Weitere Varianten und Vorteile ergeben sich aus der folgenden Zeichnungsbeschreibung.

In der Beschreibung und in den Ansprüchen sind zahl reiche Merkmale im Zusammenhang dargestellt und beschrie ben. Der Fachmann wird die kombinierten Merkmale zweck mäßigerweise im Sinne der zu lösenden Aufgaben auch einzeln betrachten und zu sinnvollen weiteren Kombinationen zusammenfassen.

In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der Erfin dung dargestellt.

Es zeigt:

Fig. 1 eine schematische, perspektivische Darstellung einer Werkzeugmaschine mit fünf numerisch gesteuerten Achsen,

Fig. 2 einen Zahn einer Verzahnung mit einer grob strukturierten Oberfläche der Zahnflanke,

Fig. 3 einen Zahn mit gebrochenen, entgrateten Stirnkanten,

Fig. 4 einen Schnitt entsprechend der Schnittebene IV-IV in Fig. 3,

Fig. 5 eine Draufsicht auf eine erfindungsgemäße Werkzeugmaschine und

Fig. 6-9 Varianten zu Fig. 5.

Eine Werkzeugmaschine 1 besitzt ein Maschinenbett 2, auf dem in einer Längsführung 3 ein Tisch 9 in einer ersten translatorischen Achse 4 verfahrbar ist. Auf dem Tisch 9 ist mittels einer Führung 17 ein Werkzeugständer 10 in einer zweiten translatorischen Achse 5 verfahrbar. Ein Werkzeughalter 12, der an einem Support 11 in einer dritten translatorischen Achse 6 verschiebbar gelagert ist, trägt eine Werkzeugaufnahme 14 mit einer Werkzeugachse 21 für ein Schruppwerkzeug 15 und ein Schlichtwerkzeug 16, die neben einander angeordnet sind und von einem elektrischen Antrieb 13 um eine fünfte, als Rotationsachse ausgebildete Achse 8 angetrieben werden. Der Support 11 ist um eine vierte Achse 7 drehbar am Werkzeugständer 10 gelagert, so daß die Werkzeugachse 21 geneigt zu einer Werkstückachse 22 einge stellt werden kann. Die Achsen 4, 5, 6, 7 und 8 sind über eine nicht näher dargestellte Steuereinrichtung numerisch ansteuerbar, so daß das Schruppwerkzeug 15 und das Schlichtwerkzeug 16 nacheinander eine Bearbeitungsposition zu einem Werkstück 18 einnehmen können und die Justierung der Werkzeuge hinsichtlich der Werkstückgeometrie und der zu erzielenden Bewegungen während der Bearbeitung problem los erreicht werden (Fig. 5). Das Werkstück 18 wird von einer Aufspannvorrichtung 20 in einem Werkstückhalter 19 gehalten, wobei es um die Werkstückachse 22 drehbar ange trieben wird. Das Werkstück 18 ist hier in einer horizonta len Achsenlage gezeichnet. Zum besseren Abstützen der Bearbeitungskräfte kann man es in einer vertikalen Achsen lage spannen.

Bei der Ausführung nach Fig. 6 sind zwei Werkzeugstän der 23 und 24 auf dem Maschinenbett 2 im Winkel zueinander angeordnet, wobei der Werkzeugständer 23 das Schruppwerk zeug 15 und der Werkzeugständer 24 das Schlichtwerkzeug 16 trägt. Die Aufspannvorrichtung 20 nimmt zunächst eine Bearbeitungsposition vor dem Werkzeugständer 23 ein, um das Werkstück 18 im ersten Verfahrensschritt durch Wälzfräsen zu bearbeiten. Danach wird sie über eine nicht dargestellte Transporteinrichtung, die aus einem drehbaren, nicht dargestellten Support am Maschinenbett 2 bestehen kann, in die zweite Bearbeitungsposition vor dem Maschinenständer 24 gebracht, um das Werkstück mit dem Schlichtwerkzeug 16 feinbearbeiten zu können. Dabei kann das Werkstück 18 in der gleichen Aufspannvorrichtung 20 verbleiben, so daß Rüstzeiten und Transportzeiten entfallen und Fehler, die durch ein erneutes Aufspannen entstehen könnten, vermieden werden.

Die Ausführung nach Fig. 7 zeigt einen Werkzeugständer 25 mit einer Werkzeugaufnahme 36 für das Schruppwerkzeug 15 und eine Werkzeugaufnahme 37 für das Schlichtwerkzeug 16, an zwei verschiedenen Seitenwänden. Der Werkzeugständer 25 ist um eine Hochachse drehbar, so daß die Werkzeugaufnahmen 36 bzw. 37 nach einer Drehung des Werkzeugständers 25 um 90° bzw. 180° in die Bearbeitungsposition zum Werkstück 18 verfahren werden können. Die Fig. 7 zeigt die Werkzeugauf nahme 37 mit ausgezogenen Linien auf einer Seitenwand des Werkzeugständers 25, die einen Winkel von 90° zu der Werkzeugaufnahme 36 bildet. In gestrichelten Linien ist die Werkzeugaufnahme 37 auf der Seitenwand des Werkzeugständers 25 angedeutet, die parallel zur Werkzeugaufnahme 36 ver läuft.

Bei der Anordnung nach Fig. 8 sind die beiden Werk zeugständer 23 und 24 nebeneinander angeordnet. Die Werk stücke sind in Richtung des Pfeils 38 auf dem Maschinenbett 2 verfahrbar, um nacheinander in die Bearbeitungsposition eingefahren werden zu können. Damit können zwei Werkstücke zeitparallel bearbeitet werden.

Fig. 9 zeigt eine Variante mit zwei Werkzeugständern 23, 24, deren Werkzeugaufnahmen 36 und 37 einander zuge wandt sind. Die Werkzeugständer 23 bzw. 24 können in Richtung 27 bzw. 39 in die jeweilige Arbeitsposition verfahren werden.

Mit der beschriebenen, kombinierten Bearbeitung mit Werkzeugen, die bislang nur auf speziellen und nacheinander zum Einsatz gebrachten Maschinen durchgeführt wurde, können die Bearbeitungszeit und die Kosten reduziert werden. Zum einen entfallen der Transport von der Wälzfräsmaschine zur Feinbearbeitungsmaschine und zum anderen sind das Einbrin gen und Aufspannen des Werkstücks nur an einer Maschine erforderlich. Ferner wird die Qualität verbessert, indem die Werkstücke vor der Feinbearbeitung durch den Transport nicht beschädigt werden können. Außerdem kann die Aufspan nung beibehalten werden, womit Ungenauigkeiten wie Taumel fehler vermieden werden können.

Die Vor- und Fertigbearbeitung von Verzahnungen auf einer einzigen Maschine hat auch den Vorteil, daß die Verweilzeiten in der Prozeßkette reduziert werden. Schließ lich sind die Investitionskosten für eine einzige Maschine günstiger als für zwei Maschinen, wobei ein kleinerer Aufstellplatz erforderlich ist. Durch diese Vorteile kann der Zahnradhersteller flexibel und schnell auf interne und externe Kundenwünsche reagieren.

Bei der Bearbeitung eines Zahns 28 einer Verzahnung (Fig. 2) entsteht beim Schruppvorgang in Abhängigkeit vom Vorschub in Richtung 26 auf der Zahnflanke 29 eine unebene Oberflächenstruktur 30. Ferner bilden sich an der Auslauf seite des Schruppwerkzeugs 15 Grate 31, die vor allem an den spitz auslaufenden Stirnkanten 34 einer Schrägverzah nung ungünstig sind. Die spitz auslaufenden Stirnkanten 32 und 34, die sich insbesondere bei einem starken Schrägungs winkel der Verzahnung ergeben, sind bei Kantenbelastungen besonders gegen Ausbrechen gefährdet. Dies kann zu schweren Getriebeschäden zu führen. Um derartige Schäden zu vermei den, ist es zweckmäßig, gemäß der Erfindung die Grate 31 zu entfernen und zumindest die spitzen Stirnkanten 32 und 34 zu brechen. Dies kann mit dem Schruppwerkzeug 15 oder Schlichtwerkzeug 16 geschehen, indem der Synchronlauf des Werkstücks 18 und des Werkzeugs 15, 16 sowie die radiale Zustellbewegung des Werkzeugs 15, 16 so gesteuert werden, daß die Stirnkanten 32 und 34 abgeschnitten werden. Unter Umständen kann es auch zweckmäßig sein, die stumpfen Stirnkanten 33 und 35 in gleicher Weise zu brechen. Eine gleiche Wirkung kann man dadurch erzielen, daß die Stirn kanten 32, 33, 34, 35 durch eine starke Breitenballigkeit oder Konizität in diesen Bereichen zurückgenommen werden.

Bezugszeichen

1

Werkzeugmaschine

2

Maschinenbett

3

Längsführung

4

erste Achse

5

zweite Achse

6

dritte Achse

7

vierte Achse

8

fünfte Achse

9

Tisch

10

Werkzeugständer

11

Support

12

Werkzeughalter

13

Antrieb

14

Werkzeugaufnahme

15

Schruppwerkzeug

16

Schlichtwerkzeug

17

Führung

18

Werkstück

19

Werkstückhalter

20

Aufspannvorrichtung

21

Werkzeugachse

22

Werkstückachse

23

Werkzeugständer

24

Werkzeugständer

25

Werkzeugständer

26

Vorschubrichtung

27

Vorschubrichtung

28

Zahn

29

Zahnflanke

30

Oberflächenstruktur

31

Grat

32

Stirnkante

33

Stirnkante

34

Stirnkante

35

Stirnkante

36

Werkzeugaufnahme

37

Werkzeugaufnahme

38

Pfeil

39

Richtung

Claims

1. Verfahren zum Herstellen verzahnter Werkstücke (18), bei dem in einem ersten Schritt durch Schruppen mit einem Schruppwerkzeug (15) aus einem Rohling eine grobe Kontur und Oberfläche (30) und in einem zweiten Schritt durch Feinbearbeiten mit einem Schlichtwerkzeug (16) eine endgül tige Kontur und Oberfläche erzeugt werden, dadurch gekenn zeichnet, daß im ersten Schritt ein Wälzfräsverfahren eingesetzt und dieses auf derselben Werkzeugmaschine (1) durchgeführt wird, wie das anschließende Feinbearbeitungs verfahren, und daß das Werkstück (18) während beider Bearbeitungsschritte in derselben Aufspannvorrichtung (20) verbleiben kann.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Werkstück (18) im zweiten Verfahrensschritt mit einem Schabrad geschabt wird, wobei sich die Achsen (21, 22) verfahrensbedingt kreuzen.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Werkstück (18) mit einem zahnradförmigen Schlichtwerk zeug (16) feinbearbeitet wird, das auf der Zahnflankenober fläche Schneidkörner trägt, wobei sich die Achsen (21, 22) von Werkzeug (15, 16) und Werkstück (18) kreuzen.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Werkstück (18) mit einem wälzfräserähnlichen Schlicht werkzeug (16) feinbearbeitet wird, das gegenüber einem Schruppwälzfräser ein Vielfaches an Schneiden aufweist, die aus Hochleistungsstahl, Hartmetall oder Keramik bestehen.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Schlichtwerkzeug (16) die Form einer zylinderförmigen Schnecke oder einer globoidförmigen Schnecke aufweist, die jeweils mit Schneidkörnern aus Diamant oder kubischem Bornitrit besetzt ist, die auf einem unterbrochenen oder durchgehenden Wendelgang der Schnecke sitzen.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Zahnstirnkanten (32, 33, 34, 35) mit einem Schneidwerkzeug, insbesondere mit dem Wälzfräser (15) selbst, gebrochen werden, indem der Syn chronlauf von Werkstück (18) und Werkzeug (15, 16) sowie die radiale Zustellbewegung des Werkzeugs (15, 16) so gesteuert werden, daß die Zahnstirnkanten (32, 33, 34, 35) abge schnitten werden.

7. Werkzeugmaschine (1) zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß sie mindestens fünf numerisch steuerbare Achsen (4, 5, 6, 7, 8) besitzt und das Schruppwerkzeug (15) und das Schlichtwerkzeug (16) auf einer angetriebenen Werkzeugachse (21) nebeneinander angeordnet sind.

8. Werkzeugmaschine (1) zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Werkzeugständer (23, 24) im Winkel zueinander auf einem Maschinenbett (2) angeordnet sind, wobei das Werk stück (18) in einer Aufspannvorrichtung (20) mittels einer Transporteinrichtung zwischen den Bearbeitungspositionen vor den Werkzeugständern (23, 24) transportiert wird.

9. Werkzeugmaschine (1) zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß auf einem Maschinenbett (2) ein Werkzeugständer (25) um 90° oder 180° um eine Hochachse drehbar ist, und daß die Werkzeugaufnahmen (36, 37) an Seiten des Werkzeugständers (25) angeordnet sind, die einen Winkel von 90° miteinander einschließen bzw. parallel zueinander angeordnet sind.

10. Werkzeugmaschine (1) zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß auf einem Maschinenbett (2) getrennte Werkzeugständer (23, 24) für ein Schruppwerkzeug (15) bzw. ein Schlicht werkzeug (16) angeordnet sind und die Werkstücke (18) auf verfahrbaren Schlitten sitzen und in eine Bearbeitungsposi tion zum Werkzeugständer (23, 24) eingefahren werden können.