DE3631098A1 - Verfahren zur fertigbearbeitung gehaerteter zahnraeder - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft allgemein die Fertigbearbeitung gehärteter Zahnräder mittels eines Schleifwerkzeugs in Gestalt eines Zahnrades.

Im einzelnen betrifft die Erfindung ein Fertigbearbeitungsverfahren mit einem Schleifwerkzeug in formschlüssiger Rotation unter einem Schnittwinkel mit dem zu bearbeitenden Zahnrad, bei welchem die Wellen des Schleifwerkzeugs und des Zahnrades mit einem elektrischen Synchronrotationssystem mit elektronischer Steuerung der Geschwindigkeit und der Winkelstellung versehen sind.

Bei Fertigbearbeitungsvorgängen besteht das Problem, daß die von dem Zahnradfräser kommenden Zahnräder, insbesondere im Fall der Massenfertigung, bei welcher verschiedene Maschinen parallel und daher mit einer großen Zahl verschiedener Werkzauge arbeiten, stark veränderliche Werte der Schleifzugabe nicht nur zwischen verschiedenen Zahnrädern, sondern auch zwischen Zähnen desselben Zahnrades aufweisen. Dieses Problem wird im Fall gehärteter Zahnräder weiter verstärkt durch Deformationen, welche durch die Wärmebehandlung verursacht werden.

Um eine gute Schleifqualität zu erhalten, muß deshalb die Schleifmaschine in der Lage sein, eine veränderliche Bearbeitung in Abhängigkeit von den spezifischen Mängeln jedes Zahnrades auszuführen.

Ziel der Erfindung ist die Lösung dieses Problems in äußerst wirksamer Weise, wobei die Schleifzugabe des zu bearbeitenden Zahnrades automatisch berücksichtigt wird.

Erfindungsgemäß wird dieses Ziel erreicht mittels eines Verfahrens zur Fertigbearbeitung gehärteter Zahnräder der eingangs beschriebenen Art, welches dadurch gekennzeichnet ist,
daß ein Schleifwerkzeug verwendet wird, dessen Zähne ein kleineres Profil als das theoretische Profil aufweisen, so daß ein vorbestimmtes Spiel relativ zu den Zähnen des zu bearbeitenden Zahnrades festgelegt wird,
daß ein vorläufiger Meßzyklus bewirkt wird durch Drehen des Schleifwerkzeugs mit mäßiger Geschwindigkeit zum Antreiben des zu bearbeitenden Zahnrades oder umgekehrt und durch Vergleichen der Werte der relativen Winkelstellungen der Zähne des Zahnrades und der Zähne des Schleifwerkzeugs mit vorbestimmten theoretischen Werten, daß aus diesem Vergleich die Maximalwerte der Differenz der Werte abgeleitet werden und diese Maximalwerte dazu verwendet werden, die Bearbeitungszeit in Abhängigkeit von Daten zur voreingestellten Vorschubgeschwindigkeit je Umdrehung festzulegen,
und daß eine der Flanken der Zähne des Zahnrades ohne Unterbrechung bearbeitet wird mit einem Vorschub je Umdrehung, welcher dem voreingestellten Wert für die festgelegte Bearbeitungszeit entspricht, und die andere Flanke der Zähne des Zahnrades dann analog bearbeitet wird, wobei die Geschwindigkeit und die relative Winkelstellung der Wellen während der Bearbeitung ständig nachgesteuert werden mittels des elektronisch gesteuerten, elektrischen Synchronrotationssystems.

In der Praxis weist das in dem erfindungsgemäßen Verfahren verwendete Schleifwerkzeug Zähne mit einem engeren Profil auf, das heißt, mit einer Zahndicke, die kleiner ist als der theoretische Eingriffswert, um dadurch das für die Messung der maximalen Schleifzugabe erforderliche Spiel zur Verfügung zu haben, welche an den Flanken der Zähne des zu bearbeitenden Zahnrades auftritt. Die Messung wird bewirkt durch eine relative Bewegung zwischen dem Werkzeug und dem Zahnrad, zum Beispiel durch Drehen des Werkzeugs und Bremsen des Zahnrades, derart, daß das Werkzeug dazu gebracht wird, gegen eine Flanke der Zähne des Zahnrades in Eingriffsstellung zu stoßen. Dem Zahnrad wird dann eine langsame Drehung erteilt, und mittels einer numerischen Steuerung wird eine Reihe von Daten (Winkeleingriffsstellung) entsprechend jedem Zahn gespeichert. Der schlechteste Wert der Differenz zwischen den relativen Winkelstellungswerten und den vorbestimmten theoretischen Werten zwischen den Zähnen des Zahnrades und den Zähnen des Werkzeugs wird nacheinander für eine Flanke und die andere Flanke der Zähne des Zahnrades gespeichert und dann von der numerischen Steuerung zur Festlegung der Bearbeitungszeit jeder Flanke verwendet. Die Zeit kann unterschiedlich sein (Exzentrizität) hinsichtlich vorbestimmter wechselseitiger Gleitgeschwindigkeiten als Funktion des Materials des Werkzeugs und des Zahnrades.

Auf diese Weise wird eine äußerst regelmäßige Fertigbearbeitung erhalten, wobei einerseits die Bruchgefahr des Werkzeugs durch übermäßige Belastungen an seinen Zähnen vermieden wird und andererseits Ergebnisse erhalten werden, welche einen großen Einfluß auf die Korrektur der Exzentrizität des Zahnrades haben.

Ein weiterer wichtiger Vorteil, der sich aus dem Verfahren der Erfindung ableitet, liegt in der Tatsache, daß es möglich ist, die Notwendigkeit für eine relative Annäherung der Welle des Werkzeugs und der Welle des Zahnrades während der Bearbeitung zu vermeiden, wie es im Fall herkömmlicher Schleifverfahren auftritt; dies führt zu einer beträchtlichen Vereinfachung der Schleifmaschine.

Die Steuerung der Wellen des Werkzeugs und des Zahnrades und die relativen Winkelermittlungen werden an der Schleifmaschine in der Praxis erhalten durch Information, die von Verschlüsselungsgeräten kommt, welche ihre Signale dem numerischen Steuersystem zuführen und sowohl die Funktion der Messung des Spiels während der vorläufigen Meßphase sowie die Funktion der Steuerung der Drehung der Wellen während der Bearbeitungsbewegung ausüben, um deren kontinuierliche Korrektur durch das numerische Steuersystem zu gestatten.

Ein Ausführungsbeispiel zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird nachfolgend anhand der Zeichnungen beschrieben. Es zeigt:

Fig. 1 eine schematische Ansicht der wesentlichen Bauteile einer Schleifmaschine, sowie

Fig. 2 bis 8 schematische Schnittansichten, welche die Eingriffszonen zwischen dem Werkzeug und dem Zahnrad im Lauf der verschiedenen aufeinanderfolgenden Verfahrensschritte darstellen.

In Fig. 1 bezeichnet das Bezugszeichen 1 die Bearbeitungsstation einer Schleifmaschine für gehärtete Zahnräder zur Durchführung des Verfahrens. In den Zeichnungen sind nur die zum Verständnis der Erfindung erforderlichen Bauteile dargestellt, während die anderen Teile der Maschine der Kürze halber nicht beschrieben werden. Andererseits sind diese Teile allgemein bekannt, weil sie normalerweise in Schleifmaschinen herkömmlicher Bauart verwendet werden, die gegenwärtig von dem Anmelder hergestellt und vermarktet werden.

Die Station 1 umfaßt im wesentlichen eine horizontale Welle 2 zur drehbaren Lagerung eines Zahnrades G und eine horizontale Welle 3, welche in einer die Welle 2 überlagernden Stellung angeordnet ist und mit ihr einen Schnittwinkel in der Größenordnung von 30° bildet; die Welle 3 dient dazu, ein Schleifwerkzeug (abrasive grinding tool) M drehbar zu lagern, das durch ein Schleifrad in Gestalt eines Zahnrades gebildet wird.

Die Welle 2 des Zahnrades G wird gebildet durch eine Welle 2 a, die durch Rollenlager 4 an einem feststehenden Aufbau 5 gelagert ist, und durch eine Vorgelegewelle 2 b, die durch Rollenlager 6 an einem Aufbau 7 gelagert ist, welches zu dem Aufbau 5 hin und von diesem weg bewegt werden kann.

Die Welle 3 ist ihrerseits über Rollenlager 8 an einem tragenden Aufbau 9 drehbar gelagert.

Die Wellen 2 und 3 werden autonom durch jeweilige Elektromotoren 10, 11 und Transmissionen 12, 13 angetrieben.

Die Motoren 10 und 11 sind permanentmagnetische Synchronmotoren, mit denen jeweilge Drehzahlmeß-Dynamos 14, 15 verknüpft sind, die an eine mit dem Bezugszeichen 16 bezeichnete Steuereinheit angeschlossen sind.

Jede der Wellen 2 und 3 ist mit einem jeweiligen Verschlüsselungsgerät (encoder) 17, 18 verknüpft, das auch an die Steuereinheit 16 angeschlossen ist. Die Verschlüsselungsgeräte 17 und 18 sind durch einen hohen Auflösungsgrad gekennzeichnet. Anders ausgedrückt besitzen sie das Vermögen, mehr als 10.000 Signale für jede Umdrehung der zugehörigen Wellen vorzusehen.

Mit der Welle 2 ist ferner eine Bremseinrichtung 19 verknüpft, zum Beispiel eine elektromagnetische Bremse, die ebenfalls an die Steuereinheit 16 angeschlossen ist.

Diese Steuereinheit 16 umfaßt, kurz gesagt, einen Prozessor, der einen Mikroprozessor-Differentialinterpolator 20 enthält, welcher die von den beiden Verschlüsselungsgeräten 17 und 18 erzeugten Signale erhält, sowie eine numerische Steuereinheit 21, die mit den beiden Zuführ- und Steuereinheiten 22, 23 verbunden sind, welche die von den Drehzahlmeß-Dynamos 14 und 15 erzeugten Signale erhalten und mit den beiden Elektromotoren 10 bzw. 11 verbunden sind.

Der Mikroprozessor 20 ist so ausgelegt, daß er die Arbeitsparameter wie zum Beispiel die Größe des Vorschubs je Umdrehung in Abhängigkeit von dem Material des Werkzeugs M und des Zahnrades G speichert, und die numerische Steuereinheit 21 ist programmierbar durch Einführen spezifischer Meß- und Bearbeitungsprogramme für die Durchführung des Zyklus, welcher nachfolgend beschrieben wird.

Das fundamentale Merkmal der Erfindung liegt in der Tatsache, daß das Schleifwerkzeug M mit Zähnen versehen ist, die ein kleineres Profil als das theoretische Eingriffsprofil aufweisen. Wie deutlich in den Fig. 2 bis 8 zu erkennen, besitzt jeder Zahn H eine Zahndicke, die kleiner ist als die des zu bearbeitenden Zahnrades G, derart, daß damit ein vorbestimmtes Spiel bestimmt wird. Dieses Spiel hat einen Absolutwert der Größenordnung von einigen Zehntel mm und dient dem Zweck, bei Beginn der Bearbeitung des Zahnrades G einen vorläufigen Meßzyklus der Abmessungsfehler an den Flanken F ₁, F ₂ der Zähne K des Zahnrades G zuzulassen.

Das erfindungsgemäße Fertigbearbeitungsverfahren wird nachfolgend anhand des in den Fig. 2 bis 8 dargestellten Arbeitszyklus der Bearbeitungsstation 1 beschrieben.

Fig. 2 gibt den Anfangszustand wieder, in welchem das zu schleifende Zahnrad G auf die Welle 2 aufgebracht und zwischen den Wellen 2 a und 2 b in Eingriff mit dem Schleifrad M eingemittet worden ist.

Von dieser Stellung ausgehend erteilt die numerische Steuereinheit 21 eine Relativbewegung zwischen dem Werkzeug M und dem Zahnrad G, um die Zähne H des Werkzeugs M, das in Übereinstimmung mit der Eingriffszone angeordnet ist, in Kontakt zu bringen mit einer Flanke eines der entsprechenden Eingriffszähne K des Zahnrades G. In dem dargestellten Beispiel wird dies erreicht, indem die Welle 2 mittels der Bremse 19 gebremst gehalten wird und eine langsame Winkelversetzung der Welle durch eine entsprechende Betätigung des Motors 11 über die Zuführ- und Steuer-einheit 23 bewirkt wird.

Die langsame Drehung der Welle 3 schreitet über eine oder zwei Umdrehungen des Werkszeugs M fort, was das Zahnrad G in Drehung versetzt, dessen Welle 2 durch die Wirkung der Bremse 19 gebremst wird (Fig. 3). Während dieser Phase wird eine Messung der Abmessungsfehler an einer der Flanken F ₁ der Zähne K durch Winkelermittlungen bewirkt, die an den Wellen 2 und 3 durch die jeweiligen Verschlüsselungsgeräte 14 und 15 vorgenommen werden. Auf diese Weise speichert die numerische Steuereinheit 21 eine Reihe von Daten bezüglich der Winkelstellung des Eingriffs zwischen den Zähnen H und K.

Es ist erforderlich zu ermitteln, ob die Lesung dieser Daten in Übereinstimmung mit jedem der Zähne K des Zahnrades G bewirkt werden kann oder ob eine auf zwei, drei oder vier Zähne K beschränkte Punktlesung bewirkt werden kann. Der schlechteste Wert, der dem Maximalwert der Differenz zwischen den Werten der relativen Winkelstellungen der Zähne K des Zahnrades G und der Zähne H des Werkzeugs M und den vorbestimmten theoretischen Werte entspricht, wird von der numerischen Steuereinheit 21 dazu verwendet, die Bearbeitungszeit an den Flanken F ₁ in Abhängigkeit von den voreingestellten Daten zur Vorschubgeschwindigkeit je Umdrehung zu bestimmen. Es ist zu beachten, daß diese Bearbeitungszeit mit Rücksicht auf die vorbestimmte wechselseitige Gleitgeschwindigkeit unterschiedlich sein kann (Exzentrizität).

Anschließend wird der gleiche Meßzyklus bewirkt, indem die Welle 3 und daher das Werkzeug M in entgegengesetztem Sinn auf die in Fig. 4 dargestellte Art in Drehung gebracht werden und dann Ermittlungen an den Flanken F ₂ der Zähne K bewirkt werden.

Auf diese Weise werden die Werte der Bearbeitungszeit an einer Flanke F ₁ und an der anderen Flanke F ₂ der Zähne K erhalten, wobei diese Werte deutlich abgeleitet werden durch die Teilung der zwei schlechtesten Werte der Differenz zwischen den gemessenen Winkelstellungswerten und den theoretischen Werten durch die vorbestimmte Vorschubgeschwindigkeit, die allgemein in Tausendstel eines Grades je 1000 Umdrehungen gegeben ist.

Hier schreitet das System kontinuierlich fort, das heißt, ohne Unterbrechung, um die Flanke F ₂ der Zähne K des Zahnrades G zu bearbeiten mit einem Vorschub je Umdrehung, welcher dem voreingestellten Wert für die durch die numerische Steuereinheit bestimmte Bearbeitungszeit entspricht, um auf diese Weise von dem in Fig. 5 dargestellten Zustand zu dem in Fig. 6 dargestellten Zustand überzugehen, wobei die Wellen 2 und 3 durch die zugeordneten Motoren 10 und 11 gleichzeitig gedreht werden.

Am Ende dieser Phase wird der Drehsinn der Wellen 2 und 3 umgekehrt und das System schreitet auf ähnliche Art fort, um die Flanken F ₁ der Zähne K zu bearbeiten, wobei es von dem Zustand in Fig. 7 zu dem in Fig. 8 übergeht.

Während der zwei Bearbeitungszyklen an den beiden Flanken F ₁, F ₂ wird eine fortdauernde Überwachung bzw. Steuerung der Geschwindigkeit und Winkelstellung der Wellen 2 und 3 bewirkt durch die von den Verschlüsselungsgeräten 17 und 18 erbrachten Signale. Anders ausgedrückt korrigiert die numerische Steuereinheit 21 kontinuierlich die Geschwindigkeit der Motoren 10 und 11 über die Zuführ- und Steuereinheiten 22 und 23.

Am Ende der Bearbeitung wird das Zahnrad G entfernt und durch ein neues zu schleifendes Zahnrad ersetzt.

Aus der vorgehenden Beschreibung wird klar, daß mit dem Schleifverfahren der Erfindung eine hohe Genauigkeit und Gleichförmigkeit der Bearbeitung zu erzielen ist, selbst im Fall von Zahnrädern mit stark veränderlichen Dicken der Schleifzugabe, wobei Bruchrisiken des Zanrades M vermieden werden und ausgezeichnete Ergebnisse auch hinsichtlich der Korrektur der Exzentrizität erzielt werden.

Natürlich können Einzelheiten des Aufbaus der Maschine und der Art, in welcher das Verfahren durchgeführt wird, gegenüber der Beschreibung in weiten Grenzen verändert werden, ohne dadurch von dem Rahmen der Erfindung abzuweichen.

Claims (5)

1. Verfahren zur Fertigbearbeitung gehärteter Zahnräder unter Verwendung eines Schleifwerkzeugs in Gestalt eines Zahnrades in formschlüssiger Rotation unter einem Schnittwinkel mit dem zu bearbeitenden Zahnrad, bei welchem die Wellen des Schleifwerkzeugs und des Zahnrades mit einem elektrischen Synchronrotationssystem mit elektronischer Steuerung der Geschwindigkeit und der Winkelstellung versehen sind, dadurch gekennzeichnet,
daß ein Schleifwerkzeug verwendet wird, dessen Zähne ein kleineres Profil als das theoretische Profil aufweisen, so daß ein vorbestimmtes Spiel relativ zu den Zähnen des zu bearbeitenden Zahnrades festgelegt wird,
daß ein vorläufiger Meßzyklus bewirkt wird durch Drehen des Schleifwerkzeugs mit niedriger Geschwindigkeit zum Antreiben des zu bearbeitenden Zahnrades oder umgkehrt und durch Vergleichen der Werte der relativen Winkelstellungen der Zähne des Zahnrades und der Zähne des Schleifwerkzeugs mit vorbestimmten theoretischen Werten, daß aus diesem Vergleich die Maximalwerte der Differenz der Werte abgeleitet werden und diese Maximalwerte dazu verwendet werden, die Bearbeitungszeit in Abhängigkeit von Daten zur voreingestellten Vorschubgeschwindigkeit je Umdrehung festzulegen,
und daß eine der Flanken der Zähne des Zahn ades ohne Unterbrechung bearbeitet wird mit einem Vorschub je Umdrehung, welcher dem voreingestellten Wert für die festgelegte Bearbeitungszeit entspricht, und daß die andere Flanke der Zähne des Zahnrades dann analog bearbeitet wird, wobei die Geschwindigkeit und die relative Winkelstellung der Wellen während der Bearbeitung ständig nachgesteuert werden mittels des elektronisch gesteuerten elektrischen Synchronrotationssystems.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß während des vorläufigen Meßzyklus der Vergleich für sämtliche Zähne des zu bearbeitenden Zahnrades bewirkt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß während des vorläufigen Meßzyklus der Vergleich an einer diskreten Anzahl von Zähnen des zu bearbeitenden Zahnrades bewirkt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der vorläufige Meßzyklus zuerst in Bezug auf eine der Flanken und dann in Bezug auf die andere Flanke der Zähne des zu bearbeitenden Zahnrades bewirkt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die angetriebene Welle während des vorläufigen Meßzyklus gebremst wird.