DE4317306A1 - Verfahren und Werkzeugmaschine für die Feinbearbeitung von Verzahnungen - Google Patents
Verfahren und Werkzeugmaschine für die Feinbearbeitung von VerzahnungenInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren für die Feinbearbeitung von
Verzahnungen auf einer Werkzeugmaschine, wobei das zu bearbeitende
Zahnrad um seine Drehachse rotiert und sich mit einem Abrasivwerkzeug, das
um seine Drehachse rotiert, im Eingriff befindet, wodurch es zum Spanabtrag
an den zu bearbeitenden Zahnflanken des Zahnrads kommt, und wobei die
Drehbewegung der Drehachse des Zahnrads und die Drehbewegung der
Drehachse des Abrasivwerkzeugs elektronisch gekoppelt sind. Des weiteren
betrifft die Erfindung eine Werkzeugmaschine zur Durchführung dieses
Verfahrens.
Für die Hartbearbeitung von Zahnrädern sind verschiedene Ferti
gungsverfahren im Einsatz. Häufig werden wälzgefräste und gehärtete Zahn
räder durch einen Schleifbearbeitungsvorgang mit der exakten Profilkontur
(Evolvente) versehen. Manchmal wird dem Schleifbearbeitungsvorgang ein
Zahnradhonverfahren nachgeschaltet, um noch nach dem Schleifen verbliebene
Verzahnungsfehler zu minimieren. Der Vorteil des Honens ist, daß der Prozeß
nur relativ wenig Zeit in Anspruch nimmt und sich daher besonders für die
Großserienproduktion eignet.
Beim Zahnradhonen rotiert das zu bearbeitende Zahnrad um seine Drehachse.
Dabei kämmt es mit einem Honwerkzeug, das - im Falle einer zu bearbeitenden
Außenverzahnung - die Form eines innenverzahnten Ringes hat; das
Honwerkzeug rotiert ebenfalls um seine Drehachse. Die Innenverzahnung des
Honwerkzeugs entspricht dabei bei Berücksichtigung der Drehbewegung
zwischen Werkzeug und Werkstück genau der Gegenkontur des zu
bearbeitenden Profils. Um Materialabtrag vom hartzubearbeitenden Zahnrad
zu bewerkstelligen, ist das Honwerkzeug mit Abrasivpartikeln versehen. Die
Bearbeitung erfolgt, indem beispielsweise das Werkstück angetrieben wird und
das Werkzeug mit einem gewissen Schleppmoment nachläuft. Durch Änderung
der Drehrichtung werden beide Zahnflanken (Schub und Zug) bearbeitet.
Ziel des Honvorganges ist es, - wie bereits oben gesagt - nach dem Schleifen
verbliebene Verzahnungsfehler zu minimieren. Hierzu gehören Fehler des
Rundlaufs und des Profils (Evolvente samt der gewünschten Korrekturen).
Weiterhin sind von besonderer Bedeutung für einen geräuscharmen Lauf des
Zahnrads der Einzel- und der Summenteilungsfehler.
Hohe Anforderungen an die Qualität der zu bearbeitenden Zahnräder haben
dazu geführt, daß leistungsfähige Hartbearbeitungsverfahren benötigt werden.
Hinsichtlich des Zahnradhonens wurden Lösungen ins Auge gefaßt, bei denen
die beiden Drehachsen von Werkzeug und Werkstück nicht mehr unabhängig
voneinander arbeiten und nur durch das Schleppmoment des nicht
angetriebenen Teils verbunden sind, sondern bei denen die beiden Drehachsen
durch eine definierte Kopplung verbunden sind. Diese wird vorzugsweise unter
Zuhilfenahme der NC-Technik elektronisch vorgenommen ("elektronische
Welle").
Das Ziel dieser Maßnahme war, die Verzahnungsfehler durch den Honvorgang
nicht nur "auszumitteln", also im Rahmen der Abwälzung mit dem -
fehlerarmen - Honwerkzeug zu minimieren, sondern definiert durch
Zwangskopplung der Drehachsen zu eliminieren.
Umfangreiche Versuche zeigten, daß mit den bekannten Honverfahren
tatsächlich gewisse Verzahnungsfehler sehr klein gemacht werden können,
namentlich der Rundlauffehler, der Flankenformfehler und der
Einzelteilungsfehler der Verzahnung.
Es zeigte sich aber auch, daß insbesondere der Summenteilungsfehler der
Verzahnung auch bei Einsatz einer "elektronischen Welle" nach dem
Honprozeß fast unverändert groß geblieben ist und in der Regel außerhalb der
zulässigen Toleranzen liegt.
Offensichtlich sind die verfügbaren Steuerungen ("elektronische Wellen")
wegen der sehr hohen Drehgeschwindigkeit von Werkstück und Honrad nicht in
der Lage, Drehfehler, d. h. Abweichungen von der Idealdrehung, die sich nur im
Mikrometerbereich bewegen, so rechtzeitig zu erkennen und eine erforderliche
Gegenbewegung einzuleiten, daß es zu einer entsprechenden Korrektur im
Abrasionsprozeß kommt.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein
neuartiges Verfahren für die Feinbearbeitung von Verzahnungen zu schaffen,
das in der Lage ist, auch den kritischen Summenteilungsfehler zu eliminieren
und so eine qualitativ hochwertige Verzahnung zu schaffen. Das
erfindungsgemäße Ziel soll jedoch unter der Nebenbedingung erreicht werden,
daß die Hartbearbeitung in kürzestmöglicher Zeit erfolgt, weshalb von einem
Honprozeß ausgegangen wird.
Die Lösung der Aufgabe durch die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet,
daß die Bearbeitung folgende Arbeitsschritte aufweist:
- a) Drehung des Zahnrads (1) um mindestens eine vollständige Umdrehung um seine Drehachse, wobei es sich im Eingriff mit dem Abrasivwerkzeug (3) befindet, wobei das Abrasivwerkzeug (3) lastfrei, jedoch in Kontakt zu den Zahnflanken des Zahnrads (1) mitläuft und wobei über die vollständige Umdrehung des Zahnrads (1) die sich infolge vorhandener Verzahnungsfehler ergebenden Drehabweichungen von der Idealdrehung zwischen Zahnrad (1) und Abrasivwerkzeug (3) gemessen und gespeichert werden;
- b) Bearbeitung des Zahnrads (1) mit dem Abrasivwerkzeug (3), wobei die Drehbewegung der Drehachse (2) des Zahnrads (1) und die Drehbewegung der Drehachse (4) des Abrasivwerkzeugs (3) nunmehr elektronisch gekoppelt sind und wobei die elektronische Steuerung bei der Kopplung der beiden Drehachsen (2, 4) die in Arbeitsschritt a) gemessenen und gespeicherten Drehabweichungen derart berücksichtigt, daß diese jeweils korrespondierend bei der Sollwert-Vorgabe für eine Winkelposition der zu regelnden Drehachse mit umgekehrtem Vorzeichen addiert werden.
Die in Arbeitsschritt a) festgestellten Drehabweichungen des Werkstücks von
der Idealdrehung - man könnte es als ein "Teach-in" für die vorhandenen Fehler
bezeichnen - werden in Arbeitsschritt b) also derart verwendet, daß die
gemessenen Fehler mit anderem Vorzeichen "gegengehalten" werden und so
gerade an den Stellen eine besonders hohe Materialabrasion stattfindet, an
denen das meiste Material abgetragen werden muß. Das - steuerungstechnische -
Mittel der Wahl ist hier die sog. "elektronische Kurvenscheibe", die als
elektronisches Achskoppelsystem bereits im Druck-, Papier- und
Textilmaschinenbau eingesetzt wird.
Durch die erfindungsgemäßen Kennzeichen wird erreicht, daß auch mit den
verfügbaren Steuerungssystemen eine Eliminierung von Zahnfehlern, vor allem
des Summenteilungsfehlers, vorgenommen werden kann, da die Steuerung jetzt
rechtzeitig "weiß", wann eine fehlerbedingte Abweichung kommt, der
"gegengeregelt" werden muß. Das Ergebnis nach dem Honprozeß ist ein
einwandfreies Zahnrad, das mit allen Fehlerkriterien innerhalb der zulässigen
Toleranz liegt.
Wenn die am meisten kritischen Fehlerstellen - betrachtet über den Umfang
des Zahnrades - abgetragen sind, kann es sinnvoll sein, den Honvorgang mit
unkorrigierten Winkelpositionen (also mit exakter, unmodifizierter
Drehkopplung) fortzusetzen; ansonsten bestünde auch die Gefahr, daß die
Korrekturen nunmehr "Löcher" an denjenigen Stellen einbringen könnten, die
vorher bevorzugt abgetragen werden mußten. Gemäß eines weiten
Kennzeichens der Erfindung wird also im Anschluß an die Bearbeitung gemäß
des Hauptanspruchs eine erneute Vermessung des Werkstücks vorgenommen.
Zeigt es sich, daß die größten Fehler bereits abgetragen sind, wird der
Honprozeß mit unkorrigierten Winkelpositionen fortgesetzt; ansonsten kann
weiter mit Korrekturwerten gearbeitet werden, wobei jetzt jedoch vorzugsweise
die neu ermittelten Werte zugrunde gelegt werden.
Die Abfolge Bearbeiten - Messen - Bearbeiten kann vorteilhafterweise so lange
mit korrigierten Winkelpositionen fortgeführt werden, bis die gemessenen
Drehabweichungen einen vorgegebenen Wert unterschreiten; dann kann mit
unkorrigierten Winkelpositionen (ideale Drehkopplung) weitergearbeitet
werden.
Nicht unbedingt erforderlich ist es, festgestellte Abweichungen (nach
Arbeitsschritt a) gemäß Anspruch 1 über den gesamten Umfang der
Verzahnung zu berücksichtigen, wenn beispielsweise nur an einer oder einigen
wenigen Stellen über den Umfang besonders hoher Abtrag gefordert wird, wie
dies bei Summenteilungsfehlern von Verzahnungen typisch ist. Als
Weiterbildung der Erfindung ist daher vorgesehen, daß die Korrektur der
Winkelpositionen der zu regelnden Drehachse auf diejenigen Winkelbereiche
beschränkt wird, bei denen die gemessene Abweichung von der Idealdrehung
einen festgelegten Wert übersteigt.
Es kann auch angezeigt sein, bei der Ermittlung der Fehler gemäß
Arbeitsschritt a) an Stelle des Zahnrades (1) das Abrasivwerkzeug (3) zu
drehen und das Zahnrad (1) lastfrei, jedoch in Kontakt zu den Zahnflanken des
Abrasivwerkzeugs (3) mitlaufen zu lassen. Auch dies ist eine Weiterbildung des
erfindungsgemäßen Gegenstands.
Zur Erhöhung der Präzision des Verfahrens kann es sinnvoll sein, die - immer
vorhandenen, wenn auch geringen - Fehler des Werkzeugs zu eliminieren. Dies
geschieht erfindungsgemäß dadurch, daß die Fehler des Werkzeugs, z. B. auf
einer separaten Meßmaschine, gemessen werden. Bei der Berechnung der
korrigierten Winkelpositionen, aber auch, wenn ohne Korrekturen
drehgekoppelt wird, werden nun die ermittelten Werkzeugfehler
"gegengehalten", wodurch der Fehlereinfluß des Werkzeugs eliminiert wird.
In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel dargestellt, an dem das
erfindungsgemäße Verfahren erläutert werden soll. Es zeigt
Fig. 1 Werkstück und Werkzeug im Eingriff während des
Bearbeitungsprozesses und
Fig. 2 den Verlauf des Summenteilungsfehlers Fp über dem Drehwinkel des
Zahnrades.
In Fig. 1 ist das zu bearbeitende Zahnrad 1 zu erkennen. Es weist eine
Drehachse 2 auf, um die es während des Honbearbeitsprozesses dreht
(Drehrichtung A). Das Zahnrad 1 kämmt mit dem Abrasivwerkzeug 3, welches
um seine Drehachse 4 drehen kann (Drehrichtung B). Dargestellt ist der -
einfachste - Fall der Bearbeitung eines Stirnzahnrades mit parallel zur
Drehachse 2 verlaufenen Zähnen (Geradverzahnung). Die erfindungsgemäßen
Ausführungen gelten jedoch genauso für Schrägverzahnungen und für zu
bearbeitende Innenverzahnungen. Dann hat freilich das Werkzeug die Form
eines außenverzahnten Stirnrades (in Fig. 1 würde dann Nr. 1 das Werkzeug
und Nr. 3 das Werkstück sein).
Das Abrasivwerkzeug (Honrad) 3 beinhaltet die Gegenkontur des Werkstücks
1; beim Abwälzen von Werkzeug 3 und Werkstück 1 erzeugt das Werkzeug 3
am Werkstück 1 exakt die gewünschte Profilform. Materialabtrag (Abrasion)
findet dadurch statt, daß die Kontaktfläche zwischen Werkstück und Werkzeug
werkzeugseitig mit Abrasivmaterial versehen ist. Zum Einsatz kann ein
Werkzeug kommen, das ganz aus abrichtbarem Schleifmittel besteht und in das,
z. B. mittels eines diamantbesetzten Lehrenzahnrades, die gewünschte
Profilform eingebracht wurde. Das Werkzeug kann aber auch aus einem
metallischen Grundkörper bestehen, der bereits exakt auf eine äquidistant
kleinere Form gefertigt wurde und mit einer einlagigen Schicht aus superhartem
Material besteht (z. B. CBN), mit der sich dann die exakte benötigte
Werkzeugform ergibt.
Die Drehbewegung der Achsen 2 und 4 (Drehrichtungen A und B) ist
elektronisch gekoppelt ("elektronische Welle"); d. h. zu jeder Winkelposition
der Werkstückwelle gehört eine zugehörige Winkelposition der Werkzeugwelle,
die regelungstechnisch exakt zugeordnet und positioniert wird.
Erfindungsgemäß wird vor der eigentlichen Bearbeitung das zu bearbeitende
Zahnrad 1 um eine vollständige Umdrehung gedreht, was automatisch durch die
- nicht dargestellte - Maschinensteuerung veranlaßt wird. Das Werkzeug 3
befindet sich gemäß Fig. 1 dabei im Eingriff mit dem Werkstück 1; es dreht
dabei lastfrei mit, wobei jedoch durch ein geringes Bremsmoment sichergestellt
ist, daß Kontakt zwischen den Zahnflanken des Werkstücks 5 und des
Werkzeugs 6 besteht (Es kann natürlich im konkreten Fall einfacher sein, daß
das Werkzeug 3 angetrieben wird und das Werkstück 1 mitläuft;
selbstverständlich ist auch dieser Fall Bestandteil der vorliegenden Erfindung).
Während der Umdrehung des Zahnrads 1 wird am mitlaufenden Werkzeug 3
die Bewegung gemessen und insbesondere die sich infolge vorhandener
Verzahnungsfehler des Werkstücks 1 ergebenden Drehabweichungen von der
Idealdrehung ermittelt und gespeichert. In Fig. 2 ist dies schematisch skizziert:
Über einer vollständigen Umdrehung (2 Pi) ist der jeweils gemessene Summenteilungsfehler Fp bestimmt worden. Jetzt kann für jede Winkelposition ein Korrekturwert (Delta Fp) der Drehkopplung zugrundegelegt werden, wodurch gerade an denjenigen Stellen erhöhter Materialabtrag stattfindet, die auch am stärksten abgetragen werden müssen.
Über einer vollständigen Umdrehung (2 Pi) ist der jeweils gemessene Summenteilungsfehler Fp bestimmt worden. Jetzt kann für jede Winkelposition ein Korrekturwert (Delta Fp) der Drehkopplung zugrundegelegt werden, wodurch gerade an denjenigen Stellen erhöhter Materialabtrag stattfindet, die auch am stärksten abgetragen werden müssen.
Anschließend beginnt der Honbearbeitungsprozeß. Die Drehungen von
Werkstück 1 und Werkzeug 3 sind nun elektronisch gekoppelt ("elektronische
Welle"). Jedoch werden die gemessenen Drehabweichungen (Delta Fp) von der
elektronischen Steuerung bei der Kopplung der beiden Drehachsen
"gegengehalten"; d. h. daß die Maschinensteuerung für jede konkrete
Winkelposition als Sollwert einen um den vorher gemessenen und
gespeicherten Fehler korrigierten Wert vorgibt und zum gewünschten Zielwert
erklärt.
Claims (7)
1. Verfahren für die Feinbearbeitung von Verzahnungen auf einer Werkzeug
maschine,
wobei das zu bearbeitende Zahnrad (1) um seine Drehachse (2) rotiert und sich mit einem Abrasivwerkzeug (3), das um seine Drehachse (4) rotiert, im Eingriff befindet, wodurch es zum Spanabtrag an den zu bearbeitenden Zahnflanken des Zahnrads (1) kommt,
und wobei die Drehbewegung der Drehachse (2) des Zahnrads (1) und die Drehbewegung der Drehachse (4) des Abrasivwerkzeugs (3) elektronisch gekoppelt sind,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Bearbeitung folgende Arbeitsschritte aufweist:
wobei das zu bearbeitende Zahnrad (1) um seine Drehachse (2) rotiert und sich mit einem Abrasivwerkzeug (3), das um seine Drehachse (4) rotiert, im Eingriff befindet, wodurch es zum Spanabtrag an den zu bearbeitenden Zahnflanken des Zahnrads (1) kommt,
und wobei die Drehbewegung der Drehachse (2) des Zahnrads (1) und die Drehbewegung der Drehachse (4) des Abrasivwerkzeugs (3) elektronisch gekoppelt sind,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Bearbeitung folgende Arbeitsschritte aufweist:
- a) (i) Drehung des Zahnrads (1) um mindestens eine vollständige Umdrehung
um seine Drehachse,
(ii) wobei es sich im Eingriff mit dem Abrasivwerkzeug (3) befindet,
(iii) wobei das Abrasivwerkzeug (3) lastfrei, jedoch in Kontakt zu den Zahnflanken des Zahnrads (1) mitläuft und
(iv) wobei über die vollständige Umdrehung des Zahnrads (1) die sich infolge vorhandener Verzahnungsfehler ergebenden Drehabweichungen von der Idealdrehung zwischen Zahnrad (1) und Abrasivwerkzeug (3) gemessen und gespeichert werden; - b) (i) Bearbeitung des Zahnrads (1) mit dem Abrasivwerkzeug (3),
(ii) wobei die Drehbewegung der Drehachse (2) des Zahnrads (1) und die Drehbewegung der Drehachse (4) des Abrasivwerkzeugs (3) nunmehr elektronisch gekoppelt sind und
(iii) wobei die elektronische Steuerung bei der Kopplung der beiden Drehachsen (2, 4) die in Arbeitsschritt a) gemessenen und gespeicherten Drehabweichungen derart berücksichtigt, daß diese jeweils korrespondierend bei der Sollwert-Vorgabe für eine Winkelposition der zu regelnden Drehachse mit umgekehrtem Vorzeichen addiert werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Bearbeitung
dadurch erweitert wird, daß im Anschluß an die Bearbeitung nach Arbeitsschritt
2b) gemäß Anspruch 1 eine erneute Messung nach Arbeitsschritt a) gemäß
Anspruch 1 durchgeführt wird und die Bearbeitung dann ohne Korrektur der
Winkelpositionen fortgesetzt wird, wenn die gemessenen Drehabweichungen
von der Idealdrehung einen vorgegebenen Maximalwert unterschreiten,
anderenfalls jedoch die Bearbeitung nach Arbeitsschritt b) gemäß Anspruch 1
fortgesetzt wird, wobei vorzugsweise die neu gemessenen Drehabweichungen
zugrundegelegt werden.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß im Falle dessen,
daß die gemessenen Drehabweichungen den vorgegebenen Maximalwert nicht
unterschreiten, das Verfahren nach Anspruch 2 solange wiederholt wird, bis
dies der Fall ist.
4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die
Korrektur der Winkelpositionen der zu regelnden Drehachse auf diejenigen
Winkelbereiche beschränkt wird, bei denen die gemessene Abweichung von der
Idealdrehung einen festgelegten Wert übersteigt.
5. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch
modifiziert, daß zur Durchführung des Arbeitsschrittes a) gemäß Anspruch 1
das Abrasivwerkzeug (3) gedreht wird, wobei es sich im Eingriff mit dem
Zahnrad (1) befindet und wobei das Zahnrad (1) lastfrei, jedoch in Kontakt zu
den Zahnflanken des Abrasivwerkzeugs (3) mitläuft.
6. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch
gekennzeichnet, daß die im Abrasivwerkzeug (3) vorhandenen Verzahnungs
fehler, die vorzugsweise separat auf einer Meßmaschine ermittelt werden, bei
der Berechnung der korrigierten Winkelposition und auch bei der
Drehkopplung ohne Korrekturwerte im Sinne des Arbeitsschritts b) (iii) gemäß
Anspruch 1 berücksichtigt werden.
7. Werkzeugmaschine zur Durchführung des Verfahrens nach mindestens einem
der Patentansprüche 1 bis 6.
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