DE4420225C1

DE4420225C1 - Verfahren zum Zahnflankenprofilschleifen oder -fräsen außenschrägverzahnter Werkstücke

Info

Publication number: DE4420225C1
Application number: DE19944420225
Authority: DE
Inventors: Matthias Hoehnke; Sieghart Dipl Ing Lenz; Joachim Dipl Ing Quandt; Juergen Dipl Ing Ruehle; Hans-Joachim Dipl Ing Ulrich
Original assignee: Niles Werkzeugmaschinen Berlin 13088 Berlin De GmbH; Niles Werkzeugmaschinen GmbH
Current assignee: Niles Werkzeugmaschinen GmbH
Priority date: 1994-06-07
Filing date: 1994-06-07
Publication date: 1995-06-22
Anticipated expiration: 2014-06-08

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Zahnflankenprofilschleifen oder -fräsen außen-schräg-verzahnter Werkstücke, bei dem zur Erzeugung von Zahnflankenmodifikationen Werkzeugprofile modifiziert werden, der Abstand Werkzeugachse - Werkstückachse und/oder die Werkzeugpositionen in der Tangentialebene, bezogen auf das Werkstück in Abhängigkeit von der Hubposition des Werkzeugträgers geändert werden.

Es ist allgemein bekannt, daß bei der Konstruktion von Stirnradgetrieben die Geometrie der Zahnflanken entscheidenden Einfluß auf Leistung, Lebensdauer, Geräuschverhalten und Dimension eines Getriebes hat.

In Versuchsserien und durch die Anwendung computergestützter Berechnungsmethoden werden in diesem Sinne geeignete Zahnflankengeometrien ermittelt. Diese weichen in der Zahnhöhe bzw. in der Zahnrichtung um positive oder negative Beträge von der Evolvente und/oder der Trochoide (Profilmodifikation) bzw. von der schraubenförmig ausgebildeten Flankenlinie (Flankenlinienmodifikation) ab.

Die Zahnflanke eines Schrägstirnrades, die durch Schraubung des modifizierten Zahnprofils als Schraubfläche S ausgebildet ist, wird bei den derzeit bekannten diskontinuierlichen Profilschleif verfahren (dPSV) erzeugt, indem das Zahnprofil in das Profil der Schleifscheibe (Drehfläche D) gelegt wird.

Die Berührung von Schraub- und Drehfläche erfolgt bei Schrägverzahnung entlang einer räumlichen Berührlinie K (Fig. 1), bei Geradverzahnung entlang der Stirnschnittprofillinie.

Im folgenden werden Nachteile der derzeit bekannten dPSV aufgezeigt

1. Fußprofile (Trochoiden) von Zahnrädern mit kleiner Zähnezahl,
2. definierte Zahnfußprofile (Kreisbögen oder Protuberanzen) und
3. Sonderprofile (Novikov- und SymMarc-Profile, Rotorprofile von Fördertrieben, Kettenradprofile)

weisen Profilwinkel nahe Null oder kleiner Null Grad auf.

Sind linke und/oder rechte Flanke einer Zahnlücke mit diesen Profilen oder Profilelementen versehen, so sind sie mit den o.g. dPSV dann nicht gleichzeitig und in einer Schraubung schleifbar, wenn

- bei Schrägverzahnung keine Berührlinien für diese Elemente existieren (Fig. 5),
- das Werkzeug beim Eintauchen in den zurückliegenden Teil des Profils die vorstehenden Anteile zerstört (Profilwinkel kleiner Null).

Ein diskontinuierliches Profilschleifverfahren mit den Merkmalen des Oberbegriffes des Patentanspruches 1 ist in der DE-PS 41 12 122 beschrieben.

Zur Erzeugung modifizierter Flankenlinien verwendet dieses dPSV, das auf dem Einsatz eines Werkzeuges basiert, als zentrale Achse die Rundtischachse C (= ϕ) in Verbindung mit einer der Achsen X (= e, tangentiale Werkzeugbewegung), Y (= a, radiale Werkzeugbewegung), B (= η, Werkzeugschwenkung), welche in Abhängigkeit von der Hublage des Werkzeugträgers (Achse Z) verstellt werden.

Wird zur Erzeugung der Flankenlinienmodifikation nur eine der möglichen Achsbewegungen in Abhängigkeit von der Hubachse Z verwendet, so ergeben sich aufgrund der Verlagerung des Erzeugungsprofils und aufgrund der Lage der Berührlinie bei Schrägverzahnung als unerwünschte Effekte:

- schief liegende, konvexe oder konkave Zahnprofile im modifizierten Bereich,
- unterschiedliche Flankenrücknahmen auf den einzelnen Stirnradzylindern.

Bei dem o.g. dPSV werden der Bewegung der Achse C (= ϕ) Korrekturbewegungen überlagert, die in Verbindung mit der Bewegung einer zweiten Achse (s. o.) in Abhängigkeit von Z diese Fehler beheben sollen. Dieses Vorgehen wird als ungeeignet angesehen, da

- die Achse C (= ϕ) in Bahnsteuerung mit der Achse Z eine konstante, stabile Schraubbewegung in einer für die Qualität des Verfahrens entscheidenden Genauigkeit garantieren soll,
- eine Superposition der funktionalen Abhängigkeit C(Z) (= ϕ(z)) durch die Korrekturbewegung unter bestimmten Bedingungen die Hubgeschwindigkeit und damit die Produktivität des Verfahrens mindert.

Weitere Nachteile dieses dPSV sind:

- achssymmetrische Flankenlinienmodifikationen bei Schrägverzahnung sind nur nacheinander im Einflankenschliff herstellbar,
- für rechte und linke Flanke unterschiedlich ausgelegte Flankenlinienmodifikationen können nur im Einflankenschliff hergestellt werden (Beispiel: Flankenlinienmodifikation auf einer Flanke, während die andere Flanke nicht modifiziert ist).

Ein Spezialfall der dPSV zur Erzeugung von Zahnprofilen ist das 3×Modul-Prinzip gemäß DE-OS 42 10 710, bei dem zwei Werkzeuge die einander abgewandten Zahnflanken benachbarter Zahnlücken bearbeiten. Damit soll die gleichzeitige Erzeugung unterschiedlicher Flankenlinien modifikationen ermöglicht werden. Der Lösungsweg für die Herstellung von Profil- und Flankenlinienmodifikationen unter Berücksichtigung der zulässigen Abweichungen mit Hilfe dieses Prinzips wird jedoch nicht angegeben.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art zu schaffen, welches die Erzeugung von Zahnflankenmodifikationen einer linken und einer rechten Flanke n (n 0) Teilungen voneinander entfernt liegender Zahnlücken gleichzeitig und in einer Schraubung ermöglicht, ohne die Achse C in die Erzeugungsbewegung einzubeziehen. Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß beim Einsatz von zwei an einem Werkzeugträger angeordneten scheibenförmigen, rotierenden Werkzeugen, welche eine rechte und eine linke Flanke n (n 0) Teilungen voneinander entfernt liegenden Zahnlücken gleichzeitig durch eine Schraubung erzeugen, den Bewegungen zur Erzeugung der Zahnflankenmodifikationen mit voneinander unabhängigen tangentialen Achsen (X, L) der Werkzeuge und/oder mit der gemeinsamen radialen Achse (Y) zusätzliche Bewegungen in Abhängigkeit von der Hubposition des Werkzeugträgers überlagert werden, die bei einem veränderbaren gemeinsamen Winkel der Werkzeugschwenkachse (B) zur Reduzierung der bei der Erzeugung der Flankenmodifikationen entstehenden Flankenlinien- und Profilabweichungen genutzt werden.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht bei entsprechenden maschinentechnischen Voraussetzungen vor, daß die tangentialen Bewegungen der Werkzeuge in Richtung ihrer Achsen durch tangentiale Bewegungskomponenten der Werkzeuge und/oder des Werkstücks im Stirnschnitt und im Achsschnitt des Werkstücks realisiert werden.

Entsprechend der Verzahnungsgeometrie kann es von Vorteil sein, wenn zur Reduzierung der Flankenlinien- und Profilabweichungen der gemeinsame Winkel der Werkzeugschwenkachse (B) in Abhängigkeit von der Hubposition des Werkzeugträgers verändert wird.

Entsprechend der Verzahnungsgeometrie des Werkstücks kann es auch von Vorteil sein, wenn zur Reduzierung der Flankenlinien- und Profilabweichungen der gemeinsame Winkel der Werkzeugschwenkachse (B) nach optimierten Werten fest eingestellt wird.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, daß folgendes erreicht wird:

- die gleichzeitige Erzeugung von zwei modifizierten Zahnflanken während einer Schraubung,
die Herstellung von Zahnfußprofilen mit Profilwinkeln nahe Null oder kleiner Null Grad in einer Schraubung,
- die Beschränkung auf translatorische Achsen zur Erzeugung von Flankenlinienmodifikationen ohne Beeinflussung der die Schraubbewegung in Bahnsteuerung erzeugenden Achsen C und Z,
- die Einbeziehung der Werkzeugschwenkachse B zur Minimierung der Flankenlinien- und Profilabweichungen durch optimierte Einstellung oder durch eine Z-abhängige Zusatzbewegung.

Die Erfindung soll nachstehend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden. Die zugehörigen Zeichnungen zeigen:

Fig. 1 Erzeugen einer Zahnflanke im diskontinuierlichen Profilschleifverfahren,

Fig. 2 Werkzeugmaschine zur Durchführung des Zahnradprofilschleifens,

Fig. 3 Achskombinationen nach dem Stand der Technik zur Erzeugung von Zahnflankenmodifikationen,

Fig. 4 Achskombination zur erfindungsgemäßen Erzeugung von Zahnflankenmodifikationen,

Fig. 5 Unterbrochene Berührlinie zwischen Werkstück und Werkzeug,

Fig. 6 Positionierung zweier Zahnlücken zum Zahnrad (3×Modul-Prinzip),

Fig. 7 durchgehende Berührlinie zwischen Werkstück und Werkzeug.

In Fig. 1 wird die Erzeugung einer Zahnflanke im diskontinuierlichen Profilschleifverfahren prinzipiell dargestellt.

Darin bedeuten:

S = durch Schraubung eines modifizierten Zahnprofils bestimmte Schraubfläche (Zahn flanke),
D = zur Herstellung der Schraubfläche verwendete Drehfläche (Werkzeug),
K = bei der Herstellung der Zahnflanke wirksame Berührlinie zwischen Schraub- und Drehfläche,
P = durch Projektion der Berührlinie auf den Achsschnitt des Werkzeugs entstehendes Werkzeugprofil (Profil der Schleifscheibe oder des Formfräsers).

Fig. 2 zeigt eine Werkzeugmaschine zur erfindungsgemäßen Durchführung des Zahnrad profilschleifens. Zur Erzeugung der konstanten Schraubbewegung werden die Achsen C und Z als Kombination von Dreh- und Hubbewegung verwendet. Die beiden Schleifwerkzeuge 1 und 2 sind an einem Hubschlitten angebracht. Sie bewegen sich translatorisch in Richtung der Achsen X und L. Der Hubschlitten kann radial zum Werkstück 3 translatorisch in Richtung der Achse Y bewegt und um die Achse B geschwenkt werden. Die Achsen X, L, Y und B sind in Abhängigkeit von der Hubachse Z steuerbar.

In Fig. 3 sind die nach dem Stand der Technik (DE 41 12 122 C3) zur Erzeugung von Zahn flankenmodifikationen verwendeten Achskombinationen dargestellt.

Der Rundtischachse C (= ϕ) und einer der Achsen X (= e), Y (= a), B (= η) werden in Abhängigkeit von der Hubposition Z Zusatzbewegungen überlagert, die zur Reduzierung der Profil- und Flankenlinienabweichungen bei der Erzeugung der Zahnflankenmodifikationen führen sollen.

Fig. 4 zeigt die Achskombination zur erfindungsgemäßen Erzeugung von Zahnflankenmodifi kationen.

Zur Erzeugung von Flankenlinienmodifikationen führen die radiale Achse Y und die tangentialen Achsen X und L in Abhängigkeit von der Hubposition Z Bewegungen aus, die bei einer optimalen Einstellung der Schwenkachse B oder bei kontinuierlicher Veränderung von B in Abhängigkeit von der Hubposition Z Flankenlinien- und Profilabweichungen minimieren. Dabei bleibt die Bahnsteuerung der Achsen C und Z zur Erzeugung der Schraubenlinie von Zusatzbewegungen unbeeinflußt.

In Fig. 5 ist eine unterbrochene Berührlinie K zwischen Werkstück und Werkzeug dargestellt.

Im Bereich des Übergangs von der Evolvente E zur Zahnfußkurve (Trochoide) T existiert keine Berührlinie K, was zu undefinierten Erzeugungsbedingungen führt. Ursache sind Zahn profilwinkel nahe Null oder kleiner Null Grad.

Fig. 6 zeigt die Positionierung zweier Schleifwerkzeuge 1, 2 zum Werkstück 3 entsprechend dem 3×Modul-Prinzip.

Dabei bearbeiten die Schleifwerkzeuge 1 und 2 die einander abgewandten Zahnflanken eines Werkstückes 3 in benachbarten Zahnlücken im (doppelten) Einflankenschliff. Damit konnten die Werkzeugprofilwinkel α_smin um den halben Teilungswinkel τ/2 vergrößert werden.

In Fig. 7 ist eine durchgehende Berührlinie K zwischen Werkstück und Werkzeug bei der Herstellung einer Verzahnung dargestellt. Die Lage der Berührlinie wird durch die erfindungsgemäße Bestimmung der Einstellwerte so verändert, daß die Flankenlinien- und Profilabweichungen minimiert werden.

Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens sind zunächst die Daten der Verzahnungsgeometrie einschließlich der zu realisierenden Flankenmodifikationen vorzugeben. Zahnprofilmodifikationen werden als Rücknahmen entlang der Eingriffsstrecke angegeben. Die Angabe von Flankenlinienmodifikationen erfolgt bezogen auf den Teilzylinder in Form von Schrägungswinkelabweichungen oder in Form von Rücknahmen der Flankenlinien in Abhängigkeit von der Zahnbreite. Für den modifizierten Bereich der Zahnflanken gelten die in DIN 3960, DIN 3961 definierten und die, falls nicht anders vom Konstrukteur vorgesehen, in DIN 3962 ausgeführten Flankenabweichungen f_H _α (Profilwinkelabweichung) und f_H _β (Flankenlinienwinkelabweichung).

Grundlage zur Ermittlung der Werkzeugprofile, der translatorischen Bewegungskoordinaten X(Z), L(Z) und Y(Z) der Achsen X, L und Y in Abhängigkeit von der Hubposition Z sowie eines optimierten Einstellwertes β_0opt des Schwenkwinkels β₀ der Achse B ist der im folgenden vereinfacht wiedergegebene Berechnungsalgorithmus:

Für einen Anfangsstirnschnitt der mit Flankenlinienmodifikation herzustellenden Zähne wird ein Bereich [β₀min, β₀max] von Werkzeugschwenkwinkeln ermittelt, in dem für jedes β₀ ∈ [β₀min, β₀max] und jedes Werkzeug 1 bzw. 2 eine Berührlinie K1 bzw. K2 mit den zu bearbeitenden Flankenflächen und damit ein Werkzeugprofil P existiert (Fig. 1).

In diesem Bereich werden für ein β₀ ∈ [β₀min, β₀max] die Berührlinien K1 und K2 und die zusätzlichen Achsbewegungen X(Z), L(Z) und Y(Z) zur Erzeugung der Flankenlinienmodifikationen im Teilkreis berechnet. Durch die räumliche Ausdehnung der Berührlinien bei Schrägverzahnung werden für jede Hubposition des Werkzeugträgers Korrekturbewegungen ΔX(Z), ΔL(Z), ΔY(Z) in die Berechnung einbezogen, die eine Reduzierung der Abweichungen f_H _α und f_H _β bewirken.

Eine Optimierungsrechnung in Bezug auf f_H _α und f_H _β über den gesamten Schwenkwinkelbereich [β₀min, β₀max] führt zu einem optimierten Einstellwert β_0opt, bei dem diese Abweichungen relative Minima annehmen.

Liegen diese Minima außerhalb der Vorgaben, wird eine weitere Reduzierung über eine Z- abhängige Korrekturbewegung der Achse B erreicht. Dazu wird mittels Berechnungsverfahren ein funktioneller Zusammenhang β₀(Z) ermittelt, nach dem der Schwenkwinkel β₀ in jeder Hubposition optimal im Sinne der Minimierung der Abweichungen f_H _α und f_H _β ist.

Bezugszeichenliste

B Schwenkachse des Werkzeugträgers
C Rundtisch-(Werkstück-)Drehachse
D zur Herstellung der Schraubfläche verwendete Drehfläche (Werkzeug),
E Evolvente
K bei der Herstellung der Zahnflanke wirksame Berührlinie zwischen Schraub- und Drehfläche
L tangentiale Translationsachse des Schleifwerkzeugs 2
ΔL(Z) zusätzliche Achsbewegung zur Minimierung von Flankenabweichungen
P durch Projektion der Berührlinie auf den Achsschnitt des Werkzeugs entstehendes Werkzeugprofil (Profil der Schleifscheibe oder des Formfräsers)
S durch Schraubung eines modifizierten Zahnprofils bestimmte Schraubfläche (Zahnflanke),
T Trochoide
X tangentiale Translationsachse des Schleifwerkzeugs 1
ΔX(Z) zusätzliche Achsbewegung zur Minimierung von Flankenabweichungen
Y radiale Translationsachse des Werkzeugträgers
ΔY(Z) zusätzliche Achsbewegung zur Minimierung von Flankenabweichungen
Z Hubachse des Werkzeugträgers
dPSV diskontinuierliches Profilschleifverfahren
f_H _α Profilwinkelabweichung
f_H _β Flankenlinienwinkelabweichung
n Anzahl von Teilungen
α_smin Werkzeugprofilwinkel
β₀ Schwenkwinkel
β_0opt optimierter Schwenkwinkel
τ Teilungswinkel
1, 2 Schleifwerkzeuge
3 Werkstück

Claims

1. Verfahren zum Zahnflankenprofilschleifen oder -fräsen außen-schräg-verzahnter Werkstücke, bei dem zur Erzeugung von Zahnflankenmodifikationen Werkzeugprofile modifiziert werden, der Abstand Werkzeugachse - Werkstückachse und/oder die Werkzeugpositionen in der Tangentialebene, bezogen auf das Werkstück in Abhängigkeit von der Hubposition des Werkzeugträgers geändert werden, dadurch gekennzeichnet, daß beim Einsatz von zwei an einem Werkzeugträger angeordneten scheibenförmigen, rotierenden Werkzeugen, welche eine rechte und eine linke Flanke n (n 0) Teilungen voneinander entfernt liegender Zahnlücken gleichzeitig durch eine Schraubung erzeugen, den Bewegungen zur Erzeugung der Zahnflankenmodifikationen mit voneinander unabhängigen tangentialen Achsen (X, L) der Werkzeuge (1, 2) und/oder mit der gemeinsamen radialen Achse (Y) zusätzliche Bewegungen in Abhängigkeit von der Hubposition des Werkzeugträgers überlagert werden, die bei einem veränderbaren gemeinsamen Winkel der Werkzeugschwenkachse (B) zur Reduzierung der bei der Erzeugung der Flankenlinienmodifikationen entstehenden Flankenlinien- und Profilabweichungen genutzt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die tangentialen Bewegungskompo nenten der Werkzeuge (1, 2) in Richtung ihrer Achsen (X, L) durch tangentiale Bewegungskomponenten der Werkzeuge (1, 2) und/oder des Werkstücks (3) im Stirnschnitt und im Abschnitt des Werkstücks (3) realisiert werden.

3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Reduzierung der Flankenlinien- und Profilabweichungen der gemeinsame Winkel der Werkzeugschwenkachse (B) in Abhängigkeit von der Hubposition des Werkzeugträgers verändert wird.

4. Verfahren nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Reduzierung der Flankenlinien- und Profilabweichungen der gemeinsame Winkel der Werkzeugschwenkachse (B) nach optimierten Werten fest eingestellt wird.