EP0335255A2 - Method for grinding a polygon cone on an NC grinding machine - Google Patents
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- EP0335255A2 EP0335255A2 EP89105211A EP89105211A EP0335255A2 EP 0335255 A2 EP0335255 A2 EP 0335255A2 EP 89105211 A EP89105211 A EP 89105211A EP 89105211 A EP89105211 A EP 89105211A EP 0335255 A2 EP0335255 A2 EP 0335255A2
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- B24B19/08—Single-purpose machines or devices for particular grinding operations not covered by any other main group for grinding non-circular cross-sections, e.g. shafts of elliptical or polygonal cross-section
Definitions
- the invention relates to a method for grinding a cone, the radial cross-sectional area of which has the shape of an n-polygon profile with a predetermined eccentricity and a predetermined arithmetic mean of the diameter of the circumference and the incircle of the polygon profile, in which one a first axis rotatable grinding wheel engages on a workpiece blank rotatable about a second axis along a common surface line, the axes intersecting at an acute angle, at which the grinding wheel also carries out an oscillating movement in which the surface line is in the plane spanned by the axes with the n-fold frequency of the rotary movement of the workpiece blank and with an amplitude corresponding to twice the eccentricity.
- polygon connections of shafts and hubs are a type of positive driver connection for the transmission of torques.
- conical polygons are also used. It is known to additionally apply a small axial clamping force to a tapered polygon connection between a shaft and a hub, in order to achieve a positive connection in addition to the positive locking of the polygon surfaces. In this way, connections can be made which have a considerably shorter axial length than circular conical connections with the same transmissible torque.
- the polygon shapes used in known polygon connections are standardized according to DIN 32 711 and DIN 32 712.
- the polygon profiles with the designation P3G according to DIN 31 711 are so-called constant-thickness profiles because the diameters running through the axis of the profile are all of the same length. This is from This is particularly advantageous because it enables torque transmission with extremely even voltage distribution.
- Polygonal profiles in cylindrical or conical shape are conventionally produced using kinematic polygon grinding machines, in which the grinding wheel lies in a common surface line on the workpiece blank.
- the grinding wheel is oscillated by means of an eccentric and a push rod in two axes which are perpendicular to one another and to the grinding wheel axis.
- the grinding wheel axis thus describes an outer surface of an elliptical cylinder.
- the polygon profile is then generated on its surface by synchronously rotating the workpiece blank.
- a polygon profile with freely selectable eccentricity and freely selectable mean diameter can be ground in this way, whereby the arithmetic mean of the diameter of the incircle and understands the circumference of the polygon profile.
- tapered polygon connections have not been able to establish themselves in practice because, due to irregularities in shape, local stress peaks occur at the contact surfaces of the shaft and hub, which can lead to rapid wear and misalignment of the connection.
- the invention is therefore based on the object of developing a method of the type mentioned in such a way that a tapered polygon connection is provided which meets the highest demands on fit and in which the stress distribution is as uniform as possible, so that the advantages of Polygon connections, in particular the advantage of self-centering, are retained even in long-term operation with large torque values.
- D m2 is the arithmetic mean of the diameters and ⁇ 2 is the practically minimum possible radius of curvature of the polygon profile at the tip end of the cone and ⁇ max is a predetermined angle.
- the object underlying the invention is completely achieved in this way. It has been shown that, for fundamental mathematical reasons, it is not possible to use a grinding wheel which has a straight surface line, ie. a cylindrical or conical grinding wheel to grind a polygon cone, the radial cross-sectional areas of which have a uniform thickness shape at each position of the longitudinal axis.
- the dimensioning of the eccentricity value in the above-mentioned manner has the advantage that a real grindable polygonal cone shape is obtained, which nevertheless gives almost the same values with regard to the stress distribution as a theoretically definable constant-thickness polygonal cone. The differences from this theoretical optimum are practically no longer measurable with the dimensioning of the eccentricity value described above.
- the angle ⁇ max is 14 °.
- this angle represents an optimal value at which the torque transmission on the one hand and the voltage distribution on the other hand occur to almost the same extent as is the case with a theoretically defined constant-thickness polygon cone.
- the angle ⁇ stands for the intersection angle of the tangent in a point of the polygon profile with a tangent to a circle through the point, the center of the circle coinciding with the center of the polygon.
- the angle ⁇ is thus, for example in the case of a triangular polygon profile, at the three points of smallest curvature and at the three points of greatest curvature, i.e. every 60 degrees over the circumference zero. Between these zero values, the tangent intersection angle ⁇ assumes a maximum, and it has been shown that the described optimal conditions are present when the angle maximum is set to 14 °.
- the grinding wheel is adjusted along a X-axis running at right angles to the surface line in predetermined axial steps and the workpiece blank about the second axis with predetermined angle steps by means of a numerical control device.
- This measure has the advantage that the method according to the invention can be carried out by means of an NC-controlled grinding machine, in which the kinematics of conventional polygon grinding machines with an eccentric and push rod an NC coordinate control is replaced.
- This enables precise manufacturing for internal or external grinding of external or internal polygon cones with standard grinding machines, such as those used for cam grinding.
- the grinding wheel is adjusted in predetermined axial steps along the X axis as a superimposition of a continuous radial infeed movement and a path movement in accordance with the polygon profile.
- This measure has the advantage that large oversizes can be carried along a spiral path by the superposition of the so-called delivery operation and rail operation.
- the workpiece blank is adjusted with predetermined angular steps about the second axis at an angular velocity which is set depending on the angle of rotation after the second derivative of the eccentricity value according to the angle of rotation.
- This measure has the advantage that the so-called related chip removal volume Q 'can be set optimally, so that local overloads or overheating can be safely avoided.
- 10 designates a tool holder, which can carry a tool, for example a drill 11 or a milling cutter or another tool, at its lower end.
- the tool sits with the end facing away from the machining end in a usually cylindrical flange 12.
- a complementary spindle holder 15 of a machine tool has a correspondingly shaped polygon inner cylinder 16 and a polygon inner cone 17.
- the dimensions of the pairings 13/16 and 14/17 are chosen so that the surfaces of the cylinders or cones lie close together when the tool holder 10 is inserted into the spindle holder 15.
- An arrow 18 indicates the direction in which the tool holder 10 can be inserted into or removed from the spindle receptacle 15.
- the arrow 18 symbolizes an axial tensile force that can be exerted on the tool holder 10 clamped in the spindle holder 15.
- the polygon cone 14 can be provided in its upper end face with a bore 19 which widens inwards and into which an arrangement of the pull rod and collet of the machine tool can engage in order to pull the tool holder 10 used upwards into the spindle receptacle 15 how this is known per se.
- FIG. 2 shows a radial section through a polygon cone, which shows a circumferential polygon profile 30.
- the polygon profile 30 is delimited by a radius 31 and an incircle 31.
- the radius 31 has a diameter D and the incircle 32 has a diameter d.
- the effective diameter D m of the polygon profile 30 is equal to the arithmetic mean of the diameters D and d of the circumference 31 and incircle 32.
- the difference between the diameters D and d is 2e, e being the so-called eccentricity of the polygon profile 30.
- each diameter D m running through the center M of the polygon profile 30 has the same length, regardless of the angle ⁇ that the diameter D m assumes an imaginary y or x axis.
- polygon profiles are epicycloids, which are created by rolling a rolling circle on a fixed circle and looking at the locus of a point that is located within the rolling circle at a distance from its periphery.
- the ratio of the diameter of the rolling circle to the fixed circle is an integer, closed epicycloid curves are created. It can be read in the relevant literature that the equal-thickness polygon profiles of interest arise when the distance between the fixed circle and the rolling circle becomes infinitely large and the epicycloid that is then formed is mapped into finite dimensions.
- FIG. 3 shows a coordinate system yx in which points P of a polygon of interest in the present context are to be represented. From the literature it can be seen that you can use a rotating auxiliary coordinate system y1-x1, whose origin O1 lies on an ellipse 35 and whose inclination to the yx coordinate system with the origin O corresponds to an angle ⁇ .
- the ellipse 35 has a main axis, the half length of which corresponds to the product of the number of corners n and the eccentricity e of the polygon profile, while the half length of the minor axis is equal to the eccentricity e.
- auxiliary coordinate system y1-x To define the auxiliary coordinate system y1-x1, first draw an auxiliary line through the origin O of the coordinate system y-x, at an angle 3 ⁇ to the x-axis. The intersection of this auxiliary line with the ellipse 35 gives the origin O1 of the auxiliary coordinate system y1-x1. With the help of the equations given above, the coordinates x 1 and y 1 are now determined in the auxiliary coordinate system and the position of the point P is thus reached.
- the polygon profile obtained in this way has a uniform thickness in accordance with DIN 32 711.
- FIG. 4 shows a grinding wheel 40 which can be cylindrical or conical in shape. In both cases, the grinding wheel 40 has a straight surface line 41.
- the cutting disk 40 can be rotated about a grinding wheel axis 42, which is not drawn to scale in FIG. 4 is.
- the surface line 41 can run parallel to the grinding wheel axis 42 if a cylindrical grinding wheel 40 is used, but it can also run inclined to the grinding wheel axis 42 if the grinding wheel 40 has a conical shape.
- a first workpiece blank 45 can be rotated about a workpiece axis 43 which runs parallel to the surface line 41. If the rotational movement of the first workpiece blank 45 is synchronized with an oscillating stroke movement H s ( ⁇ ) of the grinding wheel 40, a polygon cylinder is obtained if the frequency of the stroke movement is, for example, just three times the rotational frequency of the first workpiece blank 45 and the amplitude of the stroke movement corresponds to the amount 2e.
- the axis of the lifting movement H s ( ⁇ ) of the grinding wheel 40 is referred to in the technical language of grinding machine technology as the X axis.
- the workpiece axes are marked with Z and Z ', and the length of the polygon cone is designated with L.
- the workpiece axis 43 is referred to as the "C axis".
- the workpiece blank 45 rotates about the C-axis at an angular velocity d ⁇ / dt, so that an angular increment ⁇ is measured in the X-axis with an incremental stroke movement H s ( ⁇ ) of the grinding wheel 40.
- the axes 42 and 43 or 42 and 43 ' must lie in one plane, so they must not be skewed.
- the axes 42 and 43' intersect outside of the representation of Fig. 4.
- the surface line 41 lies in the plane spanned by the axes 42 and 43 or 42 and 43 '.
- the oscillating movement of the closing disk 40 takes place in such a way that the surface line 41 is deflected in a direction perpendicular to its extension with a predetermined amplitude and a predetermined frequency. If a polygon cylinder (workpiece blank 45) is ground, the amplitude of the deflection is just twice the eccentricity e, while in the case of the inclined workpiece axis 43 'this amount can only be multiplied by the factor cos ⁇ .
- both the lower end face and the upper end face which are each designed as a constant thickness profile, have their own cone, the tips of which on the axis of the polygon - cone does not collapse.
- FIG. 5 shows a section of the illustration in FIG. 2, where a section of the polygon profile 30 is entered in a quadrant of the yx coordinate system. Any point on the polygon profile 30 is denoted by P.
- a diameter D m is now drawn in, which passes through the point P and by definition through the center M of the polygon profile 30, which is also the origin of the yx coordinate system.
- a circle K around M is now drawn in FIG. 5.
- the tangent to the circle K in the point P is also drawn in with T k in FIG. 5.
- this maximum tangent intersection angle ⁇ max is a measure of the above-described compromise between a technically producible and a constant thickness polygon cone that is optimal in terms of strength.
- This modified eccentricity e ' is to be set constant over the axial length L of the polygon cone.
- ⁇ 2 is practically the minimum possible radius of curvature ⁇ min of the P3 polygon profile at the tip of the cone, because with polygon profiles of the type of interest here, a polygon outer profile and an associated polygon inner profile must always be ground and a practical one Limiting the dimensions means that polygon inner profiles cannot be ground with any thin grinding wheels.
- a practical limit is typically a grinding wheel diameter of 5 millimeters, so that as a boundary condition in the method according to the invention it is important to ensure that no polygon profiles are determined which have minimal radii of curvature of less than 2.5 millimeters.
- a triangular polygon cone 14 should be produced, the lower, larger end face of which is a polygon profile 30/1 and the upper, smaller end face of which is a polygon profile 30/2.
- the cone by definition consists of a guide curve D, which lies in the directrix plane ⁇ perpendicular to the Z axis at a distance L from the coordinate origin 0, and each generatrix G meets at the apex Z.
- the cone generating the polygon flank has the apex in Z and the polygon tip in Z2.
- a cone is generated which corresponds to the angle of inclination ⁇ .
- All other generators have an offset vertex, which corresponds to the distance ⁇ ⁇ L. It can be seen that the polygon cone described has a different geometry within the lateral surface in the flanks, tips and in the transition region.
- the generated polygon profiles in the directrix plane ⁇ as an orthogonal section to the axis of rotation OZ within the generatrix G, are not the same thickness.
- this variation in the angle of inclination of the surface lines of the polygon cone can be compensated for by correspondingly pivoting the grinding wheel or the workpiece.
- the geometric condition for the tangent contact angle is fulfilled.
- the tangent contact angle of the small cone diameter is equal to the tangent contact angle of the large cone diameter.
- the polygon cones can be manufactured in different ways.
- FIG. 12 illustrates a first manufacturing method, in which the same reference numerals are used again, but with the addition of an "a".
- the polygon cone 14a is produced from a workpiece blank 46a by adjusting the workpiece axis 43a by the angle ⁇ with respect to the axis 42a of the grinding wheel 40a.
- a surface line 41a then results.
- the grinding wheel 40a therefore remains in its unchanged position, while the workpiece blank 46a was pivoted with its axis 43a by the angle ⁇ .
- FIG. A shows the process of external grinding
- FIG. 13 shows the complementary process of internal grinding
- a small roller-shaped grinding wheel 40b rotates about the axis 42b, which is unchanged in its direction, while a workpiece blank 46b is positioned with its axis 43b at an angle ⁇ with respect to the grinding wheel axis 42b. In this way, a polygon inner cone 17b is obtained.
- FIG. 14 illustrates the grinding machine required for the methods according to FIGS. 12 and 13, which is designated as a whole by 60.
- a workpiece chuck 61 holds the workpiece blank 46a or 46b clamped, a tailstock 62 possibly also being used as a counter bearing.
- a grinding spindle 63 can be moved in the known manner in the direction of the so-called x-axis at 90 ° to the axis of the workpiece chuck 61 or of the tailstock 62, the latter axis being adjustable as a so-called C-axis in defined angular steps, by means of an im Workpiece chuck 61 contained drive.
- the workpiece chuck 61 can be rotated together with the entire workpiece holder about a vertical axis 64, the so-called U-axis. In this way, the workpiece blank 46a or 46b with its axis 43a or 43b can be moved according to the angle ⁇ Fig. 12 and 13 compared to the unchanged orientation 42a and 42b of the grinding wheel 40a and 40b.
- the grinding wheel 40a or 40b now performs an oscillating movement in the direction of the x-axis during the rotation of the workpiece blank 46a or 46b, with a frequency that is three times as large as that in the described application of the triangular polygon cone 14 Rotation frequency of the workpiece blank 46a or 46b in the workpiece chuck 61.
- the amplitude of the oscillating movement ⁇ X in this case is 2e 'cos ⁇ .
- FIG. 15 shows a further variant of the external grinding method, the letter "c" being added to the reference numerals.
- the axis 43c of the workpiece blank 46c is left unchanged, while the axis 42c of the grinding wheel 40c is set at an angle ⁇ with respect to its starting position.
- an arrow 70 also illustrates that the grinding wheel 40d, just like the grinding wheel 40b according to FIG. 13 or also like the grinding wheels 40a and 40c according to FIGS. 12 and 15, closes if very long surface lines 41a or 41c grinding, can still be moved in the direction of their axis, should this be necessary in individual cases.
- FIG. 17 again shows a schematic illustration of the grinding machine 60, which is now set to carry out the method according to FIGS. 15 and 16.
- the workpiece chuck 61 remains in the original position in FIG. 17, while the grinding spindle 63 can be rotated about a vertical axis 65, the so-called B axis.
- a numerical control device 66 of the type known per se is used to set all of these method parameters.
- the numerical control device 66 there is a computing stage which, from the values D m1 , D m2 , e ′, D1, D2, d1, d2 and the predetermined values L and ⁇ determined above, and the path points of the polygon profiles 30/1 and 30 / 2 determined, preferably in polar coordinates, so that the oscillating movement of the grinding wheels 40a to 40d can be adjusted according to path points at which the desired polygon cones 14a, 14c or 17b, 17d ultimately result.
- the oscillating movement of the grinding wheels 40a to 40d per se is referred to as a so-called “web operation”, to which a feed movement as a so-called “feed operation” must of course be superimposed to remove an oversize.
- Either a constant angular velocity or an angular velocity varying over the circumference of the workpiece blank can be set to rotate the workpiece blanks.
- contour equation in the parameter form is used to describe the polygon curve when grinding in path mode between the X and C axes.
- the contour parameters s are drawn in as the profile elevation value and s' as the height offset value.
- the height offset value s' is the first derivative of the contour parameter s after the angle of rotation ⁇ .
- the polygon profile K for the eccentric value e which corresponds to the large cone diameter
- the polygon profile k which determines the small cone diameter at an eccentric value e ', must be produced at the same time during the surface creation in order to produce an equally thick polygon cone to edit.
- ⁇ 3 3.622 mm
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
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- Grinding And Polishing Of Tertiary Curved Surfaces And Surfaces With Complex Shapes (AREA)
- Grinding Of Cylindrical And Plane Surfaces (AREA)
- Constituent Portions Of Griding Lathes, Driving, Sensing And Control (AREA)
Abstract
Ein Verfahren dient zum Schleifen eines Kegels (14a), dessen radiale Querschnittsfläche die Gestalt eines n-eckigen Polygon-Profils mit vorgegebener Exzentrizität und vorgegebenem arithmetischem Mittelwert Dm der Durchmesser des Umkreises und des Inkreises des Polygon-Profils ausweist. Eine um eine erste Achse (42a) drehbare Schleifscheibe (40a) greift entlang einer gemeinsamen Mantellinie (41a) an einem um eine zweite Achse (43a) schneiden sich unter einem spitzen Winkel (λ). Die Schleifscheibe (40) führt eine oszillierende Bewegung aus, bei der die Mantellinie (41a) in der von den Achsen (42a, 43a) aufgespannten Ebene mit der n-fachen Frequenz der Drehbewegung des Werkstückrohlings (46a) und mit einer der doppelten Exzentrizität entsprechenden Amplitude parallelverschoben wird.A method is used to grind a cone (14a), the radial cross-sectional area of which shows the shape of an n-polygon profile with a predetermined eccentricity and a predetermined arithmetic mean D m, the diameter of the circumference and the incircle of the polygon profile. A grinding wheel (40a) rotatable about a first axis (42a) engages along a common surface line (41a) at an intersection at a sharp angle (λ) around a second axis (43a). The grinding wheel (40) carries out an oscillating movement, in which the surface line (41a) in the plane spanned by the axes (42a, 43a) with the n-fold frequency of the rotary movement of the workpiece blank (46a) and with a double eccentricity Amplitude is shifted in parallel.
Um mit einer technisch herstellbaren Schleifscheibe mit gerader Mantellinie (41a) einen Polygon-Kegel (14a) schleifen zu können, dessen radiale Querschnittsflächen möglichst nahe an das unter den Gesichtspunkten der Festigkeitslehre ideale Gleichdick-Profil gemäß DIN 32 711 angenähert sind, wird die Amplitude mit einer Exzentrizität e′ eingestellt, die der Beziehung
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Schleifen eines Kegels, dessen radiale Querschnittsfläche die Gestalt eines n-eckigen Polygon-Profils mit vorgegebener Exzentrizität und vorgegebenem arithmetischem Mittelwert der Durchmesser des Umkreises und des Inkreises des Polygon-Profils aufweist, bei dem eine um eine erste Achse drehbare Schleifscheibe entlang einer gemeinsamen Mantellinie an einem um eine zweite Achse drehbaren Werkstückrohling angreift, wobei die Achsen sich unter einem spitzen Winkel schneiden, bei dem ferner die Schleifscheibe eine oszillierende Bewegung ausführt, bei der die Mantellinie in der von den Achsen aufgespannten Ebene mit der n-fachen Frequenz der Drehbewegung des Werkstückrohlings und mit einer der doppelten Exzentrizität entsprechenden Amplitude parallel-verschoben wird.The invention relates to a method for grinding a cone, the radial cross-sectional area of which has the shape of an n-polygon profile with a predetermined eccentricity and a predetermined arithmetic mean of the diameter of the circumference and the incircle of the polygon profile, in which one a first axis rotatable grinding wheel engages on a workpiece blank rotatable about a second axis along a common surface line, the axes intersecting at an acute angle, at which the grinding wheel also carries out an oscillating movement in which the surface line is in the plane spanned by the axes with the n-fold frequency of the rotary movement of the workpiece blank and with an amplitude corresponding to twice the eccentricity.
Ein derartiges Verfahren ist aus der Firmenschrift "Fortuna Polygon-System - Arbeitsunterlagen über Wellen-Naben-Verbindungen" bekannt.Such a method is known from the company publication "Fortuna Polygon System - Working documents on shaft-hub connections".
Polygon-Verbindungen von Wellen und Naben sind bekanntlich eine Art einer formschlüssigen Mitnehmerverbindung zum Übertragen von Drehmomenten. Neben zylindrischen Polygonen werden dabei auch kegelige Polygone eingesetzt. Es ist bekannt, bei einer kegeligen Polygon-Verbindung zwischen einer Welle und einer Nabe zusätzlich eine geringe axiale Spannkraft aufzubringen, um neben dem Formschluß der Polygon-Flächen auch einen Kraftschluß zu erreichen. Auf diese Weise kann man Verbindungen herstellen, die eine wesentlich kürzere axiale Baulänge als kreiskegelförmige Verbindungen mit gleichem übertragbarem Drehmoment aufweisen.As is well known, polygon connections of shafts and hubs are a type of positive driver connection for the transmission of torques. In addition to cylindrical polygons, conical polygons are also used. It is known to additionally apply a small axial clamping force to a tapered polygon connection between a shaft and a hub, in order to achieve a positive connection in addition to the positive locking of the polygon surfaces. In this way, connections can be made which have a considerably shorter axial length than circular conical connections with the same transmissible torque.
Die bei bekannten Polygon-Verbindungen verwendeten Polygon-Formen sind nach DIN 32 711 und DIN 32 712 genormt. Die Polygon-Profile mit der Bezeichnung P3G nach DIN 31 711 sind sogenannte Gleichdick-Profile, weil die durch die Achse des Profils laufenden Durchmesser alle gleich lang sind. Dies ist von besonderem Vorteil, weil auf diese Weise die Drehmomentübertragung mit äußerst gleichmäßiger Spannungsverteilung möglich ist.The polygon shapes used in known polygon connections are standardized according to DIN 32 711 and DIN 32 712. The polygon profiles with the designation P3G according to DIN 31 711 are so-called constant-thickness profiles because the diameters running through the axis of the profile are all of the same length. This is from This is particularly advantageous because it enables torque transmission with extremely even voltage distribution.
Polygon-Profile in zylindrischer oder kegeliger Gestalt werden herkömmlich mittels kinematischer Polygon-Schleifmaschinen hergestellt, bei denen die Schleifscheibe in einer gemeinsamen Mantellinie am Werkstückrohling anliegt. Die Schleifscheibe wird mittels eines Exzenters und einer Schubstange in zwei Achsen oszillierend ausgelenkt, die zueinander und zur Schleifscheibenachse senkrecht stehen. Die Schleifscheibenachse beschreibt damit eine Mantelfläche eines elliptischen Zylinders. Durch synchrones Drehen des Werkstückrohlings wird an dessen Oberfläche dann das Polygon-Profil erzeugt. Durch Einstellen der Hauptachsen der Ellipse und des Grundvorschubs der Schleifscheibe in Richtung auf den Werkstückrohling kann auf diese Weise ein Polygon-Profil mit frei wählbarer Exzentrizität und frei wählbarem mittlerem Durchmesser geschliffen werden, wobei man unter dem mittleren Durchmesser den arithmetischen Mittelwert der Durchmesser des Inkreises und des Umkreises des Polygon-Profils versteht.Polygonal profiles in cylindrical or conical shape are conventionally produced using kinematic polygon grinding machines, in which the grinding wheel lies in a common surface line on the workpiece blank. The grinding wheel is oscillated by means of an eccentric and a push rod in two axes which are perpendicular to one another and to the grinding wheel axis. The grinding wheel axis thus describes an outer surface of an elliptical cylinder. The polygon profile is then generated on its surface by synchronously rotating the workpiece blank. By adjusting the main axes of the ellipse and the basic feed of the grinding wheel in the direction of the workpiece blank, a polygon profile with freely selectable eccentricity and freely selectable mean diameter can be ground in this way, whereby the arithmetic mean of the diameter of the incircle and understands the circumference of the polygon profile.
Während auf die geschilderte Weise zylindrische Polygon-Profile ohne Probleme als Gleichdick nach DIN 32 711 geschliffen werden können, ist man beim Schleifen kegeliger Polygone auf Schwierigkeiten gestoßen.While cylindrical polygon profiles can be ground as uniform thicknesses in accordance with DIN 32 711 in the manner described, difficulties have been encountered when grinding conical polygons.
Es hat sich nämlich gezeigt, daß beim Schleifen einer kegeligen Polygon-Verbindung erhebliche Schwierigkeiten hinsichtlich der Paßgenauigkeit von Welle und Nabe entstehen und daß eine Gleichdick-Form für alle radialen Querschnitte entlang der Achse des Polygon-Kegels nicht erreichbar ist.It has been shown that when grinding a conical polygon connection there are considerable difficulties with regard to the accuracy of fit of the shaft and the hub and that a uniform thickness cannot be achieved for all radial cross sections along the axis of the polygon cone.
Aus diesem Grunde haben sich kegelige Polygon-Verbindungen in der Praxis nicht durchsetzen können, weil infolge von Formunregelmäßigkeiten lokale Spannungsspitzen an den Berührungsflächen von Welle und Nabe auftreten, die zu schnellen Verschleiß und zu Dejustierungen der Verbindung führen können.For this reason, tapered polygon connections have not been able to establish themselves in practice because, due to irregularities in shape, local stress peaks occur at the contact surfaces of the shaft and hub, which can lead to rapid wear and misalignment of the connection.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art dahingehend weiterzubilden, daß eine kegelige Polygon-Verbindung zur Verfügung gestellt wird, die höchsten Ansprüchen an Paßgenauigkeit genügt und bei der die Spannungsverteilung so gleichmäßig wie möglich ist, so daß die Vorteile von Polygon-Verbindungen, insbesondere der Vorteil der Selbstzentrierung, auch im Langzeitbetrieb bei großen Drehmomentwerten, erhalten bleiben.The invention is therefore based on the object of developing a method of the type mentioned in such a way that a tapered polygon connection is provided which meets the highest demands on fit and in which the stress distribution is as uniform as possible, so that the advantages of Polygon connections, in particular the advantage of self-centering, are retained even in long-term operation with large torque values.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Amplitude mit einem Exzentrizitätswert eingestellt wird, der der Beziehung
e′ < e
ρ₂ = - 8e′
wobei Dm2 der arithmetische Mittelwert der Durchmesser und ρ₂ der praktisch minimal mögliche Krümmungsradius des Polygon-Profils am spitzen Ende des Kegels und βmax ein vorgegebener Winkel ist.This object is achieved in that the amplitude is set with an eccentricity value that the relationship
e ′ <e
ρ₂ = - 8e ′
where D m2 is the arithmetic mean of the diameters and ρ₂ is the practically minimum possible radius of curvature of the polygon profile at the tip end of the cone and β max is a predetermined angle.
Die der Erfindung zugrundeliegend Aufgabe wird auf diese Weise vollkommen gelöst. Es hat sich nämlich gezeigt, daß es aus grundsätzlichen mathematischen Gründen nicht möglich ist, mit einer eine gerade Mantellinie aufweisenden Schleifscheibe, dh. einer zylindrischen oder kegeligen Schleifscheibe, einen Polygon-Kegel zu schleifen, dessen radiale Querschnittsflächen an jeder Position der Längsachse eine Gleichdick-Form aufweisen. Die Bemessung des Exzentrizitätswertes in der oben angegebenen Weise hat demgegenüber den Vorteil, daß eine real schleifbare Polygon-Kegelform entsteht, die gleichwohl hinsichtlich der Spannungsverteilung nahezu dieselben Werte ergibt wie ein theoretisch definierbarer Gleichdick-Polygon-Kegel. Die Unterschiede zu diesem theoretischen Optimum sind bei der oben bezeichneten Dimensionierung des Exzentrizitätswertes praktisch nicht mehr meßbar.The object underlying the invention is completely achieved in this way. It has been shown that, for fundamental mathematical reasons, it is not possible to use a grinding wheel which has a straight surface line, ie. a cylindrical or conical grinding wheel to grind a polygon cone, the radial cross-sectional areas of which have a uniform thickness shape at each position of the longitudinal axis. The dimensioning of the eccentricity value in the above-mentioned manner has the advantage that a real grindable polygonal cone shape is obtained, which nevertheless gives almost the same values with regard to the stress distribution as a theoretically definable constant-thickness polygonal cone. The differences from this theoretical optimum are practically no longer measurable with the dimensioning of the eccentricity value described above.
Auf diese Weise ist es somit möglich, Polygon-Kegelverbindungen neue Anwendungsbereiche zu eröffnen, weil nunmehr in einfacher Weise herstellbare und auch Langzeitansprüchen genügende Drehmoment-Übertragungsverbindungen zur Verfügung stehen, mit denen die theoretisch unbestrittenen Vorteile von Polygon-Verbindungen nun auch bei kegeligen Verbindungen in die Praxis umgesetzt werden können. Dies eröffnet vor allem im Bereich des Werkzeughalter-Baues ganz neue Möglichkeiten, weil gegenüber herkömmlichen Werkzeughaltern mit Kreiskegeln eine deutliche Reduzierung der axialen Baulänge möglich ist.In this way, it is possible to open up new areas of application for polygon cone connections, because torque transmission connections are now available that are easy to manufacture and also meet long-term requirements, with which the theoretically undisputed advantages of polygon connections are now also available for conical connections Practice can be implemented. This opens up completely new possibilities, particularly in the field of tool holder construction, because compared to conventional tool holders with circular cones, a significant reduction in the axial overall length is possible.
Bei einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung beträgt der Winkel βmax 14°.In a preferred embodiment of the invention, the
Es hat sich gezeigt, daß dieser Winkel einen optimalen Wert darstellt, bei dem sich die Drehmoment-Übertragung einerseits und die Spannungsverteilung andererseits in nahezu demselben Ausmaße einstellt, wie dies bei einem theoretisch definierten Gleichdick-Polygon-Kegel der Fall ist. Der Winkel β steht dabei für den Schnittwinkel der Tangente in einem Punkt des Polygon-Profils mit einer Tangente an einen Kreis durch den Punkt, wobei der Mittelpunkt des Kreises mit dem Mittelpunkt des Polygons zusammenfällt. Der Winkel β ist somit beispielsweise bei einem drei-eckigen Polygon-Profil an den drei Punkten kleinster Krümmung und an den drei Punkten größter Krümmung, d.h. alle 60 Grad über den Umfang Null. Zwischen diesen Null-Werten nimmt der Tangenten-Schnittwinkel β jeweils ein Maximum an, und es hat sich gezeigt, daß die geschilderten optimalen Verhältnisse dann vorliegen, wenn das Winkelmaximum auf 14° eingestellt wird.It has been shown that this angle represents an optimal value at which the torque transmission on the one hand and the voltage distribution on the other hand occur to almost the same extent as is the case with a theoretically defined constant-thickness polygon cone. The angle β stands for the intersection angle of the tangent in a point of the polygon profile with a tangent to a circle through the point, the center of the circle coinciding with the center of the polygon. The angle β is thus, for example in the case of a triangular polygon profile, at the three points of smallest curvature and at the three points of greatest curvature, i.e. every 60 degrees over the circumference zero. Between these zero values, the tangent intersection angle β assumes a maximum, and it has been shown that the described optimal conditions are present when the angle maximum is set to 14 °.
Bei einer besonders bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens werden die Schleifscheibe entlang einer rechtwinkelig zur Mantellinie verlaufenden X-Achse in vorgegebenen Axialschritten und der Werkstückrohling um die zweite Achse mit vorgegebenen Winkelschritten mittels eines numerischen Steuergerätes verstellt.In a particularly preferred embodiment of the method according to the invention, the grinding wheel is adjusted along a X-axis running at right angles to the surface line in predetermined axial steps and the workpiece blank about the second axis with predetermined angle steps by means of a numerical control device.
Diese Maßnahme hat den Vorteil, daß das erfindungsgemäße Verfahren mittels einer NC-gesteuerten Schleifmaschine ausgeführt werden kann, bei der die Kinematik herkömmlicher Polygon-Schleifmaschinen mit Exzenter und Schubstange durch eine NC-Koordinatensteuerung ersetzt wird. Dies ermöglicht eine präzise Fertigung beim Innen- oder Außenschleifen von Außen- oder Innen-Polygon-Kegeln mit serienmäßigen Schleifmaschinen, wie sie z.B. auch zum Nockenschleifen verwendet werden.This measure has the advantage that the method according to the invention can be carried out by means of an NC-controlled grinding machine, in which the kinematics of conventional polygon grinding machines with an eccentric and push rod an NC coordinate control is replaced. This enables precise manufacturing for internal or external grinding of external or internal polygon cones with standard grinding machines, such as those used for cam grinding.
Bei einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wird die Verstellung der Schleifscheibe in vorgegebenen Axialschritten entlang der X-Achse als Überlagerung einer kontinuierlichen radialen Zustellbewegung und einer Bahnbewegung entsprechend dem Polygon-Profil vorgenommen.In a further preferred embodiment of the invention, the grinding wheel is adjusted in predetermined axial steps along the X axis as a superimposition of a continuous radial infeed movement and a path movement in accordance with the polygon profile.
Diese Maßnahme hat den Vorteil, daß durch die Überlagerung des sogenannten Zustellbetriebes und Bahnbetriebes auch große Aufmaße entlang einer spiralförmigen Bahn getragen werden können.This measure has the advantage that large oversizes can be carried along a spiral path by the superposition of the so-called delivery operation and rail operation.
Bei einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung erfolgt die Verstellung des Werkstückrohlings mit vorgegebenen Winkelschritten um die zweite Achse mit einer Winkelgeschwindigkeit, die drehwinkelabhängig nach der zweiten Ableitung des Exzentrizitätswertes nach dem Drehwinkel eingestellt wird.In a further preferred embodiment of the invention, the workpiece blank is adjusted with predetermined angular steps about the second axis at an angular velocity which is set depending on the angle of rotation after the second derivative of the eccentricity value according to the angle of rotation.
Diese Maßnahme hat den Vorteil, daß das sogenannte bezogene Zeitspanvolumen Q′ optimal eingestellt werden kann, so daß lokale Überlastungen bzw. Überhitzungen sicher vermieden werden können.This measure has the advantage that the so-called related chip removal volume Q 'can be set optimally, so that local overloads or overheating can be safely avoided.
Bei einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wird die Bewegung der Schleifscheibe in der X-Achse nach der Beziehung:
X = √
mit:
Rs = Radius der Schleifscheibe
r₁ = Innenradius des Polygon-Profils am spitzen Ende des Kegels;
s = Profilerhebungswert
= e (1 - cos (n Θ))
mit Θ = Drehwinkel um die zweite Achse
s′ = ds/dΘIn a further preferred embodiment of the invention, the movement of the grinding wheel in the X-axis is based on the relationship:
X = √
With:
R s = radius of the grinding wheel
r₁ = inner radius of the polygon profile at the tip end of the cone;
s = profile survey value
= e (1 - cos (n Θ))
with Θ = angle of rotation around the second axis
s ′ = ds / dΘ
Diese Maßnahmen haben den Vorteil, daß eine einfache Bahnsteuerung der Schleifscheibe mit einer herkömmlich numerisch gesteuerten Schleifmaschine möglich ist.These measures have the advantage that a simple path control of the grinding wheel is possible with a conventionally numerically controlled grinding machine.
Bei einer weiter bevorzugten Ausgestaltung dieses Ausführungsbeispiels wird die Schleifscheibe um eine zu ihrer Drehachse senkrechte Achse verschwenkt, und zwar vorzugsweise nach der Beziehung:
D₁ = der größere Durchmesser des Polygon-Profils am stumpfen Ende des Kegels;
Dm1 = der arithmetische Mittelwert der Durchmesser des Polygon-Profils am stumpfen Ende des Kegels;
L = axiale Länge des Kegels.In a further preferred embodiment of this embodiment, the grinding wheel is pivoted about an axis perpendicular to its axis of rotation, and preferably according to the relationship:
D₁ = the larger diameter of the polygon profile at the blunt end of the cone;
D m1 = the arithmetic mean of the diameter of the polygon profile at the blunt end of the cone;
L = axial length of the cone.
Diese Maßnahmen haben den Vorteil, daß eine Schwankung des Neigungswinkels der Mantellinien des Polygon-Kegels ausgeglichen wird.These measures have the advantage that a fluctuation in the angle of inclination of the surface lines of the polygon cone is compensated for.
Weitere Vorteile ergeben sich aus der Beschreibung und der beigefügten Zeichnung.Further advantages result from the description and the attached drawing.
Es versteht sich, daß die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.It goes without saying that the features mentioned above and those yet to be explained below can be used not only in the combination specified in each case, but also in other combinations or on their own without departing from the scope of the present invention.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
- Fig. 1 eine perspektivische Ansicht eines Polygon-Kegels als Teil eines Werkzeughalters mit zugehöriger Spindelaufnahme;
- Fig. 2 ein ebenes Polygon-Profil mit den zugehörigen Parametern;
- Fig. 3 zwei Koordinatensysteme zur Erläuterung der Definition von Gleichdick-Polygonen;
- Fig. 4 eine perspektivische Darstellung zur Erläuterung der Unterschiede beim Herstellen von Polygon-Zylindern und Polygon-Kegeln;
- Fig. 5 ein Diagramm zur Erläuterung eines Tangenten-Schnittwinkels;
- Fig. 6 eine grafische Darstellung eines Verlaufes des Tangenten-Schnittwinkels gemäß Fig. 5 über dem Umfangswinkel eines Polygon-Profils;
- Fig. 7 eine perspektivische Darstellung eines nach dem erfindungsgemäßen Verfahren definierten Polygon-Kegels;
- Fig. 8
bis 11 vier Prinzipdarstellungen zur Erläuterung von Geometriefehlern nach dem Stand der Technik bzw. zur Vermeidung von Geometriefehlern bei Polygon-Kegeln nach der Erfindung; - Fig. 12 eine perspektivische Darstellung, ähnlich Fig. 4, zur Erläuterung einer ersten Variante eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Außenschleifen;
- Fig. 13 eine Darstellung, ähnlich Fig. 12, jedoch zum Innenschleifen;
- Fig. 14 eine äußerst schematisierte Draufsicht auf eine numerisch gesteuerte Schleifmaschine, mit der die in den Fig. 12 und 13 illustrierten Verfahren durchgeführt werden können;
- Fig. 15 eine Darstellung, ähnlich Fig. 12, für eine andere Variante eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Außenschleifen;
- Fig. 16 eine Darstellung, ähnlich Fig. 13, jedoch für die in Fig. 15 dargestellte Verfahrensvariante, jedoch beim Innenschleifen;
- Fig. 17 eine Darstellung, ähnlich Fig. 14, für eine numerisch gesteuerte Schleifmaschine, mit der das in den Fig. 15 und 16 illustrierte Verfahren durchgeführt werden kann.
- Fig. 18 eine schematisierte Darstellung zur Erläuterung der Verhältnisse beim Eingriff einer Schleifscheibe in ein Werkstück;
- Fig. 19 und 20 Diagramme zur Erläuterung der Geometrie- bzw. Bearbeitungsparameter bei der Konfiguration gemäß Fig. 18;
- Fig. 21 eine perspektivische Darstellung zur Erläuterung von Schleifscheibenparametern, wie sie zur Durchführung des Verfahrens gemäß den Fig. 18 bis 20 eingestellt werden.
- Figure 1 is a perspective view of a polygon cone as part of a tool holder with associated spindle holder.
- 2 shows a flat polygon profile with the associated parameters;
- 3 shows two coordinate systems for explaining the definition of uniform thickness polygons;
- 4 shows a perspective illustration to explain the differences in the production of polygon cylinders and polygon cones;
- 5 is a diagram for explaining a tangent intersection angle;
- FIG. 6 shows a graphic representation of a profile of the tangent intersection angle according to FIG. 5 over the circumferential angle of a polygon profile;
- 7 shows a perspective illustration of a polygon cone defined by the method according to the invention;
- 8 to 11 show four schematic diagrams to explain geometry errors according to the prior art or to avoid geometry errors in polygon cones according to the invention;
- FIG. 12 shows a perspective illustration, similar to FIG. 4, to explain a first variant of a method for external grinding according to the invention;
- 13 shows a representation similar to FIG. 12, but for internal grinding;
- FIG. 14 is an extremely schematic plan view of a numerically controlled grinding machine with which the methods illustrated in FIGS. 12 and 13 can be carried out;
- 15 shows a representation, similar to FIG. 12, for another variant of a method for external grinding according to the invention;
- FIG. 16 shows an illustration, similar to FIG. 13, but for the method variant shown in FIG. 15, but for internal grinding;
- FIG. 17 shows an illustration, similar to FIG. 14, for a numerically controlled grinding machine with which the method illustrated in FIGS. 15 and 16 can be carried out.
- 18 shows a schematic illustration to explain the conditions when a grinding wheel engages in a workpiece;
- 19 and 20 are diagrams for explaining the geometry or machining parameters in the configuration according to FIG. 18;
- 21 is a perspective view for explaining grinding wheel parameters as they are set to carry out the method according to FIGS. 18 to 20.
In Fig. 1 bezeichnet 10 insgesamt einen Werkzeughalter, der an seinem unteren Ende ein Werkzeug, beispielsweise einen Bohrer 11 oder einen Fräser oder ein anderes Werkzeug tragen kann. Das Werkzeug sitzt mit dem vom Bearbeitungsende abgewandten Ende in einem üblicherweise zylindrischen Flansch 12. Oberhalb des Flansches 12 befindet sich eine form- und/oder kraftschlüssige Mitnehmerverbindung, die bei dem in Fig. 1 dargestellten Beispiel aus einem Polygon-Zylinder 13 sowie einem darauf aufgesetzten Polygon-Kegel 14 besteht. Eine komplementäre Spindelaufnahme 15 einer Werkzeugmaschine weist einen entsprechend geformten Polygon-Innenzylinder 16 sowie einen Polygon-Innenkegel 17 auf. Die Dimensionierung der Paarungen 13/16 und 14/17 ist so gewählt, daß die Oberflächen der Zylinder bzw. Kegel dicht aneinanderliegen, wenn der Werkzeughalter 10 in die Spindelaufnahme 15 eingesetzt ist.In Fig. 1, 10 designates a tool holder, which can carry a tool, for example a
Mit einem Pfeil 18 ist angedeutet, in welche Richtung der Werkzeughalter 10 in die Spindelaufnahme 15 eingesetzt bzw. wieder aus dieser entnommen werden kann. Außerdem symbolisiert der Pfeil 18 eine axiale Zugkraft, die auf den in die Spindelaufnahme 15 eingespannten Werkzeughalter 10 ausgeübt werden kann. Hierzu kann der Polygon-Kegel 14 in seiner oberen Stirnfläche mit einer Bohrung 19 versehen sein, die sich nach innen weitet und in die eine Anordnung aus Zugstange und Spannzange der Werkzeugmaschine eingreifen kann, um den eingesetzten Werkzeughalter 10 nach oben in die Spindelaufnahme 15 zu ziehen, wie dies an sich bekannt ist.An arrow 18 indicates the direction in which the tool holder 10 can be inserted into or removed from the
Fig. 2 zeigt einen Radialschnitt durch einen Polygon-Kegel, der ein umlaufendes Polygon-Profil 30 zeigt. Das Polygon-Profil 30 wird von einem Umkreis 31 und einem Inkreis 31 begrenzt. Der Umkreis 31 hat dabei einen Durchmesser D und der Inkreis 32 hat einen Durchmesser d. Der effektive Durchmesser Dm des Polygon-Profils 30 ist gleich dem arithmetischen Mittelwert der Durchmesser D und d von Umkreis 31 und Inkreis 32. Die Differenz der Durchmesser D und d beträgt 2e, wobei e die sogenannte Exzentrizität des Polygon-Profils 30 ist.FIG. 2 shows a radial section through a polygon cone, which shows a
Wenn es sich bei dem Polygon-Profil 30 um ein Gleichdick nach DIN 32 711 handelt, so bedeutet dies, daß jeder durch den Mittelpunkt M des Polygon-Profils 30 laufende Durchmesser Dm dieselbe Länge aufweist, unabhängig vom Winkel α, den der Durchmesser Dm zu einer gedachten y- oder x-Achse einnimmt.If the
Polygon-Profile sind bekanntlich Epizykloiden, die dadurch entstehen, daß ein Rollkreis auf einem Festkreis abrollt und die Ortskurve eines Punktes betrachtet wird, der sich innerhalb des Rollkreises im Abstand von dessen Peripherie befindet.As is well known, polygon profiles are epicycloids, which are created by rolling a rolling circle on a fixed circle and looking at the locus of a point that is located within the rolling circle at a distance from its periphery.
Wenn das Verhältnis der Durchmesser von Rollkreis und Festkreis eine ganze Zahl ist, so entstehen geschlossene Epizykloiden-Kurvenzüge. In der einschlägigen Literatur ist nachzulesen, daß die hier interessierenden Gleichdick-Polygon-Profile dann entstehen, wenn der Abstand zwischen Festkreis und Rollkreis unendlich groß wird und die dann entstehende Epizykloide in endliche Abmessungen abgebildet wird.If the ratio of the diameter of the rolling circle to the fixed circle is an integer, closed epicycloid curves are created. It can be read in the relevant literature that the equal-thickness polygon profiles of interest arise when the distance between the fixed circle and the rolling circle becomes infinitely large and the epicycloid that is then formed is mapped into finite dimensions.
Fig. 3 zeigt ein Koordinatensystem y-x, in dem Punkte P eines im vorliegenden Zusammenhang interessierenden Polygons dargestellt werden sollen. Aus der Literatur ist zu entnehmen, daß man sich hierzu eines rotierenden Hilfs-Koordinatensystems y₁-x₁ bedienen kann, dessen Ursprung O₁ auf einer Ellipse 35 liegt und dessen Neigung zum y-x-Koordinatensystem mit dem Ursprung O einem Winkel γ enspricht. Die Ellipse 35 hat dabei eine Hauptachse, deren halbe Länge dem Produkt der Eckenzahl n und der Exzentrizität e des Polygon-Profils entspricht, während die halbe Länge der Nebenachse gleich der Exzentrizität e ist. Um einen Punkt P des Polygon-Profils, dessen Polarkoordinaten im y/x-Koordinatensystem einen Erhebungswinkel Θ aufweisen, in der Ebene der Fig. 3 zu konstruieren, wählt man eine Parameterdarstellung nach dem Winkel γ, die den folgenden Beziehungen gehorcht:
x₁ = cos γ - 2e cos 2γ - e cos 4γ
y₁ = sinγ + 2e sin2γ + e sin4γ3 shows a coordinate system yx in which points P of a polygon of interest in the present context are to be represented. From the literature it can be seen that you can use a rotating auxiliary coordinate system y₁-x₁, whose origin O₁ lies on an ellipse 35 and whose inclination to the yx coordinate system with the origin O corresponds to an angle γ. The ellipse 35 has a main axis, the half length of which corresponds to the product of the number of corners n and the eccentricity e of the polygon profile, while the half length of the minor axis is equal to the eccentricity e. Around a point P of the polygon profile, the polar coordinates of which are in the y / x coordinate system Have elevation angle eine to construct in the plane of FIG. 3, one chooses a parameter representation according to the angle γ, which obeys the following relationships:
x₁ = cos γ - 2e cos 2γ - e cos 4γ
y₁ = sinγ + 2e sin2γ + e sin4γ
Zur Definition des Hilfs-Koordinatensystems y₁-x₁ zeichnet man zunächst eine Hilfsgerade durch den Ursprung O des Koordinatensystems y-x, und zwar unter einem Winkel 3γ zur x-Achse. Der Schnittpunkt dieser Hilfsgeraden mit der Ellipse 35 ergibt den Ursprung O₁ des Hilfs-Koordinatensystems y₁-x₁. Mit Hilfe der oben angegebenen Gleichungen bestimmt man nun die Koordinaten x₁ und y₁ im Hilfs-Koordinatensystem und gelangt so zur Lage des Punktes P.To define the auxiliary coordinate system y₁-x₁, first draw an auxiliary line through the origin O of the coordinate system y-x, at an angle 3γ to the x-axis. The intersection of this auxiliary line with the ellipse 35 gives the origin O₁ of the auxiliary coordinate system y₁-x₁. With the help of the equations given above, the coordinates x 1 and
Aus den oben angegebenen Formeln lassen sich durch entsprechende Umrechnungen auch Polarkoordinaten für den Punkt P im y-x-Koordinatensystem ableiten.Appropriate conversions can also be used to derive polar coordinates for the point P in the y-x coordinate system from the formulas given above.
Das aus diese Weise erhaltene Polygon-Profil weist eine Gleichdick-Form gemäß DIN 32 711 auf.The polygon profile obtained in this way has a uniform thickness in accordance with
In Fig. 4 ist eine Schleifscheibe 40 zu erkennen, die von zylindrischer oder kegeliger Gestalt sein kann. In beiden Fällen weist die Schleifscheibe 40 eine gerade Mantellinie 41 auf. Die Schliefscheibe 40 ist um eine Schleifscheibenachse 42 drehbar, die in Fig. 4 nicht maßstäblich eingezeichnet ist. Die Mantellinie 41 kann zur Schleifscheibenachse 42 parallel verlaufen, wenn eine zylindrische Schleifscheibe 40 verwendet wird, sie kann aber auch zur Schleifscheibenachse 42 geneigt verlaufen, wenn die Schleifscheibe 40 eine kegelige Gestalt hat.4 shows a grinding wheel 40 which can be cylindrical or conical in shape. In both cases, the grinding wheel 40 has a
Es sei zunächst der Fall betrachtet, daß um eine Werkstückachse 43, die zur Mantellinie 41 parallel verläuft, ein erster Werkstückrohling 45 drehbar ist. Synchronisiert man die Drehbewegung des ersten Werkstückrohlings 45 mit einer oszillierenden Hubbewegung Hs (φ) der Schleifscheibe 40, so erhält man einen Polygon-Zylinder, wenn die Frequenz der Hubbewegung z.B. gerade das Dreifache der Drehfrequenz des ersten Werkstückrohlings 45 beträgt und die Amplitude der Hubbewegung dem Betrag 2e entspricht. Die Achse der Hubbewegung Hs (φ) der Schleifscheibe 40 wird in der Fachsprache der Schleifmaschinentechnik als X-Achse bezeichnet.Let us first consider the case where a first workpiece blank 45 can be rotated about a
Wenn man nun die Werkstückachse 43 um einen Winkel λ in eine Lage 43′ neigt, so erhält man bei sonst nicht veränderten Bedingungen einen zweiten Werkstückrohling 46, der die Form eines Polygon-Kegels aufweist.If one now inclines the
In Fig. 4 sind die Werkstückachsen mit Z und Z′ gekennzeichnet, und die Länge des Polygon-Kegels ist mit L bezeichnet. In der Fachsprache der Schleifmaschinentechnik wird die Werkstückachse 43 als "C-Achse" bezeichnet. Der Werkstückrohling 45 dreht sich um die C-Achse mit einer Winkelgeschwindigkeit dΘ/ dt, so daß bei einer inkrementalen Hubbewegung Hs (φ) der Schleifscheibe 40 in der X-Achse ein Winkelinkrement ΔΘ durchmessen wird.In Fig. 4, the workpiece axes are marked with Z and Z ', and the length of the polygon cone is designated with L. In the technical language of grinding machine technology, the
Da bei zylindrischen oder kegeligen Mantelflächen die einzigen geraden Oberflächenlinien die Mantellinien sind, müssen die Achsen 42 und 43 bzw. 42 und 43′ in einer Ebene liegen, dürfen also nicht windschief verlaufen. Im Falle der geneigten Werkstückachse 43′ schneiden sich die Achsen 42 und 43′ außerhalb der Darstellung der Fig. 4. Auch die Mantellinie 41 liegt in der von den Achsen 42 und 43 bzw. 42 und 43′ aufgespannten Ebene.Since the only straight surface lines in cylindrical or conical outer surfaces are the outer lines, the
Die oszillierende Bewegung der Schliefscheibe 40 erfolgt in der Weise, daß die Mantellinie 41 in einer zu ihrer Erstreckung senkrechten Richtung mit vorgegebener Amplitude und vorgegebener Frequenz ausgelenkt wird. Wenn ein Polygon-Zylinder (Werkstückrohling 45) geschliffen wird, beträgt die Amplitude der Auslenkung gerade das Doppelte der Exzentrizität e, während im Falle der geneigten Werkstückachse 43′ dieser Betrag nur mit dem Faktor cos λ zu multiplizieren ist.The oscillating movement of the closing disk 40 takes place in such a way that the
Es läßt sich nun dadurch analytische Betrachtung beweisen, daß ein gemäß Fig. 4 geschliffener Polygon-Kegel so beschaffen ist, daß seine radialen Querschnittsflächen über die axiale Länge betrachtet keine Gleichdick-Profile sind. Bei einem Gleichdick-Profil muß nämlich die relative Exzentrizität, d.h. der Quotient aus der Exzentrizität e und dem mittleren Durchmesser Dm über die axiale Länge konstant sein. Bei Polygon-Kegeln, die mit einer geraden Mantellinie 41 einer Schleifscheibe 40 geschliffen werden, ist dies jedoch nicht der Fall, weil die relative Exzentrizität sich über die axiale Länge stetig ändert.It can now be demonstrated by analytical observation that a polygon cone ground according to FIG. 4 is designed in such a way that its radial cross-sectional areas over the axial length are not equal thickness profiles. In the case of a constant thickness profile, the relative eccentricity, ie the quotient of the eccentricity e and the mean diameter D m, must be constant over the axial length. In the case of polygon cones which are ground with a
Dies bedeutet, daß bei einem gemäß Fig. 4 geschliffenen Polygon-Kegel bestenfalls eine der radialen Querschnittsflächen ein Gleichdick-Profil aufweist, während alle anderen radialen Querschnittsflächen von dieser Idealform abweichen. Anders ausgedrückt bedeutet dies, daß bei einer Werkstatt-Dimensionierung eines Polygon-Kegels mit einer oberen und einer unteren Stirnfläche, die jeweils die Form eines Gleichdick-Profils aufweisen, eine Herstellung gemäß Fig. 4 nicht möglich ist, weil die "Mantellinien" eines solchen Polygon-Kegels keine Geraden wären, die mit einer Mantellinie 41 einer Schleifscheibe 40 als Angriffslinie des Bearbeitungswerkzeuges geschliffen werden könnten. Man kann vielmehr durch analytische Betrachtung zeigen, daß bei einem solchen werkstatt-dimensionierten Polygon-Kegel sowohl die untere Stirnfläche wie auch die obere Stirnfläche, die jeweils als Gleichdick-Profil ausgebildet sind, einen eigenen Kegel zugeordnet haben, deren Spitzen auf der Achse des Polygon-Kegels nicht zusammenfallen.This means that in the case of a polygon cone ground according to FIG. 4, at best one of the radial cross-sectional areas has an even thickness profile, while all other radial cross-sectional areas deviate from this ideal shape. In other words, in a workshop dimensioning of a polygon cone with an upper and a lower end face, each of which has the shape of a constant thickness profile, production according to FIG. 4 is not possible, because the "surface lines" of such Polygon cones would not be straight lines that could be ground with a
Anhand der nachstehenden Betrachtungen soll daher eine Näherungslösung aufgezeigt werden, mit der nicht-ideale Polygon-Kegel erzeugt werden können, die dem idealen Polygon-Kegel mit durchgehendem Gleichdick-Profil über die axiale Länge möglichst nahe kommen, andererseits aber mittels einer geraden Mantellinie 41 geschliffen werden können.On the basis of the following considerations, an approximate solution is therefore to be shown with which non-ideal polygon cones can be generated, which come as close as possible to the ideal polygon cone with a continuous uniform thickness profile over the axial length, but on the other hand ground using a
Fig. 5 zeigt hierzu einen Ausschnitt aus der Darstellung der Fig. 2, wo in einen Quadranten des y-x-Koordinatensystems ein Abschnitt des Polygon-Profils 30 eingetragen ist. Ein beliebiger Punkt auf dem Polygon-Profil 30 ist mit P bezeichnet.5 shows a section of the illustration in FIG. 2, where a section of the
Man zeichnet nun einen Durchmesser Dm ein, der durch den Punkt P sowie definitionsgemäß durch den Mittelpunkt M des Polygon-Profils 30 geht, der zugleich Ursprung des y-x-Koordinatensystems ist. Mit dem sich ergebenden Radius MP zeichnet man nun einen Kreis K um M in Fig. 5 ein. Die Tangente an den Kreis K im Punkte P ist mit Tk in Fig. 5 ebenfalls eingezeichnet.A diameter D m is now drawn in, which passes through the point P and by definition through the center M of the
Man zeichnet nun ferner an den Punkt P den zugehörigen Krümmungsradius ρ sowie die auf dem Krümmungsradius ρ senkrecht stehende Tangente TP an das Polygon-Profil 30 im Punkte P.The associated radius of curvature ρ and the tangent T P perpendicular to the radius of curvature ρ of the
Da der Krümmungsradius ρ im allgemeinen nicht durch den Mittelpunkt M des Polygon-Profils 30 läuft, ergibt sich ein Tangentenschnittwinkel β zwischen den Tangenten TK und TP Since the radius of curvature ρ generally does not pass through the center M of the
Betrachtet man nun den Punkt P₁ des Polygon-Profils 30, der auch auf der y-Achse liegt, so folgt durch einfache Überlegung, daß der im Punkte P₁ vorliegende minimale Krümmungsradius ρmin durch den Mittelpunkt M geht. Der Tangentenschnittwinkel β ist im Punkte P₁ also Null. Dasselbe gilt für einen Punkt P₂, der gegenüber dem Punkt P₁ um 60° auf dem Polygon-Profil 30 versetzt ist. Im Punkt P₂ hat das Polygon-Profil 30 bekanntlich seinen größten Krümmungsradius ρ max, der ebenfalls durch den Mittelpunkt M geht. Auch im Punkte P₂ ist der Tangentenschnittwinkel β daher Null.If we now consider the
Diese Verhältnisse sind aus dem Diagramm der Fig. 6 ersichtlich, wo der Tangentenschnittwinkel β über dem Winkel α aufgetragen ist, den der Durchmesser Dm mit der y-Achse einschließt. Bei α = 0° und α = 60° sowie bei allen weiteren Vielfachen von 60° ist der Tangentenschnittwinkel β Null, wie aus dem Verlauf 50 deutlich zu entnehmen ist. Zwischen 0° und 60° befindet sich ein ausgeprägtes Maximum 51, das einem maximalen Tangentenschnittwinkel βmax entspricht.These relationships can be seen from the diagram in FIG. 6, where the tangent intersection angle β is plotted over the angle α which the diameter D m includes with the y-axis. With α = 0 ° and α = 60 ° as well as with all other multiples The tangent intersection angle β is 60 °, as can clearly be seen from the
Man kann theoretisch zeigen, daß dieser maximale Tangentenschnittwinkel βmax ein Maß für den weiter oben erläuterten Kompromiß zwischen einem technisch herstellbaren und einem nach der Festigkeitslehre optimalen Gleichdick-Polygon-Kegel darstellt.It can theoretically be shown that this maximum tangent intersection angle β max is a measure of the above-described compromise between a technically producible and a constant thickness polygon cone that is optimal in terms of strength.
Durch theoretische Überlegungen hat man gefunden, daß die hier interessierenden dreieckigen Polygon-Kegel mit einer radialen Querschnittsfläche, die möglichst nahe an das Polygon-Profil P3G nach DIN 32 711 angenähert ist, in technisch realisierbarer Weise erhalten werden, wenn der maximale Tangentenschnittwinkel βmax zu etwa 14° gemacht wird. Weiterhin kann man zeigen, daß für diesen Fall eine modifizierte Exzentrizität e′ angesetzt werden muß, die der Beziehung:
e′ = 0,04156 Dm2.It has been found through theoretical considerations that the triangular polygon cones of interest here, with a radial cross-sectional area which is as close as possible to the polygon profile P3G according to
e ′ = 0.04156 D m2 .
Diese modifizierte Exzentrizität e′ ist über die axiale Länge L des Polygon-Kegels konstant anzusetzen.This modified eccentricity e 'is to be set constant over the axial length L of the polygon cone.
Dabei müssen die Bedingungen: e′ < e
ρ₂ = - 8e′
ρ₂ > 2,5 mm
beachtet werden, wobei ρ₂ praktisch minimal mögliche Krümmungsradius ρmin des P3-Polygon-Profils an der Spitze des Kegels ist, weil bei Polygon-Profilen der hier interessierenden Art stets ein Polygon-Außenprofil und ein zugehöriges Polygon-Innenprofil geschliffen werden muß und sich eine praktische Begrenzung der Abmessungen dadurch ergibt, daß Polygon-Innenprofile nicht mit beliebig dünnen Schleifscheiben geschliffen werden können. Eine praktische Grenze liegt hier typischerweise bei einem Schleifscheibendurchmesser von 5 Millimetern, so daß als Randbedingung bei dem erfindungsgemäßen Verfahren darauf zu achten ist, daß keine Polygon-Profile bestimmt werden, bei denen sich minimale Krümmungsradien von weniger als 2,5 Millimetern ergeben.The conditions must: e ′ <e
ρ₂ = - 8e ′
ρ₂> 2.5 mm
be observed, where ρ₂ is practically the minimum possible radius of curvature ρmin of the P3 polygon profile at the tip of the cone, because with polygon profiles of the type of interest here, a polygon outer profile and an associated polygon inner profile must always be ground and a practical one Limiting the dimensions means that polygon inner profiles cannot be ground with any thin grinding wheels. A practical limit is typically a grinding wheel diameter of 5 millimeters, so that as a boundary condition in the method according to the invention it is important to ensure that no polygon profiles are determined which have minimal radii of curvature of less than 2.5 millimeters.
Fig. 7 zeigt einen praktischen Berechnungsfall mit allen hier interessierenden Parametern.7 shows a practical calculation case with all parameters of interest here.
Es solle ein dreieckiger Polygon-Kegel 14 hergestellt werden, desen untere, größere Stirnfläche ein Polygon-Profil 30/1 und dessen obere, kleinere Stirnfläche ein Polygon-Profil 30/2 ist.A
In dem gegebenen Beispielsfall solle ein Polygon-Wellenkegel 40 g 6/1,4 x 30 mit einem Polygon-Nabenkegel 40 H 7/1,4 x 30 mit einer Kegelverjüngung von 1:10 und einem Neigungswinkel von λ = 2,8624° geschliffen werden.In the given example, a polygon shaft cone 40 g 6 / 1.4 x 30 with a polygon hub cone 40 H 7 / 1.4 x 30 with a taper of 1:10 and an inclination angle of λ = 2.8624 ° should be ground will.
Zur Veranschaulichung sei zunächst eine Geometriebetrachtung nach dem Stand der Technik vorangestellt. Aus der vorstehend genannten Norm für das Polygon-Profil ergeben sich zunächst die Werte:
Dm1 = 40 mm
e = 1,4 mmFor illustration purposes, a geometry analysis according to the state of the art will be presented first. The values from the above-mentioned standard for the polygon profile initially result:
D m1 = 40 mm
e = 1.4 mm
Hieraus errechnen sich die geometrischen Größen des Kegels nach den oben angegebenen Formeln wie folgt:
D₁ = Dm1 + 2 · e = 40 + 2 · 1,4 = 42,8 mm
d₁ = Dm1 - 2 · e = 40 - 2 · 1,4 = 37,2 mm
Dm2 = Dm1 - 2 · L tan λ = 40 - 2 · 30 tan(2,8624°) = 37,0 mm
D₂ = Dm2 + 2 · e = 37,0 + 2 · 1,4 = 39,8 mm
d₂ = Dm2 - 2 · e = 37,0 - 2 · 1,4 = 34,2 mm
βmax = 11,86°From this, the geometric sizes of the cone are calculated according to the formulas given above as follows:
D₁ = D m1 + 2 · e = 40 + 2 · 1.4 = 42.8 mm
D = D m1 m2 - 2 · L tan λ = 40 - 2
D₂ = D m2 + 2 · e = 37.0 + 2 · 1.4 = 39.8 mm
d₂ = D m2 - 2e = 37.0 - 2 1.4 = 34.2 mm
β max = 11.86 °
Aus der Geometriebetrachtung des Polygon-Kegels ist somit erkennbar, daß der Tangentenanlagewinkel des kleinen Kegeldurchmessers größer als der Tangentenanlagewinkel des großen Kegeldurchmessers ist. Das bedeutet, daß der beschriebene Kegel nicht homogen ist im Sinne der Kegeldefinition.From the geometry analysis of the polygon cone it can be seen that the tangent contact angle of the small cone diameter is larger than the tangent contact angle of the large cone diameter. This means that the cone described is not homogeneous in the sense of the cone definition.
Betrachtet man hierzu Fig. 8, so erkennt man, daß der Kegel definitionsgemäß aus einer Leitkurve D besteht, die in der Direktrixebene ΠΔ senkrecht zur Z-Achse in der Entfernung L vom Koordinatenursprung 0 liegt, und jede Erzeugende G trifft sich im Scheitelpunkt Z.8, it can be seen that the cone by definition consists of a guide curve D, which lies in the directrix plane ΠΔ perpendicular to the Z axis at a distance L from the coordinate
Unter diesem Aspekt kann präzisiert werden, daß durch die Neigung der Schleifscheibe mit dem Winkel λ kein geometrischer Polygon-Kegel entstehen kann, da kein Scheitelpunkt als Kegelspitze ermöglicht wird.From this point of view it can be specified that the inclination of the grinding wheel with the angle λ does not result in a geometric polygon cone, since no apex is made possible as a cone tip.
Berechnet man nämlich die jeweiligen axialen Längen der Kegel entsprechend Fig. 9, so ergibt sich:
Δ L = l′ - l = 428,0 - 400,0 = 28,0 mm
Δ L = l - l˝ = 400,0 - 372,0 = 28,0 mmIf one calculates the respective axial lengths of the cones according to FIG. 9, the result is:
Δ L = l ′ - l = 428.0 - 400.0 = 28.0 mm
Δ L = l - l˝ = 400.0 - 372.0 = 28.0 mm
Wie aus Fig. 9 ersichtlich ist, hat die Kegelerzeugende der Polygonflanke den Scheitel in Z und die Polygonspitze in Z₂. In der Übergangsstelle von der Flanke zur Spitze entsteht eine Kegelerzeugende, die dem Neigungswinkel λ entspricht. Alle anderen Erzeugenden haben einen versetzten Scheitelpunkt, der dem Abstand ± Δ L entspricht. Es ist zu erkennen, daß innerhalb der Mantelfläche in den Flanken, Spitzen und im Übergangsbereich der beschriebene Polygon-Kegel eine unterschiedliche Geometrie aufweist.As can be seen from Fig. 9, the cone generating the polygon flank has the apex in Z and the polygon tip in Z₂. In the transition from the flank to the tip, a cone is generated which corresponds to the angle of inclination λ. All other generators have an offset vertex, which corresponds to the distance ± Δ L. It can be seen that the polygon cone described has a different geometry within the lateral surface in the flanks, tips and in the transition region.
Die erzeugten Polygon-Profile in der Direktrixebene ΠΔ , als orthogonaler Schnitt zur Drehachse OZ innerhalb der Erzeugenden G, sind nicht gleich dick. Ein Polygon-Kegel im geometrischen Sinne ist nur dann erstellbar, wenn die Bedingung hinsichtlich des Tangentenanlagewinkels tan βmax′ = tan βmax erfüllt ist. Das bedeutet, daß entlang der Kegelerzeugenden die relative Exzentrizität Ei = ei/Dmi konstant bleiben muß.The generated polygon profiles in the directrix plane ΠΔ, as an orthogonal section to the axis of rotation OZ within the generatrix G, are not the same thickness. A polygon cone in the geometrical sense can only be created if the condition with regard to the tangent contact angle tan β max ′ = tan β max is fulfilled. This means that the relative eccentricity E i = e i / D mi must remain constant along the cone generators.
Betrachtet man nun noch die oben angegebene Randbedingung für den Schleifscheibendurchmesser Ds i beim Innenschleifen, so ergibt sich:
Ds i = 0,8 (d₂ - 16· e) = 0,8 (34,2 - 16 · 1,4) = 9,44 mmIf we now consider the boundary conditions given above for the grinding wheel diameter D si for internal grinding, the following results:
D si = 0.8 (d₂ - 16e) = 0.8 (34.2 - 16.1.4) = 9.44 mm
Überträgt man nun die vorstehenden Überlegungen bei unveränderter Wellen-/Nabenverbindung auf das erfindungsgemäße Verfahren, so ist aus den oben berechneten Größen zunächst die modifizierte Exzentrizität e′ zu bestimmen:
D₂ = Dm2 + 2 e′ = 37,0 + 2 · 1,295 = 39,59 mm
d₂ = Dm2 - 2 e′ = 37,0 - 2 · 1,295 = 34,41 mm
D₂ = D m2 + 2 e ′ = 37.0 + 2 · 1.295 = 39.59 mm
d₂ = D m2 - 2 e ′ = 37.0 - 2 · 1.295 = 34.41 mm
Aus der vorstehenden Betrachtung erkennt man, daß die Neigungswinkel des Kegels an den Stellen des größten Durchmessers D, des kleinsten Durchmessers d und des mittleren Durchmessers Dm variieren, und zwar im Bereich:
Δλ = λ′ - λ = 3,0624 - 2,8624 = 0,2°
Δλ = λ - λ˝ = 2,8624 - 2,6623 = 0,2°From the above consideration it can be seen that the angles of inclination of the cone vary at the locations of the largest diameter D, the smallest diameter d and the mean diameter D m , namely in the range:
Δλ = λ ′ - λ = 3.0624 - 2.8624 = 0.2 °
Δλ = λ - λ˝ = 2.8624 - 2.6623 = 0.2 °
Diese Variation des Neigungswinkel der Mantellinien des Polygon-Kegels ist bei bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung durch entsprechendes Verschwenken der Schleifscheibe bzw. des Werkstücks zu kompensieren.In a preferred embodiment of the invention, this variation in the angle of inclination of the surface lines of the polygon cone can be compensated for by correspondingly pivoting the grinding wheel or the workpiece.
Die gestellte geometrische Bedingung zum Tangentenanlagewinkel ist erfüllt. Der Tangentenanlagewinkel des kleinen Kegeldurchmessers ist gleich dem Tangentenanlagewinkel des großen Kegeldurchmessers.The geometric condition for the tangent contact angle is fulfilled. The tangent contact angle of the small cone diameter is equal to the tangent contact angle of the large cone diameter.
Das bedeutet, daß durch eine ständige Veränderung des Neigungswinkels λ ein geometrischer Polygon-Kegel in Abhängigkeit von der Werkstückdrehbewegung erzeugt werden kann, wie in Fig. 10 veranschaulicht.This means that a constant change in the angle of inclination λ can produce a geometric polygon cone as a function of the workpiece rotation, as illustrated in FIG. 10.
Als Kontrolle seien nun nochmals die Längen der jeweiligen gedachten Kegel bestimmt, und es ergibt sich, wie auch in Fig. 11 dargestellt:
Wie man also erkennt, gibt es jetzt einen gemeinsamen Scheitelpunkt Z, weil alle Längen l, l′ und l˝ gleich lang sind.As you can see, there is now a common vertex Z because all lengths l, l ′ and l˝ are of equal length.
Bei den in Fig. 11 dargestellten geometrischen Verhältnissen entsteht somit ein gemeinsamer Scheitelpunkt Z, der der Kegelspitze entspricht. Die erzeugten Polygon-Profile in der Direktrixebene ΠΔ in einem orthogonalen Schnitt zur Drehachse OZ innerhalb der Erzeugenden D sind gleich dick. Die analytische Bedingung zur relativen Exzentrizität Ei = ei/Dmi ist erfüllt, da der Exzenterwert bei der Geometriebetrachtung des Polygon-Kegels kein konstanter Parameter ist.In the geometrical relationships shown in FIG. 11, a common apex Z thus arises, which corresponds to the cone tip. The generated polygon profiles in the directrix plane ΠΔ in an orthogonal section to the axis of rotation OZ within the generatrix D are of equal thickness. The analytical condition for the relative eccentricity E i = e i / D mi is fulfilled because the eccentric value is not a constant parameter when considering the geometry of the polygon cone.
In der Praxis können die Polygon-Kegel in unterschiedlicher Weise hergestellt werden.In practice, the polygon cones can be manufactured in different ways.
In Fig. 12 ist ein erstes Herstellverfahren veranschaulicht, bei dem wiederum dieselben Bezugszeichen verwendet werden, jedoch unter Hinzufügung eines "a".FIG. 12 illustrates a first manufacturing method, in which the same reference numerals are used again, but with the addition of an "a".
Der Polygon-Kegel 14a wird aus einem Werkstückrohling 46a dadurch hergestellt, daß man die Werkstückachse 43a um den Winkel λ gegenüber der Achse 42a der Schleifscheibe 40a anstellt. Es ergibt sich dann eine Mantellinie 41a. Die Schleifscheibe 40a bleibt also bei dieser Verfahrensvariante in ihrer unveränderten Position, während der Werkstückrohling 46a mit seiner Achse 43a um den Winkel λ geschwenkt wurde.The
Während Fig. a den Vorgang des Außenschleifens darstellt, ist der komplementäre Vorgang des Innenschleifens in Fig. 13 mit dem Zusatz "b" bei den Bezugszeichen veranschaulicht.While FIG. A shows the process of external grinding, the complementary process of internal grinding is illustrated in FIG. 13 with the addition "b" at the reference numerals.
Eine kleine walzenförmige Schleifscheibe 40b dreht sich dabei um die in ihrer Richtung unveränderte Achse 42b, während ein Werkstückrohling 46b mit seiner Achse 43b um den Winkel λ gegenüber der Schleifscheibenachse 42b angestellt ist. Auf diese Weise wird ein Polygon-Innenkegel 17b erhalten.A small roller-shaped grinding wheel 40b rotates about the
Fig. 14 veranschaulicht die für die Verfahren nach den Fig. 12 und 13 erforderliche Schleifmaschine, die insgesamt mit 60 bezeichnet ist.FIG. 14 illustrates the grinding machine required for the methods according to FIGS. 12 and 13, which is designated as a whole by 60.
Ein Werkstückfutter 61 hält den Werkstückrohling 46a bzw. 46b eingespannt, wobei ggf. noch ein Reitstock 62 als Gegenlagerung verwendet wird. Eine Schleifspindel 63 ist in der bekannten Weise in Richtung der sogenannten x-Achse unter 90° zur Achse des Werkstückfutters 61 bzw. des Reitstocks 62 verfahrbar, wobei die letztgenannte Achse als sogenannte C-Achse in definierten Winkelschritten einstellbar ist, und zwar mittels eines im Werkstückfutter 61 enthaltenen Antriebes.A
Das Werkstückfutter 61 ist zusammen mit der gesamten Werkstückhalterung um eine Hochachse 64, die sogenannte U-Achse, verdrehbar. Auf diese Weise läßt sich der Werkstückrohling 46a bzw. 46b mit seiner Achse 43a bzw. 43b um den Winkel λ gemäß Fig. 12 und 13 gegenüber der unveränderten Ausrichtung 42a bzw. 42b der Schleifscheibe 40a bzw. 40b anstellen.The
Die Schleifscheibe 40a bzw. 40b vollzieht nun während der Drehung des Werkstückrohlings 46a bzw. 46b eine oszillierende Bewegung in Richtung der x-Achse, und zwar mit einer Frequenz, die in dem geschilderten Anwendungsfall des dreieckigen Polygon-Kegels 14 dreimal so groß ist wie die Drehfrequenz des Werkstückrohlings 46a bzw. 46b im Werkstückfutter 61. Die Amplitude der oszillierenden Bewegung Δ X beträgt in diesem Falle 2e′ cosλ.The
Fig. 15 zeigt eine weitere Verfahrensvariante des Außenschleifens, bei deren Bezugszeichen der Buchstabe "c" hinzugesetzt wurde.FIG. 15 shows a further variant of the external grinding method, the letter "c" being added to the reference numerals.
Bei dieser Verfahrensvariante wird die Achse 43c des Werkstückrohlings 46c unverändert gelassen, die Achse 42c der Schleifscheibe 40c hingegen gegenüber ihrer Ausgangslage um den Winkel λ angestellt. Entsprechendes gilt für das Innenschleifen, das in Fig. 16 dargestellt ist, wobei den Bezugszeichen der Buchstabe "d" hinzugesetzt wurde.In this variant of the method, the
Auch hier gilt, daß die Achse 42d der Schleifscheibe 40d um den Winkel λ angestellt wurde, während die Achse 43d des Werkstückrohlings 46d unverändert blieb.It also applies here that the
Während im erstgenannten Fall ein Polygon-Kegel 14c erhalten wird, ensteht im zweitgenannten Fall wiederum ein Polygon-Innenkegel 17d.While a polygon cone 14c is obtained in the former case, a polygon
In Fig. 16 ist mit einem Pfeil 70 noch veranschaulicht, daß die Schleifscheibe 40d, ebenso wie die Schleifscheibe 40b gemäß Fig. 13 oder auch wie die Schleifscheiben 40a und 40c gemäß Fig. 12 und 15, falls sehr lange Mantellinien 41a bzw. 41c zu schleifen sind, noch in Richtung ihrer Achse verschoben werden kann, falls dies im Einzelfall erforderlich sein sollte.In FIG. 16, an
Fig. 17 zeigt wiederum eine schematisierte Darstellung der Schleifmaschine 60, die nun zur Durchführung der Verfahren gemäß Fig. 15 und 16 eingestellt wird.FIG. 17 again shows a schematic illustration of the grinding
Das Werkstückfutter 61 verbleibt in Fig. 17 in der ursprünglichen Lage, während die Schleifspindel 63 um eine Hochachse 65, die sogenannte B-Achse, verdrehbar ist.The
Auch im Falle der Fig. 17 gelten die weiter oben festgestellten Angaben für die Frequenz und die Amplitude der oszillierenden Bewegung der Schleifscheibe 40c bzw. 40d in Richtung der X-Achse der Fig. 17.In the case of FIG. 17 as well, the statements made above apply to the frequency and the amplitude of the oscillating movement of the
Zum Einstellen all dieser Verfahrensparameter dient ein in Fig. 14 und 17 gezeigtes numerisches Steuergerät 66 von an sich bekannter Bauart. Im numerischen Steuergerät 66 befindet sich eine Rechenstufe, die aus den oben ermittelten Werten Dm1 , Dm2 , e′ , D₁ , D₂ , d₁ , d₂ und den vorgegebenen Werten L und λ die Bahnpunkte der Polygon-Profile 30/1 und 30/2 ermittelt, und zwar vorzugsweise in Polarkoordinaten, so daß die oszillierende Bewegung der Schleifscheiben 40a bis 40d nach Bahnpunkten eingestellt werden kann, bei denen sich schlußendlich die gewünschten Polygon-Kegel 14a, 14c bzw. 17b, 17d ergeben.A
Die oszillierende Bewegung der Schleifscheiben 40a bis 40d an sich wird als sogenannter "Bahnbetrieb" bezeichnet, dem zum Abtragen eines Aufmaßes naturgemäß noch eine Zustellbewegung als sogenannter "Zustellbetrieb" überlagert werden muß.The oscillating movement of the grinding
Es ist zwar bereits vorgeschlagen worden, beim Schleifen von nicht-rotationssymmetrischen Werkstücken, beispielsweise zum Schleifen von Nocken einer Nockenwelle, eine zeitliche Trennung von Zustellbetrieb und Bahnbetrieb vorzunehmen, indem zunächst die Schleifscheibe im reinen Zustellbetrieb auf die Tiefe der Fertig-Oberfläche eintaucht und dann im reinen Bahnbetrieb den Nocken fertigschleift, im hier vorliegenden Falle des Schleifens von Polygon-Kegeln ist jedoch eine Ausführungsform bevorzugt, bei der der Bahnbetrieb und der Zustellbetrieb überlagert werden. Dies bedeutet in der Praxis, daß auch zum Abtragen großer Aufmaße die Schleifscheibe sich auf einer spiralig gewundenen Bahn an die Fertig-Oberfläche heranarbeitet, wobei die Schleifscheiben 40a bis 40d stets eine überlagerte Bewegung ausführen, die sowohl Komponenten des reinen Bahnbetriebes wie auch des reinen Zustellbetriebes enthält.While grinding non-rotationally symmetrical workpieces, for example for grinding cams of a camshaft, it has already been proposed to separate the infeed mode and the rail mode in time by first immersing the grinding wheel in the infeed mode to the depth of the finished surface and then in pure web operation grinds the cam, in the present case of grinding polygon cones, however, an embodiment is preferred in which the web operation and the delivery operation are superimposed. In practice, this means that the grinding wheel also works towards the finished surface on a spirally wound path to remove large oversizes, the grinding
Zur Drehung der Werkstückrohlinge kann entweder eine konstante Winkelgeschwindigkeit oder eine über dem Umfang der Werkstückrohlinge variierende Winkelgeschwindigkeit eingestellt werden.Either a constant angular velocity or an angular velocity varying over the circumference of the workpiece blank can be set to rotate the workpiece blanks.
Variiert man die Winkelgeschwindigkeit über dem Umfang, so kann man dann, wenn die erste Ableitung des Exzentrizitätswertes e′ nach dem Drehwinkel Θ berücksichtigt wird, den Fall erhalten, daß das sogenannte bezogene Zeitspanvolumen Q′ während des gesamten Schleifvorganges konstant ist. Dies führt zu einer gleichmäßigen thermischen Belastung der Schleifscheibe und damit zu einer hohen Oberflächengüte.Varying the angular velocity over the circumference, if the first derivative of the eccentricity value e 'after the angle of rotation Θ is taken into account, the case can be obtained that the so-called related chip removal volume Q' is constant during the entire grinding process. This leads to a uniform thermal load on the grinding wheel and thus to a high surface quality.
Anhand der Fig. 18 bis 21 soll nun erläutert werden, wie die Schleifmaschine bei dem weiter oben anhand der Fig. 7 bis 11 beschriebenen Zahlenbeispiel eingestellt werden kann.18 to 21 will now be used to explain how the grinding machine can be set in the numerical example described above with reference to FIGS. 7 to 11.
So soll ein Polygon-Kegel mit gleich dickem Profil entlang der Erzeugenden für eine gegebene Kegelverjüngung auf einer CNC-Schleifmaschine mittels drei Achsen im Bahnbetrieb bei Verwendung einer Steuerung zur Bestimmung der X-, C- und B-Koordinaten und in Verbindung mit einer profilierten Schleifscheibe (kegelige Form) erzeugt werden.For example, a polygonal cone with the same thickness along the generatrix for a given cone taper on a CNC grinding machine using three axes in rail operation when using a controller to determine the X, C and B coordinates and in conjunction with a profiled grinding wheel (conical shape).
Zur Beschreibung der Polygon-Kurve beim Schleifen im Bahnbetrieb zwischen der X- und C-Achse wird die Konturgleichung in der Parameterform benutzt.The contour equation in the parameter form is used to describe the polygon curve when grinding in path mode between the X and C axes.
In Fig. 18 sind die Konturparameter s als Profilerhebungswert und s′ als Höhenversatzwert eingezeichnet. Der Höhenversatzwert s′ ist dabei die erste Ableitung des Konturparameters s nach dem Drehwinkel Θ. In Abhängigkeit von dem Drehwinkel Θ lassen sich die Werte s und s′ in einem kartesischen Koordinatensystem mit den folgenden Gleichungen darstellen:
s = e (1 - cos (n · Θ))
s′ = n · e · sin (n · Θ)In Fig. 18, the contour parameters s are drawn in as the profile elevation value and s' as the height offset value. The height offset value s' is the first derivative of the contour parameter s after the angle of rotation Θ. Depending on the angle of rotation Θ, the values s and s ′ can be represented in a Cartesian coordinate system using the following equations:
s = e (1 - cos (n · Θ))
s ′ = n · e · sin (n · Θ)
In Fig. 18 ist p′p˝ der X-Weg als oszillierende Bewegung der X-Achse bei einem Höhenversatz PP˝ auf der Tangente T in dem Anlagepunkt P, entsprechend einem Schleifscheibenradius Rs bzw. Rs′. Dann ergibt sich für den Verfahrweg X der Schleifscheibe:
X = √
X = √
Bezeichnet man α als den Fertigungsdrehwinkel, so ergibt sich für diesen:
Das Polygon-Profil K für den Exzenterwert e, das dem großen Kegeldurchmesser entspricht, und das Polygon-Profil k, das den kleinen Kegeldurchmesser bei einem Exzenterwert e′ bestimmt, müssen während der Oberflächenerzeugung gleichzeitig hergestellt werden, um einen gleich dicken Polygon-Kegel zu bearbeiten.The polygon profile K for the eccentric value e, which corresponds to the large cone diameter, and the polygon profile k, which determines the small cone diameter at an eccentric value e ', must be produced at the same time during the surface creation in order to produce an equally thick polygon cone to edit.
In dieser Hinsicht wird während der Bearbeitung der B-Achse im Bahnbetrieb zu den X-C-Achsen mit einem Winkel ± Δλ verstellt, so daß die konisch abgerichtete Schleifscheibe unter einem Winkel δ einen Anlagepunkt P₁ auf dem Polygon-Profil k bei einem Höhenversatzwert H′ ermöglicht, der vom Höhenversatzwert H des Polygon-Profils K abweicht.In this regard, is adjusted during the machining of the B-axis in railway operation to the XC-axes with an angle ± Δλ, so that the conically shaped grinding wheel at an angle δ enables a contact point P₁ on the polygon profile k with a height offset value H ' that deviates from the height offset value H of the polygon profile K.
Der Abrichtwinkel δ wird nach folgenden Parametergleichungen beschrieben:
H = Rs · sin α
H′ = H - (e - e′) · n
H = R s · sin α
H ′ = H - (e - e ′) · n
Wendet man die vorstehenden Überlegungen nun auf das bereits oben bezifferte Anwendungsbeispiel an, so ergibt sich bei einem Schleifscheibendurchmesser Ds von 600 Millimetern folgendes:
s = e · (1 - cos 3Θ)
s′ = 3 · e · sin 3ΘApplying the above considerations to the application example already numbered above, the following results for a grinding wheel diameter D s of 600 millimeters:
s = e · (1 - cos 3Θ)
s ′ = 3 · e · sin 3Θ
Fig. 19 zeigt in einem Diagramm die Verhältnisse für s, s′ und Δλ in folgenden Punkten:
Überträgt man diese Geometriewerte nun auf einen Bahnbetrieb für die Schleifmaschine bei Bewegung der C-, X- und B-Achsen, so ergibt sich unter Berücksichtigung der Formel:
X = √
unter Verwendung der in der vorstehenden Tabelle angegebenen Werte folgende Wertetabelle für die Achsen C, X und B:
X = √
using the values given in the table above, the following table of values for axes C, X and B:
Die vorstehend in der Tabelle genannten Werte sind in Fig. 20 aufgetragen.The values mentioned above in the table are plotted in FIG. 20.
Schließlich sei noch das erforderliche Schleifscheibenprofil für den vorstehend bezifferten Beispielsfall angegeben. Mit den Werten:
Θ = 30°
s = 1,4 mm
s′ = 4,2 mm
Rs = 300 mm
r₁ = 18,6 mm
L = 30 mm
ergibt sich mit der Formel
Θ = 30 °
s = 1.4 mm
s ′ = 4.2 mm
R s = 300 mm
r₁ = 18.6 mm
L = 30 mm
results from the formula
Die Werte:
H = Rs · sin α = 300 · sin 0,752° = 3,937 mm
H′ = H - (e - e′) · n = 3,937 - (1,4 - 1,295) · 3 = 3,622 mm
H = R s · sin α = 300 · sin 0.752 ° = 3.937 mm
H ′ = H - (e - e ′) · n = 3.937 - (1.4 - 1.295) · 3 = 3.622 mm
Diese Größen sind nochmals in Fig. 21 zur Veranschaulichung dargestellt.These variables are shown again in FIG. 21 for illustration.
Claims (8)
e′ < e
ρ ₂ = - 8e′
gehorcht, wobei Dm2 der arithmetische Mittelwert der Durchmesser (D₂ , d₂) und ρ ₂ der praktisch minimal mögliche Krümmungsradius des Polygon-Profils (30/2) am spitzen Ende des Kegels (14/17) und βmax ein vorgegebener Winkel.1. A method for grinding a cone (14; 17), the radial cross-sectional area of which has the shape of an n-polygon profile (30) with a predetermined eccentricity (e) and a predetermined arithmetic mean (D m ) of the diameter (D, d) of the Has the circumference (31) and the incircle (32) of the polygon profile (30), in which a grinding wheel (40) rotatable about a first axis (42) along a common surface line (41) on one around a second axis (43) rotatable workpiece blank (46), the axes (42, 43) intersecting at an acute angle (), at which the grinding wheel (40) also carries out an oscillating movement, in which the surface line (41) in the direction of the axes ( 42, 43) spanned plane with the n-fold frequency of the rotary movement of the workpiece blank (46) and with an amplitude corresponding to twice the eccentricity (2e cos), characterized in that the amplitude is set with an eccentricity value (e ′), of the relationship:
e ′ <e
ρ ₂ = - 8e ′
obeys, where D m2 is the arithmetic mean of the diameter (D₂, d₂) and ρ ₂ the practically minimum possible radius of curvature of the polygon profile (30/2) at the tip end of the cone (14/17) and β max a predetermined angle.
X = √
eingestellt wird, mit:
Rs = Radius der Schleifscheibe (40)
r₁ = Innenradius des Polygon-Profils (30/2) am spitzen Ende des Kegels (14/17);
s = Profilerhebungswert
= e (1 - cos (n · Θ))
mit Θ = Drehwinkel um die zweite Achse (43)
s′ = ds/dΘ6. The method according to one or more of claims 3 to 5, characterized in that the movement of the grinding wheel (40) in the X-axis according to the relationship:
X = √
is set with:
R s = radius of the grinding wheel (40)
r₁ = inner radius of the polygon profile (30/2) at the tip end of the cone (14/17);
s = profile survey value
= e (1 - cos (n · Θ))
with Θ = angle of rotation about the second axis (43)
s ′ = ds / dΘ
D₁ = der größere Durchmesser des Polygon-Profils (30/1) am stumpfen Ende des Kegels (14/17);
Dm1 = der arithmetische Mittelwert der Durchmesser (D₁, d₁) des Polygon-Profils (30/1) am stumpfen Ende des Kegels (14/17);
L = axial Länge des Kegels (14/17).8. The method according to claim 7, characterized in that the pivot angle Δλ according to the relationship:
D₁ = the larger diameter of the polygon profile (30/1) at the blunt end of the cone (14/17);
D m1 = the arithmetic mean of the diameters (D₁, d₁) of the polygon profile (30/1) at the blunt end of the cone (14/17);
L = axial length of the cone (14/17).
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EP0335255A2 true EP0335255A2 (en) | 1989-10-04 |
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