LU88771A1 - Neues leistungsfaehiges Verzahnungs-Honverfahren - Google Patents

Description

Neues,leistungsfähiges Verzahnungs-Honverfahren

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Feinbearbeitung von vorgefertigten Verzahnungen an Getrieberädern, insbesondere an gehärteten Getrieberädern.

Stand der Technik Für die Hartendbearbeitung von Laufverzahnungen an Getrieberädern ist in der Vergangenheit eine Reihe von Verfahren entwickelt worden. Neben den verschiedenen Schleifverfahren, die mit Werkzeugen von unterschiedlichster Form und aus unterschiedlichsten Materialien mit teilweise sehr komplizierten kinematischen Bev/egungen die Zahnflanken erzeugen, hat sich das Honen als ein intéressantes und kinematisch relativ einfaches Verfahren erwiesen.

Beim Honen kämmt ein zahnradähnliches Werkzeug mit dem zu bearbeitenden Werkstück, meist mit gegeneinander verschrânkten Achsen. Vielfach wird dabei das frei drehend gelagerte Werkstück direkt vom Honwerkzeug angetrieben, in einzelnen Fallen besteht auch eine mehr Oder weniger stark wirkende, von der Maschine erzeugte, zwangsweise Führung der Drehbewegungen von Werkzeug und Werkstück. Besteht keîne Kopplung zwischen den Achsen, ist eine Verbesserung eines von der Vorbearbeitung stammenden Summenteilungsfehlers nur sehr bedingt gegeben, weil das Werkstück wâhrend des Honens durch die relativ grossen Anpresskräfte in der Verzahnung dem Honwerkzeug einfach nachläuft. Mit einer zwangsweisen Kopplung wird dagegen versucht, an den einen Flanken der fehlerhaften Zähne des Werkstückes entsprechend mehr Material abzutragen als an den anderen und damit eine Verbesserung des Summenteilungsfehlers zu erreichen.

Wurden für dieses Honverfahren früher aussenverzahnte Werkzeuge, sogenannte Honräder, verv/endet, kommen seit vielen Jahren innenverzahnte Honringe zum Einsatz. Diese haben den Vorteil, dass sie dank einer engeren Anschmiegung der Werkzeug- an die Werkstückzahnflanken eine bessere Führung des Werkstückes gewährleisten, was die Vergleichmässigung der Zahnflankenform während der Bearbeitung positiv beeinflussen kann.

Bleibt noch zu erv/ahnen, dass es ailgemein übliche Technik ist, das von Zeit zu Zeit notwendige Nachprofilieren der Honwerkzeugverzahnung mit werkstückähnlichen Profilierwerkzeugen vorzunehmen, die in der Verzahnung dem zu bearbeitenden Werkstück entsprechen und an ihrer aktiven Oberflâche mit Diamant- oder anderen Hartstoffkörnern belegt sind.

Nachteile der heute bekannten Verfahren

Der Honprozess ist in seiner bisherigen Art im Vergleich mit den meisten Schleifverfahren wenig leistungsfähig, vor allem wenn grössere Aufmasse an den Verzahnungen abzutragen sind.

Wegen seiner Einfachheit und der günstigen durch den Prozess erzielten Oberflächenstruktur wäre es daher wünschbar, den Honprozess in der Weise weiter zu entwickeln, dass er leistungsfähiger und effizienter und damit auch für jene Falie wirtschaftlich interessant wird, wo heute eine Hartendbearbeitung aus Kostengründen nicht in Frage kommt.

Betrachtet man die Faktoren, die die Leistungsfähigkeit des Honverfahrens, d.h. die pro Zeiteinheit abgetragene Werkstoffmenge, beeinflussen, so zeigt sich, dass innerhalb eines gewissen Bereiches die spezifische Kontaktkraft an der Berührstelle zwischen Werkzeug und Werkstück sowie die Anzahl der Ueberrollungen pro Zeiteinheit eines bestimmten Flankenpunktes annähernd propotional eingehen.

lm Prinzip könnte also der Honprozess durch Erhöhen der Bearbeitungsdrehzahl sehr einfach effizienter gefahren werden, wenn dies nicht sehr schnell zu Unstabilitäten führen würde, die sich als Ratterschwingungen bemerkbar machen und zur Zerstörung des Werkzeuges führen können. Andererseits hat die Erhöhung der spezifischen Kontaktkraft ihre Grenzen in der Festigkeit des Werkzeugwerkstoffes: Die Belastung des einzelnen an der Bearbeitung unmittelbar beteiligten Schleifkorns darf nur so gross werden, dass es nicht zerstört wird oder aus dem Werkstoffverbund ausbricht.

Lösungsvorschlag für ein verbessertes Verfahren

Der im folgenden erläuterte Vorschlag beschreibt ein verbessertes Honverfahren, das eine erhöhte Leistungsfähigkeit besitzt und trotzdem die günstigen Eigenschaften der bisherigen Lösungen beibehält und sogar teil weise darüber hinausgeht.

Das Verfahren beruht darauf, dass die Anzahl der Ueberrollungen nicht durch Erhöhen der Arbeitsdrehzahl, sondern durch den gleichzeitigen Einsatz von mehreren Werkzeugen erreicht wird.

Es versteht sich von selbst, dass mit innenverzahnten Honringen ein doppelter oder mehrfacher Eingriff nur schwer oder nicht realisiert werden kann; dagegen lassen sich mit aussenverzahnten Honwerkzeugen, also Honrädern, ohne weiteres Mehrfacheingriffe bewerkstelligen.

Eine denkbare Anordnung für ein solches Verfahren ist in Fig. 1 gezeigt.

Die Honräder 1 und 2 sind je auf einer antreibbaren Spindel befestigt, die in den Spindelstöcken 6 und 7 gelagert sind und sich in radialer Richtung über die Schlitten 3 und 4 gegen das Werkstück zustellen lassen. Diese Bewegungen können zwangsläufig gekoppelt oder unabhängig voneinander erfolgen. Zwischen den Honrädern ist mit leicht geneigter Achse und axial verschiebbar das zu bearbeitende Werkstück 5 angeordnet, es steht mit beiden Honradverzahnungen gleichzeitig im Eingriff. Urn voile Linienberührung während des Honens auch bei längsballiger Verzahnung und kleinen axialen Pendelbewegungen des Werkstückes zu erreichen (das sogenannte Schmiegehonen), sind ausserdem die Spindelstöcke 6 und 7 auf den Schlitten 3 und 4 urn die Hochachsen 8 und 9 urn einen geringen Winkelbetrag schwenkbar.

Durch die Neigung der Werkstückachse entstehen einerseits die während des Bearbeitungsprozesses notv/endigen Relativgeschwindigkeiten zwischen den Zahnflanken von Werkzeug und Werkstück, andererseits ergeben sich dadurch - bei schrägverzahnten Werkstücken - unterschiedliche Zahnschrägungswinkel und Zähnezahlen an den beiden Honrädern. Dieser Umstand ist fürdie Prozessstabilität von Vorteil, weil sich neben den erwünschten unterschiedlichen Eingriffsverhältnissen mit den Honwerkzeugen 1 und 2 auch unterschiedliche Drehzahlen für die beiden Honräder ergeben. Ein weiterer Vorteil sind die durch dieses Verfahren entstehenden kreuzweisen Bearbeitungsspuren, die nicht nur eine bessere Vergleichmässigung der gehonten Flankenflächen ergeben, sondern auch einen effizienteren Spanabtrag bewirken.

Diese eben beschriebene Anordnung lässt mehrere Varianten des Antriebes für den Honprozess zu: 1. Ein Honwerkzeug wird motorisch angetrieben; sowohl das Werkstück wie auch das zweite Honwerkzeug werden durch die Verzahnung mitgenommen 2: Das Werkstück wird motorisch angetrieben, die beiden Honwerkzeuge nur mitgenommen.

3. Beide Honwerkzeuge werden motorisch angetrieben, das Werkstück nur mitgenommen.

4. Sowohl das Werkstück wie auch die Honwerkzeuge werden motorisch angetrieben.

Für die Varianten 3 und 4 sind überdies winkelgetreu gekoppelte oder auch nur momentenbeaufschlagte Antriebe möglich. Den Antrieb und die Kopplung der Hauptachsen, den Antrieb der weiteren für den Frozess notv/endigen Zustell-, Schwenk- und Hilfsachsen sowie die Steuerung der übrigen Schalt- und Ueberwachungsfunktionen übernimmt eine dem Stand der Technik entsprechende CNC-Steuerung.

"Momentenbeaufschlagte Antriebe" bedeutet folgendes:

Wurde eine fehlerfrei vorgearbeitete Werkstückverzahnung mit dem beschriebenen Prozess gehont, dann würden die beiden Honwerkzeuge entsprechend ihren Zähnezahlen exakt synchron drehen (vorausgesetzt natürlich, die Honradverzahnungen waren ebenfalls fehlerfrei). Bei einem realen Werkstück, das heisst, wenn die zu bearbeitende, vorgefertigte Verzahnung Teilungsfehler aufweist, entsteht eine Differenz zwischen der Istv/inkellage und der Sollwinkellage der beiden Antriebe. Wird nun in Abhängigkeit dieser Differenz ein entsprechendes Moment auf die beiden Antriebe geschaltet, so erzwingt das eine Verbesserung des Summenteilungsfehlers während des Honprozesses. Wie weit diese Momentenaufschaltung den Teilungsfehler verringern oder sogar beseitigen kann, ist unter anderem abhängig von der Dicke der beim Honen abgetragenen Materialschicht und von der eingestellten Verstärkung für die Momentenaufschaltung.

"Winkelgetreu gekoppelte Antriebe” bedeutet genau genommen, dass zwischen zwei Oder mehreren Antrieben die Differenz von Soil- und Istwinkellage unabhangig von auftretenden Momenten immer Null ist. Beim beschriebenen Honverfahren hätte dies zur Folge, dass von Beginn weg eine genaue Teilung auf das Werkstück "aufgehont" würde. Dies ist in der Praxis nie exakt zu erreichen; immer sind, je nach Art der fur die Kopplung eingesetzten Mittel, mehr oder weniger kleine, durch die auftretenden Bearbeitungskräfte verursachte Drehwinkeldifferenzen vorhanden; eine qualitative Abgrenzung zu den momentenbeaufschlagten Antrieben ist deshalb nicht möglich. Immerhin besteht ein gravierender quantitativer Unterschied darin, dass die "winkelgetreu" gekoppelten Antriebe sehr viel "härter" und sehr viel dynamischer auftretende Soll-lstwertdifferenzen auszukorrigieren versuchen.

Sind die Antriebe winkelgetreu gekoppelt, so ist also bei Variante 3 eine teilweise, bei der Variante 4 theoretisch eine vollständige Beseitigung eines allenfalls von der Vorbearbeitung her noch vorhandenen Summenteilungsfehlers möglich.

Es ist leicht einzusehen, dass mit winkelgetreu gekoppeltem Antrieb, v/ill man eine vollständig bearbeitete Verzahnung erzie'en, beim Honen um so mehr Material abgetragen werden muss, je ungenauer die zu bearbeitende Verzahnung vorgefertigt ist. Zur Erreichung einer rundherum "sauberen" Geometrie wird deshalb oft ein etwas höheres Aufmass gewählt, was naturgemäss zu längeren Bearbeitungszeiten fuhrt und ausserdem grössere Einhärtetiefen erfordert.

Eine perfekte Zahnteilung ist jedoch gar nicht in alien Fallen gefragt, sie kann unter Umständen bezüglich des Laufgeräusches sogar nachteilige Folgen haben. Insbesondere im Fahrzeuggetriebebau sind hohe Summenteilungsgenauigkeiten der Verzahnungen, die einen entsprechend guten Synchronlauf des Getrieberadpaares gewährleisten würden, aus kinematischen Gründen nicht erforderlich, da sonstige Ungleichförmigkeiten im Antriebsstrang immer um ein Vielfaches grosser sind. Viel wichtiger ist dagegen eine vollständige, d.h. ganzflächige Feinstbearbeitung aller Zahnflanken trotz möglichst geringem Aufmass. Mit momentenbeaufschlagten oder eventuell auch mit freitreibenden Antrieben für den Honprozess wird dieses Ziel schneller und sicherer erreicht als mit winkelgetreu arbeitenden.

Welche Art des Antriebes jeweils die zweckmässigere ist, hängt also von der geforderten Summenteilungsgenauigkeit der gehonten Verzahnungen ab und kann allgemeingültig nicht beantwortet werden; mit dem beschriebenen Verfahren sind aber alle genannten Antriebsvarianten anwendbar.

Das beschriebene Honverfahren hat gegenüber allen bis heute bekannten Methoden den Vorteil, dass bei den Varianten 1 und 2, beschränkt auch bei Variante 3 und 4, während des Honens nur geringe Querkräfte auf das Werkstück ausgeübt werden, weil sich die relativ hohen radialen Zustellkräfte grösstenteils aufheben. Dies hat geringere Deformationen und damit höhere Genauigkeiten zur Folge und wirkt sich ausserdem vorteilhaft auf die Konstruktion der Spannmitte! aus.

Varianten der Anordnung

Die im Fig 1 gezeigte Anordnung ist nur eine von vielen möglichen Varianten. So ist zum Beispiel eine Ausführung denkbar, bei der das Werkstück horizontalachsig und die Honradachsen geneigt angeordnet sind. Auch unterschiedliche Neigungswinkel von Honrad 1 und 2 sind denkbar, sie können unter Umständen zu einer Optimierung der Abtragsleistung und/oder der Oberflächenrauhigkeit verhelfen. Durch den Einsatz von Honwerkzeugen mit unterschiedlich grossem Durchmesser, unterschiedlicher Breite oder unterschiedlichen Schneideigenschaften ergeben sich weitere Möglichkeiten der Technologiebeeinflussung.

Ebenso können auch drei oder mehr statt nur zwei Honwerkzeuge gleichzeitig mit dem selben Werkstück zum Eingriff gebracht werden, dazu jeweils mit individuellem Neigungswinkel.

Das Verdrehen der Spindelstöcke 6 und 7 um die Achsen 8 und 9 um einen grosseren Winkel als nur zur Balligkeitserzeugung notwendig ist, führt zu konischen Honradverzahnungen, die mit dem zylindrischen Werkstück 5 kammen. Bis zu einer bestimmten, von den Verzahnungsdaten abhängigen Werkzeugbreite ergeben sich damit fürdie Honbearbeitung brauchbare Eingriffsverhaltnisse.

Werden die Spindelstöcke 6 und 7 je um 90 Grad geschwenkt, nehmen die Honwerkzeuge die Form von Kronenrädern an. Auch hier ist ein korrekter Eingriff mit dem zylindrischen Werkstück 5 innerhalb eines bestimmten Bereiches oer Werkzeugverzahnungsbreite gegeben; damit ist die Anwendung also prinzipiell für eine Honbearbeitung geeignet. Ein grosser Vorteil dieser Anordnung ist der, dass im Gegensatz zu den oben beschriebenen Varianten beim Nachprofilieren der Honwerkzeuge keine Aenderung der Eingriffsverhaltnisse entsteht, was konstante Abtragsverhältnisse über dem gesamten Abnützungsbereich der Honräder ergibt. Nachteilig ist allerdings, dass die nutzbare Breite der Werkzeugverzahnung auch bei grosseren Honraddurchmessern relativ gering ausfällt.

Alle beschriebenen Anordnungen lassen sich mit allen genannten Antriebsvarianten ausführen. Die Programmierung der verwendeten NC-Steuerung erfolgt zweckmässigerweise so, dass sich, je nach Erfordernis, momentenbeaufschlagter oder winkelgetreuer Betrieb vorwählen lässt.

Um die dem eben beschriebenen Verfahren innnewohnende hohe Leistungsfähigkeit voll zur Wirkung bringen zu können, sind auch die bei Serienproduktion anfallenden Nebenzeiten so gering wie möglich zu halten. Dies lässt sich z.B. dann erreichen, wenn mindestens zwei Werkstückspindeln 10 und 11 (Fig. 2) in der Art eines Revolvers 12 so angeordnet werden, dass die eine aktiv in Arbeitsstellung steht, wahrend die andere für die Beschickung zugänglich bleibt. Damit ist eine Beschickung während der Hauptzeit möglich und erscheint deshalb nicht mehr als Nebenzeit.

Um nun auch noch die Zeit für das Eingängen eines neu eingespannten Werkstückes in die Verzahnung der Honräder und das anschliessende Beschleunigen auf Arbeitsdrehzahl vor dem eigentlichen Honprozess zu minimieren, bietet sich die Antriebsvariante 4 an. Das neu eingespannte Werkstück 13 kann damit noch in der Beschickungsstellung und während das andere Werkstück bearbeitet wird, auf die zu den Honwerkzeugen synchrone Arbeitsdrehzahl gebracht und winkelmässig ausgerichtet werden, so dass sich nach dem Schwenken in Arbeitsstellung die Verzahnungen der mit voller Drehzahl weiterlaufenden Honwerkzeuge 1 und 2 exakt und "fliegend" in seine Verzahnung einfahren lassen.

Das winkelmässige Ausrichten des Werkstückes während des Laufes, bzw. nach dem Hochlaufen auf synchrone Arbeitsdrehzahl, ist Stand der Technik. Es geschieht durch eine spezielle Programmsequenz der Steuerung aufgrund der von einem Sensor 14 gemeldeten aktuellen Lage der Werkstückverzahnung.

Claims (10)

1. Verfahren zum Honen von Verzahnungen an Getrieberädern mit zahnradähnlichen Honwerkzeugen, die mit einer entsprechend der geforderten Werkstückzahnflankengeometrie geformten Verzahnung versehen sind, deren Achsen parallel, winklig oder windschief zur Werkstückachse stehen und die in Eingriff gebracht werden mit der zu bearbeitenden Werkstückverzahnung, dadurch gekennzeichnet, dass gleichzeitig am Umfang der Werkstückverzahnung zwei oder mehrere Honwerkzeuge mit je gleicher oder unterschiedlicher Achsrichtung, Werkstoffzusammensetzung, geometrischer Abmessung und Antriebsart für den Honprozess zum Einsatz gelangen.

2. Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Honwerkzeuge im wesentlichen aussenverzahnte Zylinderrader darstellen.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Honwerkzeuge im wesentlichen konisch verzahnte Stirnräder oder planverzahnte Kronenrâder darstellen.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die gemeinsam zum Einsatz gebrachten Honwerkzeuge unterschiedliche Geometrie, wie Verzahnungsdurchmesser, Zahnschrägungswinkel, Zâhnezahl oder Verzahnungsbreite aufweisen.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die aktiven Oberflâchen der in Anspruch 2, 3 und 4 genannten, gleichzeitig zum Einsatz gebrachten Honwerkzeuge zwecks Erzielung unterschiedlicher Schneid- bzw. Abtragseigenschaften aus unterschiedlichem Material gefertigt sind und/oder unterschiedlich profiliert werden.

6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die in Anspruch 2, 3, 4 und 5 genannten Honrâder in beliebiger Anzahl und Kombination gleichzeitig für das Honen eines Werkstückes eingesetzt werden.

7. Verfahren nach Anspruch 1,2, 3, 4, 5 und 6 dadurch gekennzeichnet, dass gleichzeitig zwei mit zur Werkstückachse gleichgerichteter Achsneigung, jedoch an gegenüberliegenden Stellen des Werkstückes angeordnete Honwerkzeuge zum Eingriff gebracht werden, so dass durch den Honprozess auf den Zahnflankenoberflächen ein Muster mit gekreuzten Bearbeitungsriefen entsteht.

8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Führung des Honprozesses wahlweise - nur ein Honwerkzeug, - zwei oder gegebenenfalls mehrere Honwerkzeuge, • nur das Werkstück oder - die Honwerkzeuge und das Werkstück angetrieben werden.

9. Verfahren nach Anspruch 1 und 8, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Synchronlauf der Drehantriebe des Werkstückes und/oder der Werkzeuge wahlweise momentenbeaufschlagt oder winkelgetreu steuern lässt.

10. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwecks Einsparung von Nebenzeiten beim Werkstückwechsel für die Werkstückaufnahme ein Revolver mit mindestens zwei Werkstückspannvorrichtungen vorhanden ist, so dass während der Bearbeitung eines ersten Werkstückes auf einer ersten Spannvorrichtung ein zweites, bereits bearbeitetes Werkstück auf einer zweiten Spannvorrichtung ohne Zeitverlust gegen ein neues Rohteil ausgewechselt, im voraus auf die für das Honen erforderliche Arbeitsdrehzahl und Winkelausrichtung gebracht und nach Beendigung der Bearbeitung des ersten Werkstückes unmittelbar zum Honen in die Bearbeitungsposition geschwenkt werden kann.