WO2023180097A1 - Schwingungsunterstützte wälzbearbeitung - Google Patents

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WO2023180097A1
WO2023180097A1 PCT/EP2023/056184 EP2023056184W WO2023180097A1 WO 2023180097 A1 WO2023180097 A1 WO 2023180097A1 EP 2023056184 W EP2023056184 W EP 2023056184W WO 2023180097 A1 WO2023180097 A1 WO 2023180097A1
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WO
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workpiece
vibration
gear
clamping device
axis
Prior art date
Application number
PCT/EP2023/056184
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English (en)
French (fr)
Inventor
Maximilian Zimmer
Martin Hamm
Original Assignee
Reishauer Ag
Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V.
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
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Publication date
Application filed by Reishauer Ag, Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. filed Critical Reishauer Ag
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23F—MAKING GEARS OR TOOTHED RACKS
    • B23F23/00—Accessories or equipment combined with or arranged in, or specially designed to form part of, gear-cutting machines
    • B23F23/12—Other devices, e.g. tool holders; Checking devices for controlling workpieces in machines for manufacturing gear teeth
    • B23F23/1293—Workpiece heads
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B06—GENERATING OR TRANSMITTING MECHANICAL VIBRATIONS IN GENERAL
    • B06B—METHODS OR APPARATUS FOR GENERATING OR TRANSMITTING MECHANICAL VIBRATIONS OF INFRASONIC, SONIC, OR ULTRASONIC FREQUENCY, e.g. FOR PERFORMING MECHANICAL WORK IN GENERAL
    • B06B1/00—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency
    • B06B1/02—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy
    • B06B1/06—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy operating with piezoelectric effect or with electrostriction
    • B06B1/0607—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy operating with piezoelectric effect or with electrostriction using multiple elements
    • B06B1/0611—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy operating with piezoelectric effect or with electrostriction using multiple elements in a pile
    • B06B1/0614—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy operating with piezoelectric effect or with electrostriction using multiple elements in a pile for generating several frequencies
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23F—MAKING GEARS OR TOOTHED RACKS
    • B23F23/00—Accessories or equipment combined with or arranged in, or specially designed to form part of, gear-cutting machines
    • B23F23/02—Loading, unloading or chucking arrangements for workpieces
    • B23F23/06—Chucking arrangements
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23F—MAKING GEARS OR TOOTHED RACKS
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23F—MAKING GEARS OR TOOTHED RACKS
    • B23F23/00—Accessories or equipment combined with or arranged in, or specially designed to form part of, gear-cutting machines
    • B23F23/02—Loading, unloading or chucking arrangements for workpieces

Definitions

  • the present invention relates to a method for machining a gear-shaped workpiece by a generating process, in particular by continuous generating grinding, a clamping device which is designed to carry out the method, a system for generating oscillating movements of a gear-shaped workpiece during machining by a generating process, and a Generating grinding machine on which the clamping device is used.
  • the final hard finishing during gear production is one of the most important work steps in terms of the gear quality produced.
  • the geometry that will later be in mesh is manufactured here.
  • a process often used for hard finishing is continuous generating grinding.
  • a gear-shaped workpiece is machined in rolling engagement with a grinding tool in the form of a worm-shaped profiled grinding wheel (grinding worm).
  • Generating grinding is a very demanding, generative machining process that is based on a large number of synchronized, precise individual movements and is influenced by many boundary conditions. Information on the basics of continuous generating grinding can be found, for example, in Ref. [1],
  • FIG. 1 shows an example of the engagement between a generating tool in the form of a grinding worm 16 and a helical gear 23 during continuous generating grinding.
  • the grinding worm 16 rotates about a tool axis B, while the gear 23 rotates about a workpiece axis C.
  • the grinding worm 16 and the gear 23 mesh with one another in accordance with a helical rolling gear (so-called rolling coupling).
  • rolling coupling a helical rolling gear
  • the grinding worm 16 is continuously moved in translation along a Y direction, which runs parallel to the tool axis B, in order to continuously bring fresh worm material into engagement with the gear 23 (so-called shift movement).
  • the grinding worm 16 is advanced along a feed axis X in the radial direction relative to the gear 23.
  • LNS Low Noise Shifting
  • the rotation angles of the grinding worm and dressing wheel are coupled during dressing.
  • periodic fluctuations in the grinding pattern are specifically positioned in such a way that a more favorable noise behavior of the gear is achieved (see Ref. [2]). Due to increasing process complexity, this method does not fully cover all noise-critical applications.
  • an object of the present invention is to provide a method for the rolling machining of gear-shaped workpieces, in particular for continuous generating grinding, with which undesirable regular structures on the flanks of the machined workpieces can be reduced.
  • the invention proposes a method for machining a gear-shaped workpiece, in particular its tooth flanks, by a generating process, in particular by continuous generating grinding.
  • the gear-shaped workpiece rotates about a workpiece axis while it is in rolling engagement with a rolling machining tool, in particular a helical-profile grinding tool, which rotates about a tool axis.
  • the method is characterized in that the gear-shaped workpiece performs an oscillating movement during machining, which is superimposed on the rotation of the gear-shaped workpiece. This modifies the engagement between the workpiece and the tool in such a way that the surface structure of the workpieces manufactured in this way can be improved. In particular, regular structures such as grinding marks can be avoided or interrupted.
  • the oscillating movement of the gear-shaped workpiece preferably has a component along at least one of the following directions of movement: axially along the workpiece axis; radial to the workpiece axis; and torsional around the workpiece axis.
  • the oscillating movement can in particular correspond to a superposition of components along these directions of movement.
  • the oscillating movement has a fundamental frequency above 15 kHz.
  • the oscillating movement is an oscillation in the ultrasonic range.
  • the fundamental frequency is below 15 kHz.
  • the “fundamental frequency” refers to the spectral component of the oscillation that has the lowest frequency.
  • the oscillating movement can be generated in particular as follows:
  • the gear-shaped workpiece is clamped on a clamping device during the generating grinding machining, the clamping device in turn being arranged on a workpiece spindle.
  • the workpiece spindle drives the gear-shaped workpiece clamped on the clamping device to rotate about the workpiece axis.
  • the clamping device has a clamping area which is in direct contact with the workpiece clamped on the clamping device.
  • the oscillating movement of the gear-shaped workpiece is then preferably generated by exciting the clamping area of the rotating clamping device to oscillate. This excitation is preferably resonant, so that the vibration is a natural mode of the clamping device with the gear-shaped workpiece clamped on it.
  • the intrinsic mode is preferably selected such that a vibration node of the intrinsic mode is located in a fastening region of the clamping device that is in contact with the workpiece spindle.
  • the clamping device can have a vibration generator integrated into the clamping device.
  • the vibration generator converts an electrical excitation signal in the form of an alternating voltage with a suitable frequency into a vibration of the clamping device with the gear-shaped workpiece clamped thereon.
  • an electrical sensor signal that characterizes the oscillation can be determined.
  • the excitation signal can then be regulated based on the sensor signal in such a way that the vibration is excited resonantly, as explained above.
  • the sensor signal can characterize the amplitude of the generated oscillation and/or the phase position of the generated oscillation relative to the excitation signal.
  • the excitation signal (in particular its frequency) can then be regulated in such a way that the oscillating system consisting of the clamping device and the gear-shaped workpiece clamped on it such as desired resonant excitation.
  • Suitable control algorithms for regulating the excitation of an oscillatable system so that the system oscillates resonantly are generally known.
  • the excitation signal and the sensor signal are transmitted contactlessly between the rotating clamping device and a stationary control device.
  • the control device can in particular comprise a frequency generator for generating the excitation signal and a controller for the above-described regulation of the excitation signal.
  • Suitable devices for the contactless transmission of energy and signals are known per se.
  • the transmission can take place inductively through two coils arranged concentrically around the workpiece axis, with one of the coils being arranged on the clamping device and the other coil being arranged on the stationary machine element.
  • the invention provides a clamping device for clamping a gear-shaped workpiece on a workpiece spindle of a gear processing machine, in particular a generating grinding machine, which is designed to carry out the method described above according to the first aspect of the invention.
  • the clamping device is characterized in that it has a vibration generator for generating a vibration of the clamping device with the gear-shaped workpiece clamped thereon.
  • the vibration generator can in particular be designed to generate vibration excitation along at least one of the following directions of movement: axially along the workpiece axis; radial to the workpiece axis; and torsional around the workpiece axis.
  • the vibration generator comprises a piezo actuator or is designed as a piezo actuator.
  • the vibration generator of the vibration generator can have at least one piezoelectric actuator element which is in the shape of a disk ring or ring segment, with a ring axis of the piezoelectric actuator element corresponding to the workpiece axis.
  • the vibration generator can be arranged in the clamping device as follows:
  • the Clamping device defines a proximal end and a distal end, wherein the proximal end is designed for connection to the workpiece spindle.
  • the clamping device has a clamping area which is designed to come into direct contact with the gear-shaped workpiece.
  • the clamping area can, for example, be designed in a manner known per se as a hydraulically actuated expansion sleeve or as a mechanically actuated, segmented clamping bushing.
  • the vibration generator can then be arranged between the proximal end and the clamping area, or it can be arranged distally from the clamping area.
  • the clamping device can also have a vibration sensor for determining at least one sensor signal, the sensor signal characterizing the vibration of the clamping device with the gear-shaped workpiece clamped thereon.
  • the vibration sensor can in particular comprise a piezo sensor or be designed as a piezo sensor. It can be constructed analogously to the vibration generator and have at least one piezoelectric sensor element that is disk-ring-shaped or ring-segment-shaped, with a ring axis of the piezoelectric sensor element corresponding to the workpiece axis.
  • the vibration generator and the vibration sensor can together form a vibration transducer which comprises a stack of disk-ring-shaped or ring-segment-shaped piezoelectric elements, disk-ring-shaped electrodes and disk-ring-shaped insulation disks.
  • the present invention provides a system for generating an oscillating movement of a gear-shaped workpiece during machining by a gear machining method, in particular by continuous generating grinding.
  • the system comprises a clamping device according to the second aspect of the invention.
  • the system includes a frequency generator for generating an excitation signal for the vibration generator in order to cause the oscillation of the clamping device with the gear-shaped workpiece clamped thereon.
  • the system can have a controller which is designed to receive the sensor signal and to regulate the excitation signal based on the sensor signal in such a way that the vibration is excited resonantly.
  • the system can also have a transmission device for contactless transmission of the excitation signal and the sensor signal between the rotating Clamping means and the stationary control device include, as already explained above in the context of the method.
  • the invention provides a generating machine, in particular generating grinding machine, which is designed to carry out the method according to the first aspect of the invention.
  • the rolling processing machine has: a tool spindle in order to drive a rolling processing tool, in particular a helical profiled grinding tool, to rotate about a tool axis; a workpiece spindle for driving the gear-shaped workpiece to rotate about the workpiece axis; and a machine control that is designed to control the tool spindle and the workpiece spindle in such a way that a rolling coupling is produced between the rotation of the tool generated by the tool spindle and the rotation of the workpiece generated by the workpiece spindle.
  • the rolling processing machine is characterized in that a clamping device according to the second aspect of the invention is attached to the workpiece spindle.
  • the rolling processing machine can also have a frequency generator, a controller and/or a transmission device, as specified in the third aspect of the invention.
  • FIG. 1 is a sketch to explain the kinematics in continuous generating grinding
  • Fig. 2 is a schematic view of a generating grinding machine
  • Fig. 3 is a schematic sketch with possible types and forms of vibration of a clamping device with a gear mounted on it;
  • Fig. 4 is a schematic view of a clamping device with a gear clamped on it, with a vibration transducer arranged above the gear for generating and measuring torsional movements of the gear, together with an associated control device and a possible vibration form;
  • FIG. 5 is a schematic exploded view of a vibration transducer, which forms a vibration generator on the one hand and a vibration sensor on the other hand;
  • FIG. 6 shows a schematic view of a clamping device with a gear mounted thereon, with a vibration transducer arranged below the gear for generating and measuring oscillating torsional movements of the gear, as well as a possible form of vibration;
  • FIG. 7 shows a schematic view of a clamping device with a gear clamped thereon, with a vibration transducer arranged above the gear for generating and measuring oscillating longitudinal movements of the gear, as well as a possible vibration form;
  • FIG. 8 shows a schematic view of a clamping device with a gear mounted thereon, with a vibration transducer arranged below the gear for generating and measuring oscillating longitudinal movements of the gear, as well as a possible form of vibration;
  • FIG. 9 shows a schematic view of a clamping device with a gear mounted thereon, with a vibration transducer arranged above the gear for generating and measuring oscillating radial movements of the gear, as well as a possible form of vibration;
  • Fig. 10 is a schematic view of a clamping device with a gear mounted on it, with a vibration transducer arranged below the gear for generating and measuring oscillating radial movements of the gear, as well as a possible form of vibration.
  • the machine has a machine bed 11 on which a tool carrier 12 is guided so as to be displaceable along a feed direction X.
  • the tool carrier 12 carries an axial slide 13, which is guided so as to be displaceable relative to the tool carrier 12 along an axial direction Z.
  • On the axial slide 13 is a grinding head 14 is mounted, which can be pivoted about a pivot axis running parallel to the X-axis (the so-called A-axis) to adapt to the helix angle of the gearing to be machined.
  • the grinding head 14 in turn carries a shift switch I on which a tool spindle 15 can be displaced along a shift axis Y relative to the grinding head 14.
  • a grinding worm 16 is clamped on the tool spindle 15.
  • the grinding worm 16 is driven by the tool spindle 15 to rotate about a tool axis B.
  • the machine bed 11 also carries a pivotable workpiece carrier 20 in the form of a rotating tower, which can be pivoted about an axis C3 between at least two positions.
  • Two identical workpiece spindles 21 are mounted diametrically opposite one another on the workpiece carrier 20, only one of which is visible in FIG.
  • a clamping device 22 for clamping a workpiece 23 is mounted on each of the workpiece spindles.
  • the workpiece spindle visible in FIG. 1 is in a processing position in which the workpiece 23 clamped on the clamping device 22 can be processed with the grinding wheel 16.
  • the other workpiece spindle which is offset by 180° and is not visible in FIG.
  • Each workpiece spindle 21 drives the clamping device 22 mounted on it with the workpiece 23 clamped thereon to rotate about a workpiece axis C.
  • All driven axes of the generating grinding machine 1 are digitally controlled by a machine control 30.
  • the machine control 30 receives sensor signals from a large number of sensors in the generating grinding machine 1 and, depending on these sensor signals, emits control signals to the actuators of the generating grinding machine 1.
  • the machine control 30 in particular includes a plurality of axis modules (NC modules) 32, which provide control signals at their outputs for each machine axis (ie for at least one actuator that is used to drive the machine axis in question, such as a servo motor). It further includes an operator panel 33 and a control computer 31, which interacts with the operator panel 33 and the axis modules 32.
  • the control computer 31 receives operator commands from the control panel 33 as well as sensor signals and uses them to calculate control commands for the axis modules 32. Based on the sensor signals, it also outputs operating parameters to the control panel 33 for display. Processing a batch of workpieces
  • the workpiece In order to process an unprocessed workpiece (raw part), the workpiece is clamped by an automatic workpiece changer on the clamping device of the workpiece spindle that is in the workpiece changing position.
  • the workpiece change takes place in parallel with the machining of another workpiece on the other workpiece spindle that is in the machining position.
  • the workpiece carrier 20 is pivoted through 180° about the C3 axis so that the spindle with the new workpiece to be machined comes into the machining position.
  • a centering operation is carried out using a centering probe.
  • the workpiece spindle 21 is rotated and the position of the tooth gaps in the workpiece 23 is measured using the centering probe. The rolling angle is determined on this basis.
  • the finished workpiece is removed from the other workpiece spindle and another blank part is clamped onto this spindle.
  • an externally excited oscillating movement is introduced into the generating grinding process.
  • Ultrasonic vibrations have been detected on various occasions during cylindrical and surface grinding used to reduce grinding forces, minimize tool wear and optimize the workpiece surface in terms of structure and roughness parameters (see documents [3]-[24]). With the superposition of ultrasonic vibrations, the continuous contact between tool and workpiece becomes discontinuous and/or the trajectory of the abrasive grains is changed. This can result in advantages in terms of productivity and quality. However, due to the completely different kinematics and contact conditions in continuous generating grinding, knowledge gained from surface or cylindrical grinding cannot be transferred to continuous generating grinding.
  • the process kinematics of generating grinding is suitably superimposed with oscillating movements in the ultrasonic range (above 15 kHz) or in the low-frequency range (below 15 kHz).
  • This is intended to reduce the waviness of the ground tooth flank surface and prevent or interrupt regular grinding marks.
  • Further goals include reducing process forces and tool wear. This makes it possible to subject grinding processes to a higher intensity in the future (e.g. shortening the grinding time by increasing the axial feed), as the individual grain is subjected to less stress and the grinding forces are reduced.
  • oscillating movements are superimposed with frequencies below the ultrasonic range, there is the potential to suppress chatter frequencies.
  • the oscillating movements are generated on the workpiece.
  • the clamping device for the workpiece (hereinafter also referred to as the clamping set) can be equipped with an actuator to generate vibrations.
  • Table 1 shows these three main directions for the exemplary case of machining a spur gear.
  • Table 1 Allocation of the three main directions of superimposed oscillating movements when grinding a spur gear
  • An eigenmode is characterized by areas of the so-called antinodes with maximum deflection and at the same time minimum expansion. Opposite areas with minimum mechanical deflection and maximum mechanical strain are called oscillation nodes.
  • the workpiece (gear) and the workpiece clamping (clamping set) are preferably excited as a common oscillating structure in suitable natural modes. Inherent modes are preferably used, which lead to largely similar deflections along the entire circumference of the gear. Otherwise, and in the case of oscillation forms that occur randomly in their alignment, as is the case, for example, with bending vibrations with respect to the axis C of the workpiece and the clamping set, the vibration generated in the working point would be subject to chance and process reliability could not be guaranteed.
  • Fig. 3 there are three possible types of vibration to achieve the differently directed ones oscillating movements of a gear 23 in the three main directions described above from Table 1 are idealized and sketched for the case of a straight-toothed gear 23.
  • the clamping set 22 together with the gear 23 is excited in a natural mode with longitudinal oscillation (longitudinal oscillation) in the direction of the gear axis (workpiece axis C).
  • the order of the mode is selected and the structure is designed in such a way that an antinode of the longitudinal vibration is formed in the area of the gear 23. This means that maximum amplitudes act in the axial direction of the gear 23 in the effective point of the process and thus in the cutting direction.
  • vibration superposition and combinations thereof can be implemented via the type of vibration generator (thickness oscillator or shear oscillator), their positioning, the geometry of the final mass and the choice of the eigenmode (via excitation frequency).
  • So-called operating vibration shapes such as those that arise from real structures, always have a certain degree of combinations of different directional components of the idealized vibration directions. Integration of the swing generator into the clamping device
  • a vibration generator is preferably integrated into the clamping set.
  • the vibration generator preferably comprises one or more piezoelectric actuators, which convert an electrical control corresponding to the working frequency into mechanical vibrations.
  • the placement and orientation of the vibration generator determines the vibration parameters achieved on the surface of the tooth flanks to be machined and can be designed according to the intended type of vibration superimposition.
  • the actuators are preferably positioned near a vibration node for the eigenmode to be excited.
  • the mechanical direction of action of the actuators is in the direction of the expansion of the vibration mode at the position of the actuators.
  • several thin actuators are used as an actuator stack with alternatingly polarized electrodes in between for power supply. With this structure, the required electrical field strengths are achieved with relatively low electrical voltages.
  • a vibration mode is preferably selected which has a vibration node in the area of the connection of the clamping set to the workpiece spindle.
  • the vibration transmission can be further reduced by the clamping set having a high mass in the fastening area and/or by providing geometries for reduced vibration transmission.
  • a frequency generator can be used to supply the actuators with an excitation signal in the form of an electrical alternating voltage at the desired excitation frequency.
  • the excitation frequency generated corresponds to the resonance frequency of the eigenmode to be excited. In certain areas, the resonance frequency depends on influences such as temperature and the acting process force.
  • the frequency of the frequency generator should preferably be regulated with a regulator.
  • Frequency generator and controller can be integrated into a control device. With it The output excitation frequency can be tracked to the variable resonance frequency of the system.
  • the ultrasound power is preferably regulated so that desired amplitudes can be introduced into the process regardless of the load.
  • the actual oscillation of the gear can be recorded in terms of frequency, phase position and/or amplitude. Since the oscillating movement of the tooth flanks cannot easily be recorded directly in the process, an indirect measurement can be carried out and allow conclusions to be drawn about the vibration on the gear.
  • a single sensor can, assuming the correct excited mode, provide the actual values for vibration on the tooth flanks.
  • a statement as to whether excitation is actually occurring in the desired mode is only possible to a limited extent with the individual sensor. With the arrangement of several sensors at characteristic points, with the phase position of the sensor signals and with the comparison of the measured amplitudes, the excited three-dimensional oscillation shape can also be deduced. This ensures vibration excitation in the desired natural mode and increases process stability in controlled oscillation operation.
  • Piezoelectric elements from which a voltage signal can be picked up, can also be provided as sensors.
  • Both the electrical supply to the actuators and the sensor signals are transmitted between the rotating clamping set with gear and the stationary control device.
  • a non-contact rotary transformer with inductive power transmission can be provided.
  • Example 1 Generation of torsional vibrations with vibration generators above the gear
  • FIG. 4 shows a clamping set 22 for rigid connection to the rotating shaft of a workpiece spindle in a very schematic manner.
  • the end of the clamping set that is intended for connection to the spindle shaft is referred to below as the proximal end 221, and the end 222 opposite thereto is referred to as the distal end.
  • the proximal end is at the bottom and the distal end is at the top.
  • the Clamping set 22 has a clamping area 223 in the form of a radially expandable expansion sleeve or a segmented clamping bushing, on which a gear-shaped workpiece 23 is clamped.
  • a vibration transducer 40 is integrated into the clamping set above the workpiece 23 (axially between the clamping area 223 and the distal end 222).
  • the clamping set 22 Above the vibration transducer 40 (distally from the vibration transducer 40), the clamping set 22 has an exchangeable end piece 224 in the form of a preload nut. With this end piece 224, the vibration transducer 40 is fixed to the clamping set 22 and at the same time compressed in the axial direction along the workpiece axis C.
  • the vibration converter 40 includes, on the one hand, a vibration generator 410, which is controlled with a high-frequency excitation signal V A in order to excite torsional vibrations 41 of the workpiece 23.
  • the vibration transducer 40 includes a vibration sensor 420 to measure characteristics of the generated vibrations. The vibration sensor 420 outputs one or more sensor signals V s .
  • a control device 50 is used to read out the vibration sensor 420 and to control the vibration generator 410 based on this.
  • the control device 50 includes, on the one hand, a frequency generator 51 in order to generate the excitation signal V A for the actuator 410.
  • the control device 50 includes a controller 52 which receives the sensor signals V s and regulates the frequency f and amplitude A of the excitation signal V A on the basis of these sensor signals.
  • the electrical output and input signals of the vibration transducer 40 are transmitted through electrical lines inside the clamping set 22.
  • An inductive transmission device 53 shown only schematically, is used for the contactless transmission of the excitation signal V A from the control device 50 to the clamping set 22.
  • a further transmission device 54 is used to transmit the sensor signals V s from the clamping set 22 to the control device 50.
  • the transmission can be inductive by two concentric coils arranged on the workpiece axis, one of the coils being arranged on the clamping device and the other coil on the stationary machine element.
  • arrangements can be used such as those from Refs. [31] or [32] are known in a different context.
  • the vibration generator 410 generates a torsional vibration about the workpiece axis C.
  • the frequency of this torsional vibration is controlled by the controller 52 in such a way that the unit consisting of the clamping set 22 and the workpiece 23 is excited resonantly becomes.
  • the excitation frequency f is regulated by the controller 52 in such a way that the amplitude A measured by the vibration sensor 420 becomes maximum.
  • a standing wave is created with vibration nodes (i.e. places where the amplitude of the torsional vibration is minimal) and antinodes (i.e. places where the amplitude of the torsional vibration has a local maximum) along the workpiece axis C.
  • the amplitude distribution of this standing wave along the workpiece axis is illustrated in the left part of FIG. 4 as an amplitude distribution 61 on a radius R not equal to zero.
  • the clamping set 22 is designed such that the standing wave has a vibration antinode in the area of the workpiece 23, while the vibration generator 410 is arranged near a vibration node.
  • the vibration generator 410 is arranged near the first vibration node above the gear 23, which contributes to a particularly large amplitude of the resulting torsional vibration at the antinodes.
  • the clamping set 22 is designed in such a way that there is a vibration node at its proximal end 221, i.e. where the clamping set 22 is connected to the spindle shaft.
  • the geometric design of the clamping set 22 and the positioning of the vibration generator 410 in such a way that a resonant excitation can take place and the vibration antinodes and nodes are at the desired locations can be easily achieved using well-known simulation methods of vibration behavior, in particular FEM simulations. take place.
  • the design of the clamping set 22 and the positioning of the vibration generator 410 are basically workpiece-specific. However, once a clamping set 22 has been designed, it can definitely be used within certain limits for different workpieces 23 by adapting the excitation frequency f depending on the workpiece so that a resonant excitation occurs.
  • the structure of a suitable vibration transducer 40 is illustrated by way of example in FIG. 5.
  • the vibration transducer 40 comprises a stack of flat, disc-ring-shaped elements.
  • the stack has two areas.
  • a first, lower area forms one Vibration generator 410, a second area above it a vibration sensor 420.
  • the vibration generator 410 comprises two annular piezoelectric shear actuators 411 arranged axially one above the other, between which a central annular electrode 412 is arranged. Above the upper shear actuator and below the lower shear actuator, an outer annular electrode 412 is arranged at the two axial ends of the vibration generator 410. The two outer electrodes are electrically connected to each other.
  • the shear actuators are both constructed identically, but are arranged mirrored to one another with respect to a horizontal plane that runs through the central electrode 412.
  • Shear actuators are known per se from the prior art. They take advantage of the fact that in many piezo materials the piezoelectric shear deformation coefficient d 15 is not equal to zero.
  • the shear actuators 411 are constructed in such a way that they generate a shear deformation in the circumferential direction under the influence of an electric field that runs along the workpiece axis C.
  • the direction of action of the actuators around their axis C can be achieved using a special polarization process in which the closed ring is polarized in segments over the circumference.
  • Actuators that produce shear deformation in the circumferential direction are, for example, in Refs. [33]-[36].
  • both shear actuators 411 When a voltage is applied between the outer electrodes and the central electrode, both shear actuators 411 generate a shear force directed in the same direction along the circumferential direction. Overall, a torque is created between the upper end and the lower end of the vibration generator 410.
  • a torsional vibration can be generated by driving the shear actuators with an alternating voltage.
  • the vibration sensor 420 is basically constructed in a very similar way. In the present example, it has only a single annular piezoelectric element, which generates an output voltage under the influence of a shear deformation between its underside and its upper side, which acts in the circumferential direction.
  • the vibration generator 410 and the vibration sensor 420 are electrically isolated from each other by insulating disks 430.
  • the end piece 224 which is designed as a preload nut, the stack of the disc-ring-shaped elements can be moved along the A compression force F c is applied in the axial direction.
  • FIG. 1 An alternative arrangement for exciting torsional vibrations is shown in FIG.
  • the vibration transducer 40 is located axially between the proximal end 221 of the clamping set 22 and the clamping area 223 for the workpiece 23.
  • the vibration transducer 40 is arranged in the area of a vibration node.
  • an axial preload can be generated on the vibration transducer 40 by means of a suitable pretensioning device.
  • FIG. 7 is structurally similar to the arrangement of FIG. 4, and reference is made to the above statements in this regard.
  • the vibration converter 40 is designed to primarily generate a longitudinal vibration 42 of the workpiece 23. Again a resonant excitation occurs.
  • the resulting amplitude distribution of the longitudinal vibration components 62 in the direction of the C-axis of the workpiece and the clamping set is sketched.
  • the vibration transducer 40 is arranged in the area of a (here longitudinal) vibration node.
  • ring-shaped thickness actuators using the piezoelectric longitudinal deformation coefficient d 33 can be used as piezo actuators.
  • a longitudinal vibration of the workpiece 23 is also excited.
  • the vibration transducer 40 is located in the area of a longitudinal vibration node below the workpiece 23, between the proximal end of the clamping set 22 and the clamping area for the workpiece.
  • a transverse (radial) vibration 63 of the gear 23 is excited, the amplitude of the vibration being the same at any time over the entire circumference of the gear. Since a longitudinal vibration is always accompanied by a transverse contraction, a longitudinally acting vibration transducer can be used, which causes the radial vibration 63 in the area of the workpiece 23, as has already been explained above in the context of FIG.
  • the longitudinal amplitude distribution 62 and the transversal amplitude distribution 63 are schematically sketched on a non-zero radius R.
  • the vibration transducer 40 is arranged in the area of a longitudinal node.
  • the workpiece 23 is arranged in the area of the adjacent longitudinal node and thus in the area of a transverse vibration antinode.
  • a radial vibration 63 of the gear 23 is also stimulated by means of a longitudinally acting vibration converter 40.
  • the vibration converter 40 is close to a longitudinal vibration node between the proximal end of the clamping set 22 and the clamping point for the workpiece 23 arranged.
  • vibration generators can be used. More than just one vibration generator can also be used per clamping set.
  • a vibration generator can also include one of two different numbers of actuators. For example, several vibration generators can be arranged at different axial locations in order to specifically generate specific vibration forms. The vibration forms generated can be more complex than in the examples explained above and can include, for example, superpositions of longitudinal, radial and torsional vibrations.
  • vibration sensors can be present at different axial locations in order to be able to characterize the type of vibration and its amplitude distribution more precisely.
  • vibration generators and/or vibration sensors comprise flat, disc-ring-shaped piezoelectric elements as in the above examples, several such elements can be stacked on top of one another with electrodes arranged between them.
  • disk ring-shaped piezoelectric elements differently shaped piezoelectric elements can also be used.
  • ring segment-shaped elements can be used, which are arranged overall to form a ring, or elements of any other shape can be used, which are arranged evenly distributed over the circumference of the clamping set.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Grinding And Polishing Of Tertiary Curved Surfaces And Surfaces With Complex Shapes (AREA)
  • Gear Processing (AREA)

Abstract

Es wird ein Verfahren zur Wälzbearbeitung eines zahnradförmigen Werkstücks (23), insbesondere durch kontinuierliches Wälzschleifen, offenbart, bei dem das zahnradförmige Werkstück um eine Werkstückachse (C) rotiert, während es in einem Wälzeingriff mit einem Wälzbearbeitungswerkzeug steht. Das zahnradförmige Werkstück führt während der Bearbeitung eine oszillierende Bewegung aus, die der Rotation des zahnradförmigen Werkstücks überlagert ist. Ebenfalls offenbart sind eine Spannvorrichtung (22), die zur Durchführung des Verfahrens ausgebildet ist, sowie ein System, das eine derartige Spannvorrichtung und eine Steuereinrichtung (50) umfasst. Schliesslich wird auch eine Wälzbearbeitungsmaschine offenbart, die eine Spannvorrichtung der genannten Art umfasst.

Description

TITEL
SCHWINGUNGSUNTERSTÜTZTE WÄLZBEARBEITUNG
TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bearbeitung eines zahnradförmigen Werkstücks durch ein Wälzbearbeitungsverfahren, insbesondere durch kontinuierliches Wälzschleifen, eine Spannvorrichtung, die zur Durchführung des Verfahrens ausgebildet ist, ein System zur Erzeugung von oszillierenden Bewegungen eines zahnradförmigen Werkstücks während der Bearbeitung durch ein Wälzbearbeitungsverfahren, sowie eine Wälzschleifmaschine, auf der die Spannvorrichtung zum Einsatz kommt.
STAND DER TECHNIK
Die abschliessende Hartfeinbearbeitung bei der Verzahnungsfertigung ist einer der wichtigsten Arbeitsschritte bezüglich der erzeugten Verzahnungsqualität. Hierbei wird die später im Zahneingriff befindliche Geometrie gefertigt. Ein häufig zur Hartfeinbearbeitung eingesetztes Verfahren ist das kontinuierliche Wälzschleifen. Beim kontinuierlichen Wälzschleifen wird ein zahnradförmiges Werkstück im Wälzeingriff mit einem Schleifwerkzeug in Form einer schneckenförmig profilierten Schleifscheibe (Schleifschnecke) bearbeitet. Das Wälzschleifen ist ein sehr anspruchsvolles, generierendes Bearbeitungsverfahren, das auf einer Vielzahl von synchronisierten, präzisen Einzelbewegungen basiert und von vielen Randbedingungen beeinflusst wird. Informationen zu den Grundlagen des kontinuierlichen Wälzschleifens finden sich z.B. in Ref. [1],
In der Fig. 1 ist beispielhaft der Eingriff zwischen einer einem Wälzbearbeitungswerkzeug in Form einer Schleifschnecke 16 und einem schrägverzahnten Zahnrad 23 beim kontinuierlichen Wälzschleifen illustriert. Die Schleifschnecke 16 rotiert um eine Werkzeugachse B, während das Zahnrad 23 um eine Werkstückachse C rotiert. Dabei greifen die Schleifschnecke 16 und das Zahnrad 23 entsprechend eines Schraubwälzgetriebes ineinander (sogenannte Wälzkopplung). Während eines Schleifhubs erfolgt eine axiale Vorschubbewegung der Schleifschnecke 16 relativ zum Zahnrad 23 entlang einer Vorschubachse Z, die parallel zur Werkstückachse C verläuft. Gleichzeitig wird die Schleifschnecke 16 kontinuierlich translatorisch entlang einer Y-Richtung bewegt, die parallel zur Werkzeugachse B verläuft, um laufend frisches Schneckenmaterial in Eingriff mit dem Zahnrad 23 zu bringen (sogenannte Shiftbewegung). Entlang einer Zustellachse X erfolgt eine Zustellung der Schleifschnecke 16 in radialer Richtung bezogen auf das Zahnrad 23.
In Folge der komplexen Schnittbewegung zwischen Schleifschnecke 16 und Zahnrad 23 bilden sich auf den Zahnflanken regelmässige, wellenförmige Strukturen entlang der Flankenlinienrichtung aus (sogenannte Schleifriefen). Diese regelmässigen Strukturen können im Einsatz der Zahnräder zu unerwünschter Geräuschentwicklung führen.
Im Stand der T echnik wurden verschiedene Ansätze zur nachträglichen Beseitigung solcher regelmässigen Strukturen vorgeschlagen. Beispielsweise wurde vorgeschlagen, dem kontinuierlichen Wälzschleifen einen Polierschleifprozess oder einen Honprozess nachzulagern. Allerdings ist ein solcher zusätzlicher Prozessschritt häufig mit einer unerwünschten Kostensteigerung verbunden.
Auch wurde im Stand der Technik vorgeschlagen, Massnahmen zu ergreifen, um die Entstehung die genannten regelmässigen Strukturen von Anfang an zu vermeiden. So werden beim sogenannten Low Noise Shifting (LNS) die Drehwinkel von Schleifschnecke und Abrichtscheibe beim Abrichten gekoppelt. Durch eine darauf gezielt abgestimmte Shiftbewegung beim Schleifen werden periodische Schwankungen des Schliffbildes gezielt so platziert, dass ein günstigeres Geräuschverhalten des Zahnrades erzielt wird (siehe Ref. [2]). Aufgrund der zunehmenden Prozesskomplexität deckt dieses Verfahren nicht alle geräuschkritischen Applikationen vollständig ab.
In Ref. [30] wird vorgeschlagen, beim kontinuierlichen Wälzschleifen eine gezielte Welligkeit zu erzeugen, indem eine gezielte Unwucht des Werkzeugs ausgenutzt wird.
Auch bei anderen Wälzbearbeitungsverfahren wie dem Wälzschälen können unerwünschte regelmässige Strukturen entstehen. DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
In einem ersten Aspekt ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Wälzbearbeitung von zahnradförmigen Werkstücken, insbesondere zum kontinuierlichen Wälzschleifen anzugeben, mit der unerwünschte regelmässige Strukturen auf den Flanken der bearbeiteten Werkstücke vermindert werden können.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren nach Anspruch 1 gelöst. Weitere Ausführungsformen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Die Erfindung schlägt ein Verfahren zur Bearbeitung eines zahnradförmigen Werkstücks, insbesondere von dessen Zahnflanken, durch ein Wälzbearbeitungsverfahren, insbesondere durch kontinuierliches Wälzschleifen vor. Während der Bearbeitung rotiert das zahnradförmige Werkstück um eine Werkstückachse, während es im Wälzeingriff mit einem Wälzbearbeitungswerkzeug, insbesondere einem schneckenförmig profilierten Schleifwerkzeug steht, das um eine Werkzeugachse rotiert. Das Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass das zahnradförmige Werkstück während der Bearbeitung eine oszillierende Bewegung ausführt, die der Rotation des zahnradförmigen Werkstücks überlagert ist. Dadurch wird der Eingriff zwischen Werkstück und Werkzeug so modifiziert, dass die Oberflächenstruktur der so gefertigten Werkstücke verbessert werden kann. Insbesondere können regelmässige Strukturen wie Schleifriefen vermieden oder unterbrochen werden.
Die oszillierende Bewegung des zahnradförmigen Werkstücks weist dabei vorzugsweise eine Komponente entlang mindestens einer der folgenden Bewegungsrichtungen auf: axial entlang der Werkstückachse; radial zur Werkstückachse; und torsional um die Werkstückachse.
Die oszillierende Bewegung kann insbesondere einer Überlagerung von Komponenten entlang dieser Bewegungsrichtungen entsprechen.
In einigen Ausführungsformen weist die oszillierende Bewegung eine Grundfrequenz oberhalb von 15 kHz auf. In anderen Worten handelt es sich in solchen Ausführungsformen bei der oszillierenden Bewegung um eine Schwingung im Ultraschallbereich. Wie nachstehend noch näher beschrieben wird, lassen sich solche Bewegungen besonders effizient durch resonante Anregung einer Spannvorrichtung, auf der das Werkstück aufgespannt ist, erzeugen. In anderen Ausführungsformen liegt die Grundfrequenz unterhalb von 15 kHz. Mit "Grundfrequenz" ist dabei derjenige Spektralanteil der Schwingung gemeint, der die niedrigste Frequenz aufweist.
Die oszillierende Bewegung kann insbesondere wie folgt erzeugt werden: Das zahnradförmige Werkstück ist während der Wälzschleifbearbeitung auf einer Spannvorrichtung aufgespannt, wobei die Spannvorrichtung wiederum auf einer Werkstückspindel angeordnet ist. Die Werkstückspindel treibt das auf der Spannvorrichtung aufgespannte zahnradförmige Werkstück zu der Rotation um die Werkstückachse an. Die Spannvorrichtung weist einen Spannbereich auf, der mit dem auf der Spannvorrichtung aufgespannten Werkstück in direktem Kontakt steht. Die oszillierende Bewegung des zahnradförmigen Werkstücks wird dann vorzugsweise erzeugt, indem der Spannbereich der rotierenden Spannvorrichtung zu einer Schwingung angeregt wird. Diese Anregung erfolgt vorzugsweise resonant, so dass die Schwingung eine Eigenmode der Spannvorrichtung mit dem darauf aufgespannten zahnradförmigen Werkstück ist. Dadurch kann eine kontrollierte Anregung mit hoher Amplitude erreicht werden. Die entsprechenden Eigenfrequenzen (Resonanzfrequenzen) liegen typischerweise im Ultraschallbereich. Um eine unerwünschte Übertragung der Schwingung auf die Werkstückspindel zu reduzieren, ist die Eigenmode vorzugsweise derart gewählt, dass sich in einem Befestigungsbereich der Spannvorrichtung, der mit der Werkstückspindel in Kontakt steht, ein Schwingungsknoten der Eigenmode befindet.
Zur Anregung der Schwingung kann die Spannvorrichtung einen in die Spannvorrichtung integrierten Schwingungserzeuger aufweisen. Der Schwingungserzeuger wandelt ein elektrisches Anregungssignal in Form einer Wechselspannung mit geeigneter Frequenz in eine Schwingung der Spannvorrichtung mit dem darauf aufgespannten zahnradförmigen Werkstück um. Um die durch das Anregungssignal bewirkte Schwingung zu überwachen, kann ein elektrisches Sensorsignal ermittelt werden, das die Schwingung charakterisiert. Das Anregungssignal kann dann anhand des Sensorsignals derart geregelt werden, dass die Anregung der Schwingung resonant erfolgt, wie das wie vorstehend erläutert wurde. Insbesondere kann das Sensorsignal die Amplitude der erzeugten Schwingung und/oder die Phasenlage der erzeugten Schwingung relativ zum Anregungssignal charakterisieren. Anhand eines solchen Sensorsignals kann dann die Regelung des Anregungssignals (insbesondere von dessen Frequenz) derart erfolgen, dass das schwingende System aus der Spannvorrichtung und dem darauf aufgespannten zahnradförmigen Werkstück wie gewünscht resonant angeregt wird. Geeignete Regelalgorithmen, um die Anregung eines schwingfähigen Systems so zu regeln, dass das System resonant schwingt, sind grundsätzlich bekannt.
Vorzugsweise werden das Anregungssignal und das Sensorsignal berührungslos zwischen der rotierenden Spannvorrichtung und einer stationären Steuereinrichtung übertragen. Die Steuereinrichtung kann insbesondere einen Frequenzgenerator zur Erzeugung des Anregungssignals und einen Regler für die vorstehend beschriebene Regelung des Anregungssignals umfassen. Geeignete Einrichtungen zur berührungslosen Übertragung von Energie und von Signalen sind an sich bekannt. Beispielsweise kann die Übertragung induktiv durch zwei konzentrisch um die Werkstückachse angeordnete Spulen erfolgen, wobei eine der Spulen an der Spannvorrichtung und die andere Spule am stationären Maschinenelement angeordnet ist.
In einem zweiten Aspekt stellt die Erfindung eine Spannvorrichtung zum Aufspannen eines zahnradförmigen Werkstücks auf einer Werkstückspindel einer Verzahnungsbearbeitungsmaschine, insbesondere einer Wälzschleifmaschine zur Verfügung, die zur Durchführung des vorstehend beschriebenen Verfahrens gemäss dem ersten Aspekt der Erfindung ausgebildet ist. Die Spannvorrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass sie einen Schwingungserzeuger zur Erzeugung einer Schwingung der Spannvorrichtung mit dem darauf aufgespannten zahnradförmigen Werkstück aufweist.
Der Schwingungserzeuger kann insbesondere dazu ausgebildet sein, eine Schwingungsanregung entlang mindestens einer der folgenden Bewegungsrichtungen zu erzeugen: axial entlang der Werkstückachse; radial zur Werkstückachse; und torsional um die Werkstückachse.
In bevorzugten Ausführungsformen umfasst der Schwingungserzeuger einen Piezoaktor oder ist als Piezoaktor ausgebildet. Insbesondere kann der Schwingungserzeuger der Schwingungserzeuger mindestens ein piezoelektrisches Aktorelement aufweisen, das scheibenringförmig oder ringsegmentförmig ist, wobei eine Ringachse des piezoelektrischen Aktorelements der Werkstückachse entspricht.
Der Schwingungserzeuger kann wie folgt in der Spannvorrichtung angeordnet sein: Die Spannvorrichtung definiert ein proximales Ende und ein distales Ende, wobei das proximale Ende zur Verbindung mit der Werkstückspindel ausgebildet ist. Die Spannvorrichtung weist einen Spannbereich auf, der dazu ausgebildet ist, einen direkten Kontakt mit dem zahnradförmigen Werkstück einzugehen. Der Spannbereich kann z.B. in an sich bekannter Weise als hydraulisch betätigbare Dehnhülse oder als mechanisch betätigbare, segmentierte Spannbuchse ausgebildet sein. Der Schwingungserzeuger kann dann zwischen dem proximalen Ende und dem Spannbereich angeordnet sein, oder er kann distal vom Spannbereich angeordnet sein.
Die Spannvorrichtung kann ausserdem einen Schwingungssensor zur Ermittlung mindestens eines Sensorsignals aufweisen, wobei das Sensorsignal die Schwingung der Spannvorrichtung mit dem darauf aufgespannten zahnradförmigen Werkstück charakterisiert.
Der Schwingungssensor kann insbesondere einen Piezosensor umfassen oder als Piezosensor ausgebildet sein. Er kann analog zum Schwingungserzeuger aufgebaut sein und mindestens ein piezoelektrisches Sensorelement aufweisen, das scheibenringförmig oder ringsegmentförmig ist, wobei eine Ringachse des piezoelektrischen Sensorelements der Werkstückachse entspricht. Der Schwingungserzeuger und der Schwingungssensor können gemeinsam einen Schwingungswandler bilden, der einen Stapel aus scheibenringförmigen oder ringsegmentförmigen piezoelektrischen Elementen, scheibenringförmigen Elektroden und scheibenringförmigen Isolationsscheiben umfasst.
In einem dritten Aspekt stellt die vorliegende Erfindung ein System zur Erzeugung einer oszillierenden Bewegung eines zahnradförmigen Werkstücks während der Bearbeitung durch ein Verzahnungsbearbeitungsverfahren, insbesondere durch kontinuierliches Wälzschleifen zur Verfügung. Das System umfasst einerseits eine Spannvorrichtung der gemäss dem zweiten Aspekt der Erfindung. Andererseits umfasst das System einen Frequenzgenerator zur Erzeugung eines Anregungssignals für den Schwingungserzeuger, um die Schwingung der Spannvorrichtung mit dem darauf aufgespannten zahnradförmigen Werkstück zu bewirken. Das System kann einen Regler aufweisen, der dazu ausgebildet ist, das Sensorsignal zu empfangen und anhand des Sensorsignals das Anregungssignal derart zu regeln, dass die Anregung der Schwingung resonant erfolgt.
Das System kann ausserdem eine Übertragungseinrichtung zur berührungslosen Übertragung des Anregungssignals und des Sensorsignals zwischen dem rotierenden Spannmittel und der stationären Steuereinrichtung umfassen, wie das vorstehend schon im Kontext des Verfahrens ausgeführt wurde.
In einem vierten Aspekt stellt die Erfindung eine Wälzbearbeitungsmaschine, insbesondere Wälzschleifmaschine zur Verfügung, die zur Durchführung des Verfahrens gemäss dem ersten Aspekt der Erfindung ausgebildet ist. Die Wälzbearbeitungsmaschine weist auf: eine Werkzeugspindel, um ein Wälzbearbeitungswerkzeug, insbesondere ein schneckenförmig profiliertes Schleifwerkzeug, zu einer Rotation um eine Werkzeugachse anzutreiben; eine Werkstückspindel, um das zahnradförmige Werkstück zu einer Rotation um die Werkstückachse anzutreiben; und eine Maschinensteuerung, die dazu ausgebildet ist, die Werkzeugspindel und die Werkstückspindel derart anzusteuern, dass eine Wälzkopplung zwischen der von der Werkzeugspindel erzeugten Rotation des Werkzeugs und der von der Werkstückspindel erzeugten Rotation des Werkstücks hergestellt wird.
Die Wälzbearbeitungsmaschine zeichnet sich dadurch aus, dass auf der Werkstückspindel ein Spannmittel gemäss dem zweiten Aspekt der Erfindung angebracht ist. Selbstverständlich kann die Wälzbearbeitungsmaschine ausserdem einen Frequenzgenerator, einen Regler und/oder eine Übertragungseinrichtung aufweisen, wie sie im dritten Aspekt der Erfindung angegeben sind.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden im Folgenden anhand der Zeichnungen beschrieben, die lediglich zur Erläuterung dienen und nicht einschränkend auszulegen sind. In den Zeichnungen zeigen:
Fig. 1 eine Skizze zur Erläuterung der Kinematik beim kontinuierlichen Wälzschleifen; Fig. 2 eine schematische Ansicht einer Wälzschleifmaschine;
Fig. 3 eine schematische Skizze mit möglichen Schwingungsarten und -formen einer Spannvorrichtung mit darauf aufgespanntem Zahnrad;
Fig. 4 eine schematische Ansicht einer Spannvorrichtung mit darauf aufgespanntem Zahnrad, mit einem oberhalb des Zahnrads angeordneten Schwingungswandler zur Erzeugung und Messung von Torsionsbewegungen des Zahnrads, zusammen mit einer zugeordneten Steuereinrichtung und einer möglichen Schwingungsform;
Fig. 5 eine schematische Explosionsansicht eines Schwingungswandlers, der einerseits einen Schwingungserzeuger und andererseits einen Schwingungssensor bildet;
Fig. 6 eine schematische Ansicht einer Spannvorrichtung mit darauf aufgespanntem Zahnrad, mit einem unterhalb des Zahnrads angeordneten Schwingungswandler zur Erzeugung und Messung von oszillierenden Torsionsbewegungen des Zahnrads, sowie eine mögliche Schwingungsform;
Fig. 7 eine schematische Ansicht einer Spannvorrichtung mit darauf aufgespanntem Zahnrad, mit einem oberhalb des Zahnrads angeordneten Schwingungswandler zur Erzeugung und Messung von oszillierenden longitudinalen Bewegungen des Zahnrads, sowie eine mögliche Schwingungsform;
Fig. 8 eine schematische Ansicht einer Spannvorrichtung mit darauf aufgespanntem Zahnrad, mit einem unterhalb des Zahnrads angeordneten Schwingungswandler zur Erzeugung und Messung von oszillierenden longitudinalen Bewegungen des Zahnrads, sowie eine mögliche Schwingungsform;
Fig. 9 eine schematische Ansicht einer Spannvorrichtung mit darauf aufgespanntem Zahnrad, mit einem oberhalb des Zahnrads angeordneten Schwingungswandler zur Erzeugung und Messung von oszillierenden radialen Bewegungen des Zahnrads, sowie eine mögliche Schwingungsform; und
Fig. 10 eine schematische Ansicht einer Spannvorrichtung mit darauf aufgespanntem Zahnrad, mit einem unterhalb des Zahnrads angeordneten Schwingungswandler zur Erzeugung und Messung von oszillierenden radialen Bewegungen des Zahnrads, sowie eine mögliche Schwingungsform.
BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSFORMEN
Beispielhafter Aufbau einer Wälzschleifmaschine
In der Fig. 2 ist beispielhaft eine Wälzschleifmaschine 1 dargestellt, wie sie an sich aus dem Stand der Technik bekannt ist. Die Maschine weist ein Maschinenbett 11 auf, auf dem ein Werkzeugträger 12 entlang einer Zustellrichtung X verschiebbar geführt ist. Der Werkzeugträger 12 trägt einen Axialschlitten 13, der entlang einer Axialrichtung Z gegenüber dem Werkzeugträger 12 verschiebbar geführt ist. Auf dem Axialschlitten 13 ist ein Schleifkopf 14 montiert, der zur Anpassung an den Schrägungswinkel der zu bearbeitenden Verzahnung um eine parallel zur X-Achse verlaufende Schwenkachse (die sogenannte A-Achse) verschwenkbar ist. Der Schleifkopf 14 wiederum trägt einen Shiftsch I itten , auf dem eine Werkzeugspindel 15 entlang einer Shiftachse Y gegenüber dem Schleifkopf 14 verschiebbar ist. Auf der Werkzeugspindel 15 ist eine Schleifschnecke 16 aufgespannt. Die Schleifschnecke 16 wird von der Werkzeugspindel 15 zu einer Drehung um eine Werkzeugachse B angetrieben.
Das Maschinenbett 11 trägt des Weiteren einen schwenkbaren Werkstückträger 20 in Form eines Drehturms, der um eine Achse C3 zwischen mindestens zwei Stellungen verschwenkbar ist. Auf dem Werkstückträger 20 sind einander diametral gegenüberliegend zwei identische Werkstückspindeln 21 montiert, von denen in der Fig. 1 nur eine sichtbar ist. Auf jeder der Werkstückspindeln ist eine Spannvorrichtung 22 zur Aufspannung eines Werkstücks 23 montiert. Die in der Fig. 1 sichtbare Werkstückspindel befindet sich in einer Bearbeitungsposition, in der das auf der Spannvorrichtung 22 aufgespannte Werkstück 23 mit der Schleifscheibe 16 bearbeitet werden kann. Die andere, um 180° versetzt angeordnete und in der Fig.1 nicht sichtbare Werkstückspindel befindet sich in einer Werkstückwechselposition, in der ein fertig bearbeitetes Werkstück von der Spannvorrichtung auf dieser Spindel entnommen und ein neues Rohteil aufgespannt werden kann. Jede Werkstückspindel 21 treibt die auf ihr montierte Spannvorrichtung 22 mit dem darauf aufgespannten Werkstück 23 zu einer Rotation um eine Werkstückachse C an.
Alle angetriebenen Achsen der Wälzschleifmaschine 1 werden durch eine Maschinensteuerung 30 digital gesteuert. Die Maschinensteuerung 30 empfängt Sensorsignale von einer Vielzahl von Sensoren in der Wälzschleifmaschine 1 und gibt in Abhängigkeit von diesen Sensorsignalen Steuersignale an die Aktoren der Wälzschleifmaschine 1 ab. Die Maschinensteuerung 30 umfasst insbesondere mehrere Achsmodule (NC-Module) 32, welche an ihren Ausgängen Steuersignale für jeweils eine Maschinenachse (d.h. für mindestens einen Aktor, der zum Antrieb der betreffenden Maschinenachse dient, wie z.B. einen Servomotor) bereitstellen. Sie umfasst des Weiteren eine Bedientafel 33 sowie einen Steuerrechner 31 , der mit der Bedientafel 33 und den Achsmodulen 32 zusammenwirkt. Der Steuerrechner 31 empfängt Bedienerbefehle von der Bedientafel 33 sowie Sensorsignale und errechnet daraus Steuerbefehle für die Achsmodule 32. Er gibt des Weiteren auf Basis der Sensorsignale Betriebsparameter an die Bedientafel 33 zur Anzeige aus. Bearbeitung eines Werkstückloses
Um ein noch unbearbeitetes Werkstück (Rohteil) zu bearbeiten, wird das Werkstück durch einen automatischen Werkstückwechsler auf der Spannvorrichtung derjenigen Werkstückspindel aufgespannt, die sich in der Werkstückwechselposition befindet. Der Werkstückwechsel erfolgt zeitparallel zur Bearbeitung eines anderen Werkstücks auf der anderen Werkstückspindel, die sich in der Bearbeitungsposition befindet. Wenn das neu zu bearbeitende Werkstück aufgespannt ist und die Bearbeitung des anderen Werkstücks abgeschlossen ist, wird der Werkstückträger 20 um 180° um die C3-Achse geschwenkt, so dass die Spindel mit dem neu zu bearbeitenden Werkstück in die Bearbeitungsposition gelangt. Vor und/oder während des Schwenkvorgangs wird mit Hilfe einer Einzentriersonde eine Einzentrieroperation durchgeführt. Dazu wird die Werkstückspindel 21 in Drehung versetzt, und die Lage der Zahnlücken des Werkstücks 23 wird mit Hilfe der Einzentriersonde vermessen. Auf dieser Basis wird der Wälzwinkel festgelegt.
Wenn die Werkstückspindel, die das zu bearbeitende Werkstück 23 trägt, die Bearbeitungsposition erreicht hat, wird das Werkstück 23 durch Verschiebung des Werkzeugträgers 12 entlang der X-Achse kollisionsfrei mit der Schleifscheibe 16 in Eingriff gebracht. Das Werkstück 23 wird nun durch die Schleifscheibe 16 im Wälzeingriff bearbeitet. Währenddessen wird die Werkzeugspindel 15 langsam kontinuierlich entlang der Shiftachse Y verschoben, um laufend noch unverbrauchte Bereiche der Schleifscheibe 16 bei der Bearbeitung zum Einsatz kommen zu lassen (sogenannte Shiftbewegung).
Zeitparallel zur Werkstückbearbeitung wird das fertig bearbeitete Werkstück von der anderen Werkstückspindel entnommen, und es wird ein weiteres Rohteil auf dieser Spindel aufgespannt.
Einbringen von Schwingungen beim kontinuierlichen Wälzschleifen
Im Rahmen des hier vorgeschlagenen Verfahrens wird eine fremderregte oszillierende Bewegung in den Wälzschleifprozess eingebracht. Durch geeignete Wahl der Amplitude, Frequenz und Phasenlage der oszillierenden Bewegung können positive Effekte bezüglich der Struktur der Werkstückoberfläche erzielt werden.
Beim Rund- und Flachschleifen wurden schon verschiedentlich Ultraschallschwingungen eingesetzt, um Schleifkräfte zu reduzieren, Werkzeugverschleiss zu minimieren und die Werkstückoberfläche in Bezug auf die Struktur und Rauheitskenngrössen zu optimieren (siehe Dokumente [3]-[24]). Mit der Überlagerung von Ultraschallschwingungen wird der kontinuierliche Kontakt zwischen Werkzeug und Werkstück diskontinuierlich, und/oder es wird die Trajektorie der Schleifkörner geändert. Damit können sich Vorteile bezüglich Produktivität und Qualität ergeben. Aufgrund der vollkommen anderen Kinematik und Kontaktverhältnisse beim kontinuierlichen Wälzschleifen lassen sich Erkenntnisse, die beim Flach- oder Rundschleifen gewonnen wurden, allerdings nicht auf das kontinuierliche Wälzschleifen übertragen.
Bei dem hier vorgeschlagenen Verfahren wird die Prozesskinematik des Wälzschleifens in geeigneter Weise mit oszillierenden Bewegungen im Ultraschallbereich (oberhalb 15 kHz) oder im niederfrequenten Bereich (unterhalb von 15 kHz) überlagert. Damit sollen die Welligkeit der geschliffenen Zahnflankenoberfläche verringert und regelmässige Schleifriefen vermieden oder unterbrochen werden. Weitere Ziele bestehen in der Reduktion der Prozesskräfte und des Werkzeugverschleisses. Dadurch ist die Möglichkeit gegeben, Schleifprozesse künftig einer höheren Intensität zu unterwerfen (z.B. Verkürzung der Schleifzeit durch Erhöhung des Axialvorschubs), da das einzelne Korn weniger belastet wird und die Schleifkräfte reduziert werden. Bei der Überlagerung oszillierender Bewegungen mit Frequenzen unterhalb des Ultraschallbereiches besteht das Potential zur Unterdrückung von Ratterfrequenzen.
Im Rahmen des hier vorgeschlagenen Vorgehens werden die oszillierenden Bewegungen am Werkstück erzeugt. Dazu kann die Spannvorrichtung für das Werkstück (im Folgenden auch als Spannsatz bezeichnet) mit einer Aktorik zur Schwingungserzeugung ausgerüstet werden.
Schwinqunqsrichtunqen
Zur Ausrichtung der oszillierenden Bewegungen bezüglich der konventionellen Schnittrichtung beim kontinuierlichen Wälzschleifen sind drei Hauptrichtungen möglich. In der Tabelle 1 sind diese drei Hauptrichtungen für den bespielhaften Fall der Bearbeitung eines geradverzahnten Zahnrades angegeben. Tabelle 1: Zuordnung der drei Hauptrichtungen überlagerter oszillierender Bewegungen beim Schleifen eines geradverzahnten Zahnrades
Figure imgf000014_0001
Es sind auch Kombinationen dieser drei Hauptrichtungen möglich und sinnvoll. An realen Systemen sind solche Kombinationen in gewissem Mass sogar unvermeidbar. Das gilt in besonderem Masse für schrägverzahnte Zahnräder.
Schwingungsfrequenzen
Bezüglich des Frequenzbereiches kann die Unterscheidung in niederfrequente Schwingungen (unterhalb von 15 kHz) und hochfrequente Schwingungen im Ultraschallbereich (oberhalb von 15 kHz) vorgenommen werden. Die Einflüsse auf den Prozess können dabei sehr ähnlich sein und gleiche Zielstellungen verfolgen. Hinsichtlich der Schwingungserzeugung ergeben sich für die unterschiedlichen Frequenzbereiche allerdings verschiedene zweckmässige Umsetzungsvarianten.
Für die Erzeugung von Ultraschallschwingungen wird die Nutzung der natürlichen Strukturdynamik der anzuregenden Struktur aus Zahnrad und Spannsatz vorgeschlagen. Typischerweise liegen nutzbare Eigenmoden aufgrund der Massen- und Steifigkeitsverteilung derartiger Strukturen im Frequenzbereich des Ultraschalls und können zudem durch konstruktive Massnahmen optimiert und angepasst werden. Vorteile der Anregung in Resonanz sind bspw. die Möglichkeit der örtlichen Trennung der Aktorik zur Anregung und der Wirkstelle des Prozesses, die Beibehaltung einer verhältnismässig hohen Steifigkeit der Struktur und ein hoher Wirkungsgrad zur Erzeugung der Schwingungsamplituden in der Wirkstelle des Prozesses. Beispiele für die Integration eines Schwingungswandlers in den Spannsatz zur Erreichung dieser Ziele werden nachstehend noch näher erläutert.
Für die Erzeugung niederfrequenter Schwingungen entfällt in der Regel die Möglichkeit einer resonanten Anregung. Die Strukturdynamik von Spannsatz und Zahnrad lässt eine resonante Anregung im niederfrequenten Frequenzbereich meist nicht zu bzw. müsste in ihrer Steifigkeit derart herabgesetzt werden, dass die Nutzbarkeit für den Prozess nicht mehr gegeben wäre. Für die Erzeugung niederfrequenter Schwingungen wird daher eine nicht resonante Anregung vorgeschlagen. Durch eine geeignete Anordnung von Aktoren und eine verbindende Kinematik zur Übersetzung und Übertragung der Auslenkungen kann das Zahnrad auch in niederfrequente Schwingungen ohne Nutzung der Resonanz versetzt werden.
Eiqenmoden von Ultraschallschwinqunqen
Um gezielt Ultraschallschwingungen in die Wirkstelle des Prozesses einzukoppeln, ist es in einigen Ausführungsformen vorgesehen, natürliche Eigenmoden in Eigenresonanz und damit stehende Wellen anzuregen (Resonanzanregung). Eine Eigenmode ist dabei gekennzeichnet durch Bereiche der sogenannten Schwingungsbäuche mit maximaler Auslenkung und gleichzeitig minimaler Dehnung. Entgegengesetzte Bereiche mit minimaler mechanischer Auslenkung und maximaler mechanischer Dehnung werden als Schwingungsknoten bezeichnet.
Bevorzugt werden das Werkstück (Zahnrad) und die Werkstückaufspannung (Spannsatz) als eine gemeinsame schwingende Struktur in geeigneten Eigenmoden angeregt. Dabei werden vorzugsweise Eigenmoden genutzt, die am gesamten Umfang des Zahnrades zu weitgehend gleichartigen Auslenkungen führen. Andernfalls und bei sich zufällig in ihrer Ausrichtung einstellenden Schwingformen, wie es beispielsweise für Biegeschwingungen bezüglich der Achse C des Werkstückes und des Spannsatzes der Fall ist, würde die in der Wirkstelle erzeugte Schwingung dem Zufall unterliegen, und die Prozesssicherheit könnte nicht gewährleistet werden.
In Fig. 3 sind drei mögliche Schwingungsarten zum Erzielen der unterschiedlich gerichteten oszillierenden Bewegungen eines Zahnrads 23 in den oben beschriebenen drei Hauptrichtungen aus Tabelle 1 idealisiert und für den Fall eines geradverzahnten Zahnrades 23 skizziert.
Für die Überlagerung in Schnittrichtung (Diagramm a in Fig. 3) wird der Spannsatz 22 samt Zahnrad 23 in einer Eigenmode mit longitudinaler Schwingung (Längsschwingung) in Richtung der Zahnradachse (Werkstückachse C) angeregt. Dabei ist die Ordnung der Mode so ausgewählt und die Struktur so gestaltet, dass sich ein Schwingungsbauch der longitudinalen Schwingung im Bereich des Zahnrades 23 ausbildet. Damit wirken maximale Amplituden in Achsrichtung des Zahnrades 23 in der Wirkstelle des Prozesses und damit in Schnittrichtung.
Eine longitudinale Schwingung geht in geometrisch begrenzten Strukturen aufgrund der Querkontraktion stets mit einer transversalen Schwingung (Dickenschwingung) einher. Es wird von "quasi-longitudinalen" Schwingungen gesprochen. Dabei treten an den Stellen der maximalen Längsdehnung maximale transversale Auslenkungen auf. Das bedeutet, dass ein Schwingungsknoten einer realen longitudinalen Schwingung keine Längsverschiebungen, aber Verschiebungen quer dazu aufweist. Dieses Verhalten kann im Fall des Wälzschleifens für die Überlagerung in Schnittebene quer zur Schnittrichtung genutzt werden. Dieser Form der Schwingungsanregung ist in Fig. 3 im Diagramm b skizziert und durch einen longitudinalen Schwingungsknoten im Bereich des Zahnrades 23 gekennzeichnet.
Zur Überlagerung in Richtung der Schnitttiefe kann die rotationssymmetrische Struktur aus Zahnrad 23 und Spannsatz 22 in einer Torsionsmode um die Werkstückachse C angeregt werden, wobei ein torsionaler Schwingungsbauch im Bereich des Zahnrades 23 platziert ist. Skizziert ist diese Form der Schwingung im Diagramm c der Fig. 3.
Über die Art der Schwingungserzeuger (Dickenschwinger oder Scherschwinger), deren Positionierung, die Geometrie der Endmasse und über die Wahl der Eigenmode (über Anregungsfrequenz) können die verschiedenen Arten der Schwingungsüberlagerung und auch Kombinationen daraus umgesetzt werden. Sogenannte Betriebsschwingformen, wie sie sich an realen Strukturen ergeben, weisen dabei stets ein gewisses Maß an Kombinationen verschiedener Richtungsanteile der idealisierten Schwingungsrichtungen auf. Integration des Schwinqunqserzeuqers in die Spannvorrichtunq
Um die Schwingungen zu erzeugen, wird vorzugsweise ein Schwingungserzeuger in den Spannsatz integriert. Der Schwingungserzeuger umfasst dabei vorzugsweise einen oder mehrere piezoelektrische Aktoren, welche eine, der Arbeitsfrequenz entsprechende, elektrische Ansteuerung in mechanische Schwingungen wandeln. Die Platzierung und die Ausrichtung des Schwingungserzeugers bestimmt dabei die erzielten Schwingparameter an der zu bearbeitenden Oberfläche der Zahnflanken und kann entsprechend der jeweils bezweckten Art der Schwingungsüberlagerung gestaltet werden.
Zur effektiven Schwingungsanregung werden die Aktoren vorzugsweise für die anzuregende Eigenmode nahe eines Schwingungsknotens positioniert. Dabei liegt die mechanische Wirkungsrichtung der Aktoren in Richtung der Dehnung der Schwingungsmode an der Position der Aktoren. Vorzugsweise werden mehrere dünne Aktoren als Aktorstapel mit dazwischenliegenden, wechselseitig gepolten Elektroden zur Spannungsversorgung genutzt. Mit diesem Aufbau werden die benötigten elektrischen Feldstärken mit verhältnismässig geringen elektrischen Spannungen erzielt.
Zum Schutz der an den Spannsatz angebundenen Maschinenkomponenten und zur Vermeidung einer unerwünschten Schwingungsübertragung auf die restlichen Strukturen der Wälzschleifmaschine ist es sinnvoll, die Schwingung des Spannsatzes mit Zahnrad gegenüber dem Rest der Maschine zu entkoppeln. Dazu wird vorzugsweise eine Schwingungsmode gewählt, die im Bereich der Verbindung des Spannsatzes mit der Werkstückspindel einen Schwingungsknoten aufweist. Die Schwingungsübertragung kann weiter reduziert werden, indem der Spannsatz im Befestigungsbereich eine hohe Masse aufweist und/oder Geometrien zur verminderten Schwingungsübertragung vorgesehen werden.
Zur Versorgung der Aktoren mit einem Anregungssignal in Form einer elektrischen Wechselspannung in gewünschter Anregungsfrequenz kann ein Frequenzgenerator genutzt werden. Die erzeugte Anregungsfrequenz entspricht dabei der Resonanzfrequenz der anzuregenden Eigenmode. Dabei ist die Resonanzfrequenz in gewissen Bereichen abhängig von Einflüssen wie bspw. Temperatur und wirkender Prozesskraft. Um stets in einem günstigen Arbeitsbereich und mit hohem Wirkungsgrad anzuregen, sollte die Frequenz des Frequenzgenerators vorzugsweise mit einem Regler geregelt werden. Frequenzgenerator und Regler können in eine Steuereinrichtung integriert werden. Damit kann die ausgegebene Anregungsfrequenz der veränderlichen Resonanzfrequenz des Systems nachgeführt werden. Ausserdem wird vorzugsweise die Ultraschallleistung geregelt, sodass unabhängig von der Belastung gewünschte Amplituden in den Prozess eingebracht werden können.
Zur Regelung der Schwingungsamplitude und zum Nachführen der Anregungsfrequenz kann die tatsächliche Schwingung des Zahnrades in Frequenz, Phasenlage und/oder Amplitude erfasst werden. Da die oszillierende Bewegung der Zahnflanken im Prozess nicht ohne Weiteres direkt erfasst werden kann, kann eine mittelbare Messung erfolgen und Rückschlüsse auf die Schwingung am Zahnrad zulassen. Ein einzelner Sensor kann, unter Annahme der richtigen angeregten Eigenmode, die Istwerte zur Schwingung an den Zahnflanken liefern. Eine Aussage, ob tatsächlich in der gewünschten Mode angeregt wird, ist mit dem einzelnen Sensor nur begrenzt möglich. Mit der Anordnung mehrerer Sensoren an charakteristischen Punkten, mit der Phasenlage der Sensorsignale und mit dem Vergleich der gemessenen Amplituden kann auch auf die angeregte dreidimensionale Schwingform geschlossen werden. Damit kann die Schwingungsanregung in der gewünschten Eigenmode sichergestellt und die Prozessstabilität im geregelten Schwingbetrieb erhöht werden. Als Sensoren können ebenfalls piezoelektrische Elemente, von denen ein Spannungssignal abgegriffen werden kann, vorgesehen werden.
Sowohl die elektrische Versorgung der Aktoren als auch die Sensorsignale werden zwischen dem rotierenden Spannsatz mit Zahnrad und der ruhenden Steuereinrichtung übertragen. Dazu kann z.B. ein berührungsloser Drehübertrager mit induktiver Leistungsübertragung vorgesehen werden.
Beispiel 1 : Erzeugung von Torsionsschwinqunqen mit Schwinqunqserzeuqer oberhalb des Zahnrads
Ein Beispiel für die Umsetzung der vorstehend erläuterten Prinzipien in die Praxis wird nun anhand der Fig. 4 erläutert.
In der Fig. 4 ist in stark schematischer Weise ein Spannsatz 22 zur starren Verbindung mit der rotierenden Welle einer Werkstückspindel dargestellt. Dasjenige Ende des Spannsatzes, das zur Verbindung mit der Spindelwelle vorgesehen ist, wird im Folgenden als das proximale Ende 221 bezeichnet, das dazu entgegengesetzte Ende 222 als das distale Ende. In der Fig. 4 liegt das proximale Ende unten und das distale Ende oben. Der Spannsatz 22 weist einen Spannbereich 223 in Form einer radial aufdehnbaren Dehnhülse oder einer segmentierten Spannbuchse auf, auf dem ein zahnradförmiges Werkstück 23 aufgespannt ist. Oberhalb des Werkstücks 23 (axial zwischen dem Spannbereich 223 und dem distalen Ende 222) ist in den Spannsatz ein Schwingungswandler 40 integriert. Oberhalb des Schwingungswandlers 40 (distal vom Schwingungswandler 40) weist der Spannsatz 22 ein austauschbares Endstück 224 in Form einer Vorspannmutter auf. Mit diesem Endstück 224 wird der Schwingungswandler 40 am Spannsatz 22 fixiert und gleichzeitig in axialer Richtung entlang der Werkstückachse C komprimiert.
Wie nachstehend noch näher erläutert wird, umfasst der Schwingungswandler 40 einerseits einen Schwingungserzeuger 410, der mit einem hochfrequenten Anregungssignal VA angesteuert wird, um Torsionsschwingungen 41 des Werkstücks 23 anzuregen. Andererseits umfasst der Schwingungswandler 40 einen Schwingungssensor 420, um Charakteristika der erzeugten Schwingungen zu messen. Der Schwingungssensor 420 gibt eines oder mehrere Sensorsignale Vs aus.
Eine Steuereinrichtung 50 dient dazu, den Schwingungssensor 420 auszulesen und darauf basierend den Schwingungserzeuger 410 anzusteuern. Die Steuereinrichtung 50 umfasst einerseits einen Frequenzgenerator 51 , um das Anregungssignal VA für den Aktor 410 zu erzeugen. Andererseits umfasst die Steuereinrichtung 50 einen Regler 52, der die Sensorsignale Vs empfängt und auf der Basis dieser Sensorsignale die Frequenz f und Amplitude A des Anregungssignals VA regelt. Die elektrischen Aus- und Eingangssignale des Schwingungswandlers 40 werden durch elektrische Leitungen im Inneren des Spannsatzes 22 übertragen. Eine nur schematisch dargestellte induktive Übertragungseinrichtung 53 dient zur berührungslosen Übertragung des Anregungssignals VA von der Steuereinrichtung 50 zum Spannsatz 22. Eine weitere Übertragungseinrichtung 54 dient zur Übertragung der Sensorsignale Vs vom Spannsatz 22 zur Steuereinrichtung 50. Beispielsweise kann die Übertragung induktiv durch zwei konzentrisch um die Werkstückachse angeordnete Spulen erfolgen, wobei eine der Spulen an der Spannvorrichtung und die andere Spule am stationären Maschinenelement angeordnet ist. Insbesondere können Anordnungen eingesetzt werden, wie sie aus Refs. [31] oder [32] in einem anderen Kontext bekannt sind.
Im vorliegenden Beispiel erzeugt der Schwingungserzeuger 410 eine Torsionsschwingung um die Werkstückachse C. Die Frequenz dieser Torsionsschwingung wird vom Regler 52 derart geregelt, dass die Einheit aus Spannsatz 22 und Werkstück 23 resonant angeregt wird. Im einfachsten Fall wird dazu vom Regler 52 die Anregungsfrequenz f derart geregelt, dass die vom Schwingungssensor 420 gemessene Amplitude A maximal wird.
Es entsteht eine stehende Welle mit Schwingungsknoten (d.h. Stellen, an denen die Amplitude der Torsionsschwingung minimal ist) und Schwingungsbäuchen (d.h. Stellen, an denen die Amplitude der Torsionsschwingung ein lokales Maximum aufweist) entlang der Werkstückachse C. Die Amplitudenverteilung dieser stehenden Welle entlang der Werkstückachse ist im linken Teil der Fig. 4 als Amplitudenverteilung 61 auf einem Radius R ungleich null illustriert. Der Spannsatz 22 ist derart ausgelegt, dass die stehende Welle im Bereich des Werkstücks 23 einen Schwingungsbauch aufweist, während der Schwingungserzeuger 410 nahe eines Schwingungsknotens angeordnet ist. Im vorliegenden Beispiel ist der Schwingungserzeuger 410 nahe des ersten Schwingungsknotens oberhalb des Zahnrades 23 angeordnet, was zu einer besonders grossen Amplitude der resultierenden Torsionsschwingung an den Schwingungsbäuchen beiträgt. Um die Übertragung der Torsionsschwingungen auf die Werkstückspindel zu minimieren, ist der Spannsatz 22 derart ausgelegt, dass an seinem proximalen Ende 221 , d.h. dort, wo der Spannsatz 22 mit der Spindelwelle verbunden ist, ein Schwingungsknoten liegt.
Die geometrische Auslegung des Spannsatzes 22 und die Positionierung des Schwingungserzeugers 410 derart, dass eine resonante Anregung erfolgen kann und dabei die Schwingungsbäuche und -knoten an den gewünschten Stellen liegen, kann problemlos mit Hilfe von an sich bekannten Simulationsverfahren des Schwingungsverhaltens, insbesondere FEM-Simulationen, erfolgen. Da das Werkstück 23 einen Teil der resonant schwingenden Struktur bildet, erfolgen die Auslegung des Spannsatzes 22 und die Positionierung des Schwingungserzeugers 410 im Grundsatz werkstückspezifisch. Allerdings kann ein einmal ausgelegter Spannsatz 22 durchaus innerhalb gewisser Grenzen für unterschiedliche Werkstücke 23 eingesetzt werden, indem die Anregungsfrequenz f werkstückabhängig so angepasst wird, dass eine resonante Anregung erfolgt.
Aufbau eines Schwinqunqswandlers
Der Aufbau eines geeigneten Schwingungswandlers 40 ist beispielhaft in der Fig. 5 illustriert. Der Schwingungswandler 40 umfasst einen Stapel flacher, scheibenringförmiger Elemente. Der Stapel weist zwei Bereiche auf. Ein erster, unterer Bereich bildet einen Schwingungserzeuger 410, ein zweiter, oberhalb davon gelegener Bereich einen Schwingungssensor 420.
Der Schwingungserzeuger 410 umfasst im vorliegenden Beispiel zwei axial übereinander angeordnete, ringförmige piezoelektrische Scheraktoren 411 , zwischen denen eine zentrale ringförmige Elektrode 412 angeordnet ist. Oberhalb des oberen Scheraktors und unterhalb des unteren Scheraktors ist an den beiden axialen Enden des Schwingungserzeugers 410 jeweils eine äussere ringförmige Elektrode 412 angeordnet. Die beiden äusseren Elektroden sind miteinander elektrisch verbunden. Die Scheraktoren sind beide identisch aufgebaut, aber bezüglich einer horizontalen Ebene, die durch die zentrale Elektrode 412 verläuft, zueinander gespiegelt angeordnet.
Scheraktoren sind aus dem Stand der Technik an sich bekannt. Sie nutzen aus, dass in vielen Piezomaterialien der piezoelektrische Scherdeformationskoeffizient d15 ungleich Null ist. Im vorliegenden Fall sind die Scheraktoren 411 so aufgebaut, dass sie unter Einwirkung eines elektrischen Feldes, das entlang der Werkstückachse C verläuft, eine Scherdeformation in Umfangsrichtung erzeugen. Die Wirkrichtung der Aktoren um ihre Achse C kann durch ein spezielles Polarisationsverfahren erreicht werden, indem die geschlossenen Ring segmentweise über dem Umfang polarisiert werden. Aktoren, die eine Scherdeformation in Umfangsrichtung erzeugen, sind beispielsweise in Refs. [33]-[36] beschrieben.
Wenn zwischen den äusseren Elektroden und der zentralen Elektrode eine Spannung angelegt wird, erzeugen beide Scheraktoren 411 eine gleichsinnig gerichtete Scherkraft entlang der Umfangsrichtung. Insgesamt entsteht so ein Drehmoment zwischen dem oberen Ende und dem unteren Ende des Schwingungserzeugers 410. Durch Ansteuern der Scheraktoren mit einer Wechselspannung kann eine Torsionsschwingung erzeugt werden.
Der Schwingungssensor 420 ist grundsätzlich sehr ähnlich aufgebaut. Er weist im vorliegenden Beispiel nur ein einziges ringförmiges piezoelektrisches Element auf, das unter Einwirkung einer Scherdeformation zwischen seiner Unterseite und seiner Oberseite, die in Umfangsrichtung wirkt, eine Ausgangsspannung erzeugt.
Der Schwingungserzeuger 410 und der Schwingungssensor 420 sind durch Isolierscheiben 430 voneinander elektrisch isoliert. Durch das Endstück 224, das als Vorspannmutter ausgebildet ist, kann der Stapel aus den scheibenringförmigen Elementen entlang der axialen Richtung mit einer Kompressionskraft Fc beaufschlagt werden.
Alternative Schwingungsrichtungen und Anordnungen
In der Fig. 6 ist eine alternative Anordnung zur Anregung torsionaler Schwingungen dargestellt. Der Schwingungswandler 40 befindet sich axial zwischen dem proximalen Ende 221 des Spannsatzes 22 und dem Spannbereich 223 für das Werkstück 23. Wie im vorherigen Beispiel ist der Schwingungswandler 40 im Bereich eines Schwingungsknotens angeordnet. Mittels einer geeigneten Vorspanneinrichtung kann auch in dieser Ausführungsform eine axiale Vorspannung auf den Schwingungswandler 40 erzeugt werden.
Die Anordnung der Fig. 7 ist vom Aufbau her ähnlich wie die Anordnung der Fig. 4, und es wird diesbezüglich auf die vorstehenden Ausführungen verwiesen. Anders als in der Fig. 4 ist der Schwingungswandler 40 aber dazu ausgebildet, primär eine longitudinale Schwingung 42 des Werkstücks 23 zu erzeugen. Wiederum erfolgt eine resonante Anregung. Auf der linken Seite der Fig. 7 ist die resultierende Amplitudenverteilung der longitudinalen Schwingungsanteile 62 in Richtung der C-Achse des Werkstückes und des Spannsatzes skizziert. Analog zu den Ausführungsformen der Figuren 4 und 6 ist der Schwingungswandler 40 im Bereich eines (hier longitudinalen) Schwingungsknotens angeordnet. Als Piezoaktoren können in dieser Ausführungsform ringförmige Dickenaktoren unter Ausnutzung des piezoelektrischen longitudinalen Deformationskoeffizienten d33 eingesetzt werden.
In der Ausführungsform der Fig. 8 wird ebenfalls eine longitudinale Schwingung des Werkstücks 23 angeregt. In dieser Ausführungsform befindet sich der Schwingungswandler 40 im Bereich eines longitudinalen Schwingungsknotens unterhalb des Werkstücks 23, zwischen dem proximalen Ende des Spannsatzes 22 und dem Spannbereich für das Werkstück.
In der Ausführungsform der Fig. 9 wird eine transversale (radiale) Schwingung 63 des Zahnrades 23 angeregt, wobei die Amplitude der Schwingung zu jedem Zeitpunkt über den gesamten Umfang des Zahnrads gleich ist. Da eine longitudinale Schwingung stets auch mit einer Querkontraktion einhergeht, kann ein longitudinal wirkender Schwingungswandler genutzt werden, der im Bereich des Werkstücks 23 die radiale Schwingung 63 bewirkt, wie das vorstehend schon im Kontext der Fig. 3 erläutert wurde. Auf der linken Seite der Fig. 9 sind schematisch die longitudinale Amplitudenverteilung 62 und die transversale Amplitudenverteilung 63 auf einem Radius R ungleich Null skizziert. Der Schwingungswandler 40 ist im Bereich eines longitudinalen Knotens angeordnet. Das Werkstück 23 ist im Bereich des benachbarten longitudinalen Knotens und somit im Bereich eines transversalen Schwingungsbauchs angeordnet.
Auch in der Ausführungsform der Fig. 10 erfolgt eine Anregung einer radialen Schwingung 63 des Zahnrades 23 mittels eines longitudinal wirkenden Schwingungswandlers 40. Der Schwingungswandler 40 ist in dieser Ausführungsform nahe eines longitudinalen Schwingungsknotens zwischen dem proximalen Ende des Spannsatzes 22 und der Spannstelle für das Werkstück 23 angeordnet.
Abwandlungen
Während die Erfindung vorstehend anhand von Beispielen erläutert wurde, ist die Erfindung nicht auf diese Beispiele beschränkt, und es sind vielfältige Abwandlungen möglich, ohne den Bereich der Erfindung zu verlassen.
Beispielweise können andere Arten von Schwingungserzeuger als vorstehend erläutert eingesetzt werden. Auch kann pro Spannsatz mehr als nur ein einziger Schwingungserzeuger eingesetzt werden. Ebenfalls kann ein Schwingungserzeuger eine von zwei verschiedene Anzahl an Aktoren umfassen. Beispielsweise können mehrere Schwingungserzeuger an unterschiedlichen axialen Orten angeordnet sein, um gezielt bestimmte Schwingungsformen zu erzeugen. Die erzeugten Schwingungsformen können komplexer sein als in den vorstehend erläuterten Beispielen und beispielsweise Überlagerungen von longitudinalen, radialen und torsionalen Schwingungen umfassen.
Ähnliches gilt auch für die Schwingungssensoren. Wie schon erläutert können mehrere Schwingungssensoren an unterschiedlichen axialen Orten vorhanden sein, um die Art der Schwingung und deren Amplitudenverteilung genauer charakterisieren zu können.
Wenn die Schwingungserzeuger und/oder Schwingungssensoren wie in den vorstehenden Beispielen flache, scheibenringförmige piezoelektrische Elemente umfassen, können mehrere solche Elemente mit dazwischen angeordneten Elektroden aufeinander gestapelt sein. Anstelle scheibenringförmiger piezoelektrischer Element können auch anders geformte piezoelektrische Elemente zum Einsatz kommen. Insbesondere können ringsegmentförmige Elemente eingesetzt werden, die insgesamt zu einem Ring angeordnet werden, oder es können beliebig anders geformte Elemente eingesetzt werden, die gleichmässig über den Umfang des Spannsatzes verteilt angeordnet werden.
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Claims

PATENTANSPRÜCHE
1. Verfahren zur Bearbeitung eines zahnradförmigen Werkstücks (23) durch ein Wälzbearbeitungsverfahren, insbesondere durch kontinuierliches Wälzschleifen, bei dem das zahnradförmige Werkstück (23) um eine Werkstückachse (C) rotiert, während es in einem Wälzeingriff mit einem Wälzbearbeitungswerkzeug (16), insbesondere mit einem schneckenförmig profilierten Schleifwerkzeug, steht, dadurch gekennzeichnet, dass das zahnradförmige Werkstück (23) während der Bearbeitung gezielt zu einer oszillierenden Bewegung angeregt wird, die der Rotation des zahnradförmigen Werkstücks (23) überlagert ist.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , wobei die oszillierende Bewegung eine Komponente entlang mindestens einer der folgenden Bewegungsrichtungen aufweist: axial entlang der Werkstückachse (C); radial zur Werkstückachse (C); und torsional um die Werkstückachse (C).
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die oszillierende Bewegung eine Grundfrequenz oberhalb von 15 kHz aufweist.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das zahnradförmige Werkstück (23) während der Wälzbearbeitung auf einer Spannvorrichtung (22) aufgespannt ist, wobei die Spannvorrichtung (22) auf einer Werkstückspindel (21) angeordnet ist, wobei die Spannvorrichtung (22) einen Spannbereich (223) aufweist, an dem die Spannvorrichtung (22) in Kontakt mit dem zahnradförmigen Werkstück (23) steht, wobei die Werkstückspindel (21) das auf der Spannvorrichtung (22) aufgespannte zahnradförmige Werkstück (23) zu der Rotation um die Werkstückachse (C) antreibt, und wobei die oszillierende Bewegung des zahnradförmigen Werkstücks (23) erzeugt wird, indem der Spannbereich (223) mit dem damit in Kontakt stehenden zahnradförmigen Werkstück (23) zu einer Schwingung angeregt wird.
5. Verfahren nach Anspruch 4, wobei die Anregung der Schwingung resonant erfolgt, so dass die Schwingung eine Eigenmode der Spannvorrichtung (22) mit dem darauf aufgespannten zahnradförmigen Werkstück (23) ist, wobei die Eigenmode vorzugsweise einen Schwingungsknoten in einem Bereich aufweist, in dem die Spannvorrichtung (22) mit der Werkstückspindel (21) verbunden ist.
6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, wobei die Spannvorrichtung (22) einen Schwingungserzeuger (410) zur Anregung der Schwingung aufweist.
7. Verfahren nach Anspruch 6, wobei dem Schwingungserzeuger (410) ein elektrisches Anregungssignal (VA) zugeführt wird, wobei mindestens ein elektrisches Sensorsignal (Vs) ermittelt wird, das die durch das Anregungssignal (VA) bewirkte Schwingung charakterisiert, und wobei das Anregungssignal (VA) anhand des Sensorsignals (Vs) derart geregelt wird, dass die Anregung der Schwingung resonant erfolgt.
8. Verfahren nach Anspruch 7, wobei das Anregungssignal (VA) und das Sensorsignal (Vs) berührungslos zwischen der rotierenden Spannvorrichtung (22) und einer stationären Steuereinrichtung (50) übertragen werden.
9. Spannvorrichtung (22) zum Aufspannen eines zahnradförmigen Werkstücks (23) auf einer Werkstückspindel (21) einer Wälzbearbeitungsmaschine, insbesondere einer Wälzschleifmaschine, um das zahnradförmige Werkstück (23) zu einer Drehung um eine Werkstückachse (C) anzutreiben, wobei die Spannvorrichtung (22) einen Spannbereich (223) aufweist, in dem die Spannvorrichtung (22) in Kontakt mit dem zahnradförmigen Werkstück (23) steht, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannvorrichtung einen Schwingungserzeuger (410) zur Erzeugung einer Schwingung des Spannbereichs (223) mit dem damit in Kontakt stehenden zahnradförmigen Werkstück (23) aufweist.
10. Spannvorrichtung (22) nach Anspruch 9, wobei der Schwingungserzeuger (410) dazu ausgebildet ist, eine Schwingungsanregung entlang mindestens einer der folgenden Bewegungsrichtungen zu erzeugen: axial entlang der Werkstückachse (C); radial zur Werkstückachse (C); und torsional um die Werkstückachse (C).
11. Spannvorrichtung (22) nach Anspruch 9 oder 10, wobei der Schwingungserzeuger (410) mindestens einen Piezoaktor umfasst.
12. Spannvorrichtung (22) nach Anspruch 11 , wobei der Schwingungserzeuger (410) mindestens ein piezoelektrisches Aktorelement (411) aufweist, das scheibenringförmig oder ringsegmentförmig ist, wobei eine Ringachse des piezoelektrischen Aktorelements (411) der Werkstückachse (C) entspricht.
13. Spannvorrichtung (22) nach einem der Ansprüche 9 bis 12, wobei die Spannvorrichtung (22) ein proximales Ende und ein distales Ende definiert, wobei das proximale Ende zur Verbindung mit der Werkstückspindel (21) ausgebildet ist, und wobei der Schwingungserzeuger (410) zwischen dem proximalen Ende und dem Spannbereich (223) oder distal vom Spannbereich (223) angeordnet ist.
14. Spannvorrichtung (22) nach einem der Ansprüche 9 bis 13, ausserdem aufweisend einen Schwingungssensor (420) zur Ermittlung mindestens eines Sensorsignals (7S), das die Schwingung der Spannvorrichtung (22) mit dem darauf aufgespannten zahnradförmigen Werkstück (23) charakterisiert.
15. Spannvorrichtung (22) nach Anspruch 14, wobei der Schwingungssensor (420) einen Piezosensor umfasst.
16. Spannvorrichtung (22) nach Anspruch 15, wobei der Schwingungssensor (420) mindestens ein piezoelektrisches Sensorelement (421) aufweist, das scheibenringförmig oder ringsegmentförmig ist, wobei eine Ringachse des piezoelektrischen Sensorelements (421) der Werkstückachse (C) entspricht.
17. System zur Erzeugung einer oszillierenden Bewegung eines zahnradförmiges Werkstücks (23) während der Bearbeitung durch kontinuierliches Wälzschleifen, aufweisend: eine Spannvorrichtung (22) nach einem der Ansprüche 9 bis 16; einen Frequenzgenerator (51) zur Erzeugung eines Anregungssignals (VA) für den Schwingungserzeuger (410), um die Schwingung der Spannvorrichtung (22) mit dem darauf aufgespannten zahnradförmigen Werkstück (23) zu bewirken; und optional einen Regler (52), der dazu ausgebildet ist, ein Sensorsignal (Vs) zu empfangen und anhand des Sensorsignals (Vs) das Anregungssignal (VA) derart zu regeln, dass die Anregung der Schwingung resonant und mit vorgegebener Amplitude erfolgt.
18. System nach Anspruch 17, ausserdem aufweisend: eine Übertragungseinrichtung (53, 54) zur berührungslosen Übertragung des Anregungssignals (VA) und optional des Sensorsignals (Vs) zwischen dem rotierenden Spannmittel (22) und der Steuereinrichtung (50).
19. Wälzbearbeitungsmaschine, insbesondere Wälzschleifmaschine, aufweisend: eine Werkzeugspindel (15), um ein Wälzbearbeitungswerkzeug (16), insbesondere ein schneckenförmig profiliertes Schleifwerkzeug, zu einer Rotation um eine Werkzeugachse (B) anzutreiben; eine Werkstückspindel (21), um das zahnradförmige Werkstück (23) zu einer Rotation um die Werkstückachse (C) anzutreiben; und eine Maschinensteuerung, die dazu ausgebildet ist, die Werkzeugspindel (15) und die Werkstückspindel (21) derart anzusteuern, dass eine Wälzkopplung zwischen der von der Werkzeugspindel erzeugten Rotation des Wälzbearbeitungswerkzeugs (16) und der von der Werkstückspindel erzeugten Rotation des Werkstücks (23) hergestellt wird, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Werkstückspindel (21) ein Spannmittel (22) nach einem der Ansprüche 9 bis 18 angebracht ist.
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