DE3816270C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Profilschleifen bzw. Profilfräsen von Zahnrädern nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Es ist allgemein bekannt, daß das Verfahren Profilschleifen von Zylinderrädern mit scheibenförmigem Werkzeug streng werkstückgebundene Werkzeuge benötigt (T. Bausch, Zahnradfertigung, Seite 434, 1986, expert verlag). Um die Flanken von Zylinderrädern mit unterschiedlicher Verzahnungsgeometrie bearbeiten zu können, sind demnach Werkzeuge mit unterschiedlicher Geometrie erforderlich. Das Abrichten entsprechender Schleifscheiben (Jahrbuch Schleifen, Honen, Läppen und Polieren, 51. Ausgabe: Prof. Dr. Ing. J. Loomann, Profilschleifen von Schrägstirnrädern: Geometrische Grundlagen - Kontaktverhältnisse - Abrichtgerät, Seiten 180 bis 193, 1982, Vulkan-Verlag, Essen) hat sich bisher nicht allgemein durchsetzen können; man benötigt demnach je nach Teilespektrum eine mehr oder weniger große Anzahl unterschiedlich ausgelegter Scheiben. Die Beschaffung neuer Scheiben, aber auch die Aufbereitung nicht mehr einsatzfähiger Scheiben (Wiederbelegen) erfordert Zeit. Aus dem hier erläuterten Sachverhalt resultieren mehrere Nachteile des Profilschleifens mit nicht oder nur schwer oder nicht hinreichend genau abrichtbaren Scheiben; diese betreffen die Kosten - man benötigt z. Z. für jede Werkstückauslegung ein speziell ausgelegtes Werkzeug - und die termingerechte Bereitstellung der Werkzeuge. Insbesondere ergeben sich Probleme, wenn das Werkzeug nicht zur Werkstückverzahnung paßt, weil z. B. die Werkstückdaten nicht korrekt vorgegeben oder das Werkzeug nicht korrekt gefertigt wurde. Große Probleme können auftreten, wenn ein Werkzeug beschädigt wird, aber kein Ersatz zur Verfügung steht. Die hier angeschnittenen Punkte haben besondere Bedeutung im Bereich der Einzel- und Kleinserienfertigung. Die hier geschilderte Problematik liegt auch vor bei der Bearbeitung von Zylinderrädern durch Profilschleifen bzw. Profilfräsen mit fingerförmigen Werkzeugen.

Aus dieser Situation ergibt sich die Aufgabe, die Flexibilität des Profilschleifens bzw. Profilfräsens von Zahnrädern zu erhöhen, ohne das Werkzeug mit einem geänderten Profil zu versehen.

Diese Aufgabe wird beim gattungsgemäßen Verfahren erfindungsgemäß mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruches 1 gelöst. Die Lösung der Aufgabe geht aus von der Erkenntnis, daß das vorgeschriebene Werkstückprofil unter idealen Voraussetzungen nur dann abweichungsfrei erzeugt werden kann, wenn das Werkzeug beim Schleifen bzw. Fräsen die Position relativ zum Werkstück einnimmt, die der Auslegung des Werkzeugprofiles zugrunde liegt und daß Abweichungen aus dieser Position zu Profilabweichungen und Zahnweitenabmaßen am Werkstück führen. Untersucht man die Zusammenhänge näher, so erkennt man, daß über eine Änderung der Werkzeug-Einstellparameter insbesondere Profilwinkelabweichungen am Werkstück erzeugt werden können. Profilwinkelabweichungen lassen sich aber bekanntlich in Grundkreisabweichungen umrechnen; siehe z. B. DIN 3960. Man erhält über eine Änderung der Einstellparameter also einen geänderten Grundkreis. Das erzeugte Profil läßt sich deshalb als Profil einer Verzahnung auffassen, die nicht der Aus­ legung des Werkzeuges zugrundelag.

Es wird vorgeschlagen, für den Einsatz des nicht für die zu bearbeitende Verzahnung ausgelegten Werkzeuges über eine gezielte Änderung der Einstellparameter Achsabstand a, Außermittigkeit e des Werkzeuges und Schwenkwinkel ζ die am Werkstück zu erwartenden Profilabweichungen zu minimieren und die geforderte Zahnweite W _k über eine Anpassung des Ausgangsdrehwinkels ψ auf den geforderten Wert zu bringen. Die Bedeutung der Einstellparameter bei scheibenförmigen Werkzeugen ergibt sich aus Fig. 1. Der Achsabstand a ist der Abstand zwischen den Achsen des Werkzeuges 0 und des Werkstückes 2. Unter der Außermittigkeit e versteht man den Versatz des Werkzeuges 0 in Richtung seiner Achse gegenüber dem bei der Auslegung zugrunde gelegten Abstand vom Achskreuzpunkt P. Bei bekannten Verfahren beträgt die Außermittigkeit c Null oder allenfalls einige hundertstel Millimeter. Beim erfindungsgemäßen Verfahren ist die Außermittigkeit e ggf. um Zehnerpotenzen größer gezielt einzustellen, liegt also im Millimeterbereich. Der Schwenkwinkel ζ ergibt sich zu 90° - Achskreuzwinkel Σ. Der Ausgangsdrehwinkel ψ ist der Winkel zwischen der Mitte der Werkstückzahnlücke und der kürzesten Verbindung der Achsen von Werkzeug 0 und Werkstück 2.

Falls die zu erwartenden Profilabweichungen einen zu großen Teil der zulässigen Profilabweichung ausschöpfen, ist das Werkstückprofil in zwei oder mehr Bereiche zu unterteilen, und dann in separaten Schleifdurchgängen mit unterschiedlichen Einstellparametern zu bearbeiten. Voraussetzung für einen erfolgreichen Einsatz des Verfahrens ist demzufolge die Kenntnis des quantitativen Einflusses der Einstellparameter auf das Profil des Werkstückes und eine Strategie zur Beseitigung dieser Abweichungen.

Es ist denkbar, den Einfluß der Einstellparameter auf das Profil angenähert über Versuche zu ermitteln; diese Vorgehensweise ist jedoch sehr zeit- und kostenintensiv. Zu empfehlen ist die Berechnung der einzelnen Einflüsse.

Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Die Erfindung wird anhand eines in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispieles näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 in schematischer Darstellung die verschiedenen Einstellparameter Achsabstand a, Außermittigkeit e, Schwenkwinkel ζ, Ausgangsdrehwinkel ψ und Achskreuzwinkel Σ zwischen einem scheibenförmigen Werkzeug und dem Werkstück,

Fig. 2 die Zerlegung der Profil-Gesamtabweichung F α in die Anteile Zahnweitenabmaß Δ W _k, Profilwinkelabweichung f _H α, Höhenballigkeit c α und Profilformabweichung f _{f α} ,

Fig. 3 den Einfluß des Achsabstandes a, der Außermittigkeit e, des Schwenkwinkels ζ und des Ausgangsdrehwinkels ψ auf das Zahnweitabmaß Δ W _k , die Profil-Winkelabweichung f _{H α} , die Höhenballigkeit c α und die Profilformabweichung f _{f α} für je ein gerad- bzw. schrägverzahntes Werkstück.

Bei der Berechnung der einzelnen Einflüsse wird der Fertigungsprozeß simuliert. Simuliert wird zunächst das Schleifen bzw. Fräsen der Werkstückverzahnung mit einem Werkzeug 0, das für ein Werkstück 2 mit ähnlilcher Geometrie ausgelegt ist. Man wählt dazu den Achsabstand a und den Schwenkwinkel ζ z. B. so, als würden Werkzeug 0 und Werkstück 2 genau zueinander passen. Nun berechnet man das zu erwartende Werkstückprofil und vergleicht dieses mit dem geforderten Profil. Für diesen Vergleich zerlegt man die Profil-Gesamtabweichung F α in vier Anteile, nämlich in ein Zahnweitenabmaß Δ W _K und die aus der Zahnrad-Meßtechnik bekannten Anteile Profil- Winkelabweichung f _{H α} , Höhenballigkeit c a und Profilformabweichung f _{f α} . Die Höhenballigkeit wird dabei im Profildiagramm durch eine quadratische Parabel beschrieben.

Anschließend ändert man die Einstellparameter a, e, ζ, ψ und wiederholt das vorstehend beschriebene Verfahren. Dabei erhält man andere Ergebnisse als im ersten Durchlauf. Aus dem Vergleich dieser Ergebnisse leitet man ab, in welchem Sinne die Einstellparameter für die nächste Berechnung geändert werden sollen. Der Vorgang wird so oft wiederholt, bis geeignete Einstellparameter gefunden sind. Normalerweise ist das der Fall, wenn die Profil-Winkelabweichung f _{H α} gleich 0 ist und die Höhenballigkeit c α und die Profilformabweichung f _{f α} innerhalb vorgegebener Toleranzen liegen.

Lassen sich die vorgeschriebenen Toleranzen nicht einhalten und steht kein möglicherweise besser geeignetes Werkzeug 0 zur Verfügung, so muß die Bearbeitung einer Flanke des Zahns in zwei oder mehreren Durchgängen erfolgen. Man zerlegt dazu das geforderte Werkstückprofil in zwei (oder entsprechend mehr) Bereiche und wendet das hier beschriebene Verfahren auf jeden dieser Bereiche separat an.

Sind die Einstellparameter am Rechner gefunden, so kann die Bearbeitung an der Maschine erfolgen. Werkzeug 0 und Werkstück 2 sind dazu natürlich auf diese Parameter einzustellen.

Das vorgeschlagene Verfahren bietet auch die Möglichkeit, Kopf- und/oder Fußrücknahme mit einer unmodifizierten Scheibe 0 zu erzeugen. Dazu sind die einzelnen Bereiche je Flanke in separaten Durchgängen mit unterschiedlichen Einstellparametern zu bearbeiten.

Das Verfahren bietet ferner die Möglichkeit, Flanken von Zähnen mit Höhenballigkeit zu erzeugen.

Besonders vorteilhaft ist die Tatsache, daß die Beträge der Fuß- und Kopfrücknahme und in bestimmten Grenzen der Betrag der Höhenballigkeit über Maschineneinstellungen, also nicht über entsprechend profilierte Werkzeuge, gewählt werden kann. Das Verfahren bietet die Voraussetzung, für einen bestimmten Anwendungsbereich standardmäßig Scheiben 0 auf Lager zu halten, so daß der Bezug bzw. das Wiederbelegen unabhängig von der aktuellen Bearbeitungsaufgabe erfolgen kann.

Werkzeuge zum Profilfräsen besitzen als Hüllkörper die gleiche Geometrie wie die entsprechenden Werkzeuge zum Profilschleifen. Auch die Fertigungskinematik beider Verfahren ist gleich. Das vorgeschlagene Verfahren läßt sich deshalb auch beim Profilfräsen mit scheibenförmigen Fräswerkzeugen anwenden.

Bei Abrichtsystemen, mit denen man nicht das theoretisch erforderliche Scheibenprofil erzeugen kann, läßt sich über das vorgeschlagene Verfahren eine deutliche Verbesserung der Arbeitsergebnisse erzielen. Derartige Fälle liegen vor, wenn man die Scheibe 0 nicht bahngesteuert abrichtet, sondern z. B. über Rollen, die zum Abrichten entsprechend zur Scheibe 0 eingestellt werden, oder wenn man die Scheibe 0 unter Verwendung von Schablonen abrichtet. Derartige Verfahren haben gegenüber dem Abrichten über numerisch gesteuerte Einrichtungen zur Zeit noch Vorteile; dies gilt insbesondere für Anwendungen, in denen besonders hohe Anforderungen an die Oberflächenrauheit der Werkstückflanken gestellt werden.

Das Verfahren wird im folgenden anhand der Fig. 2 und 3 erläutert. Die Teilfigur 1 in Fig. 2 zeigt die Profil-Gesamtabweichung F α über dem Wälzweg w. Diese Profil-Gesamtabweichung F α wird, wie die Teilfiguren 2 bis 5 in Fig. zeigen, in die vier Anteile Zahnweitenabmaß Δ W _k , Profilwinkelabweichung f _{H α} , Höhenballigkeit c α und Profilformabweichung f _{f α} zerlegt. Diese in den Teilfiguren 2 bis 5 der Fig. 2 angegebenen Größen können durch die beschriebenen Einstellparameter Achsabstand α, Außermittigkeit e, Schwenkwinkel ζ und Ausgangsdrehwinkel ψ beeinflußt werden, wie Fig. 3 zeigt.

Fig. 3 gibt die Verhältnisse für schrägverzahnte (ausgezogene Linien) bzw. geradverzahnte (gestrichelte Linien) Werkstücke wieder. Sie enthält auf der Abszisse nicht die Einstellparameter selbst, sondern deren Änderung gegenüber dem Auslegungszustand. Fig. 3 zeigt die Auswirkungen der Einstellparameter δ a, Δ e, Δ ζ und Δ ψ auf die Größen Δ W _k , f _{H α} , c a und f _{f α}. Das Zahnweitenabmaß Δ W _k läßt sich am einfachsten über den Einstellparameter Δ ψ, also über eine Verdrehung des Werkstückes 2 einstellen, weil Δ ψ auf die anderen Größen f _{H α} , c α und f _{f α} keinen Einfluß hat. Fig. 3 zeigt weiter, daß die Größen f _{H α} und c α durch die Einstellparameter Δ a, Δ e und Δ ζ optimiert werden können. Grundsätzlich läßt sich die Größe f _{H α} zu 0 machen. Die verbleibenden Größen c α und f _{f α} begrenzen den Anwendungsbereich des Verfahrens.

Claims (3)

1. Verfahren zum Profilschleifen bzw. Profilfräsen von Zahnrädern mit scheibenförmigen Werkzeugen, bei dem die Flanken eines Werkstückes mit einem Werkzeug oder mit je einem Werkzeug für die Rechts- bzw. Linksflanken in separaten Arbeitsgängen mit Einstellparametern Achsabstand α, Außermittigkeit des Werkzeuges e, Schwenkwinkel und Ausgangsdrehwinkel ψ des Werkstückes bearbeitet werden, dadurch gekennzeichnet, daß bei Verwendung eines Werkzeuges (0), dessen Profil nur angenähert der Profilgeometrie des zu bearbeitenden Werkstückes (2) entspricht, die bei einem derartigen Einsatz normalerweise auftretenden großen Profilabweichungen am Werkstück (2) durch eine gezielte Einstellung des Werkzeuges (0) zum Werkstück (2) vermieden werden, wobei die Einstellparameter a, e, ζ, ψ iterativ durch Simulation des Bearbeitungsvorganges auf einem Rechner oder durch Versuch ermittelt werden, indem man als Einstellparameter Werte annimmt, etwa wie man sie der Auslegung eines genau auf die Werkstückverzahnung abgestimmten Werkzeuges zugrundelegen würde, das damit zu erwartende Arbeitsergebnis auf einem Rechner oder durch Vermessen eines Probewerkstückes bestimmt, mit den Sollwerten vergleicht, den Vorgang mit geänderten Einstellparametern wiederholt und aus dem dabei ermittelten Zusammenhang zwischen den Einstellparametern und dem Werkstückprofil geänderte Einstellparameter ableitet und das Verfahren in der geschilderten Art solange wiederholt, bis das gewünschte Arbeitsergebnis erzielt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mit einem Werkzeug (0), das für ein Werkstück (2) ohne Profilmodifikation ausgelegt wurde, mit geänderten Einstellparametern in je einem zusätzlichen Arbeitsgang eine Kopf- und/oder Fußrücknahme erzeugt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß mit einem Werkzeug (0), das für ein Werkstück (2) ohne Höhenballigkeit oder für ein Werkstück (2) mit anderer Höhenballigkeit ausgelegt wurde, durch gezielte Einstellung des Werkzeuges (0) zum Werkstück (2) die gewünschte Höhenballigkeit erzeugt wird.