DE19907363A1 - Topologisches Profilieren von Schleifschnecken für das kontinuierliche Wälzschleifen von Verzahnungen - Google Patents

Abstract

Zum Profilieren des Schleifschneckenganges wird ein Profilierwerkzeug (4) eingesetzt, welches eine einfache Grundgeometrie z. B. in Form eines Stabes aufweist. Das Profilierwerkzeug (4) hat auf seiner aktiven, abrasiven Oberfläche (6, 7, 8) die für die Schleifschnecke (1) gewünschte Topologie in verzerrter Form. Während des Profilierens wird es derart am Schleifschneckenprofil (2) vorbei geführt, dass Punkte auf der aktiven Profilierwerkzeugoberfläche mit entsprechenden Punkten auf den Schleifschneckenflanken in im Voraus festgelegter Zuordnung zur Berührung gebracht werden. Dadurch können topologisch modifizierte Schleifschnecken wesentlich rascher als mit herkömmlichen Methoden profiliert werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum schnellen Profilieren von topologisch korrigierten Schleif­ schnecken, wie sie für das kontinuierliche Wälzschleifen von Verzahnungen eingesetzt werden.

Topologisch korrigierte Verzahnungen an hochbelasteten Ge­ trieberädern finden zunehmend Verwendung in Getrieben, die besonders geräuscharm laufen sollen. Insbesondere in der PKW-, aber auch in der Flugzeugindustrie, werden solcherweise korrigierte Räder in steigendem Masse benötigt.

Am effizientesten lassen sich solche Zahnflankenformen in ho­ her Präzision mit dem kontinuierlichen Wälzschleifverfahren mit kontinuierlichem Shiften des Werkzeuges während der Bear­ beitung herstellen. Das Problem dabei ist, dass das Erzeugen des erforderlichen Werkzeuges, genauer des Schleifschnecken­ profiles, unter Umständen sehr viel Zeit in Anspruch nimmt. Dies deshalb, weil im allgemeinen Fall einer Topologie dieses nur mit einem die Schneckenflanken punktförmig berührenden Werkzeug erzeugt werden kann.

Das topologische Wälzschleifen mit kontinuierlichem Shiften beruht darauf, dass beim Schleifen der Werkstückverzahnung jedem Punkt der Zahnflankenoberfläche ein genau bestimmter, individueller Punkt des Schleifschneckenprofiles zugeordnet ist, welcher während des Schleifprozesses den entsprechenden Flankenpunkt bearbeitet und damit auf das gewünschte Sollmass bringt. Mit anderen Worten: Die gewünschte Geometrie der to­ pologisch korrigierten Zahnflankenoberflächen ist in verzerr­ ter Form auf den Schleifschneckenflankenflächen enthalten und wird durch die Relativbewegung zwischen Schleifschnecke und Werkstück während des Schleifprozesses wieder entzerrt auf der Zahnflanke abgebildet. Beim Profilieren der Schleif­ schnecke besteht also die Aufgabe, die geforderte Zahnflan­ kentopologie in verzerrter Form auf den Schneckenflanken zu erzeugen.

Für die Bestimmung dieser verzerrten Form der Topologie sind Rechenprogramme entwickelt worden, die als Eingangsdaten die Geometrie der gewünschten Zahnflanken benötigen, z. B. in Form einer Tabelle, die für genau definierte Punkte der Zahnflan­ kenoberfläche Abweichungsbeträge von der theoretisch exakten Zahnflankenfläche enthält. Als Resultat liefern diese Pro­ gramme wieder eine Tabelle, die die Koordinaten von Punkten der Sollgeometrie der Schneckenflanken beschreibt. Diese Be­ rechnungsprogramme benötigen zum Generieren einer Nutzdaten­ tabelle ausserdem noch verschiedene Prozessdaten wie das Ver­ hältnis Schleifhub zu Shiftweg oder die Grösse der über die Werkzeugzustellung erzeugten Modifikationsbeträge etc. Nach Vorliegen einer solchen Tabelle mit den Solldaten der Schnec­ kenflankengeometrie ist die Erzeugung einer Schleifschnecke prinzipiell zu vergleichen mit der Herstellung irgend einer Freiformfläche, wie sie z. B. auch bei Gesenken für Karosse­ riebleche vorkommt: In beiden Fällen ist eine Bearbeitung auf die Sollform nur mit einem punktförmig wirkenden Werkzeug möglich. Im Falle der Gesenkherstellung ist dazu ein Gesenk­ fräser erforderlich, im Falle des Schleifschneckenprofilie­ rens z. B. ein entsprechend ausgebildetes, rotierendes Dia­ mantformwerkzeug.

Während beim Gesenkfräsen normalerweise Fräsmaschinen mit mindestens drei linearen NC-Achsen nötig sind, sind beim to­ pologischen Profilieren von Schleifschnecken gewöhnlich zwei lineare NC-Achsen für die Bewegung des rotierenden Diamant­ werkzeuges und eine rotative NC-Achse für die Drehbewegung der Schleifschnecke vorgesehen.

Wie oben erwähnt, dauert die Bearbeitung einer Freiformfläche bzw. das Profilieren von topologischen Schleifschneckenflan­ ken sehr lange, weil die ganze Oberfläche Zeile um Zeile mit einem Werkzeug überstrichen werden muss, um jeden einzelnen Punkt davon auf sein endgültiges Mass zu bringen.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Einrichtung sowie ein Profilierwerkzeug anzugeben, mit welchen das topologische Profilieren von Schleifschnecken wesentlich schneller möglich ist. Diese Auf­ gabe wird durch die Merkmalskombination der Ansprüche gelöst.

Der Grundgedanke ist dabei der, dass - in gewissen Grenzen - das Abbilden einer Freiformfläche in eine andere in verzerr­ ter Form prinzipiell auch umgekehrt möglich ist. Würde also ein Werkstück mit einer Verzahnung, die die gewünschte Topo­ logie enthält, vorliegen, und ließen sich damit Schleif­ schneckenflanken profilieren, dann würde während eines Pro­ zesses, der gleich ablaufen könnte wie sonst der Schleifpro­ zess, ein Abbilden in umgekehrter Richtung wie oben beschrie­ ben erfolgen. Die Schleifschnecke wäre damit in sehr kurzer Zeit profiliert. Auch eine sehr breite Ausgangsverzahnung, die die Soll-Topologie in entsprechend gedehnter Form enthal­ ten müsste, was wiederum eine einfache Form einer Verzerrung darstellt, wäre bei angepasstem Verhältnis Schleifhub zu Shiftweg geeignet für ein schnelles Profilieren.

Lässt sich also eine Ausgangsfläche finden, die beim Abbilden auf die zu erzeugende Fläche eine definierte Zuordnung von entsprechenden Punkten ermöglicht, und kann diese Ausgangs­ fläche in der erforderlichen verzerrten Form und mit geeigne­ ter abrasiver Oberfläche, z. B. mit feinen Diamantkörnern be­ legt, hergestellt werden, dann ist damit das Erzeugen einer topologischen Fläche in sehr kurzer Zeit möglich. Vorzugswei­ se werden Ausgangsflächen verwendet, die eine geometrisch einfache Grundform aufweisen oder die sonst auf einfache Wei­ se hergestellt werden können. Zum Beispiel ist das oben er­ wähnte Zahnrad, das sich zwar prinzipiell sehr gut für das Profilieren eignen würde, nur sehr schwierig in hoher Genau­ igkeit herzustellen. Dagegen wären Körper mit im wesentlichen ebenen Flächen oder Profilscheiben wesentlich besser geeig­ net.

In der einfachsten Form der Erfindung wird zum Profilieren eines topologischen Schleifschneckeprofiles ein gerader Stab verwendet mit einem Querschnitt, der der Schneckenganglücke entspricht und der eine abrasive, z. B. mit Hartstoffkörnern belegte Oberfläche besitzt. Zum Profilieren wird dieser Stab so in die Schneckenganglücke gelegt, dass er mit einer Stelle seines Querschnittes das Lückenprofil vollständig berührt. Wird nun weiter dieser Stab so mit dem Schneckenprofil in Kontakt gebracht, dass jeder Längsposition des Stabes eine bestimmte Stelle des Schneckenganges fest zugeordnet ist, ist die oben erwähnte Bedingung erfüllt und es kann die verzerrte Form der Staboberfläche auf die Schneckengangflanke übertra­ gen werden.

Dazu ist während der Rotation der Schleifschnecke nicht nur eine Bewegung des Stabes in axialer Richtung der Schleif­ schnecke entsprechend der Schneckensteigung erforderlich, sondern auch gleichzeitig ein Längsverschieben des Stabes in Richtung der Stabachse, um ständig einen neuen Querschnitt in Kontakt mit den Schneckenflanken zu bringen.

Nachfolgend werden zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnungen beschrieben. Darin zeigt:

Fig. 1 eine erste Ausführungsform,

Fig. 2 einen Querschnitt des Profilstabes der er­ sten Ausführungsform,

Fig. 3 und 4 entsprechende Darstellungen einer zweiten Ausführungsform, und

Fig. 5 eine Profiliervorrichtung.

Die Schleifschnecke 1 nach Fig. 1, deren Profil 2 abzurich­ ten ist, rotiert um ihre Achse 3. Der Profilierstab 4 befin­ det sich zu Beginn in der Lage 5. Seine aktiven Oberflä­ chen 6, 7 und 8 sind mit Hartstoffkörnern belegt und haben vollständigen Linienkontakt mit dem Lückenprofil der Schleif­ schnecke 1. Während des Profilierprozesses wird der Stab 4 in Richtung 9, d. h. in Richtung der Schneckenachse 3 entspre­ chend der Schneckensteigung verschoben und gleichzeitig in Richtung der Stabachse 10 bewegt. Am Ende des Prozesses be­ findet sich der Stab 4 in der Position 11. Werden die Bewe­ gungen 9 und 10 synchron in einem bestimmten Verhältnis zum Drehwinkel 12 der Schleifschnecke ausgeführt, dann ist eine exakte Zuordnung aller Punkte auf der Profilierstaboberfläche zu den Punkten auf der Schneckenflankenoberfläche gegeben. Dabei muss die vollständige Schneckenflankentopologie in ent­ sprechend verzerrter Form auf den Profilierstabflächen 6, 7 und 8 enthalten sein.

Bei hochbelasteten Zahnrädern wird neben einer bestimmten Zahnflankentopologie oft auch verlangt, dass der Zahnlücken­ grund mitgeschliffen wird, weil sich dadurch die aus Festig­ keitsgründen wichtigen Übergänge am Zahnfuss gezielt herstel­ len lassen. Auch Anschrägungen oder Abrundungen am Zahnkopf sind in gewissen Fällen mitzuschleifen. Alle diese zusätzli­ chen Flächen lassen sich im gleichen Arbeitsschritt mit den Zahnflanken bearbeiten, wenn das Schleifschneckenprofil ent­ sprechend gestaltet ist. Das wiederum heisst, dass auch das Profilierwerkzeug diese Partien in entsprechend verzerrter Form enthalten muss.

Fig. 2 zeigt ein für diesen Zweck gestaltetes stabförmiges Profilierwerkzeugprofil im Querschnitt.

Es bedeuten: 4 der auch in Fig. 1 gezeigte Profilierstab mit den aktiven Oberflächen 6, 7 und 8 für das Profilieren der Flankenflächen und des Lückengrundes, 13 die Partie für das Profilieren der Zonen, mit denen die Fussausrundung, und 14 die Partie für das Profilieren derjenigen Zonen, mit welchen die Kopfbereiche der Verzahnung geschliffen werden.

Fig. 3 und 4 zeigen eine andere Form des Profilierwerkzeu­ ges.

Hier ist das Profilierwerkzeug 15 scheibenförmig ausgebildet, an seinem Umfang trägt es die aktiven Flächen 16, 17 und 18 (siehe Fig. 4). Zu Beginn des Profilierens wird es um seine Drehachse so positioniert, dass es mit seiner Startstel­ lung 19 am Beginn des Schneckenganges 20 steht, und dass sei­ ne Aussenkontur genau in die Schneckenganglücke zu liegen kommt. Während des eigentlichen Profiliervorganges rotieren die Schleifschnecke und das Profilierwerkzeug in einem be­ stimmten Verhältnis zueinander, wobei sich das letztere gleichzeitig entsprechend der Schneckengangsteigung auch in Richtung der Schneckenachse verschiebt. Das Drehwinkelver­ hältnis ist im voraus fest vorgegeben und bestimmt die rich­ tige Entzerrung der auf dem Werkzeug enthaltenen Topologie bei der Übertragung auf die Schneckenflanken. Das Drehwinkel­ verhältnis könnte zum Beispiel so sein, dass während einer Schleifschneckenumdrehung das Profilierwerkzeug um den Win­ kelbetrag 21 weiterdreht und über die ganze Schleifschnecken­ breite dann gerade eine ganze Umdrehung ausführt. Dieses Drehwinkelverhältnis muss keine Konstante sein, vielmehr ist es vorteilhaft, wenn es in Funktion der zu erzeugenden Topo­ logie variabel ist: An Stellen mit grosser Veränderung des Schneckenprofiles ist eine rasche Drehung des Profilierwerk­ zeuges möglicherweise günstiger; wo geringe oder keine Pro­ filänderungen vorliegen, kann ein kleiner Drehwinkel oder so­ gar Stillstand zweckmässig sein. Immer jedoch bestimmt das Drehwinkelverhältnis die Entzerrung der auf dem Profilier­ werkzeugumfang aufgebrachten Topologie.

Um eine höhere mittlere Relativgeschwindigkeit zwischen Pro­ filierwerkzeug und abzurichtender Schleifschneckenflanke zu erhalten, kann der Hauptbewegung des Profilierwerkzeuges noch eine zusätzliche Oszillationsbewegung in Richtung des Schleifschneckenganges überlagert werden, was in Fig. 1 mit dem Bezugszeichen 22 angedeutet ist. Je nach Amplitude und Frequenz werden in diesem Falle nicht mehr fest zugeordnete Punkte zur gegenseitigen Berührung gebracht, sondern mehr oder weniger grosse Flächenbereiche. Dank der im allgemeinen sehr kleinen Abweichungen der topologischen Flächenform von der Grundgeometrie, ist diese Methode meistens ohne merkbaren Verlust an Genauigkeit anwendbar.

Es sind auch andere Formen von Profilierwerkzeugen denkbar, z. B. ein Kreissegment mit innen oder aussen angeordneten ak­ tiven Flächen oder z. B. auch ein Werkzeug in der Gestalt ei­ ner Topfscheibe oder einer Wendel, wobei der äussere Rand die aktiven Flächen trägt. Es können auch getrennte Werkzeuge, je eines für jede Schleifschneckenflanke, eingesetzt werden. Dies eröffnet weitere Möglichkeiten der Profilbeeinflussung, wenn diese beiden Werkzeuge während des Profilierens unabhän­ gig voneinander in ihrer Lage und in ihrer Winkelposition verändert werden können.

Wie Fig. 5 zeigt, wird das Profilieren mit dem zuerst ge­ nannten Profilierstab 4 besonders einfach. Dazu kann dieser mittels eines Adapters 25 anstelle eines Werkstückes auf ei­ ner Zahnflankenschleifmaschine 26 zwischen die Spitzen 27, 28 verdrehgesichert eingespannt werden. Zum Profilieren muss die Schleifschnecke nun unter entsprechender Drehung und mit Hil­ fe der Maschinenachsen 29 (Schleifhub) und 30 (Shiften) ent­ lang dem Profilierstab bewegt werden und zwar so, dass die richtige Zuordnung entsprechender Flankenpunkte der Schleif­ schnecke 1 und des Profilierstabes 4 gewährleistet ist. Über die Zustellung 31 wird der Profilierbetrag am Werkzeug 1 festgelegt.

Diese Methode erfordert maschinenseitig ausser der entspre­ chenden Programmierung der NC-Steuerung keine besonderen Ein­ richtungen für das Profilieren der Schleifschnecke, was zu besonders einfachen Maschinenkonstruktionen führt.

Claims (8)

1. Verfahren zum Profilieren von topologisch korrigierten Schleifschnecken für das kontinuierliche Wälzschleifen von Verzahnungen, insbesondere von Zahnrädern, dadurch gekenn­ zeichnet, dass ein Profilierwerkzeug (4, 15) eingesetzt wird, welches eine einfache Grundgeometrie aufweist und auf seiner aktiven und abrasiven Oberfläche (6, 7, 8; 16, 17, 18) die für die Schleifschnecke (1) gewünschte Topologie in verzerr­ ter Form enthält und das während des Profilierens derart am Schleifschneckenprofil (2) vorbei geführt wird, dass Punkte auf der aktiven Profilierwerkzeugoberfläche mit entsprechen­ den Punkten auf den Schleifschneckenflanken in im voraus festgelegter Zuordnung zur Berührung gebracht werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der relativen Haupt­ bewegung des Profilierwerkzeuges (4, 15) gegenüber der Schleifschnecke (1) in Richtung des Schneckenganges (2) eine Oszillationsbewegung mit einstellbarer Amplitude und Frequenz überlagert wird.

3. Profilierwerkzeug zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder 2, umfassend einen Grundkörper (4, 15), der über eine Strecke auf seiner aktiven und abrasiven Oberflä­ che (6, 7, 8; 16, 17, 18) mit Hartstoffkörnern beschichtet ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Querschnitt der aktiven Oberfläche (6, 7, 8; 16, 17, 18) längs der Strecke variiert.

4. Profilierwerkzeug nach Anspruch 3, wobei es stabförmig ausgebildet ist.

5. Profilierwerkzeug nach Anspruch 9, wobei es an einem Adapter (25) befestigt ist, der zum Einspannen in eine Werk­ stückspindel einer Zahnradschleifmaschine ausgebildet ist.

6. Profilierwerkzeug nach Anspruch 3, wobei es scheiben­ förmig ausgebildet ist und sich die aktive Oberfläche (16, 17, 18) über höchstens 360° erstreckt.

7. Profilierwerkzeug nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass es neben den aktiven Oberflächen (6, 8; 16, 18) für das Profilieren der Flankenflächen des Schleifschneckenprofiles auch Zonen (7, 13, 14, 17) enthält für das Profilieren derjenigen Partien der Schleifschnecke, mit denen hinterher die Fuss- und/oder die Kopfbereiche der Werkstückverzahnung geschliffen werden.

8. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach An­ spruch 1 oder 2, umfassend eine Schleifspindel zum Einspannen einer Schleifschnecke (1) sowie eine Einrichtung (27, 28) zum Einspannen eines Profilierwerkzeuges (4, 15) gemäss einem der Ansprüche 3 bis 7, wobei sie Mittel (29, 30) aufweist, um während des Profilierens der Schleifschnecke (1) das Profi­ lierwerkzeug (4, 15) relativ zur Schleifschnecke (1) derart zu bewegen, dass Punkte auf der aktiven Profilierwerkzeug­ oberfläche (6, 7, 8; 16, 17, 18) mit entsprechenden Punkten auf den Schleifschneckenflanken in im voraus bestimmter Zu­ ordnung zur Berührung gebracht werden.