DE4413229A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Feinbearbeiten von Zahnrädern - Google Patents

Description

Zum Honen von Zahnrädern ist es bekannt, das Zahnrad auf einer frei drehbaren Werkstückspindel aufzuspannen. Mit dem Zahnrad wird ein auf einer windschief zur Werkstückspindelachse gela­ gerten Werkzeugspindel eingespanntes Honrad in Eingriff ge­ bracht. Die Werkzeugspindel wird angetrieben und das Zahnrad mit einer vorgewählten Kraft gegen das Honrad angepreßt. Dabei erfolgt der Spanabtrag am Werkstück in annähernd äquidistanten Schichten. Teilungsfehler, Taumelfehler, Exzentrizität, Profil- und Flankenlinienabweichungen usw. bleiben also weitgehend er­ halten. Die Abrichtzyklen und die Abricht-Zustellbeträge werden empirisch für jede Werkstückgeometrie ermittelt. Die Einhaltung konstanter Qualität ist besonders problematisch, wenn Aufmaß­ schwankungen der vorbearbeiteten Werkstücke innerhalb eines größeren Toleranzfeldes liegen. Einzelne Ausreißer würden an sich ein früheres Abrichten oder einen höheren Abrichtbetrag erfordern als die empirisch ermittelten. Umgekehrt können die empirisch ermittelten Standzeiten zwischen den Abrichtzyklen zu kurz oder die Abrichtbeträge zu groß gewählt sein. Dadurch wird das Werkzeug unnötig rasch abgenützt. Die Bearbeitungszeit wird im Normalfall ebenfalls empirisch ermittelt. Unterschiede in der Vorverzahnungsqualität können daher zu unnötig langen oder zu zu geringen Honzeiten führen.

Aus der EP-B-206 9084 ist ein Verfahren zum Wälzschleifen von Zahnrädern bekannt, bei welchem sowohl die Werkstückspindel als auch die Werkzeugspindel über je einen Motor angetrieben sind. Die beiden Motoren sind über einen elektronischen Regler zum Synchronlauf miteinander gekoppelt. Zum Regelsignal für den zweiten Motor wird der gespeicherte Verlauf einer aus der Re­ gelabweichung abgeleiteten Störgröße im Takt mit der Umdrehung der Werkzeugspindel hinzu addiert. Dieses Verfahren ist aller­ dings auf das Honen von Zahnrädern nicht anwendbar, weil hier der zweite Motor fehlt.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Ver­ fahren und eine Vorrichtung zur Feinbearbeitung, insbesondere zum Honen, von Zahnrädern anzugeben, mit welchen die obgenann­ ten Nachteile bekannter Honverfahren reduziert werden können, sodaß die Qualität des feinbearbeiteten Zahnrades verbessert wird. Diese Aufgabe wird durch die Merkmalskombination der An­ sprüche gelöst.

Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnungen erläutert. Darin zeigt:

Fig. 1 eine schematische Seitenansicht einer Honma­ maschine,

Fig. 2 einen Schnitt längs der Linie II-II in Fig. 1,

Fig. 3 ein Schaltschema eines Reglers,

Fig. 4 einen Verlauf der Verformung der Werkstück­ spitzen in Funktion des Drehwinkels, und

Fig. 5 eine zweite Ausführungsform.

Die Honmaschine 1 nach Fig. 1 und 2 ist der besseren Über­ sicht wegen nur schematisch dargestellt. Auf einem Gestell 2 St ein Zustell-Schlitten 3 längsverschiebbar gelagert. Der Schlittenhub wird beispielsweise durch einen Servozylinder 4 geregelt und mittels eines Fühlers 5 gemessen. Auf dem Schlit­ ten 3 ist ein Reitstock 6 und ein Gegenhalter 7 befestigt, wel­ che je eine Werkstückspitze 8, 9 tragen. In den Spitzen 8, 9 ist eine Werkstückspindel 10 eingespannt. Mit der Werkstück­ spindel 10 sind ein Drehwinkelgeber 11 und eine regelbare Brem­ se 12 drehfest gekoppelt, was in Fig. 2 durch Zahnräder 13, 14 und einen Zahnriemen 15 angedeutet ist. Auf der Spindel 10 ist ein Werkstück-Zahnrad 16 aufgespannt.

Auf gehäusefesten Lagern 22 ist ein Werkstückspindelgehäuse 23 mit Zapfen 24 um eine zur Werkstückspindelachse 17 senkrechte Achse 25 schwenkbar gelagert. Im Gehäuse ist die Werkstückspin­ del 26 um eine zur Achse 17 windschiefe Werkzeugachse 27 dreh­ bar gelagert. Die Spindel 26 trägt das Honwerkzeug in Form ei­ nes innenverzahnten Honrades 28, das mit dem Zahnrad 16 kämmt. Der Achskreuzwinkel 29 ist mittels eines Servozylinders 30 über einen mit dem einen Zapfen 24 gekoppelten Hebel 31 einstellbar. Der Hub des Zylinders 30 wird durch einen Fühler 32 gemessen. Am Gehäuse 23 ist ein Motor 33 befestigt. Dessen Abtriebswelle 34 treibt über ein Ritzel 35 einen Zahnkranz 36 der Spindel 26. Der Drehwinkel der Welle 34 wird mit einem Drehwinkelgeber 37 gemessen. Zusätzlich kann mit der Welle 34 noch ein Tachometer 38 gekoppelt sein.

Ein Regler 44 zur Regelung der Zylinder 4, 30 und der Bremse 12 ist in Fig. 3 dargestellt. Beim dargestellten Ausführungsbei­ spiel wird an den beiden Spitzen 8, 9 die Verformung durch die Bearbeitungskräfte mittels den Dehnungsmeßstreifen 45, 46 ge­ messen. Die beiden Signale der Dehnungsmeßstreifen 45 werden in einem Summierglied 47 addiert. Der Verlauf des Ausgangssignals des Summiergliedes 47 kann in einer Speichereinheit 48 auf ein externes Signal über eine Leitung 49 hin in Funktion des mit dem Drehwinkelgeber 11 unter Einbezug des Übersetzungsverhält­ nisses zwischen den Zahnrädern 13, 14 gemessenen Drehwinkels der Werkstückspindel 10 über eine volle Werkstückumdrehung ge­ speichert werden. Die Speichereinheit 48 kann z. B. analog jener im EP-Patent Nr. 206 984 beschriebenen aufgebaut sein und eine Multiplex-Demultiplex-Schaltung mit einer Anzahl von Sample­ and-Hold-Schaltungen enthalten. Aus dem gespeicherten Verlauf wird in einem Rechner 50 ein Korrekturwert zum Sollwert der Po­ sition des Schlittens 3 ermittelt, der über einen Schalter 51 in einem Addierglied 52 dem über eine Eingangsleitung 53 einge­ gebenen Sollwert überlagert werden kann. Der Ausgang des Ad­ diergliedes 52 ist an den positiven Eingang eines Servoverstär­ kers 54 angeschlossen. Der Verstärker 54 steuert ein Servoven­ til 55, das den Zylinder 4 treibt. Der Ausgang des Fühlers 5, der die Schlittenposition mißt, ist als Rückführung auf den negativen Eingang des Verstärkers 54 geschaltet.

Statt des Ventils 55 und Kolbens 4 kann zur Verstellung des Schlittens 3 auch ein Servomotor mit einer Gewindespindel ein­ gesetzt werden. Anstelle der Weg-Rückführung mittels des Füh­ lers 5 kann auch eine Kraft-Rückführung z. B. durch Messen des Öldrucks im Zylinder 4 verwendet werden. Bei dieser Variante wird über die Leitung 53 der mittlere Anpreßdruck eingegeben.

Der mittlere Ast des Reglers 44 hat analoge Komponenten zum oberen. Diese sind deshalb mit gleichen Bezugszeichen versehen, sodaß sich eine detaillierte Beschreibung dieser Komponenten erübrigt. Statt des Summiergliedes 47 ist im mittleren Ast ein Subtrahierglied 56 eingesetzt, welches die Differenz der Sig­ nale der beiden Dehnungsmeßstreifen 46 ermittelt. Der Sollwert des Achskreuzwinkels 29 wird über die Leitung 57 dem Addier­ glied 52 zugeführt.

Im Betrieb arbeitet die beschriebene Vorrichtung wie folgt: Auf die Spindel 10 wird ein vorbearbeitetes, z. B. geschliffenes Zahnrad 16 und auf die Spindel 26 das Honrad 28 aufgespannt. Die beiden Räder werden in kämmenden Eingriff gebracht und durch entsprechende Signale auf den Leitungen 53, 57 mittels des Zylinders 4 auf den Soll-Achsabstand (bzw. die Soll-An­ preßkraft) und mittels des Zylinders 30 auf den Soll-Achs­ kreuzwinkel eingestellt. Die Schalter 51, 51′ sind geöffnet. Nun wird der Motor 33 in Betrieb gesetzt, sodaß die Bearbei­ tung beginnt. Mittels der Signale auf den Leitungen 49, 49′ wird nun der Verlauf der Verformungen der Werkstückspitzen 8, 9 über eine Umdrehung der Spindel 10 in den Speichereinheiten 48, 48′ in Funktion des Drehwinkels der Spindel 10 gespeichert. An­ schließend werden die Schalter 51, 51′ geschlossen und die entsprechenden Korrekturwerte über die Addierglieder 52, 52′ den Sollwerten auf den Leitungen 53, 57 überlagert. Die Zylin­ der 4, 30 führen nun bei der nachfolgenden Bearbeitung periodi­ sche Korrekturbewegungen entsprechend dem gemessenen Verlauf der Spitzenverformungen aus, sodaß an den Stellen, wo höhere Anpreßkräfte erforderlich sind, diese auch tatsächlich aufge­ bracht werden. Der Materialabtrag an den Zahnflanken des Werk­ stückrades 16 erfolgt also somit vermehrt an den Stellen mit dem größeren Übermaß. Dadurch wird eine hohe Präzision des fertig bearbeiteten Zahnrades 16 erreicht.

Nach einer vorbestimmten Anzahl Umdrehungen oder einer vorbe­ stimmten Zeitspanne werden die Schalter 51, 51′ geöffnet und durch ein Signal bei den Eingängen 49, 49′ der gemessene Ver­ lauf der Spitzenverformungen in einem zweiten Speicher der Speichereinheiten 48, 48′ erneut in Funktion des Werkstückdreh­ winkels gespeichert. In Fig. 4 ist ein Beispiel des in der Speichereinheit 48 gespeicherten ersten Verlaufs 62 und zweiten Verlaufs 63 für den Fall eines Rundlauffehlers oder Taumelfeh­ lers dargestellt. Durch Vergleich der beiden Verläufe 62, 63 miteinander und mit einem vorgegebenen Toleranzwert 64 kann festgestellt werden, ob das Honrad 28 abgerichtet werden muß oder ob die Bearbeitung beendet werden kann. Unterschreitet der Unterschied der beiden Verläufe 62, 63 einen vorgegebenen Grenzwert, ist dies ein Indiz dafür, daß das Werkzeug stumpf ist und des Abrichtens bedarf. Unterschreitet der zweite ge­ messene Verlauf 63 oder entsprechend später ermittelte weitere gemessene Verläufe den Toleranzwert 64 bei beiden Speicherein­ heiten 48, 48′, so kann die Bearbeitung beendet werden.

Die erfindungsgemäße Lösung ermöglicht daher eine optimale Ausnützung der Standzeiten der Werkzeuge und eine Minimierung der Bearbeitungszeiten bei gleichzeitig erhöhter Qualität der Endprodukte.

Mit dem oben beschriebenen Verfahren lassen sich vor allem langwellige Fehler wie Rundlauf- und Taumelfehler eliminieren. Um auch kurzwellige Fehler, z. B. Teilungsfehler, eliminieren zu können, werden gemäß Fig. 3 die Winkelmeßwerte der Geber 37, 11 korreliert. Der Meßwert des Gebers 37 wird in einem Multi­ plikator 70 mit dem Verhältnis der Zähnezahlen von Zahnrad 35 und Zahnrad 16 sowie Zahnrad 13 und Zahnrad 14 multipliziert und in einem Subtrahierglied 71 vom Meßwert des Gebers 11 sub­ trahiert. Der Verlauf der Differenz wird in einer weiteren Speichereinheit 48′′ in gleicher Weise wie in der Speicherein­ heit 48 gespeichert. Der Ausgang der Speichereinheit 48′′ wird in Korrekturwerte umgerechnet und in einem Servoverstärker 72 dem über einen Eingang 73 eingegebenen Sollwert des Bremsmomen­ tes der Bremse 12 überlagert. Bei dieser Ausführungsform er­ folgt die Bearbeitung im wesentlichen an einer Zahnflanke. So­ bald diese fertig bearbeitet ist, wird die Drehrichtung des Motors 33 umgekehrt und die andere Zahnflanke in gleicher Weise gehont.

In Fig. 5 ist eine weitere Ausführungsform der Erfindung dar­ gestellt, wobei die Maschine 1 stark vereinfacht gezeichnet ist. Sie umfaßt in Wirklichkeit sämtliche Elemente der Ausfüh­ rungsform nach Fig. 1 und 2, gegebenenfalls ohne die Dehn­ meßtreifen 45, 46 und die Bremse 12.

Bei der Ausführungsform nach Fig. 5 kämmt ein hochpräzises Meßrad 80 mit dem Zahnrad 16. Das Meßrad 80 ist auf einem Arm 81 frei drehbar gelagert. Der Arm 81 ist um eine mit dem Schlitten 3 fest verbundene Achse 82 schwenkbar. Eine Feder 83 drückt das Rad 80 in spielfreien Zweiflanken-Eingriff mit dem Zahnrad 16. Ein Fühler 84 mißt den Neigungswinkel 85 des Arms 81. Das Signal des Fühlers 84 kann in gleicher Weise wie jenes der Dehnmeßstreifen 45 zur Regelung des Zylinders 4 herangezo­ gen werden, wobei das Signal der Speichereinheit 48 um 180° phasenverschoben wird. Damit lassen sich ebenfalls kurzwellige und langwellige Verzahnungsfehler erfassen und eliminieren.

Vom Meßrad 80 könnte zusätzlich oder statt dessen der Dreh­ winkel gemessen werden. Damit können Teilungsfehler in gleicher Weise eliminiert werden mit wie mit dem unteren Ast des Reglers 44 nach Fig. 3. Zu diesem Zweck kann auch eine bezüglich des Schlittens 3 feste Lage der Achse des Meßrades 80 und dafür eine Einflanken-Berührung zwischen Meßrad 80 und Zahnrad 16 gewählt werden.

Als Meßgrößen können auch andere oder zusätzliche physikali­ sche Größen erfaßt werden, z. B. Honkräfte, Motorstromaufnah­ me, Werkzeugdrehmoment, Werkstückdrehzahl, Körperschall. Durch Messen der Werkstückdrehzahl werden kurzwellige Fehleranteile (Teilungs-Einzelabweichungen) der Verzahnung erfaßt. Die Mes­ sung des Körperschalls dient der Standzeitoptimierung des Hon­ werkzeuges und der automatischen Auslösung des Abrichtvorgangs sowie allenfalls der Minimierung der Abricht-Zustellbeträge.

Claims (8)

1. Verfahren zum Feinbearbeiten eines Zahnrades (16) auf einer Bearbeitungsmaschine (1) mit einer Werkzeugspindel (26), einer Werkstückspindel (10), einem mit der einen Spindel (26) gekoppelten Antriebsmotor (33), einem Zustellorgan (4) zum Ändern des Achsabstandes der beiden Spindeln (10, 26) und ei­ nem Verstellorgan (30) zum Einstellen des Kreuzungswinkels (29) der beiden Spindelachsen (17, 27), wobei das Zahnrad (16) auf die Werkstückspindel (10) und ein Werkzeugrad (28) auf die Werkzeugspindel (26) aufgespannt und Zahnrad und Werkzeugrad in kämmenden Eingriff gebracht werden, dadurch gekennzeichnet, daß während der Bearbeitung mittels eines ersten Fühlers (11) der Drehwinkel einer der Spindeln (10, 26) gemessen und mittels mindestens eines zweiten Fühlers (45, 46) mindestens eine phy­ sikalische Größe mindestens eines der Elemente des Systems be­ stehend aus Bearbeitungsmaschine, Werkzeugrad und Zahnrad wäh­ rend mindestens einer Umdrehung der Werkstückspindel (10) er­ faßt und gespeichert wird, und daß anschließend ein ver­ stellbares Element der Bearbeitungsmaschine (1) während des weiteren Bearbeitens analog zum gespeicherten Verlauf der phy­ sikalischen Größe in Funktion des Drehwinkels der Werkstück­ spindel (10) verstellt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei nach einer ein­ stellbaren Zeit oder nach einer einstellbaren Anzahl von Um­ drehungen einer der Spindeln (10, 26) die drehwinkelabhängige Verstellung des Elementes unterbrochen, die physikalische Größe in Funktion des Drehwinkels während mindestens einer Umdre­ hung der Werkstückspindel (10) erneut erfaßt und gespeichert wird und wobei anschließend während des weiteren Bearbeitens das verstellbare Element analog zu einem der gespeicherten Ver­ läufe der physikalischen Größe in Funktion des Drehwinkels der Werkstückspindel (10) verstellt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, wobei der Vorgang der erneuten Ermittlung des Verlaufs der physikalischen Größe wie­ derholt wird, bis der zuletzt gemessene Verlauf einen vorgege­ benen Grenzwert (64) unterschreitet.

4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, wobei der zuletzt gemessene Verlauf (63) der physikalischen Größe mit dem zuvor gemessenen Verlauf (62) verglichen wird, und wobei der Bearbei­ tungsvorgang unterbrochen wird, wenn die Differenz der beiden Verläufe einen vorgegebenen Grenzwert unterschreitet und wobei anschließend das Werkzeugrad (28) abgerichtet wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-4, wobei gleichzeitig mit mehreren zweiten Fühlern (45, 46, 37) mehrere physikalische Größen in Funktion des Drehwinkels einer der Spindeln erfaßt und gespeichert werden, und wobei anschließend ein oder mehrere verstellbare Elemente der Bearbeitungs­ maschine (1) gleichzeitig analog zu den gespeicherten Verläufen der physikalischen Größen in Funktion des Drehwinkels der Werkstückspindel (10) verstellt werden.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-5, wobei das verstellbare Element der Bearbeitungsmaschine das Zustellorgan (4) und/oder eine Bremse (12) und/oder das Verstellorgan (30) ist.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-6, wobei als physikalische Größe die Spannung, Dehnung, Lageveränderung oder Verformung eines im Kraftfluß der Bearbeitungskräfte lie­ genden Elementes und/oder der Drehwinkel der andern Spindel und/oder die Winkelgeschwindigkeit mindestens einer der Spin­ deln und/oder die Achslage eines mit dem Zahnrad mit Ein- oder mit Zweiflankenberührung kämmenden, frei drehbaren Meßrades und/oder eine akustische Einmission und/oder der Strom oder das Drehmoment des Antriebsmotors (33) gemessen wird.

8. Bearbeitungsmaschine zur Durchführung des Verfah­ rens nach Anspruch 1, umfaßend eine Werkzeugspindel (26), eine Werkstückspindel (10), einen mit der einen Spindel gekoppelten Antriebsmotor (33), ein Zustellorgan (4) zum Ändern des Achs­ abstandes der beiden Spindeln (10, 26) sowie ein Verstellorgan (30) zum Einstellen des Kreuzungswinkels (29) der beiden Spin­ delachsen (17, 27), wobei die Werkstückspindel (10) zum Ein­ spannen eines Zahnrades (16) und die Werkzeugspindel (28) zum Einspannen eines Werkzeugrades (28) ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, daß mit einer der Spindeln (10) ein Drehwin­ kelfühler (11) gekoppelt ist, daß an der Maschine mindestens ein weiterer Fühler (45, 46) zum Messen mindestens einer phy­ sikalischen Größe mindestens eines der Elemente des Systems bestehend aus Bearbeitungsmaschine (1), Werkzeugrad (28) und Zahnrad (16) angeordnet ist, daß die beiden Fühler (11; 45, 46) mit einer Steuereinheit (44) verbunden sind, die eine Ein­ richtung (48, 48′) zum Speichern der Meßwerte des weiteren Fühlers (45, 46) in Funktion des vom Drehwinkelgeber (11) ge­ messenen Drehwinkels während mindestens einer Umdrehung der Werkstückspindel (10) enthält, und daß die Steuereinheit mit einem regelbaren Element (4, 30) der Bearbeitungsmaschine (1) verbunden ist.