Verfahren zur Hart-Feinbearbeitung der Zahnflanken eines Zahnrades |
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申请号 | EP09173800.5 | 申请日 | 2009-10-22 | 公开(公告)号 | EP2314404A1 | 公开(公告)日 | 2011-04-27 |
申请人 | Klingelnberg AG; | 发明人 | Müller, Hartmuth; | ||||
摘要 | Es geht um ein Verfahren zur Hart-Feinbearbeitung einer vorgefertigten Zahnflanke (11) eines Zahnrades mittels einer Maschine, die mindestens fünf koordiniert gesteuerte Achsen und eine zusätzliche Werkzeugachse (WA) aufweist. Ein rotationssymmetrisches Werkzeug (20.1) wird maschinenseitig so angetrieben, dass es in eine Rotation (RA) um die Werkzeugachse (WA) versetzt wird. Ausserdem werden die koordiniert gesteuerten Achsen so angesteuert, dass ein geradliniger Abschnitt der Mantellinie des Werkzeugs (20.1) in einer Erzeugungsbewegung tangential entlang der Zahnflanke (11) geführt wird während das Werkzeug (20.1) durch die Rotation (R1) um die Werkzeugachse (WA) an der vorgefertigten Zahnflanke (11) Material abhebt. Die Erzeugungsbewegung folgt vorgegebenen Bewegungsvektoren (E). | ||||||
权利要求 | |||||||
说明书全文 | Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Hart-Feinbearbeitung einer vorgefertigten Zahnflanke eines Zahnrades. Bei der Fertigung von Zahnrädern unterscheidet man typischerweise zwischen der sogenannten Weichbarbeitung und der Hartbearbeitung. Die Weichbearbeitung erfolgt vor dem Härten des Werkstücks. Das Hartbearbeiten erfolgt hingegen nach dem Härten. Nach der Weichbearbeitung können sich durch das anschliessende Härten Härteverzüge ergeben. Um die gewünschten Geometrie, Kontakteigenschaften und Oberflächenqualitäten erzielen zu können, werden solche Zahnräder daher häufig im Harten nachbearbeitet. Nun folgt typischerweise das sogenannte Verzahnen. Im Rahmen einer Verzahnungsbearbeitung wird beim Verzahnungsschruppen (Box 105) mit einem Schruppwerkzeug eine vordefinierte Anzahl von Zahnlücken am Kegelradrohling K1 in der ungefähren Position und mit ungefähren Aufmassen herausgearbeitet. Dann kann der optionale Schritt des Verzahnungsschlichtens (Box 106) folgen, der mit einem Schlichtwerkzeug ausgeführt wird und der durch die Schlichtbearbeitung den Zahnlücken, respektive den angrenzenden Zahnflanken, die gewünschte Form mit der vorgegebenen Genauigkeit gibt. Man kann aber auch mit nur einem Schritt (statt der beiden Schritte 105 und 106) die Zahnflanken heraus arbeiten. Die Schritte 105 und 106 können z.B. in ein und derselben Maschine oder Bearbeitungsstation ausgeführt werden. Der Werkstückrohling K1 muss dann also nicht umgespannt oder transferiert werden. Die bisherigen Schritte werden als Weichbearbeitung bezeichnet, wie in Anschliessend folgt typischerweise eine Wärmebehandlung (Box 107) des vorgefertigten Werkstücks K2. Diese Wärmebehandlung zählt typischerweise nicht mehr zur Weichbearbeitung. Sie dient dazu das vorgefertigte Werkstück K2 zu härten. Dann folgt die erwähnte Nachbearbeitung (Box 108). Bei der Nachbearbeitung, die hier auch als Hart-Feinbearbeitung bezeichnet wird, erfolgt eine Hartbearbeitung der Verzahnung. Dann ist das Zahnrad K3 fertig. Bei der Hartbearbeitung kommen heute teilweise Fingerfräser oder kugelkopfartige Fräser zum Einsatz, die langsam über die nachzubearbeitenden Oberflächen der vorgefertigten Zahnflanken geführt werden. Untersuchungen zeigen, dass die Oberflächen, die so nachbearbeitet wurden, unter Umständen deutliche Bearbeitungsspuren aufweisen und ein schlechtes Tragbild haben können. Dies ist vor allem dann der Fall, wenn für das Nachbearbeiten nicht genügend Zeit zur Verfügung steht und/oder wenn das Werkzeug zu schnell über die nachzubearbeitenden Zahnflanken geführt wird. Es kann z.B. auch zu hydrodynamischen Schmierungsproblemen kommen, wenn zwei Zahnräder, die so nachbearbeitet wurden, als Zahnradpaar zum Einsatz kommen. Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Verfahren zur Hart-Feinbearbeitung einer vorgefertigten Zahnflanke eines Zahnrades bereitzustellen, das ein besseres Tragbild oder bessere Oberflächeneigenschaften der Zahnflanken gewährleistet und das sich durch eine gute Produktivität auszeichnet. Diese Aufgabe wird gemäß der vorliegenden Erfindung durch ein Verfahren zur Hart-Feinbearbeitung einer vorgefertigten Zahnflanke gelöst. Dieses Verfahren kommt auf einer Maschine zum Einsatz, die mindestens fünf koordiniert gesteuerte Achsen und eine zusätzliche Werkzeugachse aufweist. Gemäss Erfindung wird ein rotationssymmetrisches Werkzeug, vorzugsweise ein Fingerfräser oder ein Schleifstift, in eine Rotation um die Werkzeugachse versetzt. Eine oder mehrere der fünf koordiniert gesteuerten Achsen werden so angesteuert, dass ein geradliniger Abschnitt der Mantellinie des Werkzeugs in einer Erzeugungsbewegung tangential in mehreren Spuren entlang der Zahnflanke geführt wird während das zylindrische Werkzeug durch die Rotation um die Werkzeugachse an der vorgefertigten Zahnflanke Material abhebt. Besonders bevorzugt ist eine Ausführungsform bei der die Erzeugungsbewegung leicht gekrümmt verlaufenden Spuren folgt, wobei diese Spuren den virtuellen Messerspuren eines Messerkopfs angenähert sind, die beim Erzeugen der entsprechenden Zahnflanke mittels eines Messerkopfs durch Wälzfräsen entstehen würden. Vorzugsweise wird das Werkzeug entlang von Spuren geführt, die den sogenannten Wälz-Iso-Linien entsprechen oder die diesen Wälz-Iso-Linien angenähert sind. Das erfindungsgemässe Verfahren ist speziell für die Bearbeitung von Zahnflanken nach einem Härteprozess, also im harten Zustand, ausgelegt. Entsprechend sind die Werkzeuge auszuwählen, die zum Einsatz kommen. Das entsprechende Verfahren wird daher als Hartbearbeitung bezeichnet. Da es hier um die Überarbeitung, bzw. Nachbearbeitung bereits vorgefertigter Zahnflanken geht, wird das Verfahren auch als Hart-Feinbearbeitung bezeichnet. Der wichtigste Vorteil des erfinderischen Verfahrens wird darin gesehen, dass eine vollständige Beseitigung der aus der Wärmebehandlung verbliebenen Härteverzüge gewährleistet wird, wobei genau definierte Trageigenschaften und hervorragende Oberflächenqualitäten erzielt werden können, was sich positiv auf Lebensdauer und Laufruhe der entsprechend bearbeiteten Zahnräder auswirkt. Der Einsatz der vorliegenden Erfindung kann auch einen positiven Einfluss auf die hydrodynamische Schmierung haben, wenn zwei Zahnräder, die nach der Erfindung nachbearbeitet wurden, miteinander gepaart werden. Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen und mit Bezug auf die Zeichnung beschrieben. Es zeigen:
Im Zusammenhang mit der vorliegenden Beschreibung werden Begriffe verwendet, die auch in einschlägigen Publikationen und Patenten Verwendung finden. Es sei jedoch angemerkt, dass die Verwendung dieser Begriffe lediglich dem besseren Verständnis dienen soll. Der erfinderische Gedanke und der Schutzumfang der Patentansprüche soll durch die spezifische Wahl der Begriffe nicht in der Auslegung eingeschränkt werden. Die Erfindung lässt sich ohne weiteres auf andere Begriffssysteme und/oder Fachgebiete übertragen. In anderen Fachgebieten sind die Begriffe sinngemäss anzuwenden. Das erfindungsgemässe Verfahren zur Hart-Feinbearbeitung einer vorgefertigten Zahnflanke 11 eines Zahnrades 10 wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Bei der Maschine 100 handelt es sich um eine Maschine (wie z.B. in In Es sei angemerkt, dass in der Praxis die Erzeugungsbewegungsbahnen deutlich enger nebeneinander liegen als hier in den Der entsprechende Bewegungsverlauf des Werkzeugs 20.1 ergibt sich nun wie folgt. Es wird eine Maschineneinstellung gewählt, bei der die Achse WA so in Bezug zur idealisierten Zahnflanke 11 geneigt ist, dass mindestens ein kurzer geradliniger Längenabschnitt des Werkzeugs 20.1 tangential zur Zahnflanke 11 liegt. Für ein kegelstumpfförmiges Werkzeug 20.2 (d.h. für ein Werkzeug 20.2 mit kegelstumpfförmigem Grundkörper z.B. nach Besonders bevorzugt sind Werkzeuge 20, deren geradliniger Abschnitt relativ lang ist im Verhältnis zum Durchmesser. Vorzugsweise ist das Verhältnis zwischen der effektiv wirksamen Länge L1 und dem Radius R grösser als 5, d.h. L/R > 5. Es handelt sich somit vorzugsweise um ein Werkzeug 20.1 mit einem länglichen schlanken Grundkörper gemäss Je nach Art der Maschineneinstellung können die Abstände A (siehe Nicht nur die effektiv wirksame Länge L1 der Mantellinie und die Zahnflankenlinie sowie das Zahnprofil können einen Einfluss auf den Abstand A haben. Die Wahl des Ausrichtungswinkels W2 kann auch bei der Festlegung des Abstandes A Berücksichtigung finden. Vorzugsweise wird folgende Regel angewendet. Wenn der Ausrichtungswinkel W2 grösser oder kleiner ist als 90 Grad, dann wird der Abstand A proportional zu dem Sinus des Ausrichtungswinkels W2 verkleinert. Es kann zum Beispiel der folgende Ansatz gelten: A = L1 * (sin W2). Diese mathematischen Zusammenhänge führen, wenn sie angewendet werden, zu vorteilhaften Ergebnissen was die Oberflächenqualität einerseits und die erforderliche Bearbeitungszeit andererseits betrifft. Die entsprechenden Regeln sind jedoch optional. Man kann eine Maschine 100 auch mit konstanten Abständen A betreiben. Es ist auch möglich, dass der Abstand A eine Funktion der momentanen Position des Werkzeugs 20 auf der Zahnflanke 11 ist. Die Vektoren E, die die Erzeugungsbewegungen darstellen, können parallel verlaufende (d.h. der Abstand A ist überall gleich) Linien sein. Die Vektoren E können aber auch gekrümmt sein und sie müssen nicht parallel sein (analog zu den Wälz-Iso-Linien). Beim Festlegen der Erzeugungsbewegungen, respektive der entsprechenden 3-dimensionalen Bewegungsbahnen, entlang denen das Werkzeug 20 durch ein entsprechendes Zusammenspiel der Achsen der Maschine 100 bewegt wird, wird die Zahngeometrie berücksichtigt. Dabei werden neben der Zahnflankenlinie und dem Profilverlauf auch Flankenmodifikationen und andere Aspekte berücksichtigt, welche die Flanke 11 in ihrer Gesamtheit im 3-dimensionalen Raum festlegen. Wenn die Flanke 11 zum Beispiel ballig ist, dann müssen maschinenseitig die 3-dimensionalen Bewegungsbahnen (hier durch die Verktoren E repräsentiert) entsprechend angepasst werden. Entsprechende Anpassungen sind z.B. auch notwendig bei Zähnen mit veränderlichen Zahnhöhe und/oder bei den Zähnen eines schräg- oder spiralverzahnten Zahnrads. Um so kleiner der Abstand A ist, um so genauer kann die Oberfläche der Zahnflanke 11 nachbearbeitet werden. Eine dichte Anordnung der Erzeugungsbewegungen (was gleichbedeutend ist mit einem kleinen Abstand A) bedeutet aber, dass das Werkzeug 20 häufiger entlang der Oberfläche geführt werden muss als bei einem grösseren Abstand A der Erzeugungsbewegungen. Um so häufiger das Werkzeug 20 entlang bewegt werden muss, um so länger ist die Nachbearbeitungszeit. Neben der Vorgabe des Anstellwinkels der Werkzeugachse WA, der unter anderem von der Form des Grundkörpers des Werkzeugs 20 abhängt, kann auch vorgebenen werden, ob das Werkzeug 20 in einer senkrechten Ausrichtung (wie in In den Figuren ist durch eine gestrichelte Linie 14 angedeutet, dass die Zahnflanke im Fussbereich, d.h. nahe dem Zahnfuss 12, einen Bereich hat, der nicht mit dem Werkzeug 20 nachbearbeitet wird. Die gestrichelte Linie 14 definiert den Übergang zum Zahnfussbereich 18. Dieser Übergang ist fliessend. Die in den Die Maschine 100 umfasst eine Steuerung S, die Steuersignale erzeugt, um das Werkzeug 20; 20.1, 20.2 tangential anzustellen und um die Erzeugungsbewegung auszuführen. Die Erfindung lässt sich besonders vorteilhaft für die Nachbearbeitung der Zahnflanken von Kegelrädern einsetzen. In Die Erfindung lässt sich auf Zahnräder mit konstanter oder mit veränderlicher Zahnhöhe anwenden. Sie lässt sich generell auch anwenden auf geradverzahnte, schrägverzahnte und spiralverzahnte Zahnräder. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung folgt die Erzeugungsbewegung geraden oder leicht gekrümmten, vorzugsweise parallel zueinander verlaufenden Vektoren E. Vorzugsweise werden diese Vektoren E rechnerisch so ermittelt, dass sie z.B. den virtuellen Messerspuren eines Stabmesserkopfs angenähert sind (wobei sie dann nicht unbedingt parallel verlaufen müssen), die beim Erzeugen der entsprechenden Zahnflanke mittels Wälzfräsen entstehen würden. Beim Wälzfräsen vollzieht der Stabmesserkopf nicht nur eine Rotationsbewegung um seine Rotationsachse (Messerkopfachse genannt) sondern er wird auch um eine Wälzwiegenachse geführt. Die Wälzwiegenachse entspricht der Planradachse des virtuellen Planrads, das zur mathematischen Definition des entsprechenden Kegelrads herangezogen wird. In der Mathematik werden Flächen dann als konjugierte Flächen bezeichnet, wenn sich sich entlang einer Linie berühren. Gemäss Erfindung wird das Werkzeug 20 stets so entlang der Zahnflanke 11 geführt, was durch eine geeignet Steuerung der Achsen der Maschine 100 erfolgt, dass mindestens jeweils ein kurzer Abschnitt (hier effektiv wirksame Länge L1 genannt) der Mantellinie des rotaionssymmetrischen Werkzeugs 20 zu einem kurzen Abschnitt der Flankenfläche konjugiert ist. Durch das tangentiale Führen des Werkzeugs 20 entlang der Flankenfläche wird die Konjunktion gewährleistet. Durch diese Konjunktion kommt es zu einer spanabhebenden Nachbearbeitung im unmittelbaren Bereich der effektiv wirksamen Länge L1 des Werkzeugs 20. Es ergibt sich bei einer mikroskopischen Betrachtung einer erfindungsgemäss nachbearbeiteten Zahnflanke 11 eine Flankenfläche, die sich im einem Schnitt senkrecht zu den Vektoren E der Erzeugungsbewegungsbahnen als Polygonenzug beschreiben lässt. Nach der Bearbeitung mit dem Werkzeug 20 in der beschriebenen Art und Weise ergibt sich ein Polygonenzug P, der sich aus mehreren geraden Liniensegmenten und/oder gekrümmten Abschnitten zusammensetzt. In Der Begriff rotationssymmetrisches Werkzeug 20 wird hier verwendet, um ein Werkzeug 20 zu definieren, dessen Grundkörper entweder eine kreiszylindrische Form (siehe z.B. Bei Zahnflanken 11, die zum Beispiel eine Balligkeit B aufweisen, wird das Werkzeug 20 vorzugsweise entlang Vektoren E geführt, die einander kreuzen. Diese Prinzip ist in Dadurch ergeben sich verbesserte Oberflächeneigenschaften aber gleichzeitig wird auch die Nachbearbeitungszeit länger. Es geht hier hauptsächlich um rotationssymmetrische Werkzeuge, die einen Rotationskörper (rotationssymmetrischen Grundkörper) haben dessen Mantelfläche durch eine gerade Linie 21 (Erzeugende genannt) erzeugt wurde. Anstelle eines Kegelstumpfs kann auch eine Hyperboloide zum Einsatz kommen. Ein Abschnitt des Werkzeugs liegt während des Bearbeitung mindestens teilweise tangential an dem zu bearbeitenden Werkstück an. Vorzugsweise kommen bei den verschiedenen Ausführungsformen Fräswerkzeuge 20 zum Einsatz. Fräsen bezeichnet hier das spanabhebende Bearbeiten von Metallen. Es kann sich bei den Werkzeugen 20 um Fräser handeln, die schleifend eingesetzt werden, oder es kann sich um Fräser handeln, die Schneidkanten oder -messer aufweist, um Späne abzuheben Es kommt gemäss Erfindung vorzugsweise Werkzeuge 20 zum Einsatz, die speziell für das spanabhebende Bearbeiten von gehärteten Metallen ausgelegt ist. Die zur Spanerzeugung oder -abhebung notwendige Bearbeitungsbewegung wird durch Rotation des Werkzeugs 20 gegenüber der vorgefertigten Zahnflanke 11 erzeugt. Die zur Formgebung notwendige Vorschubbewegung (in Richtung der Vektoren E) wird durch relative Bewegung des Werkzeuges 20 in Bezug auf die Zahnflanke 11 erzeugt. Die NC-gesteuerten Achsen der Machine 100 sorgen für diese relative Bewegung. Gemäss Erfindung kann sich das Werkzeug 20 im Gleichlauf oder im Gegenlauf befinden. Im Gleichlauf bewegt/bewegen sich die Schneide/n des rotierenden Werkzeugs 20, oder die mit schleifendem Material belegte Umfangsfläche des Werkzeugs 20 im Eingriffsbereich in Richtung des Vektors E der Vorschubbewegung. Im Gegenlauf bewegt/bewegen sie sich im Eingriffsbereich gegen die Richtung des Vektors E der Vorschubbewegung. Gemäss Erfindung kommt ein rotatorisch angetriebenes, rotationssymmetrisches Werkzeug 20 zum Einsatz. Hierbei ist die Werkzeugachse WA mehrachsig in Bezug zum vorgefertigten und gehärteten Werkstück K2 bewegbar. Es ist eine entsprechende Steuerung (vorzugsweise eine NC-Steuerung S) zur Kopplung der entsprechenden Achsbewegungen vorgesehen. Dadurch wird das Werkzeug 20 entlang programmierten Bewegungsbahnen geführt.
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