DE10242569A1

DE10242569A1 - Verfahren zur synchronen Hartfeinbearbeitung von Stirnverzahnungen mehrerer Zahnräder

Info

Publication number: DE10242569A1
Application number: DE2002142569
Authority: DE
Inventors: Heinz-Günther Dr. Hilpert; Jürgen Dipl.-Ing. Roos
Original assignee: ZF Friedrichshafen AG
Current assignee: ZF Friedrichshafen AG
Priority date: 2002-09-13
Filing date: 2002-09-13
Publication date: 2004-04-15

Abstract

Im Rahmen des Verfahrens zur synchronen Hartfeinbearbeitung mehrerer Zahnräder (4) mit abrichtbaren und abrichtfreien Werkzeugen, insbesondere beim Honen und Leistungshonen, werden mehrere zu bearbeitende Zahnräder (4) axial hintereinander auf einer gemeinsamen Werkstückdrehachse (5) gespannt und von einem Werkzeug (1, 2) synchron bearbeitet.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur synchronen Hartfeinbearbeitung von Stirnverzahnungen mehrerer Zahnräder gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Durch ständig steigende Qualitätsanforderungen an Verzahnungsqualität und Laufgeräusch erfolgt eine zunehmende Verdrängung der Verzahnungs-Weichbearbeitung durch genauere, aber kostenintensivere Hartbearbeitung.
Beim Honen oder Schabschleifen wird im Rahmen der Hartbearbeitung das zu bearbeitende Werkstück mit einem Schleifkörper behandelt, der kombiniert rotierend und fallweise oszillierend relativ zum Werkstück bewegt wird. Hierbei gewinnt sowohl das konventionelle Verzahnungshonen, als auch Leistungshonen in allen Verfahrensvarianten, mit abrichtbaren und abrichtfreien Werkzeugen zunehmend an Bedeutung.

Bei Hon- und Leistungshonverfahren werden die Werkstücke üblicherweise in Einfachspannung bearbeitet. Dabei wälzt ein Werkzeug – entweder ein innenverzahntes „Hohlrad" oder ein außenverzahntes „Zahnrad", jeweils mit Schneidstoffbelag (abrichtbar oder abrichtfrei), mit dem zu bearbeitenden Werkstück ab. Die Relativbewegung zwischen den beiden Wälzpartnern, und damit die Zerspanung, wird hierbei durch den Achskreuzwinkel zwischen den Drehachsen Werkzeug/Werkstück erzeugt. Die Zustellung erfolgt durch Eintauchen des Werkzeugs ins Werkstück, also mittels einer Achsabstandsänderung. Ein entsprechendes Verfahren ist beispielsweise aus der DE 100 27 011 A1 bekannt.

Zur Verkürzung der werkstückbezogenen Bearbeitungszeiten offenbart die DE 100 27 011 A1 eine synchrone Mehrfachbearbeitung, bei der mehrere Werkstücke – analog der Anordnung von Planetenrädern in einem Hohlrad – in einer axialen Ebene derart angeordnet und bei der Bearbeitung derart verfahrbar sind, daß ein als innenverzahntes Hohlrad ausgebildetes Werkzeug diese Werkstücke gleichzeitig bearbeiten kann.

Nachteilig bei diesem Verfahren zur synchronen Mehrfachbearbeitung ist der begrenzte Durchmesser der einzelnen zu bearbeitenen Werkstücke, da der Werkzeugdurchmesser insbesondere aufgrund endlicher Maschinenabmessungen nicht beliebig vergrößert werden kann.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur synchronen Hartfeinbearbeitung von Stirnverzahnungen mehrerer Zahnräder weiterzuentwickeln, insbesondere hinsichtlich geringer Einschränkung im Außendurchmesser der zu bearbeitenden Werkstücke.

Gelöst wird diese Aufgabe durch ein die Merkmale des des Hauptanspruchs 1 bzw. des Nebenanspruchs 2 aufweisendes Verfahren. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Demnach wird vorgeschlagen, bei allen Hartfeinbearbeitungsverfahren, insbesondere bei Hon- und Leistungshonverfahren, sowohl für den Einsatz abrichtbarer als auch abrichtfreier Werkzeuge, eine Mehrfachspannung mehrerer Zahnräder axial hintereinander auf einer gemeinsamen Werkstückdrehachse vorzusehen und diese axial hintereinander gespannten Zahnräder durch ein Werkzeug synchron zu bearbeiten. Hierdurch erhöht sich die Wirtschaftlichkeit der Hartfeinbearbeitung, ohne daß gegenüber einer Einfach-Hartfeinbearbeitung Einschränkung hinsichtlich der Bearbeitbarkeit hingenommen werden müssen.

Dabei ist das erfindungsgemäße Verfahren auch für solche Werkstücke anwendbar, bei denen auf dem gleichen Werkstück mehrere Verzahnungen in axialer Richtung hintereinander angeordnet sind. In diesem Fall ist nur eine Werkstückdrehachse vorhanden.

Die Einspannung der zu bearbeitenden Zahnräder an sich kann dabei in bekannter Weise erfolgen, beispielsweise expandierend, fliegend oder auch durch Abstützung an einer Gegenfläche erfolgen.

Erfindungsgemäß ist für den Fall, daß als Werkzeug ein innenverzahntes Hohlrad eingesetzt wird, vorgesehen, die zu bearbeitenden außenverzahnten Zahnräder im innenverzahnten Werkzeug axial hintereinander anzuordnen, wobei alle hintereinander angeordneten Zahnräder gemeinsam auf einer Werkstückdrehachse gespannt werden. Die Zustellbewegung und damit die Zerspanung erfolgt vorzugsweise durch eine Verlagerung der Werkzeug- bzw. Werkstückdrehachse, also durch einen Eintauchvorgang.

Ist jedoch ein außenverzahntes Werkzeug vorgesehen, wird vorgeschlagen, die gewünschte Synchronbearbeitung dadurch zu erreichen, daß die außenverzahnten Zahnräder axial hintereinander auf einer Werkstückdrehachse gespannt werden und gemeinsam mit dem außenvezahnten Werkzeug im Eingriff stehen. Die Zustellbewegung und damit die Zerspanung erfolgt wiederum vorzugsweise durch eine Verlagerung der Werkzeug- bzw. Werkstückdrehachse, also durch einen Eintauchvorgang.

Hierbei ist die Anzahl der gleichzeitig zu bearbeitenden Werkstücke bzw. die Anzahl der gleichzeitig zu bearbeitenden Verzahnungen hauptsächlich nur durch die Antriebsleistung der Achsen begrenzt, wohingegen mögliche Einschränkungen durch geometrische Randbedingungen, beispielsweise durch Größe von Werkzeug und Werkstücken, vergleichbar sind mit denen der aus dem Stand der Technik bekannten Einfachspannung.

Zur weiteren Reduzierung der werkstückbezogenen Bearbeitungszeiten kann die axiale Mehrfachspannung auch mit einer radialen Mehrfachspannung, bei der mehrere zu bearbeitende außenverzahnte Zahnräder analog der Anordnung von Planetenrädern in einem Hohlrad in einer axialen Ebene angeordnet sind, kombiniert werden.

Bei Verwendung eines innenverzahnten Werkzeugs sind dann mehrere Werkstückdrehachsen vorgesehen, auf denen jeweils mehrere zu bearbeitenden außenverzahnte Zahnräder nebeneinander angeordnet und gemeinsam gespannt sind. Die Werkstückdrehachsen wiederum sind ähnlich wie Planeten innerhalb der als Hohlrad ausgebildeten Werkzeugs angeordnet.

Ist hingegen ein außenverzahntes Werkzeug vorgesehen, bildet das Werkzeug bei der Hartfeinbearbeitung dann quasi eine Sonne aller als Planeten in mehreren Ebenen axial nebeneinander angeordneten Werkstücke. Dabei sind unverändert mehrere zu bearbeitende außenverzahnte Zahnräder axial nebeneinander angeordnet und gleichzeitig auf einer gemeinsamen Werkstückdrehachse gespannt. Um das außenverzahnte Werkzeug herum sind mehrere Werkstückdrehachsen quasi als Planeten angeordnet, auf denen – wie beschrieben – jeweils mehrere Werkstücke axial hintereinander gespannt sind.

Auch hierbei ist die Anzahl der gleichzeitig zu bearbeitenden Werkstücke im wesentlichen durch die Antriebsleistung der Achsen begrenzt. Weitere Grenzen ergeben sich durch geometrische Randbedingungen wie Größe von Werkzeug und Werkstücken und sind vom Prinzip her durch die radiale Mehrfachspannung gemäß dem Stand der Technik bekannt.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

1 eine schematische Darstellung der Anordnung von einem innenverzahnten Werkzeug und den zu bearbeitenden Werkstücken gemäß der Erfindung für einen Achskreuzwinkel von 0°;

2 eine schematische Darstellung der Anordnung von einem innenverzahnten Werkzeug und den zu bearbeitenden Werkstücken gemäß der Erfindung für einen Achskreuzwinkel ≠ 0°;

3 ine schematische Darstellung der Anordnung von einem außenverzahnten Werkzeug und den zu bearbeitenden Werkstücken gemäß der Erfindung für einen Achskreuzwinkel von 0° und

4 eine schematische Darstellung der Anordnung von einem außenverzahnten Werkzeug und den zu bearbeitenden Werkstücken gemäß der Erfindung für einen Achskreuzwinkel ≠ 0°.

In allen Figuren sind vergleichbare Elemente auch mit gleichen Bezugszeichen versehen.

Gemäß 1, werden bei einem innenverzahnten Werkzeug 1 die zu bearbeitenden außenverzahnten Zahnräder 4 analog der Anordnung von Planeten in einem Hohlrad angeordnet. Die Werkzeugdrehachse ist mit 3 bezeichnet, die Werkstückdrehachse mit 5. Dabei sind mehrere zu bearbeitende Zahnräder 4 axial hintereinander auf der gemeinsamen Werkstückdrehachse 5 angeordnet und gemeinsam als Mehrfachspannung bei der Hartfeinbearbeitung gespannt. Die Zustellung erfolgt vorzugsweise mittels einer Verlagerung der Werkstückdrehachse 5 in Richtung Werkzeug, dargestellt durch die kleinen Pfeile 6 an den Werkstücken 4. In 1 ist ein Achskreuzwinkel AKW von 0° dargestellt. In diesem Fall wird die Zerspanung im Laufe der Hartfeinbearbeitung durch eine Verlagerung des Wälzkreises außerhalb der Verzahnung erzielt. Dies bedeutet, daß der Wälzkreisdurchmesser größer als der Kopfkreisdurchmesser oder kleiner als der Fußkreisdurchmesser des Werkstücks 4 sein muß. Die Drehrichtungen von Werkstückdrehachse 5 und Werkzeugdrehachse 3 sind durch entsprechende Rotationspfeile gekennzeichnet.
In 2 ist eine ähnliche Anordnung mit innenverzahntem Werkzeug 1 dargestellt, aber mit einem Achskreuzwinkel AKW ungleich Null. Zur Steuerung des Zerspanprozesses können die Achskreuzwinkel beliebige Werte annehmen. Auch hier erfolgt die Zustellung durch Achsverlagerung.
Auch bei einem außenverzahnten Werkzeug 2 werden die zu bearbeitenden Zahnräder 4 axial hintereinander auf einer gemeinsamen Werkstückdrehachse 5 gespannt, wie in 3 und 4 gezeigt. Das außenverzahnte Werkzeug 2 bildet bei der Hartfeinbearbeitung quasi ein Sonnenrad, das mit den zu bearbeitenden Zahnräder 4 ähnlich eines Planeten in Eingriff steht. Der Unterschied zwischen den Konstellationen von 3 und 4 besteht darin, daß in 3 der Achskreuzwinkel AKW 0° beträgt, während 4 einen beliebigen Achskreuzwinkel AKW zeigt. Die Zustellbewegung 6 erfolgt unverändert durch Verlagerung der Werkstückdrehachse 5, also durch Eintauchen der gemeinsam eingespannten Werkstücke 4 in Richtung außenverzahntes Werkzeug 2.
In allen dargestellten Beispielen weist das als Hohlrad oder Sonnenrad ausgebildete Werkzeug 1 bzw. 2 eine in axialer Richtung durchgehende Verzahnung auf und ist entsprechend kostengünstig in seiner Herstellung.
In einer anderen Ausgestaltung kann die Verzahnung des Werkzeugs auch in Bezug zum jeweils einzelnen zu bearbeitenden Zahnrad korrigiert sein. Das Werkzeug weist dann also keine durchgehende Verzahnung auf. Beispiele für eine solche Korrektur je Werkstück sind Zahnprofilkorrekturen, ein Wälzkreisdurchmesser-Sprung und ein Zähnezahl-Sprung. Dies ermöglicht eine wirtschaftliche Hartfeinbearbeitung insbesondere von solchen Zahnrädern, die in einem Bauteil mehrere verschiedene Verzahnungen aufweisen, beispielsweise Stufenplanetenräder. Selbstverständlich kann das Werkzeug dabei auch mehrteilig ausgeführt und entsprechend aus mehreren Stufen zusammengesetzt sein.
Die Einspannung der zu bearbeitenden Zahnräder kann sowohl expandierend oder fliegend, als auch mit Abstützung an einer Gegenfläche erfolgen, wobei auch weitere Konzepte nach dem Stand der Technik möglich sind.
Das hier vorgestellte Verfahren ist nicht nur für eine horizontale oder vertikale Grundachsenanordnung, sondern für sämtliche Arten der Grundachsenanordnung geeignet.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren ist eine synchrone Bearbeitung mehrerer Werkstücke insbesondere bei Hon- und Leistungshonverfahren möglich, wodurch die Wirtschaftlichkeit aufgrund der werkstückbezogenen kurzen Bearbeitungszeit erhöht wird. Zudem ist das Verfahren auch beim Zahnflanken-Leistungshonen mit galvanisch belegten Werkzeugen anwendbar (Coronieren^®).
Wie bereits erwähnt, können mit diesem Verfahren auch solche Werkstücke kostengünstig gefertigt werden, bei denen ein Werkstück gleichzeitig mehrere axial hintereinander angeordnete Verzahnungen aufweist. Bei einer alleinigen Bearbeitung eines derart ausgebildeten Werkstücks bildet die beschriebene axiale Mehrfachspannung quasi eine Einfachspannung, wobei unverändert mehrere axial hintereinander angeordnete Verzahnungen gleichzeitig bearbeitet werden.
Ein weiterer Vorteil ist darin zu erwarten, daß bei bekannter Zustellung aller zu bearbeitenden Zahnräder die erzielte Verzahnungsgeometrie ebenfalls weitgehend gleich ist. Dadurch kann das heute übliche Klassieren von Zahnrädern für Planetensätze entfallen (ein Planetentrieb darf nur Planetenräder einer – eingeschränkten – Zahnweitenklasse enthalten).

1: innenverzahntes Werkzeug
2: außenverzahntes Werkzeug
3: Werkzeugdrehachse
4: Werkstück, zu bearbeitendes Zahnrad
5: Werkstückdrehachse
6: Zustellrichtung
AKW: Achskreuzwinkel

Claims

Verfahren zur Hartfeinbearbeitung von Stirnverzahnungen mehrerer Zahnräder mit abrichtbaren und abrichtfreien Werkzeugen, insbesondere beim Honen und Leistungshonen, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere zu bearbeitende Zahnräder (4) axial hintereinander auf einer gemeinsamen Werkstückdrehachse (5) gespannt und von einem Werkzeug (1, 2) synchron bearbeitet werden.
Verfahren zur Hartfeinbearbeitung von Stirnverzahnungen mehrerer Zahnräder mit abrichtbaren und abrichtfreien Werkzeugen, insbesondere beim Honen und Leistungshonen, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere zu bearbeitende Verzahnungen axial hintereinander auf einer gemeinsamen Werkstückdrehachse (5) gespannt und von einem Werkzeug (1, 2) synchron bearbeitet werden.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die axiale Einspannung der zu bearbeitenden Zahnräder, bei der die Zahnräder bzw. die zu bearbeitenden Verzahnungen in mehreren Ebenen axial hintereinander angeordnet sind, mit einer radialen Mehrfachspannung der zu bearbeitenden Zahnräder, bei der mehrere Zahnräder analog von Planeten in einem Hohlrad in einer axialen Ebene angeordnet sind, kombiniert ist.
Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem innenverzahnten Hohlrad als Werkzeug (1) die zu bearbeitenden, axial hintereinander angeordneten Zahnräder (4) bzw. die zu bearbeitenden, axial hintereinander angeordneten Verzahnungen bei der Hartfeinbearbeitung im innenverzahnten Werkzeug (1) analog der Anordnung eines Planeten in einem Hohlrad angeordnet sind.
Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem außenverzahntem Werkzeug (2) die zu bearbeitenden, axial hintereinander angeordneten Zahnräder (4) bzw. die zu bearbeitenden, axial hintereinander angeordneten Verzahnungen bei der Hartfeinbearbeitung wie ein Planet um das außenverzahnte Werkzeug (2) angeordnet sind.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Werkzeug (1, 2) eine in axialer Richtung durchgehende Verzahnung aufweist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß eine Verzahnung des Werkzeugs (1, 2) in Bezug zum jeweils zu bearbeitenden Zahnrad bzw. in Bezug zur jeweils zu bearbeitenden Verzahnung korrigiert ist.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Korrektur eine Zahnprofilkorrektur und/oder ein Wälzkreisdurchmesser-Sprung und/oder ein Zähnezahl-Sprung ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß ein Achskreuzwinkel (AKW) zwischen einer Werkzeugdrehachse (3) und der Werkstückdrehachse (5) für beliebige Werte einstellbar ist.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem Wert „null" für den Achskreuzwinkel (AKW) eine Zerspanung der Hartfeinbearbeitung durch eine Verlagerung des Wälzkreises außerhalb der Verzahnung, durch eine Verschiebung größerer Kopfkreisdurchmesser oder durch einen kleineren Fußkreis erzielt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Zustellung der zu bearbeitenden Zahnräder (4) durch Achsverlagerung erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Einspannung der zu bearbeitenden Zahnräder (4) expandierend, fliegend, oder durch Abstützung an einer Gegenfläche erfolgt.