DE3336593C1

DE3336593C1 - Method for producing a gear, rack or worm-shaped tool for fine machining the tooth flanks of especially hardened gears

Info

Publication number: DE3336593C1
Application number: DE3336593A
Authority: DE
Inventors: Johann 8011 Poing Spensberger
Original assignee: Carl Hurth Maschinen und Zahnradfabrik GmbH and Co
Current assignee: Gleason Hurth Tooling GmbH
Priority date: 1983-10-07
Filing date: 1983-10-07
Publication date: 1984-10-04
Also published as: GB2150058A; IT1177823B; GB8424744D0; FR2553019B1; JPH0223284B2; GB2150058B; JPS6080521A; IT8448439A0; FR2553019A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines zahnrad-, Zahnstangen- oder schneckenförmigen Werkzeugs zum Feinbearbeiten der Zahnflanken von insbesondere gehärteten Zahnrädern gemäß dem Oberbegriff der Ansprüche 1 und 2.The invention relates to a method for producing a gear, rack or worm-shaped Tool for finishing the tooth flanks of especially hardened gears according to the preamble of claims 1 and 2.

Zum Feinbearbeiten der Zahnflanken von insbesondere gehärteten Zahnrädern sind Werkzeuge bekanntgeworden, bei denen ein verzahnter Grundkörper auf seinen Flanken mit einer Diamantkörnung belegt ist. Bei Diamantwerkzeugen zeigen sich beim Schleifen von Eisenwerkstoffen häufig Verschleißerscheinungen, die auf eine chemisch-thermische Reaktion an der Berührstelle zurückzuführen sind. Aus diesem Grunde sind in den letzten Jahren mit kubischem Bornitrid (CBN) belegte Werkzeuge eingeführt worden, die sich u. a. beim Rundschleifen gut bewährt haben, nicht aber beim Feinbearbeiten von Zahnrädern.Tools have become known for fine machining the tooth flanks of, in particular, hardened gears, in which a toothed base body is coated with a diamond grain on its flanks. at Diamond tools often show signs of wear when grinding ferrous materials a chemical-thermal reaction can be traced back to the point of contact. For this reason, the tools coated with cubic boron nitride (CBN) have been introduced in recent years. in cylindrical grinding have proven their worth, but not when machining gears.

Beim Feinbearbeiten der Zahnflanken von Zahnrädern werden bekanntlich sehr hohe Anforderungen an die geometrische Genauigkeit und an die Oberflächengüte gestellt. CBN-Werkzeuge erbringen zwar hohe Abtragsleistungen und zeichnen sich durch lange Standzeiten aus, sind aber grundsätzlich nicht geeignet, Oberflächen mit geringer Rauhtiefe zu erzeugen. Der Grund dafür ist zum einen in der Geometrie der CBN-Schneiden zu sehen, die spitzer und schärfer sind als die von Korundkörnern. Die CBN-Körner graben sich deshalb in die Werkstückoberfläche ein, und zwar auch bei geringen Korngrößen. Zum anderen bewirkt die erheblich festere Bindung der CBN-Werkzeuge, daß auch verhältnismäßig weit aus der Bindemasse herausragende Körner noch in ihr gehalten werden. Beide Erscheinungen, die Schneidengeometrie wie auch die Schnittfähigkeit weit herausragender Körner, bewirken gemeinsam eine größere Rauhtiefe der Werkstück-Oberfläche. Qualitativ bessere Oberflächen lassen sich nur dann erreichen (und auch nur bedingt), wenn der Zustellbewegung des Werkzeugs relativ zum Werkstück noch zusätzliche Bewegungen überlagert werden, z. B. senkrecht zur Zustellbewegung. Diese zusätzlichen Bewegungen sucht man aber beim Feinbearbeiten von Zahnrädern zu vermeiden, um Bearbeitungszeit zu sparen, d. h. man arbeitet bevorzugt nach dem sogenannten Tauchverfahren,As is well known, very high demands are placed on the fine machining of the tooth flanks of gears the geometric accuracy and the surface quality. CBN tools produce high Material removal rates and are characterized by long service lives, but are generally not suitable for surfaces to produce with a low surface roughness. The reason for this is, on the one hand, the geometry of the CBN cutting edges to see, which are more pointed and sharper than those of corundum grains. The CBN grains therefore dig into the workpiece surface, even with small grain sizes. On the other hand, it has a considerable effect Stronger binding of the CBN tools, that also grains protruding relatively far from the binding compound can still be held in it. Both phenomena, the cutting edge geometry as well as the cutting ability Grains protruding far and wide, together cause a greater roughness of the workpiece surface. Qualitatively Better surfaces can only be achieved (and only to a limited extent) if the infeed movement of the Tool relative to the workpiece still additional movements are superimposed, z. B. perpendicular to the infeed movement. However, one tries to avoid these additional movements when fine-tuning gears, to save processing time, d. H. it is preferred to work according to the so-called immersion process,

ίο d.h., das Werkzeug führt relativ zum Werkstück nur eine Bewegung im Sinne einer Achsabstandsverkleinerung aus.ίο i.e. the tool only guides relative to the workpiece a movement in the sense of a center distance reduction.

Die geometrische Form einer CBN-Schleifscheibe wird normalerweise durch Abrichten erzeugt. Dabei wird entweder ein sogenannter Diamant-Vielkornabrichter an der Arbeitsfläche der Schleifscheibe hin- und herbewegt, oder es wird eine Diamant- oder SiC-bestückte Abrichtrolle gegen die Arbeitsfläche gedruckt, wobei zwischen der Abrichtrolle und der Schleifscheibe eine Relativdrehzahl vorhanden ist. Dieses Abrichten ergibt aber keine ebenen Flächen, weil ein »Materialabtrag« an der Schleifscheibe nur durch Kornausbrüche erreicht wird.
Auch das Aufbringen von CBN-Körnern gleicher Größe auf genau gefertigte Werkzeugkörper brachte kein zufriedenstellendes Ergebnis, da die oben genannten Erscheinungen natürlich auch hier vorliegen. Beim Abrichten werden dann Körner ausgebrochen und so die Anzahl der Schneiden verringert.The geometric shape of a CBN grinding wheel is usually created by dressing. Either a so-called diamond multi-point dresser is moved back and forth on the working surface of the grinding wheel, or a diamond or SiC-tipped dressing roller is pressed against the working surface, with a relative speed between the dressing roller and the grinding wheel. However, this dressing does not result in flat surfaces, because »material removal« on the grinding wheel is only achieved by breaking off the grain.
The application of CBN grains of the same size to precisely manufactured tool bodies did not produce a satisfactory result either, since the above-mentioned phenomena are of course also present here. When dressing, grains are broken out and the number of cutting edges is reduced.

Von daher liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein zahnradförmiges CBN-beschichtetes Werkzeug bzw. ein Verfahren zu seiner Herstellung zu schaffen, das die erwähnten Nachteile nicht aufweist und daher auch im genannten Tauchverfahren anwendbar ist.The invention is therefore based on the object of a gear-shaped CBN-coated tool or to create a method for its production that does not have the disadvantages mentioned and therefore can also be used in the mentioned immersion process.

Zwei Lösungen dieser Aufgabe sind durch die kennzeichnenden Merkmale der Ansprüche 1 und 2 charakterisiert. Two solutions to this problem are characterized by the characterizing features of claims 1 and 2.

Die Abflachung gemäß dem Vorgehen nach Anspruch 1 bewirkt, daß die Körner zusammen eine Art »Tafelgebirge« bilden, dessen Kanten ähnlich wie die Schneidkanten eines Schabrades wirken, wobei die genaue geometrische Form durch keine vorstehenden Spitzen der Körner beeinträchtigt ist.The flattening according to the procedure of claim 1 has the effect that the grains together form a kind Form "table mountains", the edges of which act similar to the cutting edges of a shaving wheel, although the exact geometric shape is not impaired by any protruding tips of the grains.

Bei der Lösung gemäß Anspruch 2 wird von der Eigenschaft mikrokristallinen Bornitrids Gebrauch gemacht, daß dieses bei Anwendung entsprechender Schleifparameter (z. B. Korngröße der Schleifscheibe und/oder Vorschubgeschwindigkeit unter hoher mechanischer Belastung zu Mikroausbrüchen neigt, die eine Anzahl von kleinen Schneidkanten an jedem einzelnen Korn bilden, die allesamt in der Kontur der gewünschten Flanke liegen.In the solution according to claim 2, use is made of the property of microcrystalline boron nitride, that this is done when using the appropriate grinding parameters (e.g. grain size of the grinding wheel and / or feed speed under high mechanical stress tends to micro-breakouts, the one Form number of small cutting edges on each individual grain, all in the contour of the desired Flank lie.

Die Erfindung wird nachstehend anhand von in den F i g. 1 bis 9 gezeigten Ausführungsbeispielen beschrieben. Dabei zeigtThe invention is illustrated below with reference to FIGS. 1 to 9 shown embodiments described. It shows

F i g. 1 ein zahnradartiges zylinderisch geformtes und F i g. 2 ein zahnradartiges hyperboloidisch geformtes Werkzeug, jeweils zusammen mit einem Werkstück,
F i g. 3 einen Querschnitt durch einen Werkzeugzahn in vergrößerter Darstellung,F i g. 1 a gear-like, cylindrically shaped and FIG. 2 a gear-like hyperboloid-shaped tool, each together with a workpiece,
F i g. 3 shows a cross-section through a tool tooth in an enlarged illustration;

Fig.4 und 5 je einen Längsschnitt (Ausschnitt) aus einem CBN-beschichteten Werkzeug-Zahn in nochmals vergrößerter Darstellung, unbearbeitet,
F i g. 6 und 7 den gleichen Ausschnitt, aber mit umgeschliffener bzw. geläppter Beschichtung, gemäß den Ansprüchen 1 bzw. 2,4 and 5 each a longitudinal section (detail) from a CBN-coated tool tooth in a further enlarged representation, unprocessed,
F i g. 6 and 7 the same section, but with a sanded or lapped coating, according to claims 1 and 2, respectively,

F i g. 8 eine schematische Anordnung des Werkzeugs beim Nachschärfen undF i g. 8 shows a schematic arrangement of the tool during re-sharpening and

F i g. 9 einen schematischen Längsschnitt durch einen Werkzeugzahn.F i g. 9 shows a schematic longitudinal section through a tool tooth.

F i g. 1 zeigt schematisch ein zahnradartiges Werkzeug 1, das zum Zwecke des spanenden Feinbearbeitens in die Verzahnung eines Stirnrades (Werkstück 2) eingreift und auf ihm abwälzt. Die Achsen der Werkzeugspindel 3 und der Werkstückspindel 4 kreuzen sich, wie vom Zahnradschaben und Zahnradhonen her bekannt ist. Das Beispiel zeigt ein geradverzahntes Werkzeug und ein schrägverzahntes Werkstück. Es ist auch jede andere Kombination möglich. Anstelle des zahnradartigen Werkzeugs 1 kann auch ein zahnstangenartiges Werkzeug Verwendung finden. Die Größe des Achskreuzwinkels y hängt von der speziellen Bearbeitungsaufgabe und davon ab, ob neben der zu bearbeitenden Verzahnung eine den Achskreuzwinkel begrenzende Schulter o. dgl. vorhanden ist. Die Bearbeitung kann unter einem Längsvorschub des Werkzeugs relativ zum Werkstück beispielsweise in Richtung des Pfeiles 8 vor sich gehen. Ist das Werkzeug breit genug, so kann auf den Längsvorschub verzichtet werden. In diesem Falle ist der Wälzkörper konkav hyperboloidisch, d. h. mit in Längsrichtung hohlballigen Zahnrlanken, auszubilden, wie das z. B. vom Tauchschaben her bekannt ist. Für den Antrieb der Wälzbewegung ist normalerweise nur eines der beiden Elemente, z. B. das Werkzeug, anzutreiben, während das andere Element über die Verzahnung mitgenommen wird. Die Maschine, auf der das Werkzeug 1 und das Werkstück 2 aufgenommen sind, braucht hier nicht dargestellt und beschrieben zu werden, da sie für die Erfindung ohne Bedeutung ist.F i g. 1 schematically shows a gear-like tool 1 which, for the purpose of fine machining, engages in the toothing of a spur gear (workpiece 2) and rolls on it. The axes of the tool spindle 3 and the workpiece spindle 4 intersect, as is known from gear scraping and gear honing. The example shows a straight-toothed tool and a helical-toothed workpiece. Any other combination is also possible. Instead of the gear-like tool 1, a rack-like tool can also be used. The size of the cross-axis angle y depends on the specific machining task and on whether, in addition to the toothing to be machined, there is a shoulder or the like that delimits the cross-axis angle. The machining can proceed with a longitudinal advance of the tool relative to the workpiece, for example in the direction of arrow 8. If the tool is wide enough, the longitudinal feed can be dispensed with. In this case, the rolling element is concave hyperboloidal, ie with hollow-crowned toothed ranks in the longitudinal direction, as z. B. is known from immersion scraping. To drive the rolling movement, only one of the two elements is normally required, e.g. B. to drive the tool, while the other element is taken over the toothing. The machine on which the tool 1 and the workpiece 2 are accommodated need not be shown or described here, since they are of no importance for the invention.

Als weitere Ausführung eines Werkzeugs, bei dem die Erfindung anwendbar ist, zeigt F i g. 2 ein Werkzeug 11, das ähnlich einer Globoidschnecke hyperboloidisch geformt ist. Dieses Werkzeug 11 ist auf einer schematisch dargestellten Werkzeugspindel 13 auswechselbar gelagert. Die Spannmittel und der Antrieb für die Werkzeugspindel sind bekannt und daher nicht gezeichnet. Das Werkzeug steht in Eingriff mit einem gerad- oder schrägverzahnten Werkstück 12. Das Werkstück ist auf einer Werkstückspindel 14 auswechselbar eingespannt. Die Werkzeugspindel 13 ist gegenüber der Werkstückspindel 4 mit einem Achskreuzwinkel y' geneigt, der einerseits nicht zu klein gewählt werden soll, um eine ausreichende Längsgleitung zu gewährleisten, und der andererseits erheblich kleiner als 90° sein soll, damit das Werkstück in seiner ganzen Breite (von Stirnseite 16 bis Stirnseite 17) im Tauchverfahren bearbeitet werden kann. Die wirksame Breite des Werkzeugs ist mit den gestrichelten Linien 19, 20 angedeutet. Selbstverständ-Hch kann mit einem solchen Werkzeug statt des geradverzahnten Werkstücks 12 auch ein schrägverzahntes Werkstück bearbeitet werden.As a further embodiment of a tool to which the invention can be applied, FIG. 2 a tool 11 which is shaped like a globoid worm hyperboloidally. This tool 11 is exchangeably mounted on a tool spindle 13 shown schematically. The clamping means and the drive for the tool spindle are known and therefore not shown. The tool is in engagement with a straight or helical toothed workpiece 12. The workpiece is clamped on a workpiece spindle 14 in an exchangeable manner. The tool spindle 13 is inclined with respect to the workpiece spindle 4 with a cross-axis angle y ' which, on the one hand, should not be selected too small to ensure sufficient longitudinal sliding, and which, on the other hand, should be considerably smaller than 90 ° so that the entire width of the workpiece ( from end face 16 to end face 17) can be processed in the immersion process. The effective width of the tool is indicated by the dashed lines 19, 20. Of course, instead of the straight-toothed workpiece 12, a helical-toothed workpiece can also be machined with such a tool.

Fig.3 zeigt schematisch einen Schnitt durch einen Zahn des Werkzeugs 1,11. Der Zahn besteht aus einem metallischen Grundkörper 5, aiuf den eine Beschichtung 6 aus CBN-Körnern 7 und einem Bindemittel 9, z. B. Kunstharz, Bronze od. dgl. aufgebracht ist. Dabei können die CBN-Körner 7 in einer Schicht oder mehrschichtig angeordnet sein, wie das vergrößert in den F i g. 4 und 5 angedeutet ist.3 shows schematically a section through a Tooth of the tool 1.11. The tooth consists of a metallic base body 5, on which a coating 6 of CBN grains 7 and a binder 9, e.g. B. synthetic resin, bronze or the like. Is applied. Here you can the CBN grains 7 can be arranged in one layer or in multiple layers, as is enlarged in the F i g. 4 and 5 is indicated.

Diese so entstandene unregelmäßige Oberfläche 31 bildet keine geometrisch exakte Flankenform und wird deshalb mit einer Diamantschleifscheibe oder mit einer Diamantpaste überschliffen bzw. geläppt, um die geometrisch genaue Flankenform 32 zu erhalten. Dabei entsteht, wie F i g. 6 zeigt, eine Art »Tafelgebirge«. Die im Bereich der Flankenfläche liegenden Kanten 33 der jetzt abgeflachten, aus dem Bindemittel 9 vorstehenden CBN-Körner 7 bilden die beim Feinbearbeiten des Werkstücks 2,12 wirksamen Schneidkanten.This irregular surface 31 created in this way does not form a geometrically exact flank shape and is therefore ground or lapped with a diamond grinding wheel or with a diamond paste to make the geometrical to obtain an exact flank shape 32. In this way, as shown in FIG. 6 shows a kind of "table mountain". The in In the area of the flank surface, the edges 33 of the now flattened, protruding from the binding agent 9 CBN grains 7 form the cutting edges that are effective when the workpiece 2, 12 is finely machined.

Bei Anwendung entsprechender Parameter beim Schleifen, z. B. der Korngröße der Schleifscheibe und/ oder der Vorschubgeschwindigkeit, kann man sich eine bei hoher mechanischer Belastung an Körnern mikrokristallinen Bornitrids zu beobachtende Eigenart zu Nutzen machen: Aufgrund seiner Struktur neigt es nur zu Mikroausbrüchen, so daß hier mehrere neue Kanten 35 an jedem Korn entstehen, die zumindest zum Teil in der gewünschten Flanke 32 liegen (F i g. 7).When using the appropriate parameters for grinding, e.g. B. the grain size of the grinding wheel and / or the feed rate, you can get a microcrystalline grains with high mechanical stress Make use of boron nitride's observable peculiarity: Due to its structure, it only tends to micro-outbreaks, so that here several new edges 35 arise on each grain, which at least partially in the desired flank 32 (FIG. 7).

Wenngleich die mit CBN beschichteten Werkzeuge zum Feinbearbeiten von Zahnrädern durchaus zufriedenstellende Standzeiten aufweisen, so ist doch in gewissen Abständen ein »Nachschärfen« notwendig, d. h. es muß Trägermaterial bzw. Bindemittel zwischen den CBN-Körnern abgetragen werden. Dabei läßt man, wie in Fig.8 schematisch dargestellt, das Werkzeug 1, 11 mit einem Gegenrad 36 abrollen, wobei gleichzeitig Edelkorund oder ein ähnliches Schleifmittel mittels einer Trägerflüssigkeit in den Zahneingriff eingeführt wird (Pfeil 37). Es hat sich als zweckmäßig erwiesen, das Schärfen unter demselben Achskreuzwinkel y, γ' auszuführen, der dem bei der Bearbeitung des Werkstücks 2, 12 entspricht.Although the tools coated with CBN for the fine machining of gears have a satisfactory service life, "re-sharpening" is necessary at certain intervals, ie the carrier material or binding agent between the CBN grains has to be removed. As shown schematically in FIG. 8, the tool 1, 11 is allowed to roll with a mating wheel 36, at the same time fine corundum or a similar abrasive being introduced into the tooth meshing by means of a carrier fluid (arrow 37). It has proven to be expedient to carry out the sharpening at the same cross-axis angle y, γ ' which corresponds to that when the workpiece 2, 12 is machined.

In den F i g. 6 und 7 ist jeweils nur eine Schicht CBN-Körner 7 dargestellt. Der mit dem dabei beschriebenen Schleifen bzw. Läppen erzielbare Effekt ist natürlich auch bei mehrschichtig angeordneten CBN-Körnern gemäß F i g. 5 erreichbar.In the F i g. 6 and 7, only one layer of CBN grains 7 is shown in each case. The one with the one described Grinding or lapping can of course also be achieved with multi-layered CBN grains according to FIG. 5 reachable.

Zur besseren Verankerung der CBN-Beschichtung kann die Zahnflanke des metallischen Grundkörpers eine oder mehrere Nuten 38 oder ähnliche vom Zahnkopf zum Zahnfuß verlaufende Vertiefungen aufweisen. Dabei sind, wie in F i g. 9 angedeutet, auch die Nut oder die Vertiefungen beschichtet, aber die Beschichtung wird hier nicht überschliffen. Mit der Anordnung der Nuten oder Vertiefungen sind auch eine Verbesserung der Schneidfähigkeit an den Übergängen von den Nuten zu den Flankenabschnitten sowie eine gute Dränage des Kühlmittels beim Feinbearbeiten des Werkstücks 2, 12 verbunden.For better anchoring of the CBN coating, the tooth flank of the metallic base body can have a or several grooves 38 or similar depressions extending from the tooth tip to the tooth base. Included are, as in FIG. 9 indicated, the groove or the depressions are also coated, but the coating is not polished here. The arrangement of the grooves or depressions also improves the Ability to cut at the transitions from the grooves to the flank sections as well as good drainage of the Coolant connected during the finishing of the workpiece 2, 12.

Hierzu 2 Blatt ZeichnungenFor this purpose 2 sheets of drawings

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Claims

Patent claims:

1. A method of manufacturing a gear, rack or worm-shaped tool for fine machining of the tooth flanks of especially hardened gears, in which on the tooth flanks of a toothed base body made of metal, initially a coating made of cubic boron nitride (CBN) is applied, the CBN grains being present in one or more layers can, characterized in that then the CBN grains of the only or the top layer can be flattened by grinding or lapping, while keeping the exact geometric Shape of the tooth flanks is generated.

2. Method for producing a gear, rack or worm-shaped tool for fine machining of the tooth flanks of especially hardened gears, in which on the tooth flanks of a toothed base body made of metal, initially a coating made of cubic boron nitride (CBN) is applied, the CBN grains being present in one or more layers can, characterized in that a microcrystalline CBN grade is used for the coating and that micro-breakouts are then produced on the CBN grains by grinding, at the same time the exact geometric shape of the tooth flanks is generated.