SCHWINGUNGSUNTERSTÜTZTE WÄLZBEARBEITUNG

TECHNISCHES GEBIET

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bearbeitung eines zahnradförmigen Werkstücks durch ein Wälzbearbeitungsverfahren, insbesondere durch kontinuierliches Wälzschleifen, eine Spannvorrichtung, die zur Durchführung des Verfahrens ausgebildet ist, ein System zur Erzeugung von oszillierenden Bewegungen eines zahnradförmigen Werkstücks während der Bearbeitung durch ein Wälzbearbeitungsverfahren, sowie eine Wälzschleifmaschine, auf der die Spannvorrichtung zum Einsatz kommt.

STAND DER TECHNIK

Die abschliessende Hartfeinbearbeitung bei der Verzahnungsfertigung ist einer der wichtigsten Arbeitsschritte bezüglich der erzeugten Verzahnungsqualität. Hierbei wird die später im Zahneingriff befindliche Geometrie gefertigt. Ein häufig zur Hartfeinbearbeitung eingesetztes Verfahren ist das kontinuierliche Wälzschleifen. Beim kontinuierlichen Wälzschleifen wird ein zahnradförmiges Werkstück im Wälzeingriff mit einem Schleifwerkzeug in Form einer schneckenförmig profilierten Schleifscheibe (Schleifschnecke) bearbeitet. Das Wälzschleifen ist ein sehr anspruchsvolles, generierendes Bearbeitungsverfahren, das auf einer Vielzahl von synchronisierten, präzisen Einzelbewegungen basiert und von vielen Randbedingungen beeinflusst wird. Informationen zu den Grundlagen des kontinuierlichen Wälzschleifens finden sich z.B. in Ref. [1],

In der Fig. 1 ist beispielhaft der Eingriff zwischen einer einem Wälzbearbeitungswerkzeug in Form einer Schleifschnecke 16 und einem schrägverzahnten Zahnrad 23 beim kontinuierlichen Wälzschleifen illustriert. Die Schleifschnecke 16 rotiert um eine Werkzeugachse B, während das Zahnrad 23 um eine Werkstückachse C rotiert. Dabei greifen die Schleifschnecke 16 und das Zahnrad 23 entsprechend eines Schraubwälzgetriebes ineinander (sogenannte Wälzkopplung). Während eines Schleifhubs erfolgt eine axiale Vorschubbewegung der Schleifschnecke 16 relativ zum Zahnrad 23 entlang einer Vorschubachse Z, die parallel zur Werkstückachse C verläuft. Gleichzeitig wird die Schleifschnecke 16 kontinuierlich translatorisch entlang einer Y-Richtung bewegt, die parallel zur Werkzeugachse B verläuft, um laufend frisches Schneckenmaterial in Eingriff mit dem Zahnrad 23 zu bringen (sogenannte Shiftbewegung). Entlang einer Zustellachse X erfolgt eine Zustellung der Schleifschnecke 16 in radialer Richtung bezogen auf das Zahnrad 23.

In Folge der komplexen Schnittbewegung zwischen Schleifschnecke 16 und Zahnrad 23 bilden sich auf den Zahnflanken regelmässige, wellenförmige Strukturen entlang der Flankenlinienrichtung aus (sogenannte Schleifriefen). Diese regelmässigen Strukturen können im Einsatz der Zahnräder zu unerwünschter Geräuschentwicklung führen.

Im Stand der T echnik wurden verschiedene Ansätze zur nachträglichen Beseitigung solcher regelmässigen Strukturen vorgeschlagen. Beispielsweise wurde vorgeschlagen, dem kontinuierlichen Wälzschleifen einen Polierschleifprozess oder einen Honprozess nachzulagern. Allerdings ist ein solcher zusätzlicher Prozessschritt häufig mit einer unerwünschten Kostensteigerung verbunden.

Auch wurde im Stand der Technik vorgeschlagen, Massnahmen zu ergreifen, um die Entstehung die genannten regelmässigen Strukturen von Anfang an zu vermeiden. So werden beim sogenannten Low Noise Shifting (LNS) die Drehwinkel von Schleifschnecke und Abrichtscheibe beim Abrichten gekoppelt. Durch eine darauf gezielt abgestimmte Shiftbewegung beim Schleifen werden periodische Schwankungen des Schliffbildes gezielt so platziert, dass ein günstigeres Geräuschverhalten des Zahnrades erzielt wird (siehe Ref. [2]). Aufgrund der zunehmenden Prozesskomplexität deckt dieses Verfahren nicht alle geräuschkritischen Applikationen vollständig ab.

In Ref. [30] wird vorgeschlagen, beim kontinuierlichen Wälzschleifen eine gezielte Welligkeit zu erzeugen, indem eine gezielte Unwucht des Werkzeugs ausgenutzt wird.

Auch bei anderen Wälzbearbeitungsverfahren wie dem Wälzschälen können unerwünschte regelmässige Strukturen entstehen. DARSTELLUNG DER ERFINDUNG

In einem ersten Aspekt ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Wälzbearbeitung von zahnradförmigen Werkstücken, insbesondere zum kontinuierlichen Wälzschleifen anzugeben, mit der unerwünschte regelmässige Strukturen auf den Flanken der bearbeiteten Werkstücke vermindert werden können.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren nach Anspruch 1 gelöst. Weitere Ausführungsformen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.

Die Erfindung schlägt ein Verfahren zur Bearbeitung eines zahnradförmigen Werkstücks, insbesondere von dessen Zahnflanken, durch ein Wälzbearbeitungsverfahren, insbesondere durch kontinuierliches Wälzschleifen vor. Während der Bearbeitung rotiert das zahnradförmige Werkstück um eine Werkstückachse, während es im Wälzeingriff mit einem Wälzbearbeitungswerkzeug, insbesondere einem schneckenförmig profilierten Schleifwerkzeug steht, das um eine Werkzeugachse rotiert. Das Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass das zahnradförmige Werkstück während der Bearbeitung eine oszillierende Bewegung ausführt, die der Rotation des zahnradförmigen Werkstücks überlagert ist. Dadurch wird der Eingriff zwischen Werkstück und Werkzeug so modifiziert, dass die Oberflächenstruktur der so gefertigten Werkstücke verbessert werden kann. Insbesondere können regelmässige Strukturen wie Schleifriefen vermieden oder unterbrochen werden.

Die oszillierende Bewegung des zahnradförmigen Werkstücks weist dabei vorzugsweise eine Komponente entlang mindestens einer der folgenden Bewegungsrichtungen auf: axial entlang der Werkstückachse; radial zur Werkstückachse; und torsional um die Werkstückachse.

Die oszillierende Bewegung kann insbesondere einer Überlagerung von Komponenten entlang dieser Bewegungsrichtungen entsprechen.

In einigen Ausführungsformen weist die oszillierende Bewegung eine Grundfrequenz oberhalb von 15 kHz auf. In anderen Worten handelt es sich in solchen Ausführungsformen bei der oszillierenden Bewegung um eine Schwingung im Ultraschallbereich. Wie nachstehend noch näher beschrieben wird, lassen sich solche Bewegungen besonders effizient durch resonante Anregung einer Spannvorrichtung, auf der das Werkstück aufgespannt ist, erzeugen. In anderen Ausführungsformen liegt die Grundfrequenz unterhalb von 15 kHz. Mit "Grundfrequenz" ist dabei derjenige Spektralanteil der Schwingung gemeint, der die niedrigste Frequenz aufweist.

Die oszillierende Bewegung kann insbesondere wie folgt erzeugt werden: Das zahnradförmige Werkstück ist während der Wälzschleifbearbeitung auf einer Spannvorrichtung aufgespannt, wobei die Spannvorrichtung wiederum auf einer Werkstückspindel angeordnet ist. Die Werkstückspindel treibt das auf der Spannvorrichtung aufgespannte zahnradförmige Werkstück zu der Rotation um die Werkstückachse an. Die Spannvorrichtung weist einen Spannbereich auf, der mit dem auf der Spannvorrichtung aufgespannten Werkstück in direktem Kontakt steht. Die oszillierende Bewegung des zahnradförmigen Werkstücks wird dann vorzugsweise erzeugt, indem der Spannbereich der rotierenden Spannvorrichtung zu einer Schwingung angeregt wird. Diese Anregung erfolgt vorzugsweise resonant, so dass die Schwingung eine Eigenmode der Spannvorrichtung mit dem darauf aufgespannten zahnradförmigen Werkstück ist. Dadurch kann eine kontrollierte Anregung mit hoher Amplitude erreicht werden. Die entsprechenden Eigenfrequenzen (Resonanzfrequenzen) liegen typischerweise im Ultraschallbereich. Um eine unerwünschte Übertragung der Schwingung auf die Werkstückspindel zu reduzieren, ist die Eigenmode vorzugsweise derart gewählt, dass sich in einem Befestigungsbereich der Spannvorrichtung, der mit der Werkstückspindel in Kontakt steht, ein Schwingungsknoten der Eigenmode befindet.

Zur Anregung der Schwingung kann die Spannvorrichtung einen in die Spannvorrichtung integrierten Schwingungserzeuger aufweisen. Der Schwingungserzeuger wandelt ein elektrisches Anregungssignal in Form einer Wechselspannung mit geeigneter Frequenz in eine Schwingung der Spannvorrichtung mit dem darauf aufgespannten zahnradförmigen Werkstück um. Um die durch das Anregungssignal bewirkte Schwingung zu überwachen, kann ein elektrisches Sensorsignal ermittelt werden, das die Schwingung charakterisiert. Das Anregungssignal kann dann anhand des Sensorsignals derart geregelt werden, dass die Anregung der Schwingung resonant erfolgt, wie das wie vorstehend erläutert wurde. Insbesondere kann das Sensorsignal die Amplitude der erzeugten Schwingung und/oder die Phasenlage der erzeugten Schwingung relativ zum Anregungssignal charakterisieren. Anhand eines solchen Sensorsignals kann dann die Regelung des Anregungssignals (insbesondere von dessen Frequenz) derart erfolgen, dass das schwingende System aus der Spannvorrichtung und dem darauf aufgespannten zahnradförmigen Werkstück wie gewünscht resonant angeregt wird. Geeignete Regelalgorithmen, um die Anregung eines schwingfähigen Systems so zu regeln, dass das System resonant schwingt, sind grundsätzlich bekannt.

Vorzugsweise werden das Anregungssignal und das Sensorsignal berührungslos zwischen der rotierenden Spannvorrichtung und einer stationären Steuereinrichtung übertragen. Die Steuereinrichtung kann insbesondere einen Frequenzgenerator zur Erzeugung des Anregungssignals und einen Regler für die vorstehend beschriebene Regelung des Anregungssignals umfassen. Geeignete Einrichtungen zur berührungslosen Übertragung von Energie und von Signalen sind an sich bekannt. Beispielsweise kann die Übertragung induktiv durch zwei konzentrisch um die Werkstückachse angeordnete Spulen erfolgen, wobei eine der Spulen an der Spannvorrichtung und die andere Spule am stationären Maschinenelement angeordnet ist.

In einem zweiten Aspekt stellt die Erfindung eine Spannvorrichtung zum Aufspannen eines zahnradförmigen Werkstücks auf einer Werkstückspindel einer Verzahnungsbearbeitungsmaschine, insbesondere einer Wälzschleifmaschine zur Verfügung, die zur Durchführung des vorstehend beschriebenen Verfahrens gemäss dem ersten Aspekt der Erfindung ausgebildet ist. Die Spannvorrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass sie einen Schwingungserzeuger zur Erzeugung einer Schwingung der Spannvorrichtung mit dem darauf aufgespannten zahnradförmigen Werkstück aufweist.

Der Schwingungserzeuger kann insbesondere dazu ausgebildet sein, eine Schwingungsanregung entlang mindestens einer der folgenden Bewegungsrichtungen zu erzeugen: axial entlang der Werkstückachse; radial zur Werkstückachse; und torsional um die Werkstückachse.

In bevorzugten Ausführungsformen umfasst der Schwingungserzeuger einen Piezoaktor oder ist als Piezoaktor ausgebildet. Insbesondere kann der Schwingungserzeuger der Schwingungserzeuger mindestens ein piezoelektrisches Aktorelement aufweisen, das scheibenringförmig oder ringsegmentförmig ist, wobei eine Ringachse des piezoelektrischen Aktorelements der Werkstückachse entspricht.

Der Schwingungserzeuger kann wie folgt in der Spannvorrichtung angeordnet sein: Die Spannvorrichtung definiert ein proximales Ende und ein distales Ende, wobei das proximale Ende zur Verbindung mit der Werkstückspindel ausgebildet ist. Die Spannvorrichtung weist einen Spannbereich auf, der dazu ausgebildet ist, einen direkten Kontakt mit dem zahnradförmigen Werkstück einzugehen. Der Spannbereich kann z.B. in an sich bekannter Weise als hydraulisch betätigbare Dehnhülse oder als mechanisch betätigbare, segmentierte Spannbuchse ausgebildet sein. Der Schwingungserzeuger kann dann zwischen dem proximalen Ende und dem Spannbereich angeordnet sein, oder er kann distal vom Spannbereich angeordnet sein.

Die Spannvorrichtung kann ausserdem einen Schwingungssensor zur Ermittlung mindestens eines Sensorsignals aufweisen, wobei das Sensorsignal die Schwingung der Spannvorrichtung mit dem darauf aufgespannten zahnradförmigen Werkstück charakterisiert.

Der Schwingungssensor kann insbesondere einen Piezosensor umfassen oder als Piezosensor ausgebildet sein. Er kann analog zum Schwingungserzeuger aufgebaut sein und mindestens ein piezoelektrisches Sensorelement aufweisen, das scheibenringförmig oder ringsegmentförmig ist, wobei eine Ringachse des piezoelektrischen Sensorelements der Werkstückachse entspricht. Der Schwingungserzeuger und der Schwingungssensor können gemeinsam einen Schwingungswandler bilden, der einen Stapel aus scheibenringförmigen oder ringsegmentförmigen piezoelektrischen Elementen, scheibenringförmigen Elektroden und scheibenringförmigen Isolationsscheiben umfasst.

In einem dritten Aspekt stellt die vorliegende Erfindung ein System zur Erzeugung einer oszillierenden Bewegung eines zahnradförmigen Werkstücks während der Bearbeitung durch ein Verzahnungsbearbeitungsverfahren, insbesondere durch kontinuierliches Wälzschleifen zur Verfügung. Das System umfasst einerseits eine Spannvorrichtung der gemäss dem zweiten Aspekt der Erfindung. Andererseits umfasst das System einen Frequenzgenerator zur Erzeugung eines Anregungssignals für den Schwingungserzeuger, um die Schwingung der Spannvorrichtung mit dem darauf aufgespannten zahnradförmigen Werkstück zu bewirken. Das System kann einen Regler aufweisen, der dazu ausgebildet ist, das Sensorsignal zu empfangen und anhand des Sensorsignals das Anregungssignal derart zu regeln, dass die Anregung der Schwingung resonant erfolgt.

Das System kann ausserdem eine Übertragungseinrichtung zur berührungslosen Übertragung des Anregungssignals und des Sensorsignals zwischen dem rotierenden Spannmittel und der stationären Steuereinrichtung umfassen, wie das vorstehend schon im Kontext des Verfahrens ausgeführt wurde.

In einem vierten Aspekt stellt die Erfindung eine Wälzbearbeitungsmaschine, insbesondere Wälzschleifmaschine zur Verfügung, die zur Durchführung des Verfahrens gemäss dem ersten Aspekt der Erfindung ausgebildet ist. Die Wälzbearbeitungsmaschine weist auf: eine Werkzeugspindel, um ein Wälzbearbeitungswerkzeug, insbesondere ein schneckenförmig profiliertes Schleifwerkzeug, zu einer Rotation um eine Werkzeugachse anzutreiben; eine Werkstückspindel, um das zahnradförmige Werkstück zu einer Rotation um die Werkstückachse anzutreiben; und eine Maschinensteuerung, die dazu ausgebildet ist, die Werkzeugspindel und die Werkstückspindel derart anzusteuern, dass eine Wälzkopplung zwischen der von der Werkzeugspindel erzeugten Rotation des Werkzeugs und der von der Werkstückspindel erzeugten Rotation des Werkstücks hergestellt wird.

Die Wälzbearbeitungsmaschine zeichnet sich dadurch aus, dass auf der Werkstückspindel ein Spannmittel gemäss dem zweiten Aspekt der Erfindung angebracht ist. Selbstverständlich kann die Wälzbearbeitungsmaschine ausserdem einen Frequenzgenerator, einen Regler und/oder eine Übertragungseinrichtung aufweisen, wie sie im dritten Aspekt der Erfindung angegeben sind.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden im Folgenden anhand der Zeichnungen beschrieben, die lediglich zur Erläuterung dienen und nicht einschränkend auszulegen sind. In den Zeichnungen zeigen:

Fig. 1 eine Skizze zur Erläuterung der Kinematik beim kontinuierlichen Wälzschleifen; Fig. 2 eine schematische Ansicht einer Wälzschleifmaschine;

Fig. 3 eine schematische Skizze mit möglichen Schwingungsarten und -formen einer Spannvorrichtung mit darauf aufgespanntem Zahnrad;

Fig. 4 eine schematische Ansicht einer Spannvorrichtung mit darauf aufgespanntem Zahnrad, mit einem oberhalb des Zahnrads angeordneten Schwingungswandler zur Erzeugung und Messung von Torsionsbewegungen des Zahnrads, zusammen mit einer zugeordneten Steuereinrichtung und einer möglichen Schwingungsform;

Fig. 5 eine schematische Explosionsansicht eines Schwingungswandlers, der einerseits einen Schwingungserzeuger und andererseits einen Schwingungssensor bildet;

Fig. 6 eine schematische Ansicht einer Spannvorrichtung mit darauf aufgespanntem Zahnrad, mit einem unterhalb des Zahnrads angeordneten Schwingungswandler zur Erzeugung und Messung von oszillierenden Torsionsbewegungen des Zahnrads, sowie eine mögliche Schwingungsform;

Fig. 7 eine schematische Ansicht einer Spannvorrichtung mit darauf aufgespanntem Zahnrad, mit einem oberhalb des Zahnrads angeordneten Schwingungswandler zur Erzeugung und Messung von oszillierenden longitudinalen Bewegungen des Zahnrads, sowie eine mögliche Schwingungsform;

Fig. 8 eine schematische Ansicht einer Spannvorrichtung mit darauf aufgespanntem Zahnrad, mit einem unterhalb des Zahnrads angeordneten Schwingungswandler zur Erzeugung und Messung von oszillierenden longitudinalen Bewegungen des Zahnrads, sowie eine mögliche Schwingungsform;

Fig. 9 eine schematische Ansicht einer Spannvorrichtung mit darauf aufgespanntem Zahnrad, mit einem oberhalb des Zahnrads angeordneten Schwingungswandler zur Erzeugung und Messung von oszillierenden radialen Bewegungen des Zahnrads, sowie eine mögliche Schwingungsform; und

Fig. 10 eine schematische Ansicht einer Spannvorrichtung mit darauf aufgespanntem Zahnrad, mit einem unterhalb des Zahnrads angeordneten Schwingungswandler zur Erzeugung und Messung von oszillierenden radialen Bewegungen des Zahnrads, sowie eine mögliche Schwingungsform.

BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSFORMEN

Beispielhafter Aufbau einer Wälzschleifmaschine

In der Fig. 2 ist beispielhaft eine Wälzschleifmaschine 1 dargestellt, wie sie an sich aus dem Stand der Technik bekannt ist. Die Maschine weist ein Maschinenbett 11 auf, auf dem ein Werkzeugträger 12 entlang einer Zustellrichtung X verschiebbar geführt ist. Der Werkzeugträger 12 trägt einen Axialschlitten 13, der entlang einer Axialrichtung Z gegenüber dem Werkzeugträger 12 verschiebbar geführt ist. Auf dem Axialschlitten 13 ist ein Schleifkopf 14 montiert, der zur Anpassung an den Schrägungswinkel der zu bearbeitenden Verzahnung um eine parallel zur X-Achse verlaufende Schwenkachse (die sogenannte A-Achse) verschwenkbar ist. Der Schleifkopf 14 wiederum trägt einen Shiftsch I itten , auf dem eine Werkzeugspindel 15 entlang einer Shiftachse Y gegenüber dem Schleifkopf 14 verschiebbar ist. Auf der Werkzeugspindel 15 ist eine Schleifschnecke 16 aufgespannt. Die Schleifschnecke 16 wird von der Werkzeugspindel 15 zu einer Drehung um eine Werkzeugachse B angetrieben.

Das Maschinenbett 11 trägt des Weiteren einen schwenkbaren Werkstückträger 20 in Form eines Drehturms, der um eine Achse C3 zwischen mindestens zwei Stellungen verschwenkbar ist. Auf dem Werkstückträger 20 sind einander diametral gegenüberliegend zwei identische Werkstückspindeln 21 montiert, von denen in der Fig. 1 nur eine sichtbar ist. Auf jeder der Werkstückspindeln ist eine Spannvorrichtung 22 zur Aufspannung eines Werkstücks 23 montiert. Die in der Fig. 1 sichtbare Werkstückspindel befindet sich in einer Bearbeitungsposition, in der das auf der Spannvorrichtung 22 aufgespannte Werkstück 23 mit der Schleifscheibe 16 bearbeitet werden kann. Die andere, um 180° versetzt angeordnete und in der Fig.1 nicht sichtbare Werkstückspindel befindet sich in einer Werkstückwechselposition, in der ein fertig bearbeitetes Werkstück von der Spannvorrichtung auf dieser Spindel entnommen und ein neues Rohteil aufgespannt werden kann. Jede Werkstückspindel 21 treibt die auf ihr montierte Spannvorrichtung 22 mit dem darauf aufgespannten Werkstück 23 zu einer Rotation um eine Werkstückachse C an.

Alle angetriebenen Achsen der Wälzschleifmaschine 1 werden durch eine Maschinensteuerung 30 digital gesteuert. Die Maschinensteuerung 30 empfängt Sensorsignale von einer Vielzahl von Sensoren in der Wälzschleifmaschine 1 und gibt in Abhängigkeit von diesen Sensorsignalen Steuersignale an die Aktoren der Wälzschleifmaschine 1 ab. Die Maschinensteuerung 30 umfasst insbesondere mehrere Achsmodule (NC-Module) 32, welche an ihren Ausgängen Steuersignale für jeweils eine Maschinenachse (d.h. für mindestens einen Aktor, der zum Antrieb der betreffenden Maschinenachse dient, wie z.B. einen Servomotor) bereitstellen. Sie umfasst des Weiteren eine Bedientafel 33 sowie einen Steuerrechner 31 , der mit der Bedientafel 33 und den Achsmodulen 32 zusammenwirkt. Der Steuerrechner 31 empfängt Bedienerbefehle von der Bedientafel 33 sowie Sensorsignale und errechnet daraus Steuerbefehle für die Achsmodule 32. Er gibt des Weiteren auf Basis der Sensorsignale Betriebsparameter an die Bedientafel 33 zur Anzeige aus. Bearbeitung eines Werkstückloses

Um ein noch unbearbeitetes Werkstück (Rohteil) zu bearbeiten, wird das Werkstück durch einen automatischen Werkstückwechsler auf der Spannvorrichtung derjenigen Werkstückspindel aufgespannt, die sich in der Werkstückwechselposition befindet. Der Werkstückwechsel erfolgt zeitparallel zur Bearbeitung eines anderen Werkstücks auf der anderen Werkstückspindel, die sich in der Bearbeitungsposition befindet. Wenn das neu zu bearbeitende Werkstück aufgespannt ist und die Bearbeitung des anderen Werkstücks abgeschlossen ist, wird der Werkstückträger 20 um 180° um die C3-Achse geschwenkt, so dass die Spindel mit dem neu zu bearbeitenden Werkstück in die Bearbeitungsposition gelangt. Vor und/oder während des Schwenkvorgangs wird mit Hilfe einer Einzentriersonde eine Einzentrieroperation durchgeführt. Dazu wird die Werkstückspindel 21 in Drehung versetzt, und die Lage der Zahnlücken des Werkstücks 23 wird mit Hilfe der Einzentriersonde vermessen. Auf dieser Basis wird der Wälzwinkel festgelegt.

Wenn die Werkstückspindel, die das zu bearbeitende Werkstück 23 trägt, die Bearbeitungsposition erreicht hat, wird das Werkstück 23 durch Verschiebung des Werkzeugträgers 12 entlang der X-Achse kollisionsfrei mit der Schleifscheibe 16 in Eingriff gebracht. Das Werkstück 23 wird nun durch die Schleifscheibe 16 im Wälzeingriff bearbeitet. Währenddessen wird die Werkzeugspindel 15 langsam kontinuierlich entlang der Shiftachse Y verschoben, um laufend noch unverbrauchte Bereiche der Schleifscheibe 16 bei der Bearbeitung zum Einsatz kommen zu lassen (sogenannte Shiftbewegung).

Zeitparallel zur Werkstückbearbeitung wird das fertig bearbeitete Werkstück von der anderen Werkstückspindel entnommen, und es wird ein weiteres Rohteil auf dieser Spindel aufgespannt.

Einbringen von Schwingungen beim kontinuierlichen Wälzschleifen

Im Rahmen des hier vorgeschlagenen Verfahrens wird eine fremderregte oszillierende Bewegung in den Wälzschleifprozess eingebracht. Durch geeignete Wahl der Amplitude, Frequenz und Phasenlage der oszillierenden Bewegung können positive Effekte bezüglich der Struktur der Werkstückoberfläche erzielt werden.

Beim Rund- und Flachschleifen wurden schon verschiedentlich Ultraschallschwingungen eingesetzt, um Schleifkräfte zu reduzieren, Werkzeugverschleiss zu minimieren und die Werkstückoberfläche in Bezug auf die Struktur und Rauheitskenngrössen zu optimieren (siehe Dokumente [3]-[24]). Mit der Überlagerung von Ultraschallschwingungen wird der kontinuierliche Kontakt zwischen Werkzeug und Werkstück diskontinuierlich, und/oder es wird die Trajektorie der Schleifkörner geändert. Damit können sich Vorteile bezüglich Produktivität und Qualität ergeben. Aufgrund der vollkommen anderen Kinematik und Kontaktverhältnisse beim kontinuierlichen Wälzschleifen lassen sich Erkenntnisse, die beim Flach- oder Rundschleifen gewonnen wurden, allerdings nicht auf das kontinuierliche Wälzschleifen übertragen.

Bei dem hier vorgeschlagenen Verfahren wird die Prozesskinematik des Wälzschleifens in geeigneter Weise mit oszillierenden Bewegungen im Ultraschallbereich (oberhalb 15 kHz) oder im niederfrequenten Bereich (unterhalb von 15 kHz) überlagert. Damit sollen die Welligkeit der geschliffenen Zahnflankenoberfläche verringert und regelmässige Schleifriefen vermieden oder unterbrochen werden. Weitere Ziele bestehen in der Reduktion der Prozesskräfte und des Werkzeugverschleisses. Dadurch ist die Möglichkeit gegeben, Schleifprozesse künftig einer höheren Intensität zu unterwerfen (z.B. Verkürzung der Schleifzeit durch Erhöhung des Axialvorschubs), da das einzelne Korn weniger belastet wird und die Schleifkräfte reduziert werden. Bei der Überlagerung oszillierender Bewegungen mit Frequenzen unterhalb des Ultraschallbereiches besteht das Potential zur Unterdrückung von Ratterfrequenzen.

Im Rahmen des hier vorgeschlagenen Vorgehens werden die oszillierenden Bewegungen am Werkstück erzeugt. Dazu kann die Spannvorrichtung für das Werkstück (im Folgenden auch als Spannsatz bezeichnet) mit einer Aktorik zur Schwingungserzeugung ausgerüstet werden.

Schwinqunqsrichtunqen

Zur Ausrichtung der oszillierenden Bewegungen bezüglich der konventionellen Schnittrichtung beim kontinuierlichen Wälzschleifen sind drei Hauptrichtungen möglich. In der Tabelle 1 sind diese drei Hauptrichtungen für den bespielhaften Fall der Bearbeitung eines geradverzahnten Zahnrades angegeben. Tabelle 1: Zuordnung der drei Hauptrichtungen überlagerter oszillierender Bewegungen beim Schleifen eines geradverzahnten Zahnrades

Es sind auch Kombinationen dieser drei Hauptrichtungen möglich und sinnvoll. An realen Systemen sind solche Kombinationen in gewissem Mass sogar unvermeidbar. Das gilt in besonderem Masse für schrägverzahnte Zahnräder.

Schwingungsfrequenzen

Bezüglich des Frequenzbereiches kann die Unterscheidung in niederfrequente Schwingungen (unterhalb von 15 kHz) und hochfrequente Schwingungen im Ultraschallbereich (oberhalb von 15 kHz) vorgenommen werden. Die Einflüsse auf den Prozess können dabei sehr ähnlich sein und gleiche Zielstellungen verfolgen. Hinsichtlich der Schwingungserzeugung ergeben sich für die unterschiedlichen Frequenzbereiche allerdings verschiedene zweckmässige Umsetzungsvarianten.

Für die Erzeugung von Ultraschallschwingungen wird die Nutzung der natürlichen Strukturdynamik der anzuregenden Struktur aus Zahnrad und Spannsatz vorgeschlagen. Typischerweise liegen nutzbare Eigenmoden aufgrund der Massen- und Steifigkeitsverteilung derartiger Strukturen im Frequenzbereich des Ultraschalls und können zudem durch konstruktive Massnahmen optimiert und angepasst werden. Vorteile der Anregung in Resonanz sind bspw. die Möglichkeit der örtlichen Trennung der Aktorik zur Anregung und der Wirkstelle des Prozesses, die Beibehaltung einer verhältnismässig hohen Steifigkeit der Struktur und ein hoher Wirkungsgrad zur Erzeugung der Schwingungsamplituden in der Wirkstelle des Prozesses. Beispiele für die Integration eines Schwingungswandlers in den Spannsatz zur Erreichung dieser Ziele werden nachstehend noch näher erläutert.

Für die Erzeugung niederfrequenter Schwingungen entfällt in der Regel die Möglichkeit einer resonanten Anregung. Die Strukturdynamik von Spannsatz und Zahnrad lässt eine resonante Anregung im niederfrequenten Frequenzbereich meist nicht zu bzw. müsste in ihrer Steifigkeit derart herabgesetzt werden, dass die Nutzbarkeit für den Prozess nicht mehr gegeben wäre. Für die Erzeugung niederfrequenter Schwingungen wird daher eine nicht resonante Anregung vorgeschlagen. Durch eine geeignete Anordnung von Aktoren und eine verbindende Kinematik zur Übersetzung und Übertragung der Auslenkungen kann das Zahnrad auch in niederfrequente Schwingungen ohne Nutzung der Resonanz versetzt werden.

Eiqenmoden von Ultraschallschwinqunqen

Um gezielt Ultraschallschwingungen in die Wirkstelle des Prozesses einzukoppeln, ist es in einigen Ausführungsformen vorgesehen, natürliche Eigenmoden in Eigenresonanz und damit stehende Wellen anzuregen (Resonanzanregung). Eine Eigenmode ist dabei gekennzeichnet durch Bereiche der sogenannten Schwingungsbäuche mit maximaler Auslenkung und gleichzeitig minimaler Dehnung. Entgegengesetzte Bereiche mit minimaler mechanischer Auslenkung und maximaler mechanischer Dehnung werden als Schwingungsknoten bezeichnet.

Bevorzugt werden das Werkstück (Zahnrad) und die Werkstückaufspannung (Spannsatz) als eine gemeinsame schwingende Struktur in geeigneten Eigenmoden angeregt. Dabei werden vorzugsweise Eigenmoden genutzt, die am gesamten Umfang des Zahnrades zu weitgehend gleichartigen Auslenkungen führen. Andernfalls und bei sich zufällig in ihrer Ausrichtung einstellenden Schwingformen, wie es beispielsweise für Biegeschwingungen bezüglich der Achse C des Werkstückes und des Spannsatzes der Fall ist, würde die in der Wirkstelle erzeugte Schwingung dem Zufall unterliegen, und die Prozesssicherheit könnte nicht gewährleistet werden.

In Fig. 3 sind drei mögliche Schwingungsarten zum Erzielen der unterschiedlich gerichteten oszillierenden Bewegungen eines Zahnrads 23 in den oben beschriebenen drei Hauptrichtungen aus Tabelle 1 idealisiert und für den Fall eines geradverzahnten Zahnrades 23 skizziert.

Für die Überlagerung in Schnittrichtung (Diagramm a in Fig. 3) wird der Spannsatz 22 samt Zahnrad 23 in einer Eigenmode mit longitudinaler Schwingung (Längsschwingung) in Richtung der Zahnradachse (Werkstückachse C) angeregt. Dabei ist die Ordnung der Mode so ausgewählt und die Struktur so gestaltet, dass sich ein Schwingungsbauch der longitudinalen Schwingung im Bereich des Zahnrades 23 ausbildet. Damit wirken maximale Amplituden in Achsrichtung des Zahnrades 23 in der Wirkstelle des Prozesses und damit in Schnittrichtung.

Eine longitudinale Schwingung geht in geometrisch begrenzten Strukturen aufgrund der Querkontraktion stets mit einer transversalen Schwingung (Dickenschwingung) einher. Es wird von "quasi-longitudinalen" Schwingungen gesprochen. Dabei treten an den Stellen der maximalen Längsdehnung maximale transversale Auslenkungen auf. Das bedeutet, dass ein Schwingungsknoten einer realen longitudinalen Schwingung keine Längsverschiebungen, aber Verschiebungen quer dazu aufweist. Dieses Verhalten kann im Fall des Wälzschleifens für die Überlagerung in Schnittebene quer zur Schnittrichtung genutzt werden. Dieser Form der Schwingungsanregung ist in Fig. 3 im Diagramm b skizziert und durch einen longitudinalen Schwingungsknoten im Bereich des Zahnrades 23 gekennzeichnet.

Zur Überlagerung in Richtung der Schnitttiefe kann die rotationssymmetrische Struktur aus Zahnrad 23 und Spannsatz 22 in einer Torsionsmode um die Werkstückachse C angeregt werden, wobei ein torsionaler Schwingungsbauch im Bereich des Zahnrades 23 platziert ist. Skizziert ist diese Form der Schwingung im Diagramm c der Fig. 3.

Über die Art der Schwingungserzeuger (Dickenschwinger oder Scherschwinger), deren Positionierung, die Geometrie der Endmasse und über die Wahl der Eigenmode (über Anregungsfrequenz) können die verschiedenen Arten der Schwingungsüberlagerung und auch Kombinationen daraus umgesetzt werden. Sogenannte Betriebsschwingformen, wie sie sich an realen Strukturen ergeben, weisen dabei stets ein gewisses Maß an Kombinationen verschiedener Richtungsanteile der idealisierten Schwingungsrichtungen auf. Integration des Schwinqunqserzeuqers in die Spannvorrichtunq

Um die Schwingungen zu erzeugen, wird vorzugsweise ein Schwingungserzeuger in den Spannsatz integriert. Der Schwingungserzeuger umfasst dabei vorzugsweise einen oder mehrere piezoelektrische Aktoren, welche eine, der Arbeitsfrequenz entsprechende, elektrische Ansteuerung in mechanische Schwingungen wandeln. Die Platzierung und die Ausrichtung des Schwingungserzeugers bestimmt dabei die erzielten Schwingparameter an der zu bearbeitenden Oberfläche der Zahnflanken und kann entsprechend der jeweils bezweckten Art der Schwingungsüberlagerung gestaltet werden.

Zur effektiven Schwingungsanregung werden die Aktoren vorzugsweise für die anzuregende Eigenmode nahe eines Schwingungsknotens positioniert. Dabei liegt die mechanische Wirkungsrichtung der Aktoren in Richtung der Dehnung der Schwingungsmode an der Position der Aktoren. Vorzugsweise werden mehrere dünne Aktoren als Aktorstapel mit dazwischenliegenden, wechselseitig gepolten Elektroden zur Spannungsversorgung genutzt. Mit diesem Aufbau werden die benötigten elektrischen Feldstärken mit verhältnismässig geringen elektrischen Spannungen erzielt.

Zum Schutz der an den Spannsatz angebundenen Maschinenkomponenten und zur Vermeidung einer unerwünschten Schwingungsübertragung auf die restlichen Strukturen der Wälzschleifmaschine ist es sinnvoll, die Schwingung des Spannsatzes mit Zahnrad gegenüber dem Rest der Maschine zu entkoppeln. Dazu wird vorzugsweise eine Schwingungsmode gewählt, die im Bereich der Verbindung des Spannsatzes mit der Werkstückspindel einen Schwingungsknoten aufweist. Die Schwingungsübertragung kann weiter reduziert werden, indem der Spannsatz im Befestigungsbereich eine hohe Masse aufweist und/oder Geometrien zur verminderten Schwingungsübertragung vorgesehen werden.

Zur Versorgung der Aktoren mit einem Anregungssignal in Form einer elektrischen Wechselspannung in gewünschter Anregungsfrequenz kann ein Frequenzgenerator genutzt werden. Die erzeugte Anregungsfrequenz entspricht dabei der Resonanzfrequenz der anzuregenden Eigenmode. Dabei ist die Resonanzfrequenz in gewissen Bereichen abhängig von Einflüssen wie bspw. Temperatur und wirkender Prozesskraft. Um stets in einem günstigen Arbeitsbereich und mit hohem Wirkungsgrad anzuregen, sollte die Frequenz des Frequenzgenerators vorzugsweise mit einem Regler geregelt werden. Frequenzgenerator und Regler können in eine Steuereinrichtung integriert werden. Damit kann die ausgegebene Anregungsfrequenz der veränderlichen Resonanzfrequenz des Systems nachgeführt werden. Ausserdem wird vorzugsweise die Ultraschallleistung geregelt, sodass unabhängig von der Belastung gewünschte Amplituden in den Prozess eingebracht werden können.

Zur Regelung der Schwingungsamplitude und zum Nachführen der Anregungsfrequenz kann die tatsächliche Schwingung des Zahnrades in Frequenz, Phasenlage und/oder Amplitude erfasst werden. Da die oszillierende Bewegung der Zahnflanken im Prozess nicht ohne Weiteres direkt erfasst werden kann, kann eine mittelbare Messung erfolgen und Rückschlüsse auf die Schwingung am Zahnrad zulassen. Ein einzelner Sensor kann, unter Annahme der richtigen angeregten Eigenmode, die Istwerte zur Schwingung an den Zahnflanken liefern. Eine Aussage, ob tatsächlich in der gewünschten Mode angeregt wird, ist mit dem einzelnen Sensor nur begrenzt möglich. Mit der Anordnung mehrerer Sensoren an charakteristischen Punkten, mit der Phasenlage der Sensorsignale und mit dem Vergleich der gemessenen Amplituden kann auch auf die angeregte dreidimensionale Schwingform geschlossen werden. Damit kann die Schwingungsanregung in der gewünschten Eigenmode sichergestellt und die Prozessstabilität im geregelten Schwingbetrieb erhöht werden. Als Sensoren können ebenfalls piezoelektrische Elemente, von denen ein Spannungssignal abgegriffen werden kann, vorgesehen werden.

Sowohl die elektrische Versorgung der Aktoren als auch die Sensorsignale werden zwischen dem rotierenden Spannsatz mit Zahnrad und der ruhenden Steuereinrichtung übertragen. Dazu kann z.B. ein berührungsloser Drehübertrager mit induktiver Leistungsübertragung vorgesehen werden.

Beispiel 1 : Erzeugung von Torsionsschwinqunqen mit Schwinqunqserzeuqer oberhalb des Zahnrads

Ein Beispiel für die Umsetzung der vorstehend erläuterten Prinzipien in die Praxis wird nun anhand der Fig. 4 erläutert.

In der Fig. 4 ist in stark schematischer Weise ein Spannsatz 22 zur starren Verbindung mit der rotierenden Welle einer Werkstückspindel dargestellt. Dasjenige Ende des Spannsatzes, das zur Verbindung mit der Spindelwelle vorgesehen ist, wird im Folgenden als das proximale Ende 221 bezeichnet, das dazu entgegengesetzte Ende 222 als das distale Ende. In der Fig. 4 liegt das proximale Ende unten und das distale Ende oben. Der Spannsatz 22 weist einen Spannbereich 223 in Form einer radial aufdehnbaren Dehnhülse oder einer segmentierten Spannbuchse auf, auf dem ein zahnradförmiges Werkstück 23 aufgespannt ist. Oberhalb des Werkstücks 23 (axial zwischen dem Spannbereich 223 und dem distalen Ende 222) ist in den Spannsatz ein Schwingungswandler 40 integriert. Oberhalb des Schwingungswandlers 40 (distal vom Schwingungswandler 40) weist der Spannsatz 22 ein austauschbares Endstück 224 in Form einer Vorspannmutter auf. Mit diesem Endstück 224 wird der Schwingungswandler 40 am Spannsatz 22 fixiert und gleichzeitig in axialer Richtung entlang der Werkstückachse C komprimiert.

Wie nachstehend noch näher erläutert wird, umfasst der Schwingungswandler 40 einerseits einen Schwingungserzeuger 410, der mit einem hochfrequenten Anregungssignal V _A angesteuert wird, um Torsionsschwingungen 41 des Werkstücks 23 anzuregen. Andererseits umfasst der Schwingungswandler 40 einen Schwingungssensor 420, um Charakteristika der erzeugten Schwingungen zu messen. Der Schwingungssensor 420 gibt eines oder mehrere Sensorsignale V _s aus.

Eine Steuereinrichtung 50 dient dazu, den Schwingungssensor 420 auszulesen und darauf basierend den Schwingungserzeuger 410 anzusteuern. Die Steuereinrichtung 50 umfasst einerseits einen Frequenzgenerator 51 , um das Anregungssignal V _A für den Aktor 410 zu erzeugen. Andererseits umfasst die Steuereinrichtung 50 einen Regler 52, der die Sensorsignale V _s empfängt und auf der Basis dieser Sensorsignale die Frequenz f und Amplitude A des Anregungssignals V _A regelt. Die elektrischen Aus- und Eingangssignale des Schwingungswandlers 40 werden durch elektrische Leitungen im Inneren des Spannsatzes 22 übertragen. Eine nur schematisch dargestellte induktive Übertragungseinrichtung 53 dient zur berührungslosen Übertragung des Anregungssignals V _A von der Steuereinrichtung 50 zum Spannsatz 22. Eine weitere Übertragungseinrichtung 54 dient zur Übertragung der Sensorsignale V _s vom Spannsatz 22 zur Steuereinrichtung 50. Beispielsweise kann die Übertragung induktiv durch zwei konzentrisch um die Werkstückachse angeordnete Spulen erfolgen, wobei eine der Spulen an der Spannvorrichtung und die andere Spule am stationären Maschinenelement angeordnet ist. Insbesondere können Anordnungen eingesetzt werden, wie sie aus Refs. [31] oder [32] in einem anderen Kontext bekannt sind.

Im vorliegenden Beispiel erzeugt der Schwingungserzeuger 410 eine Torsionsschwingung um die Werkstückachse C. Die Frequenz dieser Torsionsschwingung wird vom Regler 52 derart geregelt, dass die Einheit aus Spannsatz 22 und Werkstück 23 resonant angeregt wird. Im einfachsten Fall wird dazu vom Regler 52 die Anregungsfrequenz f derart geregelt, dass die vom Schwingungssensor 420 gemessene Amplitude A maximal wird.

Es entsteht eine stehende Welle mit Schwingungsknoten (d.h. Stellen, an denen die Amplitude der Torsionsschwingung minimal ist) und Schwingungsbäuchen (d.h. Stellen, an denen die Amplitude der Torsionsschwingung ein lokales Maximum aufweist) entlang der Werkstückachse C. Die Amplitudenverteilung dieser stehenden Welle entlang der Werkstückachse ist im linken Teil der Fig. 4 als Amplitudenverteilung 61 auf einem Radius R ungleich null illustriert. Der Spannsatz 22 ist derart ausgelegt, dass die stehende Welle im Bereich des Werkstücks 23 einen Schwingungsbauch aufweist, während der Schwingungserzeuger 410 nahe eines Schwingungsknotens angeordnet ist. Im vorliegenden Beispiel ist der Schwingungserzeuger 410 nahe des ersten Schwingungsknotens oberhalb des Zahnrades 23 angeordnet, was zu einer besonders grossen Amplitude der resultierenden Torsionsschwingung an den Schwingungsbäuchen beiträgt. Um die Übertragung der Torsionsschwingungen auf die Werkstückspindel zu minimieren, ist der Spannsatz 22 derart ausgelegt, dass an seinem proximalen Ende 221 , d.h. dort, wo der Spannsatz 22 mit der Spindelwelle verbunden ist, ein Schwingungsknoten liegt.

Die geometrische Auslegung des Spannsatzes 22 und die Positionierung des Schwingungserzeugers 410 derart, dass eine resonante Anregung erfolgen kann und dabei die Schwingungsbäuche und -knoten an den gewünschten Stellen liegen, kann problemlos mit Hilfe von an sich bekannten Simulationsverfahren des Schwingungsverhaltens, insbesondere FEM-Simulationen, erfolgen. Da das Werkstück 23 einen Teil der resonant schwingenden Struktur bildet, erfolgen die Auslegung des Spannsatzes 22 und die Positionierung des Schwingungserzeugers 410 im Grundsatz werkstückspezifisch. Allerdings kann ein einmal ausgelegter Spannsatz 22 durchaus innerhalb gewisser Grenzen für unterschiedliche Werkstücke 23 eingesetzt werden, indem die Anregungsfrequenz f werkstückabhängig so angepasst wird, dass eine resonante Anregung erfolgt.

Aufbau eines Schwinqunqswandlers

Der Aufbau eines geeigneten Schwingungswandlers 40 ist beispielhaft in der Fig. 5 illustriert. Der Schwingungswandler 40 umfasst einen Stapel flacher, scheibenringförmiger Elemente. Der Stapel weist zwei Bereiche auf. Ein erster, unterer Bereich bildet einen Schwingungserzeuger 410, ein zweiter, oberhalb davon gelegener Bereich einen Schwingungssensor 420.

Der Schwingungserzeuger 410 umfasst im vorliegenden Beispiel zwei axial übereinander angeordnete, ringförmige piezoelektrische Scheraktoren 411 , zwischen denen eine zentrale ringförmige Elektrode 412 angeordnet ist. Oberhalb des oberen Scheraktors und unterhalb des unteren Scheraktors ist an den beiden axialen Enden des Schwingungserzeugers 410 jeweils eine äussere ringförmige Elektrode 412 angeordnet. Die beiden äusseren Elektroden sind miteinander elektrisch verbunden. Die Scheraktoren sind beide identisch aufgebaut, aber bezüglich einer horizontalen Ebene, die durch die zentrale Elektrode 412 verläuft, zueinander gespiegelt angeordnet.

Scheraktoren sind aus dem Stand der Technik an sich bekannt. Sie nutzen aus, dass in vielen Piezomaterialien der piezoelektrische Scherdeformationskoeffizient d ₁₅ ungleich Null ist. Im vorliegenden Fall sind die Scheraktoren 411 so aufgebaut, dass sie unter Einwirkung eines elektrischen Feldes, das entlang der Werkstückachse C verläuft, eine Scherdeformation in Umfangsrichtung erzeugen. Die Wirkrichtung der Aktoren um ihre Achse C kann durch ein spezielles Polarisationsverfahren erreicht werden, indem die geschlossenen Ring segmentweise über dem Umfang polarisiert werden. Aktoren, die eine Scherdeformation in Umfangsrichtung erzeugen, sind beispielsweise in Refs. [33]-[36] beschrieben.

Wenn zwischen den äusseren Elektroden und der zentralen Elektrode eine Spannung angelegt wird, erzeugen beide Scheraktoren 411 eine gleichsinnig gerichtete Scherkraft entlang der Umfangsrichtung. Insgesamt entsteht so ein Drehmoment zwischen dem oberen Ende und dem unteren Ende des Schwingungserzeugers 410. Durch Ansteuern der Scheraktoren mit einer Wechselspannung kann eine Torsionsschwingung erzeugt werden.

Der Schwingungssensor 420 ist grundsätzlich sehr ähnlich aufgebaut. Er weist im vorliegenden Beispiel nur ein einziges ringförmiges piezoelektrisches Element auf, das unter Einwirkung einer Scherdeformation zwischen seiner Unterseite und seiner Oberseite, die in Umfangsrichtung wirkt, eine Ausgangsspannung erzeugt.

Der Schwingungserzeuger 410 und der Schwingungssensor 420 sind durch Isolierscheiben 430 voneinander elektrisch isoliert. Durch das Endstück 224, das als Vorspannmutter ausgebildet ist, kann der Stapel aus den scheibenringförmigen Elementen entlang der axialen Richtung mit einer Kompressionskraft F _c beaufschlagt werden.

Alternative Schwingungsrichtungen und Anordnungen

In der Fig. 6 ist eine alternative Anordnung zur Anregung torsionaler Schwingungen dargestellt. Der Schwingungswandler 40 befindet sich axial zwischen dem proximalen Ende 221 des Spannsatzes 22 und dem Spannbereich 223 für das Werkstück 23. Wie im vorherigen Beispiel ist der Schwingungswandler 40 im Bereich eines Schwingungsknotens angeordnet. Mittels einer geeigneten Vorspanneinrichtung kann auch in dieser Ausführungsform eine axiale Vorspannung auf den Schwingungswandler 40 erzeugt werden.

Die Anordnung der Fig. 7 ist vom Aufbau her ähnlich wie die Anordnung der Fig. 4, und es wird diesbezüglich auf die vorstehenden Ausführungen verwiesen. Anders als in der Fig. 4 ist der Schwingungswandler 40 aber dazu ausgebildet, primär eine longitudinale Schwingung 42 des Werkstücks 23 zu erzeugen. Wiederum erfolgt eine resonante Anregung. Auf der linken Seite der Fig. 7 ist die resultierende Amplitudenverteilung der longitudinalen Schwingungsanteile 62 in Richtung der C-Achse des Werkstückes und des Spannsatzes skizziert. Analog zu den Ausführungsformen der Figuren 4 und 6 ist der Schwingungswandler 40 im Bereich eines (hier longitudinalen) Schwingungsknotens angeordnet. Als Piezoaktoren können in dieser Ausführungsform ringförmige Dickenaktoren unter Ausnutzung des piezoelektrischen longitudinalen Deformationskoeffizienten d ₃₃ eingesetzt werden.

In der Ausführungsform der Fig. 8 wird ebenfalls eine longitudinale Schwingung des Werkstücks 23 angeregt. In dieser Ausführungsform befindet sich der Schwingungswandler 40 im Bereich eines longitudinalen Schwingungsknotens unterhalb des Werkstücks 23, zwischen dem proximalen Ende des Spannsatzes 22 und dem Spannbereich für das Werkstück.

In der Ausführungsform der Fig. 9 wird eine transversale (radiale) Schwingung 63 des Zahnrades 23 angeregt, wobei die Amplitude der Schwingung zu jedem Zeitpunkt über den gesamten Umfang des Zahnrads gleich ist. Da eine longitudinale Schwingung stets auch mit einer Querkontraktion einhergeht, kann ein longitudinal wirkender Schwingungswandler genutzt werden, der im Bereich des Werkstücks 23 die radiale Schwingung 63 bewirkt, wie das vorstehend schon im Kontext der Fig. 3 erläutert wurde. Auf der linken Seite der Fig. 9 sind schematisch die longitudinale Amplitudenverteilung 62 und die transversale Amplitudenverteilung 63 auf einem Radius R ungleich Null skizziert. Der Schwingungswandler 40 ist im Bereich eines longitudinalen Knotens angeordnet. Das Werkstück 23 ist im Bereich des benachbarten longitudinalen Knotens und somit im Bereich eines transversalen Schwingungsbauchs angeordnet.

Auch in der Ausführungsform der Fig. 10 erfolgt eine Anregung einer radialen Schwingung 63 des Zahnrades 23 mittels eines longitudinal wirkenden Schwingungswandlers 40. Der Schwingungswandler 40 ist in dieser Ausführungsform nahe eines longitudinalen Schwingungsknotens zwischen dem proximalen Ende des Spannsatzes 22 und der Spannstelle für das Werkstück 23 angeordnet.

Abwandlungen

Während die Erfindung vorstehend anhand von Beispielen erläutert wurde, ist die Erfindung nicht auf diese Beispiele beschränkt, und es sind vielfältige Abwandlungen möglich, ohne den Bereich der Erfindung zu verlassen.

Beispielweise können andere Arten von Schwingungserzeuger als vorstehend erläutert eingesetzt werden. Auch kann pro Spannsatz mehr als nur ein einziger Schwingungserzeuger eingesetzt werden. Ebenfalls kann ein Schwingungserzeuger eine von zwei verschiedene Anzahl an Aktoren umfassen. Beispielsweise können mehrere Schwingungserzeuger an unterschiedlichen axialen Orten angeordnet sein, um gezielt bestimmte Schwingungsformen zu erzeugen. Die erzeugten Schwingungsformen können komplexer sein als in den vorstehend erläuterten Beispielen und beispielsweise Überlagerungen von longitudinalen, radialen und torsionalen Schwingungen umfassen.

Ähnliches gilt auch für die Schwingungssensoren. Wie schon erläutert können mehrere Schwingungssensoren an unterschiedlichen axialen Orten vorhanden sein, um die Art der Schwingung und deren Amplitudenverteilung genauer charakterisieren zu können.

Wenn die Schwingungserzeuger und/oder Schwingungssensoren wie in den vorstehenden Beispielen flache, scheibenringförmige piezoelektrische Elemente umfassen, können mehrere solche Elemente mit dazwischen angeordneten Elektroden aufeinander gestapelt sein. Anstelle scheibenringförmiger piezoelektrischer Element können auch anders geformte piezoelektrische Elemente zum Einsatz kommen. Insbesondere können ringsegmentförmige Elemente eingesetzt werden, die insgesamt zu einem Ring angeordnet werden, oder es können beliebig anders geformte Elemente eingesetzt werden, die gleichmässig über den Umfang des Spannsatzes verteilt angeordnet werden.

Literatur

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