DE10163040C1

DE10163040C1 - Werkzeug zum Herstellen eines Gelenkinnenteils für ein Gleichlaufdrehgelenk

Info

Publication number: DE10163040C1
Application number: DE10163040A
Authority: DE
Inventors: Oliver Doerfel; Andreas Franke
Original assignee: DaimlerChrysler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2001-12-21
Filing date: 2001-12-21
Publication date: 2003-08-21
Anticipated expiration: 2021-12-22
Also published as: US20050186036A1; EP1455979A1; PL369992A1; WO2003053617A1

Abstract

Zur Erzeugung von Kugellaufbahnen auf einer äußeren Umfangsfläche eines Gelenkinnenteils für ein Gleichlaufdrehgelenk wird das Scheibenfräsen verwendet. Hierzu wird ein Scheibenfräswerkzeug mit einer großen Zahl von Fräszähnen, bezogen auf den Durchmesser des Werkzeugs, eingesetzt, um eine hohe Vorschubgeschwindigkeit zu erreichen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Werkzeug zum Herstellen eines Ge lenkinnenteils für ein Gleichlaufdrehgelenk.

Aus der DE 35 08 487 C2 sind unterschiedliche Verfahren zur Herstellung von Gelenkinnenteilen für Gleichlaufdrehgelenke be kannt: Insbesondere ist bekannt, durch Gießen oder Schmieden einen Gelenkinnenteil-Rohling herzustellen und anschließend die Kugellaufbahnen mittels Schleifen, Zerspanen oder Verformen in den Gelenkinnenteil-Rohling in kaltem, halbwarmem oder warmem Zustand einzubringen. Soll eine genau spezifizierte Form der Kugellaufbahn erreicht werden, so werden üblicherweise die Grobkonturen der Kugellaufbahnen durch Kaltverformen oder Schmieden in den Gelenkinnenteil-Rohling eingeformt und an schließend durch Zerspanen, insbesondere Schleifen, die ge wünschte hochgenaue Bahnform der Kugellaufbahnen erzeugt. Das Schleifen ist mit hohem Werkzeugverschleiß verbunden, weswegen in den Kugelbahnen Schleifentlastungsabschnitte vorgesehen wer den, die die Schleifkräfte entlasten sollen. Das Einbringen dieser Schleifentlastungsabschnitte bedeutet einen erhöhten Be arbeitungsaufwand; weiterhin ist das Schleifen ein verhältnis mäßig zeitaufwendiges Verfahren.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein Werkzeug be reitzustellen, mit Hilfe dessen die Kugellaufbahnen in Gelenk innenteilen hochgenau und mit wesentlich geringerem zeitlichem Aufwand als bei herkömmlichen Verfahren eingebracht werden kön nen.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des An spruchs 1 gelöst.

Danach werden die Kugellaufbahnen mittels Scheibenfräsens in das Gelenkinnenteil eingebracht. Das Scheibenfräsen an sich ist ein bekanntes Verfahren, das bisher insbesondere zur Herstel lung von Nuten (wie z. B. in der DE 295 11 482 U1 beschrieben) oder zur Bearbeitung von Kurbelwellenlagern (wie z. B. in der DE 198 01 862 A1 beschrieben) verwendet wurde.

Die hauptzeit- und damit produktivitätsbestimmende Größe beim Scheibenfräsen ist die Vorschubgeschwindigkeit v_f. Sie hängt gemäß der Formel

(Quelle: Degner, Lutze, Smejkal: "Spanende Formung", Carl Han ser Verlag München 1993) vom Zahnvorschub f_z, der Zähnezahl z, der Schnittgeschwindkeit v_c und dem Werkzeugdurchmesser d_Wz ab. Um eine maximale Produktivität zu erreichen, muß bei gegebenem Zahnvorschub f_z und gegebener Zähnezahl z ein möglichst gerin ger Werkzeugdurchmesser d_Wz angestrebt werden. In der Vergan genheit konnten nur geringe Vorschubgeschwindigkeiten v_f und geringe Genauigkeiten erreicht werden, weswegen das Scheiben fräsen bisher nie als geeignetes Verfahren für die Herstellung von Laufbahnen in Gleichlaufdrehgelenken in Erwägung gezogen wurde.

Es wird nun vorgeschlagen, das Scheibenfräsen zur Herstellung von Laufbahnen in Gleichlaufdrehgelenken zu verwenden. Die Er findung beruht auf der Überlegung, daß in der Zwischenzeit neue Schneidstoffe (insbesondere Hartmetalle) zu wirtschaftlich ver tretbaren Preisen zur Verfügung stehen. Unter Verwendung von Frässcheiben aus solchen Schneidstoffen können gemäß Formel (I) auch bei kleinen Frässcheibendurchmessern d_Wz hohe Vorschubge schwindigkeiten v_f erreicht werden, insbesondere dann, wenn auf dem Umfang der Frässcheibe eine große Zahl z von Fräszähnen vorgesehen wird. Die Vorteile des geringen Werkzeugdurchmessers d_Wz liegen in der hohen Werkzeugstabilität (geringe Axialver formung und Schwingungsanfälligkeit), der geringen Drehmoment belastung der Hauptspindel und schließlich in einem wesentlich geringeren Preis. - Weiterhin wurden in den letzten Jahren leistungsfähige CNC-gesteuerte Werkzeugmaschinen entwickelt, welche sich für die Herstellung komplexer Geometrien eignen.

Durch Einsatz des Scheibenfräsens läßt sich somit - bei Verwen dung eines Werkzeugs aus einem Hochleistungswerkstoff (vorzugs weise einem Hartmetall mit einer Hartstoffbeschichtung, siehe Anspruch 6) und einer großen Zahl z von Fräszähnen entlang des Umfangs des Scheibenfräsers - auf überraschend einfache Weise die Aufgabe lösen, Kugellaufbahnen schnell, hochgenau und kos tengünstig in ein Gelenkinnenteil eines Gleichlaufdrehgelenks einzubringen. Durch Messen der Zerspankräfte beim Scheibenfrä sen können die Auflagerkräfte bestimmt und ausgeglichen werden, so daß die hohen Genauigkeitsanforderungen, die an Kugellauf bahnen an Gelenkteilen gestellt werden, erfüllt werden können. Weiterhin kann durch das hohe Zeitspanvolumen eine kurze Bear beitungszeit und somit eine hohe Produktivität erreicht werden.

Zur Durchführung dieses Verfahrens kommt ein Werkzeug zum Ein satz, das einen scheibenförmigen Fräskörper mit auf der Um fangsfläche angebrachten Fräszähnen umfaßt, wobei der Quotient aus der Zahl der Fräszähne und dem Durchmesser des Fräskörpers größer als 0.25 Zähne/mm ist. Damit lassen sich - wie oben be schrieben - hohe Vorschubgeschwindigkeiten v_f des Werkzeugs ge genüber dem Gelenkinnenteil und somit sehr kurze Bearbeitungs zeiten erreichen.

Das Scheibenformfräsen der Kugellaufbahnen des Gleichlaufdreh gelenks kann ein zweistufiger Prozeß sein, der aus einem Schrupp- und einem Schlichtprozeßschritt besteht. Diese beiden Prozeßschritte können auf eine besonders vorteilhafte und zeit sparende Weise kombiniert werden, wenn das Schruppfräswerkzeug gemeinsam mit dem Schlichtfräswerkzeug auf derselben Werkzeug spindel montiert ist (siehe Anspruch 2). In diesem Fall kann die Verfahrenskinematik so gewählt werden, daß die dem Rückhub des Schruppwerkzeugs entsprechende Maschinennebenzeit für den Schlichtprozeß genutzt wird. Damit ist eine erhebliche Verrin gerung der Taktzeit möglich. Vorzugsweise ist die Zähnezahl auf Schruppfräswerkzeug und Schlichtfräswerkzeug die gleiche (siehe Anspruch 3). - Alternativ kann ein einziges Fräswerkzeug einge setzt werden, welches im Vorhub schruppt und im Rückhub schlichtet.

Unter Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens können die Kugellaufbahnen in einen vorher unbearbeiteten Rohling einge bracht werden. Um die beim Schruppen anfallenden breiten Späne prozeßsicher aus dem verhältnismäßig kleinen Spanraum des Schruppwerkzeugs hinauszutransportieren, ist das Schruppwerk zeug zweckmäßigerweise mit Spanteilernuten versehen (siehe An spruch 4). Die Spanteilernuten teilen die breiten Späne in kur ze Spansegmente, wodurch ein Verklemmen der Späne im Spanraum des Werkzeugs vermieden wird.

Aufgrund der - bezogen auf den Fräskörperdurchmesser - großen Zahl der Fräszähne steht auf dem Fräswerkzeug ein sehr geringer Spanraum zum Abführen der Frässpäne zur Verfügung. Erfahrungs gemäß können die erzeugten Späne dennoch prozeßsicher abgeführt werden, wenn die Fräszähne unter einem Spanwinkel angeordnet werden, der vorzugsweise zwischen 5 und 12 Grad liegt (siehe Anspruch 5).

Im folgenden wird die Erfindung anhand eines in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert; dabei zei gen:

Fig. 1a ein Gelenkinnenteil eines Drehgelenks;

Fig. 1b einen Rohling zur Herstellung des Gelenkinnenteils der Fig. 1a;

Fig. 2a eine Darstellung der Schruppbearbeitung des Gelenkin nenteil-Rohlings;

Fig. 2b eine Darstellung der Schlichtbearbeitung des Gelen kinnenteil-Rohlings;

Fig. 3 das Werkzeug der Fig. 2a in einer Seitenansicht.

Fig. 1a zeigt ein Gelenkinnenteil 1 eines Gleichlaufdrehge lenks, welches aus einem Gelenkinnenteil-Rohling 1' (Fig. 1b) hergestellt wurde. Das Gelenkinnenteil 1 weist auf seiner äuße ren Umfangsfläche 2 mehrere Kugellaufbahnen 3 auf, in welchen in Zusammenbaulage des Gelenkinnenteils 1 mit einem (in Fig. 1a nicht gezeigten) Gelenkaußenteil drehmomentübertragende Ku geln aufgenommen sind. Die Kugellaufbahnen 3 erstrecken sich im wesentlichen in Längsrichtung des Gelenkinnenteils 1; im Bei spiel der Fig. 1a sind die Kugellaufbahnen 3 parallel zur Sym metrieachse 4 des Gelenkinnenteils 1 angeordnet; bei diesen Ge ometrien ist die Laufbahnform gekrümmt. In anderen Formen von Drehgelenken ist die Kugellaufbahn 3 um einen Schrägungswinkel 5 gegenüber der Symmetrieachse 4 des Gelenkinnenteils 1 gekippt (siehe Fig. 2a und 2b).

Fig. 2a zeigt ein Fräswerkzeug 6 zur Erzeugung der Kugellauf bahnen 3 auf dem Gelenkinnenteil-Rohling 1' der Fig. 1b. Das Fräswerkzeug 6 umfaßt zwei Scheibenfräser 7, 7', einen Schrupp fräser 7 und einen Schlichtfräser 7', welche um einen Abstand 8 axial gegeneinander versetzt gemeinsam auf einer Drehspindel 9 angeordnet sind. Die beiden Frässcheiben 7, 7' weisen einen Durchmesser 21, 21' auf. Wie aus der Seitenansicht der Fig. 3 ersichtlich, weist jeder Scheibenfräser 7, 7' auf seiner Um fangsfläche 10, 10' eine Vielzahl von Fräszähnen 11, 11' auf; die Schneidkontur 12, 12' berechnet sich aus der Form der zu erzeu genden Kugellaufbahn 3. Neben den in Fig. 2a und 2b gezeig ten geradverzahnten Scheibenfräsern 7, 7' können auch schrägver zahnte Scheibenfräser zum Einsatz kommen.

Die Fräszähne 11 des Schruppfräsers 7 sind mit Spanteilernuten 13 versehen, um den Abtransport der Späne aus dem Spanraum des Schruppfräsers 7 während des Schruppprozesses sicherzustellen. Da beim Schlichten wesentlich kleinere Späne anfallen, sind an den Fräszähnen 11' des Schlichtfräsers 7' keine Spanteiler not wendig.

Im vorliegenden Ausführungsbeispiel sind Schruppfräser 7 und Schlichtfräser 7' jeweils einstückig ausgebildet. Beide Schei benfräser 7, 7' sind hartstoffbeschichtete (z. B. mit einer TiAlN Multilayer-Beschichtung versehene) Vollhartmetallwerkzeuge. Der Gelenkinnenteil-Rohling 1' besteht aus einem Stahlwerkstoff, z. B. Cf53. Die Schnittgeschwindigkeiten v_c für diese Werkstoff kombinationen liegen in dem für solche Werkzeuge üblichen Be reich von 300 m/min bis 400 m/min.

Im vorliegenden Ausführungsbeispiel weisen sowohl Schruppfräser 7 als auch Schlichtfräser 7' je 26 Fräszähne 11, 11' auf und ha ben beide jeweils einen Durchmesser d_Wz von 80 mm. Bei Schnitt geschwindigkeiten v_c von 300 m/min bis 400 m/min und einem Zahnvorschub von f_z = 0.12 lassen sich mit solchen Frässcheiben 11, 11' - gemäß Formel (I) - Vorschubgeschwindigkeiten v_f von 3000 mm/min bis 6000 mm/min erreichen. Um ein gutes Abgleiten der dabei entstehenden Späne auf der Spanfläche zu gewährleis ten, liegt der Spanwinkel 14 der Fräszähne 11, 11' hierbei bei etwa 10°.

In einer Zusammenschau der Fig. 2a, 2b und 3 wird im folgen den die Kinematik beim Fräsen der Kugellaufbahnen 3 in den Ge lenkinnenteil-Rohling 1' erläutert. Der Gelenkinnenteil-Rohling 1' ist während der Bearbeitung in eine (in Fig. 2 und 3 nicht gezeigte) Spannvorrichtung eingespannt, mit Hilfe derer der Gelenkinnenteil-Rohling 1' um seine Symmetrieachse 4' ge dreht werden kann.

Zur Erzeugung einer Kugellaufbahn 3, welche um einen Winkel 5 gegenüber der Symmetrieachse 4' des Gelenkinnenteil-Rohlings 1' gekippt ist, wird die Drehspindel 9 um denselben Winkel 5' ge genüber einer senkrecht zur Symmetrieachse 4' verlaufenden Drehrichtung gekippt. Für den Schruppvorgang wird nun das Werk zeug 6 zunächst so gegenüber dem Gelenkinnenteil-Rohling 1' ge führt, daß die Schruppfrässcheibe 7 eine rinnenförmige Nut 15 der Tiefe 16 in die Oberfläche des Gelenkinnenteil-Rohlings 1' einformt (Pfeile 17 und 17' in Fig. 2a und 3). Anschließend wird das Werkzeug 6 um einen Versatz Δ entlang der Spindelach se 9' verschoben (Pfeil 18 in Fig. 2a), wobei Δ dem Abstand 8 von Schruppfrässcheibe 7 und Schlichtfrässcheibe 7' auf der Werkzeugspindel 9 entspricht, so daß nun der Schlichtfräser 7' gegenüber der bereits eingefrästen rinnenförmigen Nut 15 zu liegen kommt. Dann wird das Werkzeug 6 zunächst so gegenüber dem Gelenkinnenteil-Rohling 1' geführt, daß der Schlichtfräser 7' den Bereich der im ersten Prozeßschritt eingebrachten rin nenförmigen Nut 15 feinbearbeitet und dabei die fertige Form der Kugellaufbahn 3 erzeugt (Pfeil 19 in Fig. 2b). Schließlich wird das Werkzeug 6 durch Zurückverschieben um den Versatz iN in Richtung der Spindelachse 9' in die Ausgangsposition zurück bewegt (Pfeil 20 in Fig. 2b). Somit ist die erste Kugellauf bahn 3 fertig hergestellt, und der Gelenkinnenteil-Rohling 1' kann mittels der Spannvorrichtung gedreht werden, um eine wei tere Kugellaufbahn 3 in die äußere Umfangsfläche des Gelenkin nenteil-Rohlings 1' einzubringen.

Neben dieser in Fig. 2a und 2b dargestellten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, bei für den Schrupp- und den Schlichtvorgang zwei getrennte Frässcheiben 7, 7' zum Einsatz kommen, können die beiden Bearbeitungsschritte auch mit einer einzigen Frässcheibe ausgeführt werden, welche im Vorhub den Schruppvorgang und im Rückhub den Schlichtvorgang durchführt. Neben der in Fig. 2a und 2b dargestellten Kinematik, bei der zunächst eine Kugellaufbahn geschruppt und geschlichtet wird, bevor mit der Bearbeitung der nächsten Kugellaufbahn begonnen wird, können auch zunächst mehrere Kugellaufbahnen nacheinander geschruppt werden und anschließend nacheinander geschlichtet werden. Weiterhin kann es (in Abhängigkeit z. B. von der Werk stoffkombination und/oder der gewünschten Qualität der zu er zeugenden Kugellaufbahn) ausreichend sein, lediglich einen Schruppvorgang - ohne darauffolgendes Schlichten - auszuführen.

In der Verfahrenskinematik der Fig. 2a und 2b wird das Werk zeug 6 während der Bearbeitung gegenüber dem in der Spannvor richtung eingespannten Werkstück 1' verschoben. Prinzipiell können die Vorschubbewegungen auch durch das Werkstück 1' aus geführt werden. Welche der Relativbewegungen von dem Werkstück 1' und welche von dem Werkzeug 6 ausgeführt werden, ist maschi nenabhängig.

Im Zuge des auf die spanende Bearbeitung folgenden Härteprozes ses kommt es zu einer Verformung des Gelenkinnenteils und damit zu einer Krümmung der Kugellaufbahnen. Um kostspielige Nachar beit zu vermeiden, muß diese Krümmung bereits im Fräsprozeß vorgehalten werden.

Mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens und Werkzeugs können sowohl gerade als auch gekrümmte Kugellaufbahnen 3 in Gelenkin nenteil-Rohlinge 1' eingefräst werden. Neben der in Fig. 2 und 3 gezeigten elliptischen Schneidkontur 12, 12' der Fräszähne 11, 11' können die Fräszähne 11, 11' auch andere (z. B. trapezför mige) Schneidkonturen aufweisen, um - anstelle der in Fig. 1a gezeigten Kugellaufbahnen 3 mit elliptischem Querschnitt - Ku gellaufbahnen mit rechteckigem oder trapezförmigem Querschnitt zu erzeugen.

Neben den einteilig ausgebildeten Fräserscheiben 7, 7' der Fig. 2a, 2b und 3 können auch Fräserscheiben mit individuell eingesetzten Schneidplatten zum Einsatz kommen. Dies hat den Vorteil, daß beim Verschleiß einzelner Fräszähne 11, 11' nicht die gesamte Frässcheibe 7, 7' ausgewechselt zu werden braucht, sondern daß lediglich die defekte Schneidplatte ersetzt werden muß. In diesem Fall sind die die Fräszähne 11, 11' bildenden Schneidplatten vorzugsweise durch Hartlöten oder durch Klemmen an der Fräserscheibe befestigt.

Claims

1. Werkzeug zum Herstellen eines Gelenkinnentelis (1) für ein Gleichlaufdrehgelenk mit Hilfe des Scheibenformfräsens, wobei das Werkzeug (6) einen scheibenförmigen Fräskörper (7, 7') mit auf der Umfangsfläche angebrachten Fräszähnen (11, 11') umfaßt, wobei der Quotient aus der Zahl der Fräs zähne (11, 11') und dem Durchmesser (21, 21') des Fräskörpers (7, 7') größer als 0.25 Zähne/mm ist.

2. Werkzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Werkzeug (6) einen weiteren scheibenförmigen Fräs körper (7') aufweist, welcher axial gegenüber dem ersten Fräskörper (7) versetzt ist, wobei der eine Fräskörper als Schruppwerkzeug (7) und der andere Fräskörper als Schlicht werkzeug (7') ausgestaltet ist.

3. Werkzeug nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Quotient aus der Zahl der Fräszähne (11, 11') und dem Durchmesser (21, 21') des Fräskörpers (7, 7') auf Schruppwerk zeug (7) und Schlichtwerkzeug (7') den gleichen Wert hat.

4. Werkzeug nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Schruppwerkzeug (7) Spanteilernuten (13) aufweist.

5. Werkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Fräszähne (11, 11') unter einem Spanwinkel (14) zwi schen 5° und 12° auf dem Fräskörper (7, 7') angeordnet sind.

6. Werkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Fräskörper (7, 7') aus einem hartstoffbeschichteten Hartmetall besteht.