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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Werkzeugmaschine, insbesondere
Fräsmaschine, sowie ein Verfahren zum Fräsen von
Zahnrädern wie Stirnrädern, Kronrädern,
Schneckenrädern und Kegelrädern.
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Derartige
insbesondere außenverzahnte Zahnräder können
im Wesentlichen gerade- oder schrägverzahnt sein. Auch
sind insbesondere bei Kegelrädern Bogenverzahnungen bekannt,
was bedeutet, dass die Zahnflanken eine kreisbogenförmige Längskrümmung
aufweisen. Derartige Kegelräder werden auch als Spiralkegelräder
bezeichnet. Ist ein Achsversatz vorgesehen, so werden die Kegelräder auch
Hypoidräder genannt. Daneben sind noch eine Vielzahl weiterer
Verzahnungen wie die Palloid-, Klingelnberg- und Gleason-Verzahnungen
bekannt.
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Im
Wesentlichen werden beim Herstellen von Außenverzahnungen
zwei Verfahren, nämlich das Profilfräsen und das
Wälzfräsen, angewandt. Beim Profilfräsen
wird die Kontur des Fräswerkzeugs direkt auf das Werkstück übertragen,
wobei die Schnittbewegung nur durch das drehende Fräswerkzeug
ausgeführt wird, während im Allgemeinen das Werkstück
stillsteht. Nach Herstellen einer Zahnlücke wird das Werkstück
um eine Zahnteilung weiter gedreht. Als Werkzeuge finden insbesondere
Messerköpfe und Schaftfräser Verwendung.
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Zum
wirtschaftlichen Herstellen von gerade- oder schrägverzahnten
Außenzahnrädern, wie Stirnrädern, wird
das Wälzfräsen angewandt, wobei das Werkzeug geometrisch
eine ein- oder mehrgängige Schnecke darstellt, die mit
dem zu verzahnenden Werkstück ein Schneckengetriebe bildet.
Der Wälzfräser wird während des Fräsvorgangs
angetrieben und gleichzeitig entlang des Werkstücks insbesondere
translatorisch verschoben, um die Zahnlücken zu erzeugen.
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Zum
Wälzfräsen zählt auch das sogenannte kontinuierlich
teilende Verzahnungsverfahren (kontinuierliches Teilverfahren).
Hierbei werden als Werkzeuge Messerköpfe eingesetzt, die
auf ihrer Stirnseite eine Vielzahl von ausschließlich in
Axialrichtung des Werkzeugs weg weisenden Schneidkörpern
aufweisen, welche konzentrisch zum Außendurchmesser des
Messerkopfs angeordnet sind. Jeder der Schneidkörper ist
unterschiedlich ausgeführt und weist somit eine individuelle
Schneidengeometrie auf, sodass jeder Schneidkörper nur
einen bestimmten Teil einer Flanke abnimmt. Die Drehkontur des Werkzeugs,
das heißt die aller Schneiden der Schneidkörper,
ergibt die zu fertigende Zahnlücke. Bei diesem Verfahren
rotieren das Werkstück und das Werkzeug gemäß einer
bestimmten Gesetzmäßigkeit relativ zueinander,
sodass die Zahnflanken der Zahnlücke durch Hüllschnitte
der einzelnen Schneiden geformt werden.
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Nachteilig
wirkt sich beim kontinuierlichen Teilverfahren der hohe Rüstaufwand
aus, da die Drehzahlen des Werkstücks und des Werkzeugs
abhängig von der zu fräsenden Verzahnung genau
eingestellt werden müssen. Durch die komplizierte Steuerung
des Fräsvorgangs werden spezielle Sondermaschinen benötigt,
die teuer in der Anschaffung sind.
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Beim
sogenannten Tauchverfahren, auch einzeln teilendes Verzahnungsverfahren
(Einzelteilverfahren) genannt, werden die Zahnlücken durch Tauchen
des Werkzeugs einzeln hergestellt. Das Werkstück steht
während des Tauchvorgangs still, danach wird dieses um
eine Zahnteilung weitergetaktet und die nächste Zahnlücke
gefräst, bis das Kegelrad vollständig hergestellt
ist. Dabei wird wie beim kontinuierlichen Teilverfahren ein Messerkopf
eingesetzt, dessen Schneidkörper jedoch insgesamt dieselbe
Form haben und dem Profil der zu fräsenden Zahnlücke
entsprechen.
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Der
größte Nachteil der beschriebenen Verfahren ist,
dass die Werkzeuge im Wesentlichen nur für eine bestimmte
Verzahnung geeignet sind. Werden Sonderverzahnungen gewünscht,
so müssen ebenfalls Sonderfräser angefertigt werden,
die oft nicht nur teuer sind, sondern auch meist eine lange Lieferzeit
in Anspruch nehmen.
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Bei
der Herstellung von bogenverzahnten Kegelrädern mittels
des Einzel- oder kontinuierlichen Teilverfahrens ist der Außendurchmesser
des Werkzeugs abhängig von der gewünschten Verzahnung und
insbesondere vom Außendurchmesser des herzustellenden Kegelrads.
Dies liegt daran, dass insbesondere der Radius des Längsbogens
der Zahnflanke im Wesentlichen dem halben Durchmesser der Schneiden
in Bezug auf die Drehachse des Messerkopfs entspricht. Hierdurch
werden schwere Werkzeuge und somit leistungsstärkere Antriebe
nötig, wobei aufgrund des hohen Gewichts der Werkzeuge geringere
Vorschübe und Drehzahlen möglich sind, sodass
die Bearbeitungszeiten länger werden. Abhängig
vom Gewicht der Werkzeuge können diese nicht immer in einem
Werkzeugmagazin abgelegt werden, sondern müssen vielmehr
manuell gewechselt werden. Eine Handhabung beispielsweise durch Industrieroboter
entfällt wegen den zu hohen Trägheitsbelastungen
beim Werkzeugwechsel. Beim Herstellen von relativ kleinen Zahnrädern
können die Werkzeuge zwar im Werkzeugmagazin der Werkzeugmaschine
gelagert werden, jedoch nehmen sie in den meisten Fällen
durch ihren relativ großen Durchmesser viel Platz ein,
sodass deutliche größere Werkzeugmagazine zur
Verfügung gestellt werden müssen.
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Als
besonders nachteilig im Blick auf die Rüstzeiten erweist
sich das Justieren der Messerköpfe beim Einzel- und kontinuierlichen
Teilverfahren, da alle Schneidkörper derart genau ausgerichtet werden
müssen, dass sie als Drehkontur die genaue Geometrie der
zu fräsenden Zahnlücke ergeben.
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In
jüngster Zeit wurden Versuche unternommen, Zahnräder
wie Kegelräder mittels Hochgeschwindigkeitszerspanung (HSC)
zu fertigen. Bei diesem Verfahren werden Schaft- oder Profilfräser eingesetzt,
die mit sehr hohen Drehzahlen und Vorschubgeschwindigkeiten bei
relativ geringer Zerspanungsleistung (geringe Spandicke) die Zahnlücken zeilenweise
abtragen. Die insbesondere auf Fünf-Achs-Werkzeugmaschinen
ausgeführten Bearbeitungsprozesse führen aufgrund des
geringen Zerspanungsvolumens, was zwar die Spindel und die Lagerungen
der Werkzeugmaschine schont, zu besonders langen Bearbeitungszeiten.
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Zum
druckschriftlichen Stand der Technik wird auf das Dokument
DE 37 52 009 T3 verwiesen, wobei
die aus diesem Dokument bekannten Merkmale im Oberbegriff von Anspruch
1 zusammengefasst sind. Dieses Dokument beschreibt eine Mehrfachachsenzahnradwälzmaschine
zur Herstellung von Kegelrädern und Hypoidrädern,
wobei eine Steuereinrichtung vorgesehen ist, welche einen Werkzeugträger
und eine Aufnahmevorrichtung für das Werkstück
gleichzeitig entlang von fünf Achsen bewegen kann. Aufgrund
der Art des Eintauchens des Werkzeugs in das Werkstück
ist es jedoch erforderlich, dass das Werkzeug einen Außendurchmesser aufweist,
welcher dem Zweifachen des Krümmungsradius der Zahnflankenlängskurven
entspricht. Somit ist es erforderlich, dass für jede neue
Verzahnungsgeometrie beziehungsweise für jede neue Zahnflankenlängskurve
ein neues Werkzeug angefertigt werden muss. Außerdem ist
die Maschine nicht dafür bestimmt, als Universalfräsmaschine
zum Herstellen anderer Bauteile als die speziellen Verzahnungen eingesetzt
zu werden.
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Die
europäische Patentschrift
EP 0 850 120 B1 beschreibt ein Werkzeugeinstechverfahren,
welches den Verschleiß einzelner Schneiden eines topfförmigen
Messerkopfes vermindert. Dabei wird vorgeschlagen, den topfförmigen
Messerkopf, dessen Durchmesser wiederum auf den Krümmungsradius der
zu schaffenden Bogenverzahnung von Kegelrädern abgestimmt
sein muss, beim Eintauchen schräg in die Zahnlücke
einzuführen, wobei ein Vorschubvektor eine Komponente in
Richtung senkrecht zum Zahnlückengrund und eine Komponente
in Längsrichtung der Verzahnung aufweist. Wenn das Werkzeug
die volle Tiefe im Werkstück erreicht hat, kann es entweder
wieder unmittelbar aus dem Werkstück herausgezogen werden
(beim Profilfräsen, dort nicht-generierendes Verfahren
genannt) oder in Richtung des Umfangs des Werkstücks bewegt
werden, um mit dem Wälzen beim Wälzfräsen
zu beginnen.
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Die
europäische Patentschrift
EP 0 690 760 B1 beschreibt ebenfalls ein
Werkzeugeinstechverfahren, um den Verschleiß an einzelnen
Zähnen des verwendeten Messerkopfes zu vermindern. Auch hier
wird, wie bei dem zuvor genannten Patent, ein Vorschubvektor für
den Messerkopf definiert, bevor der eigentliche Wälzvorgang
beginnt. Nachteilig ist wiederum, dass der Außendurchmesser
des Messerkopfes exakt auf den Bogen der Verzahnung abgestimmt werden
muss und, wie eingangs dargestellt, jeder Schneidkörper
eine individuelle Schneidgeometrie aufweisen muss, um eine eingängige
oder mehrgängige Schnecke auszubilden.
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Der
vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Werkzeugmaschine
und ein Verfahren zur Herstellung von Zahnrädern, insbesondere von
Kegelrädern oder Ritzeln, anzugeben, die hinsichtlich der
Nachteile des Standes der Technik verbessert sind. Insbesondere
soll die Bearbeitungszeit und besonders die Hauptzeit eines herzustellenden Zahnrades
minimiert werden. Zugleich sollen die Zahnräder möglichst
kostengünstig und formgenau herstellbar sein. Dabei soll
das Zahnrad vorteilhaft komplett auf einer Maschine mit einer oder
mehreren Aufspannungen fertig gefräst werden können.
Besonders vorteilhaft soll eine Universalfräsmaschine mit
einem erfindungsgemäß zur Verfügung gestellten Werkzeug
zum Herstellen der Verzahnung Verwendung finden können.
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Diese
Aufgabe wird durch eine Werkzeugmaschine, ein Verfahren und ein
Werkzeug nach den unabhängigen Ansprüchen gelöst.
Die abhängigen Ansprüche stellen bevorzugte Ausführungsformen der
Erfindung dar.
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Eine
erfindungsgemäße Werkzeugmaschine, wie beispielsweise
eine Fräsmaschine, umfasst ein Maschinengestell, einen
auf dem Maschinengestell montierten Werkzeugträger zum
Aufnehmen eines Werkzeugs, eine Antriebseinrichtung zum Drehantreiben
des Werkzeugs im Werkzeugträger um eine Werkzeugachse,
eine auf dem Maschinengestell montierte Aufnahmevorrichtung zum
Aufnehmen eines Werkstücks, eine erste rotatorische Antriebsvorrichtung
zum Erzeugen einer ersten relativen Winkelbewegung zwischen dem
Werkzeugträger und der Aufnahmevorrichtung, insbesondere
zum Drehen des Werkstückes und/oder der Aufnahmevorrichtung
um eine Werkstückachse, und eine zweite rotatorische Antriebsvorrichtung
zum Erzeugen einer zweiten relativen Winkelbewegung zwischen dem
Werkzeugträger und der Aufnahmevorrichtung, eine translatorische
Antriebsvorrichtung zum Erzeugen einer relativen Translationsbewegung
zwischen dem Werkzeugträger und der Aufnahmevorrichtung entlang
dreier Achsen, eine Steuerungseinrichtung, die derart eingerichtet
ist, dass sie eine Steuerung der relativen geradlinigen Bewegungen
zwischen dem Werkzeugträger und der Aufnahmevorrichtung und
der relativen Winkelbewegungen zwischen dem Werkzeugträger
und der Aufnahmevorrichtung im Wesentlichen gleichzeitig erlaubt,
wobei das Werkzeug als Stirn- oder Stirnumfangsfräser ausgebildet ist
und Schneiden umfasst, die wenigstens eine Teilkontur einer in das
Werkstück zu fräsenden Verzahnung aufweisen.
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Erfindungsgemäß ist
der Außendurchmesser der Schneiden (auch als das Zweifache
des Flugkreisradius der Werkzeugschneide bezeichnet) größer
als der Abstand zweier benachbarten Zahnflanken (Zahnlücke),
wobei das Werkzeug mit einem Teil der im Bereich des äußeren
Umfangs des Werkzeuges angeordneten Schneiden derart anstellbar
ist, dass es mit den stirnseitigen Schneiden und insbesondere zugleich
mit umfangsseitigen Schneiden in den Bereich der zu schaffenden
Verzahnung in das Werkstück eintaucht.
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Die
Steuereinrichtung bewegt durch Betätigen der ersten und/oder
der zweiten rotatorischen Antriebsvorrichtung und/oder der wenigstens
einen translatorischen Antriebsvorrichtung dabei das Werkzeug durch
Verschiebung entlang der zu bearbeitenden Zahnflanke. Bei dieser
Verschiebebewegung bleibt der Abstand des Werkzeugs, insbesondere dessen äußerer
Umfang, der durch eine Vielzahl von Schneiden ausgebildet wird,
zum Zahnlückengrund und/oder zum Zahnkopf der zu fräsenden
Verzahnung zumindest im Wesentlichen konstant.
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Wenn
beispielsweise ein Werkstück mit einer Bogenverzahnung
mit der erfindungsgemäßen Werkzeugmaschine hergestellt
wird, so steuert die Steuerungseinrichtung die Antriebsvorrichtungen vorteilhaft
derart an, dass das Werkzeug entlang der Zahnflankenlängskurve
des gerade herzustellenden Zahnes verschoben wird, wobei die Neigung
beziehungsweise der Winkel der Werkzeugachse zur Zahnflankenlängskurve
(allgemein zur Zahnflanke) konstant gehalten wird. Dies kann beispielsweise
dadurch erreicht werden, dass die Neigung der Werkzeugachse zur
Zahnflankenlängskurve in Quer- und/oder Längsrichtung
entsprechend der Geometrie der Zahnflanke permanent mittels der
Steuerungseinrichtung insbesondere in wenigstens fünf Achsen nachgeführt
wird.
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Die
erfindungsgemäße Werkzeugmaschine stellt somit
im Wesentlichen eine Fünf-Achs-Fräsmaschine dar.
Selbstverständlich ist es auch möglich, weitere
Achsen vorzusehen, um den Werkzeugträger beziehungsweise
das Werkzeug und/oder die Aufnahmevorrichtung für das Werkstück
translatorisch oder rotatorisch zu bewegen. Die Werkzeugmaschine
kann für den automatisierten Betrieb ausgerüstet sein
und zum Beispiel eine Werkzeugwechselvorrichtung, ein Werkzeugmagazin,
eine Werkstückwechseleinrichtung und/oder einen Palettenwechsler
umfassen. Auch kann die Werkzeugmaschine zur Erweiterung der Funktionalität
weitere translatorische und/oder rotatorische Antriebseinrichtungen,
wie beispielsweise dreh- oder schwenkbare Maschinentische, aufweisen.
Ebenso kann die Werkzeugmaschine Teil eines Bearbeitungszentrums
oder einer Fertigungsstraße sein, umfassend weitere Maschinen, wie
Dreh-, Schleif- oder Härtmaschinen.
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Das
Werkzeug umfasst wenigstens eine Schneide und ist derart eingerichtet,
dass es eine Stirnbearbeitung oder eine Stirnumfangsbearbeitung des
Werkstücks ermöglicht. Dazu kann das Werkzeug
als Messerkopf, Scheiben- oder T-Nutenfräser ausgeführt
sein. Die wenigstens eine Schneide umfasst ein aus wenigstens einer
Spanfläche und einer Freifläche gebildetes Schneidenprofil,
wobei das Schneidenprofil vorteilhaft für das Erzeugen
wenigstens eines Teiles einer Zahnlücke eine erste Teilschneide
für eine Flankenfläche und eine zweite Teilschneide
für wenigstens einen Abschnitt eines Zahnlückengrundes
aufweist. Mit einer derartigen Ausführung kann im selben
Fräserdurchgang die Flankenfläche sowie wenigstens
ein Abschnitt des Zahnlückengrundes mit der kompletten
Fertigfräsgeometrie erzeugt werden.
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Bevorzugt
sind Schneiden im Wesentlichen in Axialrichtung des Werkzeugs gesehen
vom Werkzeug weg gerichtet. Sie verlaufen somit nicht senkrecht
zu der dem Werkstück zugewandten Stirnseite des Werkzeugs.
Stattdessen können diese im Wesentlichen parallel oder
winklig zu der Stirnseite verlaufen. Zusätzlich können
auch Schneiden entlang der Umfangsrichtung des Werkzeugs beziehungsweise
einzelner Schneidkörper vorgesehen sein, die dann winklig
oder senkrecht zur Stirnseite des Werkzeugs verlaufen.
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Ein
erfindungsgemäßes Verfahren zum Herstellen einer
Verzahnung auf einer erfindungsgemäßen Werkzeugmaschine
umfasst die folgenden Schritte:
- (a) Positionieren
des Werkzeugs außerhalb des Bereichs der zu schaffenden
Verzahnung;
- (b) Drehantreiben des Werkzeugs;
- (c) Bewegen des Werkzeugs mit einem Teil der im Bereich des äußeren
Umfangs des Werkzeugs angeordneten Schneiden durch den Bereich der zu
schaffenden Verzahnung im Werkstück bei im Wesentlichen
gleichzeitigen Steuern aller Antriebseinrichtungen oder von ausgewählten
Antriebseinrichtungen mittels der Steuereinrichtung derart, dass
wenigstens eine Teilkontur einer Zahnflanke gefräst wird;
wobei das Werkzeug entlang der zu bearbeitenden Zahnflanke verschoben
wird, bei gleichbleibendem oder im Wesentlichen gleichbleibendem
Abstand des Werkzeugs, insbesondere dessen äußeren
Umfang, der durch den Flugkreis der auf dem äußeren
Umfang positionierten Schneiden gebildet wird, zum Zahnlückengrund
und/oder zum Zahnlückenkopf;
- (d) Zurückführen des Werkzeugs aus dem Bereich
der zu schaltenden Verzahnung;
- (e) Drehen des Werkstücks und/oder des Werkzeugs um
die Werkstückachse in eine um wenigstens eine Zahnteilung
versetzte Position;
- (f) Wiederholen der Schritte (c)–(f) insbesondere bei
ununterbrochener Rotation des Werkzeugs, bis alle Zahnflanken des
Werkstücks in der gleichen Weise bearbeitet und die Zahnlücken
vollständig erzeugt sind.
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Vorteilhaft
nimmt das Werkzeug gleichzeitig mit einem Teil der Stirnfläche
und der Umfangsfläche jeweils mit entsprechend vorgesehenen
Schneiden einen Teil des Werkstücks ab. Dabei ist es jedoch möglich,
dass die relative Positionierung zwischen Werkzeug und Werkstück
bezüglich der Tiefenrichtung der Verzahnung außerhalb
des Eingriffs zwischen Werkzeug und Werkstück eingestellt
wird und das Werkzeug beim spanabhebenden Fräsen nur entlang
der zu bearbeitenden Zahnflanke bei dem genannten gleichbleibenden
Abstand bewegt wird. Das Werkzeug (oder das Werkstück oder
beides) fährt dann somit außerhalb des Eingriffs
bis auf die vorgesehene Tiefe, und anschließend wird Material durch
eine wälzende Bewegung vom Werkstück abgenommen,
wobei natürlich mehrere Durchgänge dieser wälzenden
Bewegungen in mehreren Tiefenebenen durchgeführt werden
können. Alternativ kann die relative Positionierung zwischen
Werkzeug und Werkstück bezüglich der Tiefenrichtung
auch im Bereich der Verzahnung, insbesondere an einem Ende der Zahnlücke
erfolgen, und das Werkzeug dann spanabhebend entlang der zu bearbeitenden
Zahnflanke bei dem genannten gleichbleibenden Abstand bewegt werden.
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Das
Werkzeug kann zu Beginn und während des Fräsvorgangs
derart angestellt und insbesondere permanent nachgeführt
werden, dass die Werkzeugachse stets im selben Winkel zu der zu
bearbeitenden Flankenfläche steht. Gleichzeitig kann das Werkzeug
mittels insbesondere aller rotatorischer und/oder translatorischer
Antriebseinrichtungen entlang einer Zahnflankenlängskurve
verschoben werden. Das heißt, dass der Richtungsvektor
der Vorschubbewegung des Werkzeugs im Wesentlichen stets tangential
zur Flankenlängskurve oder einer Parallelen hierzu verläuft.
In anderen Worten wird die Neigung der Werkzeugachse zur Zahnflankenlängskurve
in Quer- und/oder Längsrichtung entsprechend der Geometrie
der Zahnflanke oder der Zahnlücke permanent mittels der
Steuerungseinrichtung insbesondere in wenigstens fünf Achsen
nachgeführt, wobei der Winkel zwischen Werkzeugachse und
Zahnflankenlängskurve in Längs- und/oder Querrichtung der
Zahnflankenlängskurve konstant bleibt. Hiermit lassen sich
im Wesentlichen alle bekannten Stirn- und Umfangsaußenverzahnungen
herstellen. Jedoch sind auch mit diesem Verfahren völlig
neue Verzahnungen herstellbar.
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Bevorzugt
wird die Verzahnung in einem Grobbearbeitungsvorgang mittels eines
Vorbearbeitungswerkzeugs vorgefräst, derart, dass die Verzahnung
wenigstens annähernd die fertige Soll-Fräsgeometrie
annimmt, und in einem anschließenden Feinbearbeitungsvorgang
mittels eines Feinbearbeitungswerkzeugs fertig gefräst
wird, derart, dass die Verzahnung die fertige Soll-Fräsgeometrie
annimmt, wobei jeweils die Schritte (a)–(f) ausgeführt
werden. Zwischen dem Grobbearbeitungsvorgang und dem Feinbearbeitungsvorgang
kann wenigstens ein Zwischenbearbeitungsvorgang, insbesondere Fräsvorgang,
zwischengeschaltet werden. Zwischen den einzelnen Bearbeitungsvorgängen
kann ein Messvorgang zum Überprüfen der gefrästen
Kontur geschaltet sein. Der Messvorgang kann hierbei direkt in der
Werkzeugmaschine zum Beispiel mittels eines Messtasters oder einer
optischen Messeinrichtung (Kamera, Laser) durchgeführt
werden. Ferner ist es möglich, dem Feinbearbeitungsvorgang
weitere Bearbeitungen der Verzahnung folgen zu lassen, beispielsweise
eine Wärmebehandlung und/oder eine Schleif- oder Schälbearbeitung.
Beispielsweise kann die Bearbeitung in eine Weichbearbeitung und
eine Hartbearbeitung unterteilt werden, das heißt nach der
Weichbearbeitung wird das Werkstück zunächst gehärtet,
bevor es im gehärteten Zustand hartbearbeitet wird. In
der Regel ist der letzte Arbeitsgang eine Feinbearbeitung im gehärteten
Zustand, beispielsweise durch Schleifen, Schälen oder Fräsen (Schlichten).
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Durch
die Erfindung ist es möglich, verschiedene Fräswerkzeuge,
insbesondere im äußeren Durchmesser und/oder in
der Form der Schneiden verschiedene Fräswerkzeuge innerhalb
ein- und derselben Zahnlücke auf derselben Maschine zu
verwenden, um die Verzahnung herzustellen. Die Erfindung bietet
ferner die Möglichkeit, den Werkzeugorientierungsvektor
gezielt im Hinblick auf einen optimalen Schneideingriff zwischen
Werkzeug und Werkstück auszurichten. Insbesondere bei größeren Zahnrädern,
zum Beispiel ab Modul 12, können erheblich verkürzte
Bearbeitungszeiten aufgrund eines hohen Zeitspanvolumens erzielt
werden, wobei vorteilhaft Fräser mit kostengünstigen
Schneidplatten eingesetzt werden können.
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Insbesondere
beim Schruppen kann im Vergleich zum Stand der Technik (kontinuierliches
oder intermittierendes Abwälzfräsen, Zeilenfräsen)
das Fräswerkzeug längs Vorschubbahnen bewegt werden,
die die Leistungsfähigkeit der eingesetzten Werkzeugmaschine
und des Werkzeugs optimal ausschöpfen. Die Vorschubbahn
des Werkzeugs innerhalb der Zahnlücke muss sich nicht auf
eine einzige, bestimmte Bahn begrenzen. Vielmehr kann eine Schnittaufteilung
gewählt werden, die in Abhängigkeit von den Abmessungen
der Zahnlücke mehrere Bahnen aufweist. Die Schnittaufteilung
kann vorteilhaft sowohl die Tiefe als auch die Breite der Zahnlücke
betreffen. Die Tiefe der zu schaffenden Zahnlücke kann
in mehreren Schritten bearbeitet werden, sodass die Bearbeitung
in mehreren Ebenen erfolgt. Innerhalb der jeweiligen Ebene können
mehrere Vorschubbahnen des Werkzeugs nebeneinander gelegt werden.
Die Anzahl der Vorschubbahnen in einer Ebene wird in der Regel mit
zunehmender Tiefe tendenziell geringer, weil auch die Breite der
Zahnlücke mit zunehmender Tiefe geringer wird. Die Schnittaufteilung
betreffend die Tiefe und die Breite der Zahnlücke kann
vorteilhaft in Abhängigkeit der folgenden Parameter eingestellt
werden:
- – Größe
des Moduls
- – Zähnezahl, welche die Form der Zahnlücke
beeinflusst
- – die Geometrie des verwendeten Werkzeugs, insbesondere
die Schnittbreite, die Schneidenform, die Größe
der Zahnteilung
- – der zu zerspanende Werkstoff
- – der Leistungsfähigkeit der Werkzeugmaschine, zum
Beispiel der Spindelleistung beziehungsweise dem Spindeldrehmoment,
der Steifigkeit des Maschinenaufbaus
- – die Zahngeometrie, insbesondere die Zahnhöhe und/oder
der Flankenwinkel.
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Besonders
vorteilhaft ist die Möglichkeit, verschiedene, an die jeweilige
Vorschubbahn optimal angepasste Fräswerkzeuge zu verwenden.
Aufgrund der bei modernen Werkzeugmaschinen, insbesondere Bearbeitungszentren,
sehr geringen Span-zu-Span-Zeiten fällt die für
einen Werkzeugwechsel aufgewendete Zeit im Vergleich zu der durch den
optimalen Werkzeugeinsatz eingesparten Zeit kaum ins Gewicht. So
können beispielsweise im oberen Bereich der Zahnlücke
Fräswerkzeuge mit großen Schneidplatten eingesetzt
werden, die eine besonders große Schnittbreite aufweisen
und mit denen ein besonders hohes Zeitspanvolumen erzielbar ist.
Mit zunehmender Tiefe und somit abnehmender Breite der Zahnlücke
werden vorzugsweise Fräswerkzeuge mit geringer Schnittbreite
eingesetzt.
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In
bestimmten Fällen kann es erforderlich sein, die nebeneinander
liegenden Vorschubbahnen nicht in eine Ebene zu legen, sondern in
jeweils unterschiedliche Tiefe bezogen auf den Zahnkopf beziehungsweise
den Zahnlückengrund. Dies ist zum Beispiel dann der Fall,
wenn mit einem mit großen Schneidplatten bestückten
Fräswerkzeug mittels einer einzigen Fräsbahn ein
Großteil des Materials aus der Zahnlücke entfernt
und anschließend mit einem mit kleineren Schneidplatten
bestücktem Fräswerkzeug das restliche Material
entfernt wird.
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Fräswerkzeuge
mit Rundschneidplatten eigenen sich besonders gut zum Schruppen
der Zahnlücken. Die Schneidplatten sind in verschiedenen Größen,
Qualitäten und mit verschiedenen sogenannten Geometrien
(zum Beispiel positiver oder negativer Spanwinkel) kostengünstig
herstellbar. Somit ergeben sich dauerhaft geringe Werkzeugkosten.
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Die
Vorschubbahnen zur Bearbeitung einer Zahnlücke verlaufen
vorzugsweise mäanderförmig, das heißt,
die einzelnen Bahnen schließen sich unmittelbar aneinander
an, ohne dass eine Eilgangbewegung zwischen den Vorschubbahnen erfolgt.
So ergeben sich Vorschubbahnen mit verschiedenen Prozessfolgen,
wie zum Beispiel – Tauchen – Wälzen – Querversetzen
und so weiter oder Tauchen – Wälzen – Tauchen – Wälzen – Versetzen – Wälzen – Tauchen – Wälzen
und so weiter.
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Bei
der Verwendung von unterschiedlichen Werkzeugen zur Bearbeitung
einer Zahnlücke ist es vorteilhaft, zunächst alle
Zahnlücken mit dem jeweiligen Werkzeug zu bearbeiten. Die
Zeit zum Weitertakten des Zahnrads um eine Zahnteilung ist nämlich in
der Regel kürzer als die Zeit für einen Werkzeugwechsel.
Bei besonderen Anforderungen, zum Beispiel bei sehr hohen Genauigkeitsanforderungen, kann
es hingegen vorteilhaft sein, die Schruppbearbeitung für
eine jede Zahnlücke zuerst vollständig durchzuführen,
bevor die weiteren Zahnlücken bearbeitet werden. Dann muss
zwar eine Vielzahl von Werkzeugwechseln in Kauf genommen werden,
bei Werkzeugwechslern von modernen Werkzeugmaschinen liegt die Span-zu-Span-Zeit
jedoch bei lediglich zwei bis drei Sekunden, weshalb auch bei dieser Verfahrensweise
eine hohe Produktivität erzielt wird, da entsprechende
Werkzeugmaschinen, welche mit der erfindungsgemäßen
Steuervorrichtung ausgerüstet werden, verwendet werden
können.
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Die
Vorschubbahnen verlaufen im Wesentlichen äquidistant zur
Längsrichtung der Zahnflanke. Bei Spiralkegelradverzahnungen
sind die Zahnflanken in Längsrichtung gekrümmt,
außerdem wird die Zahnlücke nach außen
hin breiter. Dies bringt es mit sich, dass auch die Vorschubbahnen
zumeist gekrümmt verlaufen und deren Abstand sich bezogen auf
die jeweilige Frästiefe nach innen, also zur Drehachse
hin, verringert. Der durch den Fräsvorgang entsprechend
der Fräserschnittbreite erfolgte Materialabtrag führt
somit am inneren Ende der Zahnlücke früher als
am äußeren Ende zu einer Überschneidung.
Wegen dieser Überschneidung am inneren Ende ist es in manchen
Fällen nicht erforderlich, dass sich ein Teil der Vorschubbahn über
die gesamte Länge der Zahnlücke erstreckt. Dadurch
ergibt sich wenigstens eine kürzere Vorschubbahn und in
der Folge eine geringe Bearbeitungszeit.
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Durch
die mäanderförmige Aneinanderreihung der Vorschubbahnen
ergibt es sich, dass sowohl im Gleichlauf als auch im Gegenlauf
gefräst wird. In bestimmten Fällen kann es allerdings
vorteilhaft sein, entweder nur im Gleichlauf oder nur im Gegenlauf
zu fräsen. Dann ist es erforderlich, das Fräswerkzeug
am Ende seiner jeweiligen Vorschubbahn ohne Eingriff mit dem Werkstück
zur Startposition der jeweils nächsten Vorschubbahn zu
bewegen. Dies geschieht vorzugsweise im Eilgang. Die eigentlich mäanderförmige
Vorschubgesamtbahn wird in diesem Fall durch Zwischeneilgänge
unterbrochen.
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Bei
der Verwendung von Fräswerkzeugen mit Rundplatten verbleiben
auf der Zahnflanke wellenförmige Materialüberstände,
was für das nachfolgende Härten und die sich daran
anschließende Schlichtbearbeitung der Zahnflanken ungünstig
sein kann. Zur Vermeidung beziehungsweise zum Entfernen dieser Materialüberstände
wird bevorzugt als letztes Schruppwerkzeug ein Fräswerkzeug
eingesetzt, welches Schneidplatten mit geradlinigen Schneidkantenabschnitten
aufweist. Mit einem solchen Werkzeug lässt sich die geforderte
Zahnflankenform sehr genau herstellen. Auch bei diesem Werkzeug
ist es möglich, die Bearbeitung in mehreren Schritten bezogen
auf die Tiefe durchzuführen. Alternativ können
auch Fräswerkzeuge mit runden Schneiden, insbesondere in
Form von Platten, verwendet werden, bei denen sich an den runden
Abschnitt ein geradliniger Abschnitt anschließt, sodass dieser
geradlinige Abschnitt zum Entfernen der genannten wellenförmigen
Materialüberstände verwendet werden kann, ohne
dass hierfür ein Werkzeugwechsel erforderlich ist.
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Anstelle
von geradlinigen Schneidkantenabschnitten können zum Entfernen
der wellenförmigen Materialüberstände
auch leicht bogenförmige Schneidkantenabschnitte vorgesehen
sein, insbesondere um eine ballige Kontur der Zahnflanken zu erreichen.
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Neben
Rundschneidplatten, beziehungsweise allgemein Schneiden mit einer
runden äußeren Oberfläche, können
zum Schruppen auch Schneidplatten beziehungsweise Schneiden verwendet
werden, die zumindest längs einem Teilabschnitt geradlinig
ausgeführt sind. Durch die geradlinigen Schneidkantenabschnitte
lassen sich besonders präzise Zahnflankenformen erzeugen.
Die Schneidplatten können beispielsweise trapezförmig
sein, wobei es bei dieser Ausführungsform besonders günstig
ist, wenn die Ecken mit Radien versehen sind. Hierdurch wird der
Verschleiß an den Ecken minimiert, außerdem wird
ein sogenannter weicher Schnitt erzielt, das heißt, der
Schneideneingriffsstoß beim Eintauchen der Schneidkante
in das Material des Werkstücks ist gering. Die Werkzeugmaschine
wird dadurch weniger belastet und zu weniger Schwingungen angeregt, was
sich positiv auf die Oberflächenqualität auswirkt.
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In
einer besonderen Ausführungsform ist eine Schneidplatte
vorgesehen, bei der sich an einen stirnseitigen kreisförmigen
Abschnitt zwei geradlinige Abschnitte anschließen, vergleichbar
einem V mit einer abgerundeten Spitze. Eine solche Schneidplatte verbindet
eine sehr hohe Materialabtragungsleistung mit einer hohen Bearbeitungsgenauigkeit
und einem sehr weichen Schnitt.
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Besonders
vorteilhaft lässt sich eine solche Schneidplatte zum Schruppen
einsetzen, wenn der Orientierungsvektor des die Schneidplatte tragenden Fräswerkzeugs
flexibel eingesetzt wird. Wird beispielsweise die Zahntiefe einer
Zahnlücke in fünf Stufen gefräst, ist
der geradlinige Schneidkantenabschnitt der Schneidplatte in der
jeweiligen Ebene über die gesamte Höhe der Zahnflanke
im Eingriff. Dabei besteht die Gefahr der Schneidenüberlastung oder
auch von Vibrationen. Aufgrund der wenigstens fünf Freiheitsgrade
der Werkzeugmaschine ist es nun möglich, den Werkzeugorientierungsvektor
flexibel zu verändern. Der Orientierungsvektor kann so
eingestellt werden, dass die geradlinigen Schneidkantenabschnitte
beim Fräsen in der jeweils nächsten Ebene von
der bereits gefrästen Werkstückoberfläche
um einen Winkel α zurückgeneigt werden. Hierbei
verbleiben an der Zahnflanke wiederum wellenformähnliche Materialüberstände,
wie dies oben am Beispiel der Rundplatte bereits dargelegt wurde.
Die Entfernung dieser Materialüberstände kann
in diesem Fall mit ein- und demselben Werkzeug erfolgen, indem der
Werkzeugorientierungsvektor so eingestellt wird, dass der Winkel α zu
Null wird. In einem sich an die Schruppzerspanung anschließenden
Bearbeitungsschritt erfolgt mit dieser Maschineneinstellung die
Entfernung des Materialüberstandes. Bei der Verwendung
des beschriebenen Fräswerkzeugs kann somit auf die Einwechslung
eines speziellen Fräswerkzeugs verzichtet werden, woraus
sich eine Zeiteinsparung ergibt.
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Die
Größe des Winkels α kann beispielsweise
in Abhängigkeit der Geometrie des Fräswerkzeugs
sowie von der Größe (dem Modul), der Zähnezahl
und/oder dem Werkstoff des Zahnrads gewählt werden und
liegt bevorzugt zwischen 1° und 20°, insbesondere
zwischen 2° und 12°, besonders vorteilhaft zwischen
3° und 7°.
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Durch
den schnellen Werkzeugwechsel ist es möglich, für
die Bearbeitung jeder Flanke ein eigenes Werkzeug einzusetzen. Ein
Fräser wird für die Bearbeitung der konkaven Flanke
optimiert, ein anderer Fräser wird für die Bearbeitung
der konvexen Flanke optimiert. Jedes Werkzeug kann auf die besonderen
Anforderungen der jeweiligen Zahnflanke hin optimiert werden, zum
Beispiel hinsichtlich des Winkels einer trapezförmigen
Schneide, sodass sich ein optimales Fräsergebnis und eine
lange Standzeit ergibt.
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Der
Werkzeugorientierungsvektor, welcher gemäß der
vorstehenden Beschreibung variiert wird, kann beispielsweise durch
die Werkzeugachse beziehungsweise die Werkzeugdrehachse beschrieben werden,
welche eine vorbestimmte Ausrichtung gegenüber der zu schaffenden
Verzahnung, insbesondere gegenüber einer Senkrechten auf
der Zahnflanke hat, wobei die Senkrechte beispielsweise durch den
Normalpunkt verlaufen kann, der auf mittlerer Höhe eines
Zahnes zwischen Zahnfuß (Zahnlückengrund) und
Zahnkopf und auf mittlerer Länge der Zahnflanke (in Längsrichtung)
positioniert ist.
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Gemäß einer
vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen
Verfahrens werden zunächst die ersten Zahnflanken aller
Zähne durch Fräsen hergestellt und anschließen
die auf der anderen Zahnseite angeordneten zweiten Zahnflanken.
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Ein
erfindungsgemäßes Werkzeug weist eine Vielzahl
von Schneiden auf, deren Flugkreis bei Drehung des Werkzeugs eine
Scheibenoberfläche, eine Zylinder- oder Kegeloberfläche
und/oder eine Torusoberfläche darstellt. Alle Schneiden,
die zur Bearbeitung derselben Zahnflanke einer zu schaffenden Verzahnung
angeordnet sind, wobei je Zahnflanke eine Vielzahl solcher Schneiden
vorgesehen ist, sind auf einem gemeinsamen Flugkreis positioniert.
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Besonders
vorteilhaft sind alle Schneiden, oder bei der Verwendung von Schneidplatten
zur Ausbildung der Schneiden alle Schneidplatten, die zur Bearbeitung
derselben Zahnflanke einer zu schaffenden Verzahnung am Werkzeug
vorgesehen sind, identisch zueinander.
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Pro
Zahnflanke kann beispielsweise eine Gruppe identischer Schneiden
beziehungsweise identischer Schneidplatten vorgesehen sein, wobei die
Schneiden jeweils auf demselben Flugkreis positioniert sind.
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Die
Erfindung soll nun nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen
exemplarisch erläutert werden.
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Es
zeigen:
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1 in
einer schematischen teilgeschnittenen Darstellung den Eingriff eines
Werkzeugs gemäß dem bekannten Einzelteil- oder
kontinuierlichen Teilverfahren,
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2 eine
schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen
Werkzeugmaschine,
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3 eine schematische Darstellung des Eingriffs
eines Werkzeugs in ein Werkstück zum Herstellen der Verzahnung
gemäß dem erfindungsgemäßen
Verfahren;
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4 eine
beispielhafte erste Möglichkeit für eine Schnittaufteilung
mit drei Ebenen E1, E2 und E3 in der Tiefenrichtung einer Zahnlücke;
-
5 eine
alternative Ausführungsform zu der 4, wobei
für verschiedene Ebenen verschiedene Werkzeuge eingesetzt
werden;
-
6 eine
weitere Möglichkeit zur Schnittaufteilung bei Verwendung
eines Werkzeugs mit geraden, insbesondere parallelen sich gegenüberliegenden
Flanken, die durch einen Radius an der Werkzeugspitze miteinander
verbunden werden;
-
7 eine
alternative Ausgestaltung einer vorgesehenen Schnittform mit einem
Werkzeug, dessen Schneiden die Form eines V mit einer abgerundeten
Spitze aufweisen und bei der durch Vorsehen eines Winkels α eine
Schneidenüberlastung verhindert wird;
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8 eine
Draufsicht auf eine Zahnlücke mit verschieden langen Fräsbahnen
aufgrund der konkaven Form der Zahnlücke;
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9 schematisch
eine Schnittbahn, wobei im Bereich des Fußes der Zähne
eine Hinterschneidung, auch Protoperanz genannt, erzielt wird;
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10–12 mögliche
Ausgestaltungen eines Werkzeugs mit verschieden geformten Schneidplatten;
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13 eine
Draufsicht auf eine vorteilhafte Ausführungsform eines
Werkzeugs.
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In 1 ist
schematisch der Eingriff des Werkzeugs 3 in ein Werkstück 7 zum
Herstellen einer Verzahnung 13 mittels des Einzelteil-
oder kontinuierlichen Teilverfahrens gemäß dem
Stand der Technik gezeigt. Das Werkzeug 3 ist als Messerkopf
ausgebildet und umfasst eine Vielzahl von Schneidkörpern 22,
von denen lediglich einer gezeigt ist. Die Vielzahl von Schneidkörpern 22 ist
konzentrisch zum Außendurchmesser des Werkzeugs 3 angeordnet,
wobei die Schneidkörper 22 radial innerhalb des
Außenumfangs des Werkzeugs 3 liegen. Die Schneidkörper 22 erstrecken
sich in Axialrichtung des Werkzeugs 3, wobei deren Längsachsen
im Wesentlichen parallel zur Werkzeugachse 5 des Werkzeugs 3 verlaufen. Die
Schneidkörper 22 weisen jeweils wenigstens eine
Schneide 14 auf, wobei die Schneiden 14 beim Einzelteilverfahren
identisch sind und insbesondere die Form einer herzustellenden Zahnlücke 17 aufweisen.
Bei diesem Verfahren wird das Werkstück 7 nur geringfügig
bewegt, und es rotiert lediglich das Werkzeug 3. Im Gegensatz
dazu rotieren beim kontinuierlichen Teilverfahren das Werkstück 7 und
das Werkzeug 3 um deren Drehachse unter bestimmten Gesetzmäßigkeiten
relativ zueinander.
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Die 2 zeigt
eine schematische Darstellung der Grundkomponenten einer erfindungsgemäßen
Werkzeugmaschine. Diese umfasst ein Maschinengestell 1 und
eine darauf montierte Aufnahmevorrichtung 6 zum Tragen
eines zu bearbeitenden Werkstücks 7, beispielsweise
eines Kegelrades. Der Aufnahmevorrichtung 6 und/oder dem
Werkstück 7 ist eine rotatorische Antriebsvorrichtung 8 zugeordnet, um
das Werkstück 7 und/oder die Aufnahmevorrichtung 6 um
eine Werkstückachse 10 (vorliegend die C-Achse)
zu drehen. Weiterhin trägt das Maschinengestell 1 eine
Antriebseinrichtung 4 zum rotatorischen Antreiben eines
ein Werkzeug 3 enthaltenden Werkzeugträgers 2 um
eine Werkzeugachse 5. Die Antriebseinrichtung 4 sowie
der Werkzeugträger 2 sind vorliegend zu einem
Winkelkopf zusammengefasst. Der Winkelkopf ist vorliegend entlang
dreier zueinander senkrecht stehender Achsen X, Y, Z relativ zum
Werkstück bewegbar. Hierzu ist wenigstens eine translatorische
Antriebsvorrichtung 11 vorgesehen. Weiterhin ist der Werkzeugkopf
zum Erzeugen einer relativen Winkelbewegung zwischen der Werkzeugachse 5 und der
Werkstückachse 10 um die Y-Achse verdrehbar (B-Achse).
Die Werkzeugmaschine umfasst hier somit 5 Achsen, welche über eine
Steuerungseinrichtung 12 im Wesentlichen gleichzeitig steuerbar
sind.
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Natürlich
wäre auch eine andere Anordnung der Achsen denkbar. Auch
könnten weitere Verschiebe- oder Drehachsen, mittels denen
die Aufnahmevorrichtung 6, das Werkstück 7,
das Werkzeug 3 oder der Werkzeugträger 2 relativ
zueinander bewegbar sind, vorgesehen sein.
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Ebenso
kann die Werkzeugmaschine mit einer nicht gezeigten Werkzeugwechselvorrichtung ausgestattet
sein, die insbesondere einen automatischen Werkzeugwechsel zwischen
dem Werkzeugträger 2 und einem nicht gezeigten
Werkzeugmagazin ermöglicht.
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Auch
kann die Werkzeugmaschine mit externen Messeinrichtungen kommunizieren,
um die gefräste Verzahnungsgeometrie insbesondere während der
einzelnen Bearbeitungsvorgänge zu prüfen.
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In 3 ist der Eingriff eines erfindungsgemäßen
Werkzeugs 3 in das Werkstück 7 zum Herstellen
einer Verzahnung 13 gezeigt. Das Werkzeug 3 ist
vorliegend als Messerkopf ausgeführt und umfasst einen
Grundkörper 23 zum Aufnehmen von Schneidkörpern 22.
Die Schneidkörper 22 können beispielsweise
als auswechselbare Wendeschneidplatten ausgeführt sein.
Die Schneidkörper 22 umfassen wenigstens eine
Schneide 14. Gemäß der 3a verlaufen
die Schneidkörper 22 in einer im Wesentlichen
oder vollständig planen Ebene. Der Flugkreis der Schneiden 14 stellt
somit eine Scheibenoberfläche dar. Gemäß der 3b sind
die Schneidkörper 22 gegenüber einer
solchen planen Ebene, die insbesondere senkrecht zur Drehachse 5 des
Werkzeugs 3 (Werkzeugachse 5) verläuft,
in Richtung dieser Achse geneigt, so dass sie eine Kegeloberfläche überstreichen,
wenn das Werkzeug 3 gedreht wird. Die Schneidkörper 22 sind
vorliegend äquidistant am Umfang des Grundkörpers 23 angeordnet
und reichen hier in Radialrichtung über den Außendurchmesser
des Grundkörpers 23 hinaus.
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Zum
Herstellen einer Zahnlücke 17 wird das Werkzeug 3 zunächst
an eine Startposition bewegt, derart, dass der Außendurchmesser
des Werkzeugs 3 bezogen auf die Werkzeugachse 5 außerhalb
des Werkstücks 7 liegt, um Kollisionen des Werkzeugs 3 mit
dem Werkstück 7 zu vermeiden. Gleichzeitig oder anschließend
wird die Werkzeugachse 5 entsprechend der zu fräsenden
Zahnlückengeometrie relativ zu einer Zahnflanke 15, 16 angestellt.
Weist die Verzahnung 13 eine bogenförmige Flankenform
auf – in einem Schnitt senkrecht zu einer Zahnflankenkurve 21 durch
die Verzahnung gesehen – so kann die Werkzeugachse 5 derart
angestellt und insbesondere verstellt werden, dass die Schneiden 14 im
Wesentlichen stets tangential auf der gewölbten Zahnflanke 15, 16 stehen.
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Das
rotierende Werkzeug 3 wird im Folgenden entlang der Zahnflankenkurve 21 in
Vorschubrichtung auf das Werkstück 7 hin bewegt.
Wie aus 3 ersichtlich ist, ist die
Werkzeugachse 5 senkrecht oder winklig zu der abzunehmenden
Zahnflankenseite, hier 15, angeordnet, wobei bei einer
bogenförmigen Verzahnung, insbesondere Kegelradverzahnung,
die absolute Ausrichtung der Werkzeugachse 5 bei der Bewegung
des Werkzeugs 3 permanent nachgeführt wird beziehungsweise
variiert wird, um diese relative Ausrichtung zur abzunehmenden Zahnflankenseite,
hier 15, beizubehalten. Die Werkzeugachse 5 verläuft
vorliegend außerhalb der aktuell zu bearbeitenden Zahnlücke 17.
Dabei kann das Werkzeug 3 derart geführt werden,
dass der Außenumfang des Werkzeugs 3, insbesondere der
Schneiden 14 beziehungsweise die Kontur des Flugkreises
der Schneiden 14 bezogen auf die Werkzeugachse stets parallel
zu einem Zahnlückengrund 20 und/oder zum Zahnkopf 19 verläuft.
Abhängig von der Verzahnungsgeometrie werden während
der Vorschubbewegung des Werkzeugs 3 entlang der Zahnflankenkurve 21 oder
einer Parallelen zur Zahnflankenkurve 21 im Wesentlichen
alle 5 Achsen der Werkzeugmaschine gleichzeitig über
die Steuerungseinrichtung 12 (1) angesteuert.
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Somit
wird bei diesem Verfahren jede Flanke 15, 16 der
Zahnlücke 17 einzeln abgefahren. Nach Fertigstellung
des Fräsvorganges entlang der gesamten Zahnflanke 15, 16,
kann das Werkzeug auf die Startposition zurückgefahren
und die Aufnahmevorrichtung 6 mit dem Werkstück 7 um
die Werkstückachse in eine um die Zahnteilung versetzte
Position verbracht werden. Anschließend wird die nächste
Zahnflanke gefräst. Auch ist es möglich, jede Zahnflanke 15, 16 mehrmals
hintereinander beispielsweise zunächst mit einem Schruppwerkzeug (Grobbearbeitungsvorgang)
und anschließend mit einem Schlichtwerkzeug (Feinbearbeitungsvorgang) zu
bearbeiten, bevor das Werkstück um die Zahnteilung weitergetaktet
wird. Alternativ werden alle Zahnflanken 15, 16 aller
Zähne zunächst geschruppt, bevor ein Schlichtwerkzeug
verwendet wird, um dann alle Zahnflanken 15, 16 aller
Zähne zu schlichten und/oder zu schleifen, um die Feinbearbeitung
zu erreichen.
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Schließlich
ist es möglich, die ersten Zahnflanken 15 durch
Fräsen und Weitertakten des Werkstücks um die
Zahnteilung herzustellen, wobei insbesondere die Ausrichtung des
Werkzeugs in eine erste Richtung beziehungsweise beim Nachführen
des Werkstücks entlang der Kontur der herzustellenden Zahnflanke
in einen ersten Richtungsbereich beibehalten wird, und anschließend
die Ausrichtung des Werkzeugs gegenüber dem Werkstück
zu ändern, um durch Fräsen und Weitertakten des
Werkstücks die zweite Zahnflanken 16 herzustellen,
wobei insbesondere entsprechend die Ausrichtung des Werkzeugs in
eine zweite Richtung beziehungsweise einen zweiten Richtungsbereich
beibehalten wird. Auch hier ist es möglich, entweder im
Anschluss an das Fräsen aller Zahnflanken 15, 16 weitere
Bearbeitungsschritte folgen zu lassen, insbesondere eine Härtung
und/oder eine Feinbearbeitung, wobei die Feinbearbeitung beispielsweise
wiederum in der genannten Reihenfolge, zunächst Bearbeitung
aller Zahnflanken 15 und dann die Bearbeitung aller Zahnflanken 16,
erfolgen kann.
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Gemäß einer
Ausführung der Erfindung wird in einem Grobbearbeitungsvorgang
zunächst ein Schlitz in die herzustellende Zahnlücke
eingefräst, bevor die beiden einander zugewandten Zahnflanken in
einem Feinbearbeitungsvorgang einzeln hergestellt werden, insbesondere
gemäß der zuvor beschriebenen Herstellungsreihenfolge.
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Im
Allgemeinen ist es natürlich auch möglich, nicht
oder nicht nur das Werkstück zu drehen (weiterzutakten)
sondern das Werkzeug, um die Relativbewegung des Werkstücks über
der Werkstücksachse 10 gegenüber dem
Werkzeug 3 beziehungsweise dem Werkzeugsträger 2 zu
erreichen.
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Auch
kann zwischen dem Grob- und dem Feinbearbeitungsvorgang ein weiterer
Zwischenbearbeitungsvorgang oder mehrere Zwischenbearbeitungsvorgänge
vorgesehen sein. Die Vorbearbeitungs-, Fertigbearbeitungs- und/oder
Zwischenbearbeitungsvorgänge können mit ein und
demselben oder mit verschiedenen Werkzeugen, die für die
jeweilige Bearbeitung optimale Schnittparameter liefern, gefertigt
werden. Hierdurch wird insbesondere die Hauptzeit und damit die
Gesamtbearbeitungszeit reduziert und die Werkzeugkosten vermindert.
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Die 4 zeigt
ein Beispiel einer Schnittaufteilung, bei welchem das Schruppen
mit ein- und demselben Werkzeug ausgeführt werden kann.
Beispielsweise weist das Werkzeug eine Vielzahl von über
dem Umfang angeordneten kreisförmigen oder teilkreisförmigen
Schneiden, insbesondere gebildet durch Schneidkörper, auf.
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Bei
der gezeigten Darstellung kann die Schnittabfolge beispielsweise
derart gewählt sein, dass zunächst die Ebene E1
freigeschnitten beziehungsweise gewälzt wird, das heißt
das erste Drittel der Tiefe der Zahnlücke 17,
dann die Ebene E2, das heißt das zweite Drittel der Zahnlückentiefe,
und dann die Ebene E3, das heißt das dritte Drittel der Zahnlückentiefe.
Während bei der Ebene E3 ein einziges Wälzen entlang
der Zahnlückenlängsrichtung, insbesondere gleichzeitig
entlang beider Zahnflanken 15 und 16, ausreicht,
ist bei den weiter oben gelegenen Ebenen (E1, E2) ein mehrmaliges
Wälzen entlang der Zahnflanken notwendig, hier bei der
Ebene E2 einmal entlang der Zahnflanke 15 und einmal entlang
der Zahnflanke 16 und bei der Ebene E1 einmal entlang der
Zahnflanke 15, einmal entlang der Zahnflanke 16 und
einmal mittig zwischen beiden Zahnflanken 15 und 16,
jeweils in Richtung der Zahnlückenlängsrichtung.
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Die 5 zeigt
ein weiteres mögliches Schnittbild, weitgehend entsprechend
jenem der 4, jedoch mit verschiedenen
Werkzeugen für verschiedene Ebenen. Je tiefer die Ebene
innerhalb der Zahnlücke 17 positioniert ist, desto
kleiner ist die verwendete Schneide des Werkzeugs. Hierdurch kann
ein kleinerer verbleibender Materialüberstand an den Zahnflanken 15, 16 (in
schwarz eingefärbt) erreicht werden.
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Die 6 zeigt
eine weitere mögliche Schnittaufteilung mit einem Werkzeug,
dessen Schneiden zunächst entlang der Zahnflanke 15 und dann
entlang der Zahnflanke 16 bewegt werden. Aufgrund der geradlinigen
Abschnitte der Schneiden können die Materialüberstande
an den Zahnflanken 15, 16 mit jeweils einer Vorschubbahn
entlang der Zahnlückenlängsrichtung entfernt werden.
Die Werkzeugachse weist demnach bei der Bearbeitung einer jeden
Flanke einen anderen Orientierungsvektor beziehungsweise eine andere
Ausrichtung gegenüber dem Werkstück auf.
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Die 7 entspricht
weitgehend der 6, jedoch wird hier das Werkzeug
mit seiner Schneidkante derart gegenüber der Zahnflanke 15 (nachfolgend
auch gegenüber der Zahnflanke 16, nicht gezeigt)
geneigt entlang der Zahnlückenlängsrichtung bewegt,
dass sich ein positiver Winkel α zwischen der Schneide
und der Zahnflanke 15 ergibt. Dadurch wird eine hohe Zerspanungsleistung
erzielt, ohne dass die Schneidkante überlastet wird. Der
verbleibende Materialüberstand kann mit demselben Werkstück
in dem letzten Fräsdurchgang entfernt werden, wobei der
Winkel α dann Null oder nahezu Null Grad betragen wird.
Das gezeigte Schneidbild verhindert ferner, dass der äußere
Bereich der Zahnflanken 15, 16 geschädigt
wird, wenn der innere Bereich der Zahnflanken 15, 16 gefräst
wird, da ein Anstoßen des Werkzeugs am äußeren
Bereich wirkungsvoll verhindert wird.
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Bei
dem in der 7 gezeigten Ausführungsbeispiel
verlaufen die sich gegenüberliegenden Schneiden des Werkzeugs
schräg zueinander, so dass das Schneidbild die Form eines
V mit einer abgerundeten Spitze aufweist, insbesondere indem eine
Schneidplatte mit einem solchen äußeren Umfang
verwendet wird. Der Winkel zwischen den sich gegenüberliegenden
Schneiden beträgt beispielsweise 1° bis 10°,
insbesondere 4° bis 6°, vorteilhaft 5° weniger
als der Winkel zwischen den sich gegenüberstehenden Zahnflanken 15, 16.
Beispielsweise beträgt der Winkel zwischen den Schneiden
35° und der Winkel zwischen den Zahnflanken 15, 16 40°.
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Die 8 zeigt
ein mögliches Schnittbild in einer Draufsicht auf eine
konische Zahnlücke 17 zwischen zwei Zahnköpfen 19.
Wie man sieht, verlaufen die Schnittbahnen des Werkzeugs in Längsrichtung der
Zahnlücke 17, zunächst entlang der Zahnflanke 15 von
außen nach innen, bezogen auf das Zahnrad, dann von innen
nach außen entlang der Zahnflanke 16, dann weiter
innerhalb der Zahnlücke mit einem schneidenbreiten Abstand
zur Zahnflanke 16 wieder von außen nach innen,
entsprechend auf der anderen Seite mit einem schneidenbreiten Abstand
entlang der Zahnflanke 15, und dann im mittleren Bereich
zwischen den Zahnflanken 15 und 16 wieder von
außen nach innen und zurück, wobei bei der letzten
Bewegung von außen nach innen nicht die gesamte Zahnlückenlänge
durchlaufen wird, da dies aufgrund des schmaleren inneren Endes
nicht notwendig ist. Somit ergibt sich eine kurze Bearbeitungszeit.
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In
der 9 ist nochmals eine Zahnlücke 17 mit
Zahnflanken 15 und 16 dargestellt, wobei im Bereich
des unteren Endes der Zahnflanken 15, 16 jeweils
eine Hinterschneidung vorgesehen ist. Eine solche Hinterschneidung
kann mit dem Schruppwerkzeug gemäß der vorliegenden
Erfindung gemäß dem erfindungsgemäßen
Verfahren beziehungsweise gemäß der erfindungsgemäßen
Vorrichtung eingearbeitet werden, insbesondere indem eine runde Schneidkante
verwendet wird. Natürlich ist es auch möglich,
ein Schlichtwerkzeug mit der erfindungsgemäßen
Anordnung und Kontur der Schneiden auszuführen.
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Die 10, 11 und 12 zeigen
schematische Ausführungsbeispiele für verschiedene Formen
erfindungsgemäßer Werkzeuge 3, umfassend
jeweils einen Grundkörper 23 und eine Vielzahl von
Schneidkörpern 22, wobei gemäß der 10 die Schneidkörper 22 solche
Schneiden 14 aufweisen, dass ein erster Flugkreis in Form
einer Kegeloberfläche und ein zweiter Flugkreis in Form
einer Scheibenoberfläche gebildet wird. Die Schneide, welche die
Kegeloberfläche bildet, ist über einen Radius
mit der Schneide 14, welche die Scheibe bildet, verbunden.
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In
den 11 und 12 sind
kreisförmige Schneidkörper 22 mit einer
entsprechend runden Schneide 14 vorgesehen, wobei der Grundkörper 23 gemäß der 11 diagonal
abstehende Arme aufweist, welche die Schneidkörper 22 tragen,
wohingegen gemäß der 12 die
Arme, welche die Schneidkörper 22 tragen, winklig
nach unten ausgerichtet sind.
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In
der 13 ist ein Ausführungsbeispiel für ein
erfindungsgemäßes Werkzeug 3 dargestellt,
umfassend zwei Gruppen von Schneidkörpern. Vorliegend ist
die erste Gruppe von Schneidkörpern mit 22 und
die zweite Gruppe von Schneidkörpern 22' bezeichnet.
Wie man sieht, liegen alle Schneidkörper 22, 22' bei
Drehung des Werkzeugs 3 auf einem Flugkreis. Beispielsweise
sind die Schneidkörper 22' der zweiten Gruppe
radial weiter innen und weiter oben auf dem Grundkörper 23 des
Werkzeugs 3 angeordnet. Die Schneidkörper 22 der
ersten Gruppe entsprechen beispielsweise den Schneidkörpern 22 gemäß der 10,
wobei die Schneidkörper 22' dann in der 10 oberhalb
und weiter links im Vergleich zu den Schneidkörpern 22 angeordnet
wären.
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Durch
die erfindungsgemäße Bewegungsfreiheit beim Bewegen
des Werkzeugs entlang der Zahnlückenlängsrichtung
können auch mit geraden Schneiden beziehungsweise Schneidkanten
Zahnflanken mit einer Höhenballigkeit erzielt werden. Besonders
vorteilhaft wird diese Höhenballigkeit mit einem Schlichtwerkzeug
erzielt, welches erfindungsgemäß ausgebildet ist
und in mehreren Vorschubbahnen in unterschiedlichen Ebenen (also
unterschiedlichen Tiefen) und mit jeweils verschiedenem Winkel α gegenüber
einer Höhenmittellinie oder einer Geraden entlang der Oberfläche
der Zahnflanken durch die Zähne vorgeschoben wird. Die
Variation des Winkels α ist beispielsweise sehr gering
und kann insbesondere nur Bruchteile von einem Grad betragen.
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Ein
Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens ist,
dass die Werkzeugform nicht an die Kontur der Zahnflanken der herzustellenden
Verzahnung gebunden ist und somit mit ein und demselben Werkzeug
Verzahnungen mit verschiedenen Konturen hergestellt werden können.
Der Flugkreisradius der Werkzeugschneide kann vorteilhaft vom Werkstück unabhängig
frei gewählt werden. Die Neigung der Werkzeugachse quer
zur Zahnflankenlinie ist je nach Zahn- und Schneidenform des Werkzeugs
relativ variabel einstellbar.
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Man
könnte das erfindungsgemäße Verfahren
auch als Wälzfräsverfahren mit quer und insbesondere
längs zur Wälzrichtung geneigter Werkzeugachse
bezeichnen, wobei die Werkzeugschneiden flexibel verwendet werden
können und keine exakte Flankenwinkligkeit, dass heißt
keine exakt der Kontur der herzustellenden Flanken gestaltete äußere
Form aufweisen müssen. Dies führt zu einer signifikanten
Reduktion der Werkzeugkosten, einer vielseitigen Verwendbarkeit
der Werkzeugmaschine sowie zu einer Reduktion der Bearbeitungszeit
der Werkstücke.
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Gemäß des
erfindungsgemäßen Verfahrens ist eine Kombination
von Wälzfräsen und Tauchfräsen mit flexiblem
Orientierungsvektor der Werkzeugachse möglich, wobei die
Spanabtragungsleistung gegenüber herkömmlichen
Verfahren signifikant erhöht werden kann. Insbesondere
können verschiedene Fräserkonturen verwendet werden,
vom Scheibenfräser bis hin zum Planmesserkopffräser
oder Topffräser.
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Im
Vergleich zum Fräsen von Kegelrädern mittels eines
herkömmlichen Schaftfräsers, dessen gesamte Stirnseite
gleichzeitig in jede zu schaffende Zahnlücke eintaucht,
kann erfindungsgemäß das Werkzeug mit einem wesentlich
größeren Durchmesser ausgeführt werden,
weil durch neigen der Werkzeugachse quer zur Zahnlücke,
insbesondere mit abgewinkelten Schneidplatten am Werkzeug, stets
nur ein Teil der Schneide in die Zahnlücke eintaucht. Hierdurch
können größere Spanräume im
Werkzeug vorgesehen werden. Dadurch ist eine größere
Abnahme von Material des Werkstücks mit jedem Überstreichen
des Werkzeugs möglich und eine besonders schwere Zerspanung
kann erreicht werden. Hierdurch kann wiederum eine höhere
Genauigkeit erreicht werden, da das Werkzeug das Werkstück weniger
oft überstreichen muss.
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Die
Schneidkörper weisen vorteilhaft solche Schneiden auf,
dass sie mit der Stirnseite des Werkzeugs, mit dem äußeren
Umfang und mit dem inneren Umfang der Schneidkörper bezogen
auf die Werkzeugachse Material vom Werkstück abtragen können.
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- 1
- Maschinengestell
- 2
- Werkzeugträger
- 3
- Werkzeug
- 4
- Antriebseinrichtung
- 5
- Werkzeugachse
- 6
- Aufnahmevorrichtung
- 7
- Werkstück
- 8,
9
- rotatorische
Antriebsvorrichtung
- 10
- Werkstückachse
- 11
- translatorische
Antriebsvorrichtung
- 12
- Steuerungseinrichtung
- 13
- Verzahnung
- 14
- Schneiden
- 15,
16
- Zahnflanken
- 17
- Zahnlücke
- 18
- Bereich
- 19
- Zahnkopf
- 20
- Zahnlückengrund
- 21
- Zahnflankenkurve
- 22
- Schneidkörper
- 23
- Grundkörper
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
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-
Zitierte Patentliteratur
-
- - DE 3752009
T3 [0012]
- - EP 0850120 B1 [0013]
- - EP 0690760 B1 [0014]