DE102010026989B4

DE102010026989B4 - Verfahren und Vorrichtung zur spannenden Fertigung von Bogenverzahnungen an Kegelrädern

Info

Publication number: DE102010026989B4
Application number: DE102010026989.1A
Authority: DE
Inventors: Heinz Deitert
Original assignee: Individual
Current assignee: Klaus-Dieter Klement Verwaltungs De GmbH
Priority date: 2010-07-13
Filing date: 2010-07-13
Publication date: 2015-09-03
Anticipated expiration: 2030-07-14
Also published as: DE102010026989A1

Abstract

Verfahren zur spanenden Fertigung von Bogenverzahnungen (1) an Kegelrädern (2), wobei ein Werkzeug (3) um eine Rotationsachse (C) rotiert und dabei auf einem Teilabschnitt (4a) der sich aus der Rotationsbewegung ergebenden Bewegungsbahn (4) mit dem Werkstück in Eingriff gebracht wird, wobei die Lage der Rotationsachse (C) entsprechend der durch die Form der zu fertigenden Verzahnung (1) bedingten Abweichungen der Bewegungsbahn (4) von der Kreisbahn der reinen Rotationsbewegung des Werkzeugs um die Achse (C) korrigiert wird, wobei der Eingriff des spanabhebenden Werkzeugs (3) am Werkstück nach Art einer Stoß- und/oder Hobelbearbeitung erfolgt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur spanenden Fertigung von Bogenverzahnungen an Kegelrädern.
Bei Verzahnungen von Kegelrädern kommen in zunehmendem Maße Bogenverzahnungen zum Einsatz. Diese Verzahnungen, die gelegentlich auch als Spiralverzahnungen bezeichnet werden, weisen eine vergleichsweise komplexe Geometrie auf. Die Komplexität der Geometrie resultiert dabei in einer aufwändigen Fertigung, da die Zahnform entweder durch die Verwendung ebenfalls aufwändiger und damit teurer Formmesserwerkzeuge mit entsprechend komplexer Geometrie erzeugt werden kann oder es notwendig wird, durch Bewegung der Positionierachsen der Werkzeugmaschine die Zahnform zu approximieren. Letzteres Verfahren ist insbesondere für sehr große Verzahnungen interessant, bei denen die Kosten für angepasste Formwerkzeuge unverhältnismäßig hoch sind und nur kleine Stückzahlen zu fertigen sind. Der Hauptnachteil liegt darin, dass durch die verhältnismäßig langsam angetriebenen Positionierachsen einer Werkzeugmaschine bewegt ein Fingerfräser oder ein Schleifkopf die gewünschte Zahnkontur abfahren muss, wodurch vergleichsweise hohe Bearbeitungszeiten entstehen.
Weiterhin ergeben sich hohe Anforderungen an die Oberflächenqualität der Zahnflanke einer solchen Verzahnung, was es erfordert, dass die Werkzeuge bei der Bearbeitung der Verzahnung nur mit kleinen Teilbereichen der Zahnflankenoberfläche in Kontakt kommen, wenn die Geometrie der Werkzeugschneiden nicht exakt auf die Zahnflankengeometrie angepasst ist.
So offenbart beispielsweise die DE 10 2008 063 858 A1 eine Vorrichtung und ein Verfahren um Fräsen von Bogenverzahnungen an Kegelrädern, bei denen die Werkzeugschneidengeometrie an die jeweilige zu fertigende Zahnflankengeometrie angepasst ist bzw. diese zumindest in Teilbereichen nachbildet.
Eine Anpassung der Werkzeugschneidengeometrie auf die Zahnflankengeometrie wiederum bedeutet, die Werkzeuge individuell für die jeweils zu fertigende Verzahnung zu fertigen, da sich bei einer Veränderung des Kegelraddesigns die geometrischen Eigenschaften der Zahnflanke einer zu fertigenden Verzahnung ändern. Daher ergibt sich bei den herkömmlichen Fertigungsverfahren in der Regel immer ein Konflikt zwischen der Forderung nach hoher Fertigungsgeschwindigkeit und niedrigen Taktzeiten auf der einen Seite und der Forderung nach niedrigen Werkzeugkosten und einer hohen Flexibilität des Verfahrens auf der anderen Seite.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur spanenden Fertigung von Bogenverzahnungen an Kegelrädern anzugeben, welche bei möglichst niedrigen Werkzeugkosten eine möglichst hohe Flexibilität und Produktivität im Hinblick auf die Fertigungsgeschwindigkeit ermöglichen.
Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 7. Die Merkmale der Unteransprüche betreffen vorteilhafte Ausführungsformen.
Erfindungsgemäß ist eine Vorrichtung zur spanenden Bearbeitung der Kegelräder vorgesehen, bei der ein Werkzeug mit einem definierten Abstand zu diesem an einem Rotationsantrieb aufgenommen ist. Der Rotationsantrieb wiederum ist lageveränderlich an der Vorrichtung aufgenommen. Durch den Rotationsantrieb wird das Werkzeug in Rotation versetzt und kommt auf einem Teilabschnitt seiner sich aus der Rotationsbewegung ergebenden Bewegungsbahn mit dem Werkstück in Eingriff. Relativ zum Rotationsantrieb ergibt sich eine Kreisbahn des Werkzeugs, welche nicht der Geometrie der Oberfläche der zu fertigenden Verzahnung entspricht. Daher wird die Lage des Rotationsantriebs während der Rotationsbewegung laufend durch Verschwenken bzw. Verschieben des Rotationsantriebs um bzw. entlang weitere(r) Achsen geändert, so dass sich aus der Überlagerung dieser Korrekturbewegungen und der Rotationsbewegung, die durch den Rotationsantrieb bedingt wird, eine Bahngeometrie ergibt, die der Kontur der zu fertigenden Verzahnung entspricht.
Auf diese Weise ist es möglich, Bogenverzahnungen beliebiger Geometrie zu fertigen und dabei gleichzeitig Werkzeuge in einfachen, nicht auf die Geometrie einer individuellen Verzahnung angepassten Standardgeometrien zu verwenden, beispielsweise Schneidplatten mit geraden Schneidkanten oder Schneidplatten in Dreiecksform, welche in der Regel aus technischen Gründen abgerundete Ecken aufweisen. Die Werkzeuge kommen dabei derart am Werkstück zum Eingriff, dass in der Phase der Rotation, in der sich das Werkzeug nicht mit dem Werkstück im Eingriff befindet, der Mehrachskopf verschoben bzw. das Werkstück verschoben oder verdreht werden kann und so die Geometrie der zu fertigenden Verzahnung schrittweise durch die einzelnen spanabhebenden Werkzeugeingriffe erzeugt wird. Vorzugsweise wird hierfür das Werkzeug entlang der einhüllenden Kurve in Umfangsrichtung der zu fertigenden Verzahnung schrittweise versetzt, daher ist vorzugsweise eine drehbare Lagerung des Werkstücks vorgesehen. Der Eingriff des spanabhebenden Werkzeugs am Werkstück erfolgt dabei vorzugsweise nach Art einer Stoß- oder Hobelbearbeitung in im Wesentlichen radialer Richtung, wodurch sich vergleichsweise hohe Oberflächenqualitäten erzielen lassen.
Die sich aus den überlagerten Rotations- und Schwenkbewegungen ergebende Bewegungsbahn weist auf ihrem Teilabschnitt, mit dem sich das Werkzeug im Eingriff am Werkstück befindet, unterschiedliche Radien auf. Daher wird erfindungsgemäß der Abstand der Werkzeugschneide von der Rotationsachse des Rotationsantriebs so gewählt, dass er zwischen dem größten und kleinsten Radius des Bewegungsbahnabschnitts, auf dem sich das Werkzeug im Eingriff mit dem Werkstück befindet, liegt. Vorzugsweise entspricht der Abstand dabei in etwa einem Mittelwert der beiden Bahnradien. Dadurch werden die Ausgleichsbewegungen, die die Schwenk- und Positionierachsen des Rotationsantriebs ausführen müssen, minimiert.
Bei dem Rotationsantrieb kann es sich prinzipiell um jeden rotierenden Antrieb handeln, vorzugsweise jedoch sind elektrische drehmomentoptimierte Direktantriebe, sogenannte Torquemotoren vorgesehen. Diese sind vorzugsweise in den drei Raumrichtungen positionierbar sowie um eine oder mehrere Achsen schwenkbar, um die nötigen Ausgleichsbewegungen während der Bearbeitung zu ermöglichen. Diese Art der Anordnung ermöglicht vorteilhafterweise auch die einfache Nachrüstung bestehender Werkzeugmaschinen, indem ein mit einem entsprechenden Werkzeug ausgerüsteter Rotationsantrieb an dem Mehrachskopf eines konventionellen Bearbeitungszentrums aufgenommen wird. In diesem Fall stellt vorteilhafterweise das nachzurüstende Bearbeitungszentrum die Schwenk- und Positionierachsen für die Korrekturbewegung des Positionsantriebs. Es ist jedoch auch möglich, bei der Nachrüstung beispielsweise eine zusätzliche Schwenkachse für den Rotationsantrieb nachzurüsten, wenn das nachzurüstende Bearbeitungszentrum nicht genügend Bewegungsfreiheitsgrade und/oder eine für die effiziente Bearbeitung nicht ausreichende Dynamik und/oder Positioniergenauigkeit einzelner Schwenkachsen bereitstellen kann.
Vorteilhafterweise sind Vorrichtung und Verfahren als Teil eines CAD/CAM-Systems ausgeführt. Dabei wird die Zahnform durch ein CAD-System oder ein ähnliches technisches Konstruktionswerkzeug vorgegeben, welches in der Lage ist, einen mit der gewünschten dreidimensionalen Zahnform korrelierenden Datensatz zu erstellen. Vorzugsweise verfügt die erfindungsgemäße Vorrichtung über eine Steuerungseinrichtung, die einen solchen Datensatz auslesen und aufgrund des Datensatzes sowie der Steuerungseinrichtung übergebener maschinenrelevanter Daten, wie beispielsweise die Werkzeugabmessungen, in der Lage ist, die erforderlichen Bewegungsabläufe zu berechnen und entsprechend anzusteuern. Auch bietet sich in dieser Hinsicht bei der Nachrüstung bestehender Vorrichtungen, insbesondere bei der Nachrüstung von Werkzeugmaschinen, die Möglichkeit der Integration einer vorhandenen Steuerung an. Diese muss im günstigsten Fall lediglich um die Ansteuerung des Rotationsantriebs und der Antriebe für eventuell zusätzlich vorhandene Schwenkachsen ergänzt werden. Dabei kann die Nachrüstung der Steuerung vorteilhafterweise zumindest im Wesentlichen auf der Softwareebene erfolgen, was die zur Nachrüstung erforderlichen Investitionen reduziert.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand der 1 und 2 schematisch näher erläutert.
1 zeigt schematisch ein bereits teilweise mit dem erfindungsgemäßen Verfahren bearbeitetes Werkstück und die dazu relative Lage der Bewegungsbahn des Werkzeugs aus verschiedenen Perspektiven.
2 zeigt schematisch einen beispielhaften Bearbeitungskopf einer erfindungsgemäßen Vorrichtung aus verschiedenen Perspektiven.
Die im gezeigten Beispiel zu fertigende Bogenverzahnung 1 entsteht durch schrittweises Versetzen der Bewegungsbahn 4 des am Kegelrad angreifenden Werkzeugs 3 entlang der Umfangsrichtung des Werkstücks 6. Vorzugsweise ist das Werkstück 6 hierfür drehbar um die Achse d gelagert, das Werkzeug kommt dabei auf dem Abschnitt 4a seiner Bewegungsbahn 4 an der zu fertigenden Verzahnung 1 zum Eingriff.
Um die Bewegungsbahn 4 des Werkzeugs 3 zu realisieren, ist dies durch einen Werkzeughalter 7 mit dem Rotationsantrieb 5 verbunden. Der beispielhaft gezeigte Bearbeitungskopf weist zusätzlich die Schwenkantriebe 8 und 9 auf, welche den Rotationsantrieb 5, der um die Achse c rotiert, um die Achsen a und b verschwenken können. Vorzugsweise ist der beispielhafte Bearbeitungskopf zusätzlich an einer Positioniereinrichtung aufgenommen, die eine freie Positionierung entlang der drei Raumrichtungen x, y und z ermöglicht. Durch Korrekturen seiner räumlichen Position sowie seiner Verschwenkung um die Achsen a und b während der Rotation des Werkzeugs 3 um die Achse c kann so die benötigte Geometrie um die Bewegungsbahn 4 dargestellt werden, die zur Fertigung einer Bogenverzahnung 1 mit dem erfindungsgemäßen Verfahren notwendig ist.

Claims

Verfahren zur spanenden Fertigung von Bogenverzahnungen (1) an Kegelrädern (2), wobei ein Werkzeug (3) um eine Rotationsachse (C) rotiert und dabei auf einem Teilabschnitt (4a) der sich aus der Rotationsbewegung ergebenden Bewegungsbahn (4) mit dem Werkstück in Eingriff gebracht wird, wobei die Lage der Rotationsachse (C) entsprechend der durch die Form der zu fertigenden Verzahnung (1) bedingten Abweichungen der Bewegungsbahn (4) von der Kreisbahn der reinen Rotationsbewegung des Werkzeugs um die Achse (C) korrigiert wird, wobei der Eingriff des spanabhebenden Werkzeugs (3) am Werkstück nach Art einer Stoß- und/oder Hobelbearbeitung erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Zahnform durch ein CAD-System oder ein ähnliches technisches Konstruktionswerkzeug, welches in der Lage ist einen mit der gewünschten dreidimensionalen Zahnform korrellierenden Datensatz zu erstellen, vorgegeben wird und der Datensatz an eine Steuerungseinrichtung übergeben wird, welche aufgrund des Datensatzes die Rotationsbewegung und/oder die Korrektur der Lage der Rotationsachse (C) steuert.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Korrektur der Lage der Rotationsachse (C) durch das Verschwenken des Rotationsantriebs (5) erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand der Werkzeugschneide von der Rotationsachse (C) vor der Fertigung einer Verzahnung derart gewählt wird, dass er einem Abstand zwischen dem größten und dem kleinsten Radius der von der Geometrie der Verzahnung bedingten Bewegungsbahn (4) des eingreifenden Werkzeugs (3) entspricht, vorzugsweise zumindest in etwa einem Mittelwert der beiden Radien entspricht.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Teilabschnitt (4a) der sich aus der Rotationsbewegung und dem Verschwenken der Rotationsachse (C) ergebenden Bewegungsbahn (4) des Werkzeugs, auf dem sich das Werkzeug (3) am Werkstück in Eingriff befindet, entlang der einhüllenden Kurve in Umfangsrichtung der zu fertigenden Verzahnung (1) schrittweises versetzt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Zahnform durch schrittweise versetztes Eingreifen eines Werkzeugs (3) mit einer nicht der Kontur der zu fertigenden Verzahnung (1) nachgebildeten, insbesondere einer geraden, Schneide erzeugt wird.
Vorrichtung zur spanenden Fertigung von Bogenverzahnungen (1) an Kegelrädern (2), ein Werkzeug (3) aufweisend, dass an einem Rotationsantrieb (5) mit einem definierten Abstand zur Rotationsachse (C) des Rotationsantriebs (5) befestigt ist, wobei der Rotationsantrieb derart relativ zu dem Werkstück positioniert werden kann, dass das Werkzeug (3) bei seiner Rotation um die Rotationsachse (C) auf einem Teilabschnitt (4a) der sich aus der Rotationsbewegung ergebenden Bewegungsbahn (4) mit dem Werkstück in Eingriff kommt, wobei der Rotationsantrieb (5) zur Korrektur der durch die Form der zu fertigenden Verzahnung (1) bedingten Abweichungen der Bewegungsbahn (4) von der Kreisbahn der reinen Rotationsbewegung des Werkzeugs (3) um die Rotationsachse (C) lageveränderlich an der Vorrichtung aufgenommen ist, wobei der Abstand der Werkzeugschneide von der Rotationsachse (C) einem Abstand zwischen dem größten und dem kleinsten Radius der von der Geometrie der Verzahnung bedingten Bewegungsbahn (4) des eingreifenden Werkzeugs (3) entspricht.
Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung eine Steuerung aufweist, die auf der Basis von Datensätzen eines CAD-Systems oder eines ähnlichen technischen Konstruktionswerkzeugs, welches in der Lage ist einen mit der gewünschten dreidimensionalen Zahnform korrellierenden Datensatz zu erstellen, die Rotationsbewegung und/oder die Korrektur der relativen Lage des Rotationsantriebs (5) zum Werkstück steuern kann.
Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkzeug (3) eine nicht der Kontur der zu fertigenden Verzahnung (1) nachgebildete, insbesondere eine gerade, Schneide aufweist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand der Werkzeugschneide von der Rotationsachse (C) zumindest in etwa einem Mittelwert des größten und des kleinsten Radius der von der Geometrie der Verzahnung bedingten Bewegungsbahn (4) des eingreifenden Werkzeugs (3) entspricht.