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Die Erfindung betrifft ein Verfahren sowie ein rotierend antreibbares Werkzeug, das dazu eingerichtet ist, ein Zahnrad mit Zähnen herzustellen, deren Zahnflanken einen ballig gekrümmten Verlauf aufweisen. Die Zahnflanken sind in Höhenrichtung des Zahns, also vom Zahnfuß zum Zahnkopf hin gekrümmt. Die Zahnflankenkrümmung ist dabei nicht konstant, sondern ändert sich entlang der Zahnflanke. Zusätzlich können die Zähne des Zahnrades auch in ihrer Längsrichtung quer zur Höhenrichtung in einem Bogen gekrümmt verlaufen, wodurch bogenverzahnte Zahnräder und insbesondere bogenverzahnte Kegelräder hergestellt werden können.
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Die Verzahnung eines Zahnrades kann beispielsweise durch Profilfräsen hergestellt werden. Das Profilfräswerkzeug weist dabei eine Kontur auf, die an die gewünschte Zahnflankenform angepasst ist. Die Kontur des Werkzeugs bildet sich beim Profilfräsen im bearbeiteten Werkstück ab. Nachteilig ist dabei, dass für jede Zahnflankenform bzw. Zahnform ein entsprechender Profilfräser angefertigt werden muss. Die Herstellung eines Zahnrads mit veränderter Zahnflankenform ist daher nicht nur aufwendig, sondern auch sehr teuer. Außerdem können auf diese Weise solche Zahnräder nicht hergestellt werden, deren Zahnflankenform sich in Erstreckungsrichtung des Zahnes entlang der Außenfläche des Zahnrades ändert.
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Eine weitere Möglichkeit zur Herstellung von Verzahnungen ist das Wälzfräsen. Dies ist beispielsweise in
DE 10 2009 003 338 A1 beschrieben. Dort wird vorgeschlagen den Fräsvorgang in einem ersten Schritt mit einem Schruppfräswerkzeug und in einem darauffolgenden Schritt mit einem Schlichtfräswerkzeug durchzuführen. Dadurch soll die Leistungsfähigkeit des Herstellungsverfahrens erhöht werden. Auch bei diesem Verfahren muss die Werkzeugform des Schruppfräsers und des Schlichtfräsers an die gewünschte Zahnflankenform angepasst werden.
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Ein weiteres Verfahren zur Herstellung eines Zahnrades ist aus
US 66 32 052 B2 bekannt. Hierfür wird ein Scheibenfräser eingesetzt, der in einem ersten Fräsvorgang die an eine Zahnlücke angrenzende eine Zahnflanke bearbeitet und anschließend nach dem Drehen des Zahnradrohlings die an die Zahnlücke angrenzende weitere Zahnflanke bearbeitet. Auch bei dem hier beschriebenen Verfahren ist die Werkzeugkontur an die Zahnflankenkontur angepasst.
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DE 10 2008 063 858 A1 beschreibt eine Werkzeugmaschine und ein Verfahren zur Herstellung von Verzahnungen. Dabei werden lineare und rotatorische Relativbewegungen zwischen dem Werkstück und dem Werkzeug überlagert, um die gewünschte Verzahnung zu erzeugen. Das Werkzeug wird aus einer Startposition zum Werkstück hin bewegt, um die Zahnlücken und mithin die die Zahnlücken begrenzenden Zahnflanken nacheinander herzustellen. Die Zahnlücke ist kleiner als der Durchmesser des Werkzeugs, so dass nur ein Teil des Werkzeugs in die zu bearbeitende Zahnlücke zwischen zwei Zahnflanken eingreift.
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Ein Verfahren und eine Werkzeugvorrichtung zum Profilfräsen sind aus
WO 2010/144929 A1 bekannt. Die
WO 2010/144929 A1 ist erst nach dem Anmeldetag der vorliegenden Patentanmeldung veröffentlicht worden. In
WO 2010/144929 A1 wird ein fingerförmiger Schaftfräser als Werkzeug verwendet.
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Ausgehend von diesem bekannten Stand der Technik kann es als Aufgabe der Erfindung angesehen werden ein flexibleres Herstellungsverfahren und ein Werkzeug zu schaffen, um ballige Zahnflanken herzustellen. Insbesondere soll das Werkzeug auch für verschiedene Zahnflankenformen geeignet sein.
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Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 und ein Werkzeug mit den Merkmalen des Patentanspruches 14 gelöst.
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Zunächst wird die Zahnflankensollkrümmung entlang der Zahnflanke in Höhenrichtung des Zahns bestimmt. Es wird somit die Querschnittskontur des Zahns festgelegt. Bei sich in Erstreckungsrichtung des Zahns entlang der Außenseite des Zahnrads ändernder Zahnflankenform muss die Zahnflankensollkrümmung zusätzlich auch abhängig von der Erstreckungsrichtung des Zahns bestimmt werden. Im Anschluss daran wird ein rotierendes spanabhebendes Werkzeug ausgewählt. Das Werkzeug weist vorzugsweise eine oder mehrere geometrisch bestimmte Schneidkanten auf. Alternativ kann das Werkzeug auch geometrisch unbestimmte Schneidkanten aufweisen, die sozusagen eine Schneidfläche bilden, beispielsweise wenn ein Schleifwerkzeug für die Zahnflankenbearbeitung verwendet wird. Die Kontur der Schneidkante bzw. der Schneidfläche weist zumindest einen gekrümmten Abschnitt auf, dessen Krümmung als Schneidenkrümmung bezeichnet ist.
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Diese Schneidenkrümmung kann konstant sein oder auch mehrere unterschiedliche Krümmungswerte aufweisen. Auf jeden Fall ist die Schneidenkrümmung dieses Abschnitts an jeder Stelle kleiner als die maximale Zahnflankensollkrümmung. Das heißt der Betrag der maximalen Schneidenkrümmung ist kleiner als der Betrag der maximalen Zahnflankensollkrümmung entlang der Zahnflanke vom Zahnfuß bis zum Zahnkopf. Die Kontur des Werkzeugs entspricht dabei nicht der gewünschten Sollkontur des herzustellenden Zahns. An den gekrümmten Abschnitt der Schneide des Werkzeugs kann sich auf zumindest einer Seite ein Abschnitt mit einer geraden Schneide anschließen. Es ist jedoch auch möglich, dass die gesamte Schneide bzw. Schneidfläche von dem gekrümmten Abschnitt gebildet ist.
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Als Werkzeug wird ein Scheibenfräser, ein topfförmiger Fräser oder ein glockenförmiger Fräser verwendet.
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Beim erfindungsgemäßen Verfahren wird mit diesem Werkzeug zunächst ein erster Zahnflankenabschnitt am Zahnradrohling hergestellt. Beispielsweise kann der erste Zahnflankenabschnitt am Zahnfuß des herzustellenden Zahns angeordnet sein. Dabei nimmt die Rotationsachse des Werkzeugs eine erste Relativlage gegenüber der in Höhenrichtung des Zahns verlaufenden Hochachse ein. Im Anschluss daran wird die Rotationsachse des Werkzeugs gegenüber der Hochachse in eine andere, zweite Relativlage gebracht. Dabei kann auch eine zusätzliche Zustellbewegung zwischen dem Werkzeug und dem Zahnradrohling in eine und/oder mehrere Raumrichtungen erfolgen. In dieser zweiten Relativlage wird ein zweiter Zahnflankenabschnitt spanend bearbeitet. Der zweite Zahnflankenabschnitt ist in Höhenrichtung zum ersten Zahnflankenabschnitt benachbart angeordnet und kann beispielsweise an dem ersten Zahnflankenabschnitt angrenzen. Es ist auch möglich, dass sich zwei Zahnflankenabschnitte zum Teil überlappen.
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Weil die Schneidenkrümmung nicht der Zahnflankensollkrümmung entspricht, sind zumindest zwei spanende Bearbeitungsdurchgänge an zwei Zahnflankenabschnitten notwendig, um den Zahn herzustellen. Durch den gekrümmten Schneidenabschnitt des Werkzeugs ist jedoch eine gewisse Anpassung an die gewünschte Zahnflankenform vorhanden, so dass die Anzahl der nacheinander spanend zu bearbeitenden Zahnflankenabschnitte gering ist und insbesondere geringer ist als bei der Verwendung von Schaftfräsern oder Scheibenfräsern mit einer geraden Schneide. Somit ist eine wirtschaftliche Herstellung mit einer geringen Anzahl von spanenden Bearbeitungsdurchgängen möglich und gleichzeitig eignet sich das Verfahren auch zur Erzeugung von unterschiedlichen Zahnflankenformen, deren Geometrie nicht derjenigen der Werkzeugschneide entspricht. Auch komplexe Zahnflankenformen, beispielsweise Bogen- oder Spiralverzahnungen lassen sich herstellen, wie etwa Gleason-Verzahnungen oder Klingelnberg-Verzahnungen. Das rotierende Werkzeug wird bei der Bearbeitung des Zahnflankenabschnitts relativ zum Zahnradrohling in Erstreckungsrichtung des Zahns quer zur Radialrichtung des herzustellenden Zahnrades bewegt.
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Als Zahnradrohling kann nicht nur ein völlig unbearbeiteter bzw. unbehandelter massiver Körper dienen. Beim bevorzugten Ausführungsbeispiel ist der Zahnradrohling ein bereits in vorhergehenden Bearbeitungsschritten vorbearbeitetes und insbesondere gehärtetes Werkstück, das durch das erfindungsgemäße Verfahren weiter und insbesondere zum Zahnrad fertig bearbeitet wird.
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Dieses Verfahren kann beispielsweise vorteilhaft zur Herstellung von Kegelrädern und insbesondere bogenverzahnten Kegelrädern eingesetzt werden. Es eignet sich auch dazu, Zahnflanken herzustellen, deren Zahnflankenkrümmung sich in Längsrichtung, also in Erstreckungsrichtung des Zahns quer zur Höhenrichtung verändert. Dabei kann sich die Relativlage der Rotationsachse relativ zur Hochachse auch während der Bearbeitung eines Zahnflankenabschnitts ändern, um die gewünschte Zahnflankenform zu erzeugen.
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Bevorzugt wird für das Verfahren ein Werkzeug verwendet, dessen Schneidenkrümmung zumindest 60% der maximalen Zahnflankenkrümmung beträgt. Dadurch ist bereits eine Annäherung der Schneidkontur an die gewünschte Zahnflankenform erreicht, so dass die Anzahl der zu bearbeitenden Zahnflankenabschnitte gering gehalten werden kann. Die Schneidenkrümmung beträgt vorzugsweise höchstens 99% der maximalen Zahnflankensollkrümmung.
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Bei der Bearbeitung jedes Zahnflankenabschnitts wird am Werkzeug eine Kontaktstelle und am zu bearbeitenden Zahnflankenabschnitt eine Gegenkontaktstelle bestimmt. Während der spanenden Bearbeitung liegt das Werkzeug mit der Kontaktstelle an der Gegenkontaktstelle an. Bei einer bevorzugten Ausführung erfolgt die Bestimmung der Kontaktstelle und/oder der Gegenkontaktstelle durch ein Näherungsverfahren. Vorzugsweise wird bei diesem Näherungsverfahren die Schneidenkrümmung durch mehrere Schneiden-Tangenten charakterisiert. Die Zahnflankensollkrümmung wird entsprechend durch mehrere Zahnflanken-Tangenten beschrieben. Die den zu bearbeitenden Zahnflankenabschnitt beschreibenden Zahnflanken-Tangenten werden bei der Bestimmung der Gegenkontaktstelle und der Kontaktstelle berücksichtigt. Andere Zahnflanken-Tangenten, die außerhalb des zu bearbeitenden Zahnflankenabschnitts liegen können unberücksichtigt bleiben. Die zu berücksichtigende wenigstens eine Zahnflanken-Tangente wird im Rahmen des Näherungsverfahrens mit einer oder mehreren Schneiden-Tangenten verglichen, was vorzugsweise dadurch geschieht, dass die Winkel zwischen der wenigstens einen Zahnflanken-Tangente und der wenigstens einen Schneiden-Tangente minimiert werden. Es wird dadurch ein Bereich der Werkzeugschneide ermittelt, dessen Verlauf eine möglichst gute Näherung des gewünschten Zahnflankenverlaufs im bearbeitenden Zahnflankenabschnitt darstellt. Gleichzeitig wird dabei auch die Relativlage zwischen der Rotationsachse des Werkzeugs und der Hochachse des bearbeitenden Zahns bestimmt. Dadurch kann auch eine beliebige ballige Zahnflankenform hergestellt werden, wenn die Schneidengeometrie nicht identisch ist mit der herzustellenden Zahnflankenkontur.
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Abhängig von der Krümmungsänderung der gewünschten Zahnflankensollkrümmung kann es von Vorteil sein, mehrere unterschiedliche Werkzeuge mit unterschiedlich gekrümmten Abschnitten bei der Herstellung des Zahnrades zu verwenden. Mit den verschiedenen Werkzeugen werden dann nacheinander unterschiedliche Zahnflankenabschnitte bearbeitet.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens ergeben sich aus den abhängigen Patentansprüchen sowie der Beschreibung. In der Zeichnung sind weitere vorteilhafte Merkmale der Erfindung zu erkennen, die ergänzend zur Beschreibung heranzuziehen ist. Es zeigen:
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1 eine schematische Darstellung eines Werkzeugs sowie eines zu bearbeitenden Zahns eines Zahnradrohlings in einer ersten Relativlage,
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2 das Werkzeug und den Zahn gemäß 1 in einer zweiten Relativlage,
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3 das Werkzeug und den Zahn gemäß der 1 und 2 in einer dritten Relativlage,
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4 eine schematische Darstellung des Verlaufs der Werkzeugschneide und deren Schneiden-Tangenten sowie die Zahnflankensollkrümmung und deren Zahnflanken-Tangenten,
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5 bis 7 die schematische Darstellung zur Bestimmung der Kontaktstelle am Werkzeug und der Gegenkontaktstelle am zu bearbeitenden Zahnflankenabschnitt,
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8 eine schematische Darstellung eines weiteren Werkzeugs im Querschnitt zur Herstellung eines Zahnrads, insbesondere eines Zahnrads mit Bogenverzahnung,
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9 eine schematische Darstellung der Verwendung des Werkzeugs nach 8 bei der Herstellung eines bogenverzahnten Kegelrades,
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10 und 11 eine schematische Darstellung eines Werkzeugs in Form eines topfförmigen Fräsers im Querschnitt und
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12 eine schematische Darstellung eines Werkzeugs in Form eines Scheibenfräsers im Querschnitt.
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In den 1 bis 3 ist schematisch die Herstellung einer Zahnflanke 10 eines Zahns 11 eines Zahnradrohlings 12 mit Hilfe eines Werkzeugs 13 veranschaulicht. Der Zahn 11 soll eine in seiner Höhenrichtung entlang seiner Hochachse H vom Zahnfuß 14 zum Zahnkopf 15 konvex ballig gekrümmte Zahnflanke 10 erhalten. Dabei ändert sich die Zahnflankenkrümmung der Zahnflanke 10 entlang der Hochachse H betrachtet. Bei dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel nimmt die Zahnflankenkrümmung zum Zahnkopf 15 hin zu.
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Zur Herstellung eines derart balligen Zahns 11 wird ein spanendes Werkzeug 13 verwendet, das um eine Rotationsachse R rotierende Schneiden 20 aufweist. Bei dem hier beschriebenen Ausführungsbeispiel handelt es sich um geometrisch bestimmte Schneiden 20. Alternativ wäre es auch möglich, eine rotationssymmetrische Schneidfläche vorzusehen, an der eine Vielzahl von geometrisch unbestimmten Schneiden oder Schneidelementen vorgesehen ist. Die Querschnittskontur einer solchen Schneidfläche würde dann der Form der Schneide 20 entsprechen, wie sie nachfolgend im Einzelnen erläutert ist.
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Als Werkzeug 13 können zum Beispiel Schaftfräser 13a, Scheibenfräser 13b, topfförmige Fräser 13c oder glockenförmige Fräser 13d eingesetzt werden.
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Das Werkzeug 13 weist wenigstens eine und beispielsgemäß eine Vielzahl von gleichmäßig um die Rotationsachse R angeordnete Schneiden 20 auf. Die Schneiden 20 können an auswechselbaren Schneidkörpern des Werkzeugs 13 vorgesehen sein. Die Schneide 20 weist einen Abschnitt 21 mit einer Schneidenkrümmung S ungleich null auf. An diesen gekrümmten Abschnitt 21 schließt sich beim Ausführungsbeispiel ein Abschnitt 22 an, in dem die Schneide 20 gerade und bei dem in den 1 bis 3 beispeilhaft dargestellten Schaftfräser 13a in etwa parallel zur Rotationsachse R verläuft. Der gerade Abschnitt 22 erstreckt sich bis zum freien Ende des Werkzeugs 13 hin. In Abwandlung zum bevorzugten Ausführungsbeispiel könnte alternativ oder zusätzlich auch auf der anderen Seite des gekrümmten Abschnitts 21 ein Abschnitt mit geradem Schneidenverlauf vorgesehen sein. Weiter wäre es auch möglich, die Schneide 20 entlang ihres gesamten Verlaufs gekrümmt zu gestalten, so dass der gekrümmte Abschnitt 21 die gesamte Schneide 20 einnimmt. Die Schneidenkrümmung S des Abschnitts 21 formt eine konkav gekrümmte Schneide 20. Die Schneidenkrümmung S kann im gekrümmten Abschnitt 21 konstant sein. Alternativ hierzu ist es auch möglich, dass sich die Schneidenkrümmung S innerhalb des Abschnitts 21 ändert. Es ist auch möglich mehrere gekrümmte Abschnitte durch geradlinige Abschnitte miteinander zu verbinden. Innerhalb des zumindest einen gekrümmten Abschnitts 21 ist die Schneidenkrümmung S stets ungleich null.
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Das zur Bearbeitung ausgewählte Werkzeug 13 weist eine Schneidenkrümmung S auf, die betragsmäßig an jeder Stelle kleiner ist als die maximale Zahnflankensollkrümmung Z. Die Zahnflankensollkrümmung Z beschreibt die gewünschte Kontur der Zahnflanke 10 vom Zahnfuß 14 zum Zahnkopf 15 an einer Stelle des Zahns 11 entlang seiner Erstreckungsrichtung E auf der Außenseite des Zahnradrohlings 12 bzw. des herzustellenden Zahnrades hin. Die Zahnflankensollkrümmung Z ändert sich beim Ausführungsbeispiel entlang des Verlaufs der Zahnflanke 10 in Richtung der Hochachse H. Die Hochachse H verläuft radial zur Drehachse des herzustellenden Zahnrads mittig durch den Zahn 11. Bei einem bogenverzahnten Zahnrad verschiebt sich die Hochachse H daher in Längsrichtung entlang des bogenförmigen Zahnverlaufs. Die Zahnflankensollkrümmung Z ist in den 1 und 2 gestrichelt am Zahn 11 eingezeichnet.
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Während der Herstellung der Zahnflanke 10 entsprechend der gewünschten Zahnflankensollkrümmung Z wird die Zahnflanke 10 nacheinander an verschiedenen Zahnflankenabschnitten spanend bearbeitet. Die Zahnflanke 10 wird hierfür an wenigstens zwei und bei der hier beispielhaft beschriebenen Ausführungsform an drei Zahnflankenabschnitten 24, 25, 26 nacheinander bearbeitet, wie dies in den 1 bis 3 dargestellt ist. Für die Bearbeitung der gesamten Zahnflanke, also aller Zahnflankenabschnitte 24, 25, 26 wird ein einziges Werkzeug 13 verwendet. Weist das Werkzeug mehrere gekrümmte Abschnitte 21 auf, wobei jeder Abschnitt 21 zur Bearbeitung eines oder mehrerer Zahnflankenabschnitte 24, 25, 26 dient, so ist die Schneidenkrümmung S jedes gekrümmten Abschnitts 21 betragsmäßig an jeder Stelle kleiner ist als die maximale Zahnflankensollkrümmung Z des oder der jeweils zugeordneten Zahnflankenabschnitte 24, 25, 26.
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Die drei Zahnflankenabschnitte 24, 25, 26 sind in Richtung der Höhenachse H benachbart zueinander angeordnet. Sie können zueinander unmittelbar aneinander anschließen oder einander auch teilweise überlappen. Dies hängt von der Geometrie der Schneide 20 sowie der gewünschten Zahnflankensollkrümmung Z ab. Beim Ausführungsbeispiel ist der erste Zahnflankenabschnitt 24 im Anschluss an das Ende des Zahnfußes 14 vorgesehen. Daran schließt der mittlere, zweite Zahnflankenabschnitt 25 an. Auf den zweiten Zahnflankenabschnitt 25 folgt der dritte Zahnflankenabschnitt 26, der bis zum freien Ende des Zahnkopfes 15 hin verläuft (siehe 1 bis 3).
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Bei der spanenden Bearbeitung im ersten Bearbeitungsdurchgang nimmt das Werkzeug 13 eine erste Relativlage gegenüber dem Zahnradrohling 12 ein. Diese erste Relativlage ist insbesondere durch die Ausrichtung der Rotationsachse R gegenüber der Hochachse H des zu bearbeitenden Zahns 11 gekennzeichnet. Dieser erste Bearbeitungsdurchgang ist in 1 veranschaulicht. Beim Ausführungsbeispiel wird in diesem ersten Bearbeitungsdurchgang der erste Zahnflankenabschnitt 24 spanend bearbeitet, wobei die Rotationsachse R parallel zur Hochachse H ausgerichtet ist.
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Anschließend erfolgt die spanende Bearbeitung des zweiten Zahnflankenabschnitts 25. Hierfür wird das Werkzeug 13 gegenüber dem Zahnradrohling 12 in eine zweite Relativlage gebracht. Die Rotationsachse R schneidet die Hochachse H des zu bearbeitenden Zahns 11 dabei mit einem vorgegebenen Winkel. Schließlich wird in einem dritten Bearbeitungsdurchgang der dritte Zahnflankenabschnitt 26 im Anschluss an das freie Ende des Zahnkopfes 15 bearbeitet. Dabei befinden sich das Werkzeug 13 und der Zahnradrohling 12 in einer dritten Relativlage, wobei der Winkel zwischen der Rotationsachse R und der Hochachse H verschieden ist von dem Winkel in den vorangegangenen Relativlagen. Beim Ausführungsbeispiel ist der Winkel zwischen der Rotationsachse R und der Hochachse H in der dritten Relativlage am größten.
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Die betrachteten Relativlagen gelten für eine Zahnflankensollkrümmung Z. Ändert sich diese in Erstreckungsrichtung E des Zahns 11, so werden auch die Relativlagen entsprechend verändert.
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Die Schneidenkrümmung S des gekrümmten Abschnitts 21 der Schneiden 20 des Werkzeugs 13 ist betragsmäßig kleiner als der maximale Wert der Zahnflankensollkrümmung Z. Beim bevorzugten Ausführungsbeispiel ist die Schneidenkrümmung S im gekrümmten Abschnitt 21 konstant und weist einen Betrag im Bereich von 10% bis 99% und vorzugsweise 60% bis 99% des maximalen Betrags der Zahnflankensollkrümmung Z auf. Dadurch ist eine ausreichend gute Annäherung der Schneidengeometrie an den gewünschten Zahnflankenverlauf erreicht. Dennoch ist es für das erfindungsgemäße Verfahren gerade nicht notwendig und nicht gewünscht, das Werkzeug 13 als Profilfräser auszuführen, dessen Profil identisch ist mit dem gewünschten Zahnflankenverlauf.
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Wie dies in den 1 bis 3 zu erkennen ist, kann das Werkzeug 13 in den unterschiedlichen Relativlagen nicht nur unterschiedliche Ausrichtungen der Rotationsachse R gegenüber der Hochachse H des bearbeitenden Zahns 11 aufweisen, sondern es kann auch eine lineare Verschiebung oder Zustellbewegung des Werkzeugs 13 gegenüber dem Zahnradrohling 12 erfolgen.
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Für jeden Bearbeitungsdurchgang, das heißt für jede Bearbeitung eines Zahnflankenabschnitts 24, 25, 26 muss am Werkzeug 13 eine Kontaktstelle 28 bestimmt werden. Ferner muss an dem zum bearbeitenden Zahnflankenabschnitt 24 bzw. 25 bzw. 26 eine Gegenkontaktstelle 29 bestimmt werden. Bei der Bearbeitung des Zahnflankenabschnitts 24 bzw. 25 bzw. 26 liegt das Werkzeug 13 dann mit der Kontaktstelle 28 an der Gegenkontaktstelle 29 an. Die Kontaktstelle 28 ist bei dem um die Rotationsachse R rotierenden Werkzeug durch eine Kreisbahn um die Rotationsachse R gebildet, auf der sich ein bestimmter Punkt bzw. eine bestimmte Stelle der Schneidkanten 20 bewegt.
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Zur Bestimmung der Kontaktstelle 28 und der Gegenkontaktstelle 29 werden die Schneidenkrümmung S im gekrümmten Bereich 21 sowie gegebenenfalls weitere gerade Abschnitte 22 der Schneiden 20 durch mehrere Schneiden-Tangenten TS1 bis TS3 angenähert. Eine schematische Darstellung dieser Annäherung ist in 4 dargestellt. Die Schneide 20 ist an drei Punkten P1, P2, P3 durch jeweils eine zugeordnete Schneiden-Tangente TS1, TS2, TS3 charakterisiert. Die Anzahl der zur Beschreibung des Verlaufs der Schneide 20 verwendeten Schneiden-Tangenten kann variieren. Die Verwendung von drei Schneiden-Tangenten TS1 bis TS3 ist lediglich beispielhaft. Auf gleiche Weise wird auch die Zahnflankensollkrümmung Z der Zahnflanke 10 durch mehrere und bei dem hier dargestellten Beispiel durch vier Zahnflanken-Tangenten TZ1, TZ2, TZ3, TZ4 charakterisiert. Die Anzahl der Schneiden-Tangenten TS1 bis TS3 kann verschieden sein von der Anzahl der verwendeten Zahnflanken-Tangenten TZ1 bis TZ4. Insbesondere ist in jedem spanend zu bearbeitenden Zahnflankenabschnitt 24, 25, 26 zumindest ein Punkt Q1, Q2, Q3, Q4 vorgesehen, an den eine Zahnflanken-Tangente TZ1 bis TZ4 zu dessen näherungsweise Charakterisierung angelegt wird.
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Diese näherungsweise Beschreibung der Schneide 20 einerseits sowie des gewünschten Zahnflankenverlaufs bzw. der Zahnflankensollkrümmung Z andererseits kann zur Bestimmung der für die spanende Bearbeitung eines Zahnflankenabschnitts 24, 25, 26 zu verwendende Kontaktstelle 28 und Gegenkontaktstelle 29 ermittelt werden. Dabei wird auch die Relativlage des Werkzeugs 13 gegenüber dem Zahnradrohling 12 und insbesondere der Winkel zwischen der Rotationsachse R und der Hochachse H ermittelt. Dies geschieht durch ein mathematisches Optimierungsverfahren. Dabei wird ein Bereich oder Abschnitt der Schneide 20 gesucht, der sich durch eine Veränderung der Ausrichtung der Rotationsachse R möglichst gut an die Zahnflankensollkrümmung Z in dem zu bearbeitenden Zahnflankenabschnitt 24, 25, 26 ausrichten lässt. Hierfür werden die den zu bearbeitenden Zahnflankenabschnitt 24, 25, 26 charakterisierenden Zahnflanken-Tangenten TZ1 bzw. TZ2 bzw. TZ3 und TZ4 mit den Schneiden-Tangenten TS1, TS2, TS3 verglichen, die den Abschnitt der Schneide 20 beschreiben, der für die Bearbeitung des Zahnflankenabschnitts 24, 25, 26 verwendet werden soll. Die Relativlage zwischen Werkzeug 13 und Zahnradrohling 12 wird dabei so bestimmt, dass der Winkel zwischen den verwendeten Schneidflanken-Tangenten und den zugehörigen Schneiden-Tangenten möglichst klein wird.
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Anhand von 5 wird die spanende Bearbeitung des ersten Zahnflankenabschnitts 24 erläutert. Der sich an das freie Ende des Werkzeugs 13 anschließende gerade Abschnitt 22 der Schneide 20 wird zur Bearbeitung verwendet. Neben der Ausrichtung der Rotationsachse R gegenüber der Hochachse H wird auch eine lineare Verschiebung und damit eine Kontaktstelle 28 an der Schneide 20 sowie eine Gegenkontaktstelle 29 am ersten Zahnflankenabschnitt 24 festgelegt. Bei dem hier dargestellten Beispiel wird die erste Schneiden-Tangente TS1 parallel zu einer ersten Zahnflanken-Tangente TZ1 ausgerichtet, so dass die beiden Tangenten TS1, TZ1 einen Winkel von null Grad miteinander einschließen.
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Während des zweiten Bearbeitungsdurchgangs bei der spanenden Bearbeitung des zweiten Zahnflankenabschnitts 25 wird das Werkzeug 13 mit seiner Rotationsachse R gegenüber der Hochachse H geneigt (6). Durch den Optimierungsalgorithmus wird ein Bereich der Schneide 20 gesucht, der möglichst gut an die Zahnflankensollkrümmung Z im zweiten Zahnflankenabschnitt 25 angepasst ist. In 6 ist dies schematisch dargestellt, wobei die zweite Schneidentangente TS2 wiederum parallel zur zweiten Zahnflanken-Tangente TZ2 ausgerichtet ist. Als Kontaktstelle 28 und Gegenkontaktstelle 29 können beispielsweise die Punkte P2 bzw. Q2 verwendet werden, durch die die beiden einander zugeordneten Tangenten TZ1 und TS1 verlaufen. Es sei an dieser Stelle jedoch darauf hingewiesen, dass die Kontaktstelle 28 und die Gegenkontaktstelle 29 keineswegs den Punkten P1 bis P3 bzw. Q1 bis Q4 entsprechen muss, wie dies beispielhaft auch in 7 gezeigt ist.
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In 7 ist der dritte Bearbeitungsdurchgang für das Bearbeiten des dritten Zahnflankenabschnitts 26 schematisch veranschaulicht. Der dritte Zahnflankenabschnitt 26 wird durch die beiden Zahnflanken-Tangenten TZ3, TZ4 charakterisiert. Beispielsgemäß wird das Werkzeug 13 zu der Bearbeitung der dritten Relativlage so ausgerichtet, dass sowohl der erste Winkel α1 zwischen der dritten Zahnflanken-Tangenten TZ3 und der dritten Schneiden-Tangente TS3 als auch der zweite Winkel α2 zwischen der vierten Zahnflanken-Tangente TZ4 und der dritten Schneiden-Tangente TS3 minimal sind. Die Kontaktstelle 28 kann dabei durch den Punkt P3 gebildet sein, durch den die dritte Schneiden-Tangente TS3 verläuft. Die Gegenkontaktstelle 29 wird durch einen Punkt gebildet, der zwischen den beiden Punkten Q3, Q4 liegt, durch die die dritte und vierte Zahnflanken-Tangente TZ3, TZ4 verlaufen.
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Es versteht sich, dass anhand der vorstehenden Beschreibung lediglich das Prinzip der näherungsweisen Charakterisierung der Schneidenkrümmung S sowie der Zahnflankensollkrümmung Z und der Bestimmung der Kontaktstelle 28 und der Gegenkontaktstelle 29 erläutert wurde. Um eine hohe Genauigkeit zu erreichen, können eine Vielzahl von Schneiden-Tangenten sowie Zahnflanken-Tangenten verwendet werden. Der Optimierungsalgorithmus berechnet iterativ für eine Vielzahl von Relativlagen die Winkel zwischen den Zahnflanken-Tangenten und den zugeordneten Schneiden-Tangenten und wählt die Relativlage aus, bei der die Schnittwinkel zwischen den Tangenten minimal sind.
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In Abwandlung zu dem in den 1 bis 3 dargestellten Werkzeug 13 in Form eines Schaftfräsers 13a kann auch ein glocken- oder topfförmiges Werkzeug 13, zum Beispiel ein topfförmiger Fräser 13c (10, 11) oder ein Glockenfräser 13d (8) oder ein scheibenförmiges Werkzeug in Form eines Scheibenfräsers 13b (12) verwendet werden. Das glocken- oder topfförmige Werkzeug ist zum Beispiel dann zweckmäßig, wenn ein bogenverzahntes Zahnrad und beispielsweise ein bogenverzahntes Kegelrad hergestellt werden soll, wie dies in 9 veranschaulicht ist. Die in 9 gestrichelte Kreisbahn stellt die Bahn dar, auf der die inneren Schneiden 20i bzw. die äußeren Schneiden 20a um die Rotationsachse R rotieren, um den bogenförmigen Verlauf der Zähne 11 zu erhalten. Die äußeren Schneiden 20a werden dabei dazu verwendet die bogeninneren Zahnflanken zu bearbeiten, während die inneren Schneiden 20i dazu dienen, die bogenäußeren Zahnflanken zu bearbeiten. Die äußeren und inneren Schneiden 20a, 20i können symmetrisch zu der Mittelachse M ausgeführt sein. Es ist in Abwandlung hierzu auch möglich, die äußeren Schneiden 20a gegenüber den inneren Schneiden 20i unterschiedlich gekrümmt auszugestalten. Die ist auch beim Scheibenfräser 13b möglich.
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Der topfförmige Fräser 13c unterscheidet sich vom Glockenfräser 13d durch den Winkel, den die eine Mittelachse M, die in Richtung des mit den inneren Schneiden 20i und äußeren Schneiden 20a versehenen randseitigen Abschnitts 30 mit der Rotationsachse R des Werkzeugs einschließt. Der randseitige Abschnitt 30 umschließt die Rotationsachse R ringförmig. Beim Glockenfräser 13 sind die beiden Achsen M, R parallel zueinander ausgerichtet, d. h. der randseitige Abschnitt 30 hat im Wesentlichen die Form eines Zylindermantels. Beim topfförmigen Fräser 13c schließen die beiden Achsen R, M einen spitzen Winkel γ zwischen 0° und 90° ein, der beispielsgemäß in etwa 45° beträgt (10 und 11). Bei γ = 0° handelt es sich um einen Glockenfräser 13d, bei und γ = 90° handelt es sich um einen Scheibenfräser 13b, wie er in 12 veranschaulicht ist.
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Zahnrades, beispielsweise eines bogenverzahnten Kegelrades. Die Zähne 11 des herzustellenden Zahnrades sollen Zahnflanken 10 mit einem ballig gekrümmten Verlauf vom Zahnfuß 14 in Richtung zum Zahnkopf 15 hin erhalten, wobei sich die Zahnflankensollkrümmung Z ändert und in aufeinanderfolgenden Zahnflankenabschnitten 24, 25, 26 unterschiedlich groß ist. Hierfür wird ein rotierendes Werkzeug 13 mit wenigstens einer Schneide 20 oder einer Schneidfläche eingesetzt. Die Schneide 20 weist eine Schneidenkrümmung S auf, die zumindest in einem gekrümmten Abschnitt 21 ungleich null ist. Die Schneidenkrümmung S ist an jeder Stelle betragsmäßig kleiner als der Betrag der maximalen Zahnflankensollkrümmung Z. Ein erster Zahnflankenabschnitt 24 wird in einer ersten Relativlage des Werkzeugs 13 gegenüber dem Zahnradrohling 12 und ein zweiter Zahnflankenabschnitt 25 in einer zweiten Relativlage des Werkzeugs 13 gegenüber dem Zahnradrohling 12 spanend bearbeitet. Die Relativlagen zur Bearbeitung unterschiedlicher Zahnflankenabschnitte 24, 25 sind voneinander verschieden.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Zahnflanke
- 11
- Zahn
- 12
- Zahnradrohling
- 13
- Werkzeug
- 13a
- Schaftfräser
- 13b
- Scheibenfräser
- 13c
- topfförmiger Fräser
- 13d
- Glockenfräser
- 14
- Zahnfuß
- 15
- Zahnkopf
- 20
- Schneide
- 20a
- äußere Schneide
- 20i
- innere Schneide
- 21
- gekrümmter Abschnitt
- 22
- gerader Abschnitt
- 24
- erster Zahnflankenabschnitt
- 25
- zweiter Zahnflankenabschnitt
- 26
- dritter Zahnflankenabschnitt
- 28
- Kontaktstelle
- 29
- Gegenkontaktstelle
- 30
- randseitiger Abschnitt
- α1
- erster Winkel
- α2
- zweiter Winkel
- γ
- spitzer Winkel
- E
- Erstreckungsrichtung
- H
- Hochachse
- M
- Mittelachse
- R
- Rotationsachse
- P1
- Punkt für erste Schneiden-Tangente
- P2
- Punkt für zweite Schneiden-Tangente
- P3
- Punkt für dritte Schneiden-Tangente
- Q1
- Punkt für erste Zahnflanken-Tangente
- Q2
- Punkt für zweite Zahnflanken-Tangente
- Q3
- Punkt für dritte Zahnflanken-Tangente
- Q4
- Punkt für vierte Zahnflanken-Tangente
- S
- Schneidenkrümmung
- TS1
- erste Schneiden-Tangente
- TS2
- zweite Schneiden-Tangente
- TS3
- dritte Schneiden-Tangente
- TZ1
- erste Zahnflanken-Tangente
- TZ2
- zweite Zahnflanken-Tangente
- TZ3
- dritte Zahnflanken-Tangente
- TZ4
- vierte Zahnflanken-Tangente
- Z
- Zahnflankensollkrümmung
