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Die Erfindung betrifft das Gebiet der ergänzenden Zahnformung und spezieller ein Verfahren zum Bearbeiten einer sich um ihre Verzahnungsachse drehenden Verzahnung, bei dem man einen bei einem Anfasen einer Zahnstirnkante der Verzahnung auf einer Zahnflanke der Verzahnung in einem zahnstirnkantennahen Bereich entstandenen Sekundärgrat durch einen wälzenden Bearbeitungseingriff mit einem sich um eine Werkzeugachse drehenden Bearbeitungswerkzeug wenigstens zum überwiegenden Teil beseitigt, sowie eine zur Ausführung dieses Verfahrens geeignete Anordnung.
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Bekannterweise entsteht bei der spanenden Herstellung von Verzahnungen, beispielsweise durch Wälzfräsen, an den Zahnstirnkanten ein Grat, der im Wege der ergänzenden Zahnformung aus diversen Gründen beseitigt werden muss. Denn zum einen soll eine Stirnfläche des Zahnrads in nachfolgenden Arbeitsgängen oft als planare Spann- oder Bestimmungsfläche dienen, deren Planarität durch den Grat gestört wird. Zudem besteht die Gefahr, dass sich der Grat des später gehärteten Zahnrads im Einsatz beim Lauf in einem Getriebe abspringt und eine Beschädigung der Zahnflanken oder von Getriebebauteilen herbeiführt. Abgesehen davon stellt ein solcher Grat auch eine Verletzungsgefahr bei der Handhabung der Werkstücke dar, und erhöht das Risiko von Transportbeschädigungen.
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Aus diesen Gründen versieht man die Zahnstirnkanten mit einer Fase. Eine bildliche Darstellung von Zähnen nach dem Wälzfräsen und nach dem Fasen findet sich in Bild 8.1-1, erste Zeile, Spalten 2, 3 auf S. 4 von Thomas Bausch, Innovative Zahnradfertigung, 3. Auflage.
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Eine Möglichkeit, die Fase zu bilden, ist ein umformendes Verfahren, bei dem beispielsweise ein zahnradförmiges Werkzeug mit zur Verzahnungsachse paralleler Werkzeugachse in abwälzenden Bearbeitungseingriff mit der anzufasenden Verzahnung gebracht wird und die Fase durch plastische Verformung bildet. Ein solches Verfahren ist beispielsweise in der
EP 1 270 127 A1 beschrieben und wird auch als Wälzentgraten bezeichnet. Bei dieser plastischen Umformung wird jedoch in dem Randbereich der angrenzenden Zahnflanke ein sogenannter Sekundärgrat aufgeworfen. Sofern das Werkstück auf eine hohe Verzahnungspräzision ausgelegt wird und deshalb nach dem Härteprozess noch einer Hart-/Feinbearbeitung wie Schleifen oder Honen unterzogen wird, ist auch dieser Sekundärgrat noch zu beseitigen, da er andernfalls zu einer hohen Abnutzung des Hartbearbeitungswerkzeugs führen würde.
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Zur Beseitigung dieses Sekundärgrats sind beispielsweise Zusatzwerkzeuge in Kombination mit dem Anfaswerkzeug eingesetzt worden. So offenbart
DE 10 2009 018 405 ein Werkzeugrad, das mit einem dazu koaxialen verzahnten Anfasrad drehfest verbunden ist und an der Stirnseite seiner Zähne im Wesentlichen in Umfangsrichtung verlaufende Ausnehmungen aufweist, die im Stirnschnitt auf einem oder mehreren Kreisbögen oder dem Gang einer Spirale liegen können, bei dessen Einsatz ein Abrollen in Zahnhöhenrichtung des Werkstücks stattfindet. Deutlich verbreiteter ist jedoch das in der oben genannten Literaturstelle Bausch auf S. 309 in Bild 8.2-5 dargestellte Kombinationswerkzeug, das sich in seiner Grundausführung aus zwei Wälzentgraträdern und einer Distanzscheibe zusammensetzt und bei dem neben einem Entgratbereich auch ein Glättbereich vorgesehen ist, der den Sekundärgrat durch Nachdrücken glattwalzt, siehe auch
EP 1 270 127 A1 .
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Mit dem Aufkommen der sogenannten Doppelspindelmaschinen, bei denen zwei Werkstückspindeln auf einem Drehhalter derart angeordnet sind, dass sich eine Werkstückspindel in einer Bearbeitungsposition für das Wälzfräsen und die andere Werkstückspindel in der Bearbeitungsposition für das Anfasen liegt und durch 180° Drehung des Drehhalters vice versa, ist das Problem der Sekundärgratbeseitigung derart gelöst worden, dass der Drehhalter nach dem Anfasen das angefaste Werkstück nochmals in die Wälzfräsposition verbringt und der Wälzfräser in einem zweiten Schnitt die Sekundärgrate an den Werkstückzahnflanken beseitigt. Dies ist in
EP 2 066 473 B1 beschrieben.
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Da sämtliche vorgenannten Verfahren zur Sekundärgratbeseitigung mit erheblichem Aufwand verbunden sind, werden auch Verfahren herangezogen, bei denen die Fase durch Schneiden der Zahnstirnkanten erzeugt wird, wie beispielsweise in
DE 10 2009 019 433 A1 offenbart ist.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art unter Aufrechterhaltung einer zufriedenstellenden Bearbeitungsqualität zu vereinfachen.
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Diese Aufgabe wird in verfahrenstechnischer Hinsicht durch eine Weiterbildung des Verfahrens der eingangs genannten Art gelöst, die im Wesentlichen dadurch gekennzeichnet ist, dass das Bearbeitungswerkzeug wenigstens eine Schneide aufweist, die man durch Vorsehen eines von Null verschiedenen Achskreuzwinkels zwischen der Verzahnungsachse und der Werkzeugachse im Bearbeitungseingriff eine den Sekundärgrat schneidend abtragende Bewegung ausführen lässt.
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Im Rahmen der Erfindung ist erkannt worden, dass sich ein schneidendes Abtragen des Sekundärgrats, das einem Glattwalzen des Sekundärgrats als überlegen angesehen wird, durch den erfindungsgemäß vorgesehenen von Null verschiedenen Achskreuzwinkel zwischen der Verzahnungsachse und der Werkzeugachse mit einer einfachen Werkzeuggestaltung unter guten Bearbeitungsergebnissen erreichen lässt.
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In einer besonders bevorzugten Ausführungsform wird auch der Sekundärgrat an der anderen Zahnflankenseite wenigstens zum überwiegenden Teil beseitigt, insbesondere im gleichen Bearbeitungseingriff und/oder mit insbesondere dem gleichen Bearbeitungswerkzeug, Dies erlaubt kürzere Bearbeitungszeiten für die Sekundärgratbeseitigung. Bevorzugt wird der Sekundärgrat an beiden Seiten nicht nur zum überwiegenden Teil sondern auch vollständig beseitigt, jedoch kann eine Beseitigung zum überwiegenden Teil bereits ausreichen, um die Belastungen für ein Hart-/Feinbearbeitungswerkzeug einer nach dem Härten erfolgenden Hart-/Feinbearbeitung signifikant zu verringern.
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In einer besonders bevorzugten Ausführungsform erfolgt bei dem Bearbeitungseingriff keine schneidende Bearbeitung in dem bezüglich der Verzahnungsachse mittigen Bereich der Zahnflanke. Auf diese Weise können die für einige Hart-/Feinbearbeitungsverfahren, z. B. für das Honen erwünschten Fräsvorschubmarkierungen am Werkstück erhalten bleiben.
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In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist die wenigstens eine Schneide durch einen Steg an der Werkzeugverzahnung wie bei einem Schabrad gebildet. Das heißt, der Steg ist gebildet durch eine Ausnehmung im Zahnkopfbereich quer zur Zahnkopfkante, die in Form einer Nut wie bei einem Schabrad vorgesehen sein kann. In diesem Zusammenhang ist auch vorgesehen, dass der Steg durch Vorsehen einer Spiralnutung am Werkzeug gebildet ist. Dies erlaubt ein gleichmäßiges Abtragen ohne axiale Relativbewegung zwischen Werkzeug und Verzahnung.
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In einer weiter bevorzugten Verfahrensgestaltung erfolgt das Abtragen des Sekundärgrats in Richtung der Verzahnungsachse gesehen von der Verzahnungsmitte nach außen, insbesondere an beiden Seiten. Insoweit eine gleichzeitige Bearbeitung an beiden Seiten der Verzahnung gewünscht ist, darf in diesem Zusammenhang die Schneidrichtung der Schneide an einer Seite auch von außen nach innen verlaufen, das Abtragen des Grats durch mehrere aufeinanderfolgende schneidende Bearbeitungseingriffe erfolgt dennoch von innen nach außen.
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In einer besonders bevorzugten Ausführungsform weist eine/die vorgegebene Werkzeuggestaltung in einem bezüglich der Werkzeugachse mittigen Bereich eine Einbuchtung auf. Diese kann zum einen bewirken, dass im mittigen Bereich der Zahnflanke keine schneidende Bearbeitung erfolgt, zum anderen erlaubt sie in herstellungstechnisch einfacher Weise eine Trennung des Werkzeugs in zwei unterschiedliche Bereich, von denen ein jeweiliger für die Sekundärgratentfernung an jeweils einer Seite der Verzahnung ausgelegt ist. Bei dieser Auslegung kann in einer bevorzugten Ausgestaltung vorgesehen werden, dass an bezüglich der Werkzeugachse beiden Randbereichen eine Spiralnutung unterschiedlich gerichteten Dralls gebildet ist, wodurch sich ohne zwischenzeitliche Änderung einer Drehrichtung an der Maschinenachse ein beidseitiges Abtragen von innen nach außen realisieren Isst. Die Einbuchtung könnte sich jedoch auch durch ein in Zahnbreitenrichtung hohl gebildetes Werkzeug ergeben.
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In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens wird die Verzahnung nach der Sekundärgratbeseitigung gehärtet und einer Feinbearbeitung unterzogen, insbesondere einem Honverfahren. Auf diese Weise wird eine hohe Endgenauigkeit des fertigen Werkstücks sichergestellt.
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In vorrichtungstechnischer Hinsicht stellt die Erfindung eine Anordnung zum Bearbeiten einer Verzahnung mit einem Verfahren nach einem der vorhergehenden Verfahrensaspekte bereit, mit einer insbesondere drehangetriebenen Werkstückspindel zur Aufnahme der Verzahnung und einer insbesondere nicht drehangetriebenen drehbaren Lagerung für das Bearbeitungswerkzeug, einem von Null verschiedenen Achskreuzwinkel zwischen der Werkstückspindelachse und der Drehachse der Werkzeuglagerung sowie einer linearen Positionierachse, über die der Achsabstand der beiden Drehachsen einstellbar ist.
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Die Vorteile der erfindungsgemäßen Anordnung ergeben sich aus den oben erläuterten Vorteilen des erfindungsgemäßen Verfahrens. In der bevorzugten Variante der nicht drehangetriebenen drehbaren Lagerung für das Bearbeitungswerkzeug bildet das Bearbeitungswerkzeug und seine Lagerung weniger eine eigenständige Maschine als vielmehr eine zusätzliche Bearbeitungseinheit. Zur weiteren Vereinfachung der Einheit kann vorgesehen werden, dass außer der etwaig bearbeitungswerkzeugseitig vorgesehenen linearen Positionierachse das Bearbeitungswerkzeug keine weiteren linearen Maschinenachsen zur Werkzeugpositionierung aufweist. Hinsichtlich rotatorischen Positionierach-Sen kann vorgesehen werden, dass der Wert des von Null verschiedenen Achskreuzwinkels über eine Maschinenachse einstellbar ist. Dies könnte eine NC-Maschinenachse sein. In einfacheren Gestaltungen kann jedoch auch vorgesehen sein, dass der Achskreuzwinkel zwar einstellbar ist, aber nicht über eine NC-Maschinenachse, sondern per Hand, stufenlos oder mit einer Anzahl von beabstandeten Einstellwerten für den Achskreuzwinkel. Konstruktionsmäßig besonders einfach ist eine ebenfalls bevorzugte Variante, bei der die Werkzeugdrehachse raumfest ist und der Achskreuzwinkel insbesondere festliegt.
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Der Achskreuzwinkel ist bevorzugt größer als 3°, weiter bevorzugt größer als 4°, insbesondere größer als 5° und bevorzugt kleiner als 35°, weiter bevorzugt kleiner als 25°, insbesondere kleiner als 15°.
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In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist die Anordnung in eine zur Erzeugung von Verzahnungen aus Rohlingen ausgelegten Verzahnungsmaschine integriert, insbesondere als eine insbesondere auch eine Anfaseinrichtung aufweisende separate Bearbeitungsstation derart, dass die Werkstückspindel nicht die Hauptwerkstückspindel ist, auf der der Rohling zur Verzahnungserzeugung aufgespannt ist. Auf diese Weise kann während des Anfasens/Entgratens auf der Hauptwerkstückspindel bereits ein nachfolgender Rohling zur Verzahnungserzeugung aufgespannt werden, und die Hauptzeiten werden verringert. Aber auch andere Einsätze der Anordnung bei einspindligen oder mehrspindligen Maschinen sind denkbar.
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Desweiteren wird von der Erfindung unter Schutz gestellt eine Werkzeugmaschine, insbesondere Wälzfräsmaschine mit einer Anordnung nach einem der oben angegebenen Gesichtspunkte. Diese Werkzeugmaschine weist bevorzugt einen die Verzahnung von einer/der Hauptwerkstückspindel auf die Werkstückspindel (der ergänzenden Zahnformung) verbringenden Werkstückwechsler auf. Die Anordnung eignet sich jedoch auch für andere Maschinen wie Wälzstoß- oder -schälmaschinen.
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Zudem hat die Werkzeugmaschine eine Steuerung, die die Maschinenachsen der Werkzeugmaschine zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der oben erläuterten Verfahrensaspekte steuert.
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Desweiteren stellt die Erfindung ein zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der oben genannten Verfahrensaspekte geeignetes Bearbeitungswerkzeug unter Schutz, mit einem bezüglich der Werkzeugachse ersten Randbereich in Form einer vorgegebenen Schabradgeometrie, einem mittleren Bereich mit von dieser Schabradgeometrie zur Vermeidung eines schneidenden Bearbeitungseingriffs abweichenden Gestalt und einem den ersten Randbereich entgegengesetzten zweiten Randbereich, dessen Zähne den gleichen wälzenden Eingriff in die Verzahnung wie den der vorgegebenen Schabradgeometrie erlaubt.
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Ein derartiges Werkzeug ist vergleichsweise einfach herstellbar und weist Stege im Kopfbereich der Verzahnung der Randbereiche des Werkzeugs auf, die quer zur Zahnkopfkante des Bearbeitungswerkzeugs verlaufen.
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Weitere Merkmale, Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachstehenden Beschreibung mit Bezug auf die beigefügten Figuren, von denen
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1 eine Seitenansicht von Funktionsbereichen einer Anfas- und Entgrateinrichtung zeigt,
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2 die Positionierung von Werkstück und Bearbeitungswerkzeug zur Sekundärgratbeseitigung unter einem Achskreuzwinkel zeigt,
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3 eine Darstellung des Bearbeitungswerkzeugs zur Sekundärgratbeseitigung zeigt, und
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4 eine schematische Darstellung einer Wälzfräsmaschine mit Anfas- und Entgratstation zeigt.
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Mittig in 1 ist ein Zahnrad 2 (schematisch ohne Zähne) dargestellt, das beispielsweise durch Wälzfräsen erzeugt wurde, an den Zahnstirnkanten noch (Primär-)Grate aufweist und auf einer nicht dargestellten Spindel mit Werkstückspindelachse C4 drehend antreibbar aufgespannt ist. Zur in 1 linken Seite ist eine aus dem Stand der Technik bekannte Wälzentgrateinheit angeordnet, die zwei voneinander axial beabstandete Wälzentgraträder W1, W2 aufweist, die unter einem entlang der radialen Positionierachse X1 ausgeübten Anpressdruck die Zahnstirnkanten des Zahnrads 2 an der oberen und unteren Seite plastisch in eine Fase umwandeln. Die Anfaseinheit 5 weist zudem eine Maschinenachse Z1 zur Axialpositionierung auf. Die Drehachse C1 der Anfaseinrichtung 5 ist nicht angetrieben, die Wälzentgraträder W1 und W2 werden von dem durch den Werkstücksspindelantrieb mit Spindelachse C4 rotierend angetriebenen Zahnrad 2 mitgenommen. Ebenso könnte die Drehachse C1 jedoch auch angetrieben sein.
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Zwischen den Wälzentgraträdern W1 und W2 ist allerdings kein zahnradförmiges Glättwerkzeug mehr vorgesehen, welches die auf den Zahnflanken beim Anfasen aufgeworfenen Sekundärgrate glattwalzen könnte. Vielmehr ist an der gegenüberliegenden Seite (rechts in 1) eine Einrichtung 6 zur Sekundärgratbeseitigung vorgesehen, die ein um eine Achse C3 drehbares verzahntes Bearbeitungswerkzeug 7 aufweist. Wie besser aus 2 erkennbar, in welcher das Zahnrad 2 und das Werkzeug 7 in Blickrichtung der Achsabstandsachse zu den Drehachsen C4 und C3 dargestellt ist, verläuft die Drehachse C3 des Bearbeitungswerkzeugs 7 und einem Achskreuzwinkel Σ, der zu Veranschaulichkeitszwecken mit ca. 25° eingezeichnet ist, üblicherweise für die Bearbeitung jedoch auf geringere Werte, bevorzugt zwischen 5 und 15° eingestellt ist. Die Einstellung des Achskreuzwinkels Σ könnte dabei über die Drehachse A3 (1) vorgenommen werden, es kann jedoch auch eine hinsichtlich ihrer Orientierung raumfeste Drehachse C3 vorgesehen werden. Über die parallel zur Achsabstandsachse vorgesehene Linearpositionierungsachse X3 kann das Bearbeitungswerkzeug 7 mit der im Zahnrad 2 in und außer Bearbeitungseingriff gebracht werden.
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Wie in 3 zu erkennen ist, weist das Werkzeug 7 eine in 3 nur angedeutete Verzahnung 17 auf, an deren Zahnköpfen Stege 18 ähnlich wie bei einem Schabrad quer zur Zahnkopfkante gebildet sind. Diese Stege 18 bilden Schneidkanten, die aufgrund des Achskreuzwinkels Σ zwischen der Spindelachse C4 und der Drehachse C3 die Sekundärgrate an den Zahnflanken nahe den Zahnstirnkanten des Zahnrads 2 schneidend abtragen, wenn sich das Bearbeitungswerkzeug 7 im wälzenden Bearbeitungseingriff mit dem Zahnrad 2 befindet.
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Wie weiter aus 3 ersichtlich ist, erstreckt sich die Verzahnung 17 nicht über die volle Breite des Werkzeugs 7. Vielmehr ist in einem axial mittigen Bereich M eine Einbuchtung vorgesehen, so dass das Bearbeitungswerkzeug 7, obschon in dieser Ausführungsform einstückig gestaltet, die Form zweier durch einen Distanzhalter voneinander beabstandeten Zahnräder 7L und 7R annimmt. Durch die einstückige Herstellung ist jedoch bei der Herstellung der Verzahnung 17 am Werkzeug 7 einfacher sichergestellt, dass die Verzahnungen 17 in den Bereichen 7L und 7R Teile einer gleichen, nur unterbrochenen Verzahnung sind, mit denen der gleiche Wälzeingriff möglich ist. Die Ausnehmung im mittigen Bereich M sorgt dafür, dass in dem bezüglich der Breitenrichtung des Zahnrads 2 mittigen Bereich keine schneidende Bearbeitung der Zahnflanken des Zahnrads 2 erfolgt. So können Vorschubmarkierungen vom Fräsen dadurch erhalten bleiben.
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Diese Nicht-Bearbeitung in der Mitte des Zahnrads 2 könnte auch dadurch erreicht werden, dass das Werkzeug 7 in Zahnbreitenrichtung hohl ausgebildet ist (negative Balligkeit), also einen im Axialschnitt konkaven Wälzkörper aufweist.
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Wie weiter aus 3 ersichtlich ist, liegen die Stege 18 von um eine Werkstückzähnezahl versetzt aufeinanderfolgend in Eingriff kommenden Zähnen auf einer Spiralbahn 19. Die Einstellungen der Drallrichtungen erfolgen dabei bevorzugt derart, dass der Bereich 7L des Werkzeugs 7 die Sekundärgrate von innen nach außen abträgt, d. h. der Bearbeitungskontakt eines Stegs 18 eines nachfolgenden im Eingriff befindlichen Zahns der Verzahnung 17 liegt gegenüber dem des vorangegangenen Zahns axial weiter außen am Zahnrad 2. Da der Drall der Spirale 19 im anderen Bereich 7R des Werkzeugs 7 dem Drall der Spirale 19 im Bereich 7L entgegengesetzt ist, erfolgt auch an der anderen Seite des Zahnrads 2 ein Sekundärgratabtrag von innen nach außen.
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In 4 ist noch skizzenhaft der Aufbau einer Wälzfräsmaschine dargestellt, in die die Anfasstation 5 und Sekundärgratentfernung 6 integriert sind. Von letzteren sind aus Gründen der vereinfachten Darstellung nur die Drehachsen C1, C3 und C4 eingezeichnet. Auch ist die Wälzfräs-Werkzeugseite nur schematisch mit WF bezeichnet, die in üblicher Art und Weise einen Fräskopf mit einem Wälzfräser aufweist. Letzterer ist beispielsweise in üblicher Art und Weise mit drei linearen Positionierachsen (radial X, axial Z parallel zur Werkstückachse C2 und tangential Y) vorgesehen, wobei die Orientierung der Shiftachse Y entlang der Wälzfräsdrehachse vorgesehen ist, und über eine rotatorische Maschinenachse (A) einstellbar ist (Drehung des Fräskopfes um radiale Achse X). Die Shiftachse Y könnte auch eine (Kreuz-)Schlittenachse sein.
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Wie aus 4 ersichtlich ist, arbeiten das Anfaswerkzeug (Station 5) und die Sekundärgratbeseitigung 6 nicht am Bearbeitungsort des Wälzfräsers, nämlich an der Werkstückspindel C2 (Hauptwerkstückspindel), sondern an der Nebenwerkstückspindel C4. Ein in 4 nur schematisch dargestellter Werkstückwechsler WW verbringt Rohlinge auf die Werkstückspindel C2, wälzgefräste Werkstücke von der Werkstückspindel C2 auf die Nebenspindel C4, und angefaste Werkstücke mit beseitigtem Sekundärgrat von der Werkstückspindel C4 zum Abtransport weg. Beispielsweise ist der Werkstückwechsler ein dreiarmiger Drehwechsler wie in 4 angedeutet.
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Ein auf der Stirnseite des Zahnrads 2 beim Anfasen aufgeworfener Sekundärgrat kann, auch wenn dies in den Figuren nicht gezeigt ist, ebenfalls beseitigt werden, beispielsweise durch Abfeilen oder Abdrehen.
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Die Erfindung ist nicht auf die in dem Ausführungsbeispiel dargestellte Ausführungsform eingeschränkt. Vielmehr können die Merkmale der obigen Beschreibung sowie der nachstehenden Ansprüche einzeln und in Kombination für die Verwirklichung der Erfindung in ihren verschiedenen Ausführungsformen wesentlich sein.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 1270127 A1 [0004, 0005]
- DE 102009018405 [0005]
- EP 2066473 B1 [0006]
- DE 102009019433 A1 [0007]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- Bild 8.1-1, erste Zeile, Spalten 2, 3 auf S. 4 von Thomas Bausch, Innovative Zahnradfertigung, 3. Auflage [0003]
