DE102016008435A1

DE102016008435A1 - Radförmiges Verzahnungswerkzeug

Info

Publication number: DE102016008435A1
Application number: DE102016008435.9A
Authority: DE
Inventors: Edgar Weppelmann; Anthony J. Norselli; Martin Wayne
Original assignee: Gleason Pfauter Maschinenfabrik GmbH
Current assignee: Gleason Pfauter Maschinenfabrik GmbH
Priority date: 2016-07-11
Filing date: 2016-07-11
Publication date: 2018-01-11
Also published as: JP2019524461A; CN109475954B; JP7149926B2; EP3481575B1; WO2018010838A1; CN109475954A; EP3481575A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein radförmiges Verzahnungswerkzeug, insbesondere Schälrad, zur Bearbeitung von Verzahnungen, insbesondere in der Kinematik des Wälzschälverfahrens, mit Schneidzähnen, an deren im Bearbeitungsgriff der zu bearbeitenden Verzahnung zugewandten Seite Schneidkanten vorgesehen sind, wobei eine erste Schneidkante eines Schneidzahns durch den Schnitt einer Zahnflanke des Schneidzahns mit einer zu der Spanfläche dieser ersten Schneidkante gehörenden ersten insbesondere ebenen Fläche gebildet ist, deren Normalenvektor an der ersten Schneidkante sich in seiner Orientierung von der Orientierung des Normalenvektors auf eine zweite insbesondere ebene Fläche unterscheidet, deren Schnitt mit der anderen Zahnflanke des Schneidzahns eine zweite Schneidkante des Schneidzahns bildet und die zu der Spanfläche der zweiten Schneidkante gehört, wobei der Normalenvektor auf die zweite Fläche an der zweiten Schneidkante im gleichen radialen Abstand von der Drehachse des Verzahnungswerkzeugs ansetzt wie der Normalenvektor auf die erste Fläche.

Description

Die Erfindung betrifft ein radförmiges Verzahnungswerkzeug, insbesondere Schälrad, zur Bearbeitung von Verzahnungen, insbesondere in der Kinematik des Wälzschälverfahrens, mit Schneidzähnen, an deren im Bearbeitungsgriff der zu bearbeitenden Verzahnung zugewandten Seite Schneidkanten vorgesehen sind.
Derartige Verzahnungswerkzeuge sind gut bekannt, beispielsweise in einer Anwendung des Wälzschälens in DE 10 2011 009 027 A1 offenbart. Des Weiteren sind derartig gestaltete Verzahnungswerkzeuge auch zum Bearbeiten vorverzahnter bereits gehärteter Werkstücke einsetzbar, im sogenannten Hartschalen (siehe Bausch „Innovative Zahnradfertigung", 3. Auflage, S. 408).
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Verbesserung der mit derartigen Verzahnungswerkzeugen durchgeführten Bearbeitungsprozesse zu erreichen, insbesondere unter Berücksichtigung einer aufeinanderfolgenden Bearbeitung mehrerer Werkstücke.
Diese Aufgabe wird durch eine Weiterbildung eines Verzahnungswerkzeugs der oben genannten Art erreicht, die im Wesentlichen dadurch gekennzeichnet ist, dass eine erste Schneidkante eines Schneidzahns durch den Schnitt einer Zahnflanke des Schneidzahns mit einer zu der Spanfläche dieser ersten Schneidkante gehörenden ersten insbesondere ebenen Fläche gebildet ist, deren Normalenvektor an der ersten Schneidkante sich in seiner Orientierung von der Orientierung des Normalenvektors auf eine zweite insbesondere ebene Fläche unterscheidet, deren Schnitt mit der anderen Zahnflanke des Schneidzahns eine zweite Schneidkante des Schneidzahns bildet und die zu der Spanfläche der zweiten Schneidkante gehört, wobei der Normalenvektor auf die zweite Fläche an der zweiten Schneidkante im gleichen radialen Abstand von der Drehachse des Verzahnungswerkzeugs ansetzt wie der Normalenvektor auf die erste Fläche.
Bei der erfindungsgemäßen Gestaltung des Verzahnungswerkzeugs ist die Gestaltungsfreiheit für die in Bearbeitungseingriff der jeweiligen Schneidkanten wirksamen Keilwinkeln beim Spanabtrag am Werkstück erhöht. Es können für den Spanabtrag somit in erhöhtem Maße unabhängig voneinander für die Bearbeitung mit der linken und der rechten Schneidkante mit betragsmäßig unterschiedlichen Spanwinkeln gearbeitet werden und z. B. auch beidseitig mit negativen Spanwinkeln gearbeitet werden. Unter einem Normalenvektor (erster Normalenvektor für erste Fläche und zweiter für zweite Fläche) ist der nach außen gerichtete Normalenvektor zu verstehen. Dieser schließt mit dem im gleichen Ansatzpunkt angesetzten äußeren Normalenvektor auf die Zahnflanke einen Winkel ein, der zusammen mit dem Keilwinkel an dieser Stelle 180° beträgt.
Es ist denkbar, dass die erste und/oder zweite Fläche gekrümmt ist, wobei die Krümmung z. B. dem Verlauf der zugehörigen Zahnflanke, in Projektion auf die Normalenebene der Drehachse des Verzahnungswerkzeugs gesehen, folgt. Besonders bevorzugt ist die erste Fläche jedoch eben ausgebildet und die zweite Fläche insbesondere bevorzugt ebenfalls eben ausgebildet. Dies liefert Handhabungsvorteile beim Nachschärfen des Verzahnungswerkzeugs nach einer Anzahl von Bearbeitungen, das üblicherweise durch ein Nachschleifen erfolgt.
In einer weiteren besonders bevorzugten Ausgestaltung laufen die beiden Normalenvektoren auseinander. Insbesondere ist/sind der erste und/oder der zweite Normalenvektor, insbesondere beide, von einer Ebene weggerichtet, die durch die Mitte des Schneidzahns verläuft und orthogonal zu einer Verbindungsgeraden zwischen einem Punkt der ersten Schneidkante und einem Punkt der zweiten Schneidkante, wobei diese beiden Punkte den gleichen radialen Abstand von der Drehachse des Verzahnungswerkzeugs haben. Dadurch ergeben sich über größere Keilwinkel negative Spanwinkel an beiden Schneidkanten und es kann eine Verbesserung in der Standzeit des Verzahnungswerkzeugs erreicht werden. Der von den jeweiligen Normalenvektoren und der vorstehend definierten Ebene eingeschlossene Winkel ist dabei bevorzugt im Wesentlichen gleich groß.
Bevorzugt schließen an beiden Zahnkanten die Normalenvektoren an der Zahnkante zwischen jeweiliger Spanfläche (erster/zweiter Fläche) und jeweiliger Zahnflanke einen Winkel von kleiner 90° ein, bevorzugt kleiner 85°, weiter bevorzugt kleiner 80°.
Wenn bei einer Bearbeitung beispielsweise eines vorverzahnten Werkstücks eine Bearbeitung im Fußbereich des Werkstücks nicht erfolgt, genügt es zudem, die wirksamen Schneidkanten, also in dem Bereich des linken und rechten Profils des Werkzeug-Schneidzahnes derart auszubilden, die Zahnspitze des Verzahnungswerkzeugs kommt dann nicht schneidend zum Einsatz.
Bevorzugt ist vorgesehen, dass die beiden wie oben definierten Normalenvektoren einen Winkel von bevorzugt mehr als 20°, weiter bevorzugt mehr als 25°, insbesondere mehr als 30° einschließen, wobei dieser Winkel bevorzugt geringer ist als 70°, weiter bevorzugt geringer ist als 65° und insbesondere geringer ist als 60°. Besonders bevorzugt liegt dieser Winkel im Bereich 45° +– 10°.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform verläuft der erste oder der zweite Normalenvektor parallel zu der Drehachse des Verzahnungswerkzeugs. Dies liefert weitergehende Vorteile beim Nachschärfen des Verzahnungswerkzeugs, da es ermöglicht, Spanflächenbereiche mehrerer Schneidzähne im gleichen Schleifvorgang parallel zu bearbeiten.
Die erfindungsgemäße Gestaltung des Verzahnungswerkzeugs ist für positive, negative wie auch Null betragende Kopfspanwinkel des Schneidzahns einsetzbar, ein Kopfspanwinkel von Null wird jedoch bevorzugt, um die Geometrie des Verzahnungswerkzeugs insgesamt zu vereinfachen und damit auch die Berechnungen bei der zugehörigen Werkzeugauslegung.
In einer bevorzugten Variante ist das Verzahnungswerkzeug schräg verzahnt, insbesondere mit einem Betrag des Schrägungswinkels von größer 10°, bevorzugt größer 15° und insbesondere kleiner 30°, bevorzugt kleiner 25°. Mit dieser Gestaltung können auch gradverzahnte Werkstücke gut in der Kinematik des Wälzschälverfahrens bearbeitet werden.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass ein Winkel zwischen einer Verbindungsgeraden zwischen einem Punkt der ersten Schneidkante und einem Punkt der zweiten Schneidkante, die den gleichen radialen Abstand von der Drehachse des Verzahnungswerkzeugs haben, zur Normalenebene der Drehachse des Verzahnungswerkzeugs einen Winkel einschließt, der um weniger als 10°, insbesondere weniger als 5° von dem Schrägungswinkel abweicht, und insbesondere gleich dem Schrägungswinkel ist.
In einer weiteren zweckmäßigen Gestaltung ist das Verzahnungswerkzeug aus vollem Material gebildet, insbesondere aus Voll-Stahl oder Voll-Hartmetall. Obgleich derartige Werkzeuge beengte Platzverhältnisse zwischen den einzelnen Werkzeugzähnen aufweisen, ist aufgrund der erfindungsgemäßen Weiterbildungen dennoch ein vergleichsweise einfacherer Zugang für das Nachschärfwerkzeug gegeben.
Neben einem Verfahren zur Bearbeitung von Verzahnungen mit einem nach einem der oben erläuterten Aspekte ausgelegten Verzahnungswerkzeug, insbesondere in der Kinematik des Wälzschälens und insbesondere als Bearbeitung von gehärteten, vorverzahnten Werkstücken ist von der Erfindung auch unter Schutz gestellt ein Verfahren zum Nachschärfen eines nach einem der oben erläuterten Aspekte gestalteten Verzahnungswerkzeugs, bei dem von der ersten und zweiten insbesondere ebenen Fläche insbesondere ohne Änderung von deren jeweiligen Normalenvektor Material abgenommen wird. Dabei ist wiederum die Ausgestaltung der ersten und zweiten Fläche als ebene Fläche bevorzugt, und der Eingriff eines Schleifwerkzeugs zum Nachschärfen kann flächig erfolgen, insbesondere können 10% oder mehr, insbesondere 25% oder mehr oder sogar 40% oder mehr der ersten bzw. zweiten Fläche in gleichzeitigem flächigen Bearbeitungseingriff mit dem Schleifwerkzeug stehen. Bei einer Variante mit gekrümmten Flächen könnte man z. B. ein Schleifwerkzeug zum Nachschärfen auf einer dieser Krümmung folgenden Bahn entlangführen. Bevorzugt soll sichergestellt werden, dass die Normalenvektoren weiterhin in Richtung auf den Außenraum auseinanderlaufen.
Des Weiteren ist von der Erfindung unter Schutz gestellt eine Verzahnungsmaschine zur Bearbeitung von Verzahnungen, mit einer Werkstückaufnahme zur Aufnahme eines Werkstücks für die Verzahnungsbearbeitung und einer drehbar antreibbaren Werkzeugaufnahme, die ein nach einem der oben erläuterten Aspekte gestaltetes Verzahnungswerkzeug trägt. Die Verzahnungsmaschine weist bevorzugt eine Vorrichtung zum Einmitten/Einzentrieren auf, beispielsweise einen berührungslosen Sensor.
Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung mit Bezug auf die beigefügten Figuren, von denen
1 eine Draufsicht auf die Spanflächen eines Schälrads zeigt,
2 eine Schnittfläche A-A durch drei Zähne des Werkzeuges (Schälrads) 10 zeigt,
3 eine Darstellung eines aufgerollten Schnittes B-B aus 1 zeigt,
4 eine 2 entsprechende Darstellung einer weiteren Ausführungsform zeigt,
5 eine nochmals weitere Ausführungsform in der Darstellung wie 2 zeigt,
6 eine nochmals weitere Ausführungsform in der Darstellung von 2 zeigt, und
7 eine nochmals andere Ausführungsform in der Darstellung von 2 zeigt.
Das in 1 in Draufsicht auf die Spanflächen dargestellte Schälrad 10 ist beispielsweise aus Voll-Stahl oder Voll-Hartmetall gefertigt. Jeweils in der Mitte der Zähne 5 erkennt man einen Übergang zwischen den Flächen 1R, 1L, die im Schnitt mit den rechten bzw. linken Zahnflanken 4R, 4L (2) die Schneidkanten 2R bzw. 2L bilden. Die Drehachse des gezeigten Schälrads 10 verläuft senkrecht zur Papierebene von 1 und ist mit C bezeichnet.
In 2 ist zur vereinfachten Darstellung die zylindrische Schnittfläche auf der Bildfläche flach, d. h. abgerollt, dargestellt. Dargestellt ist eine Variante, bei der der Kopfspanwinkel Null beträgt.
Wie aus 2 zu erkennen ist, handelt es sich um ein links schrägverzahntes Werkzeug mit einem (für die dargestellte Schnittfläche gültigen) Schrägungswinkel β. Die Verbindung zwischen zwei Punkten auf rechter und linker Schneidkante in gleichem radialen Abstand zur Drehachse C verläuft unter einem Winkel ζ zur Orthogonalebene auf die Werkzeugdrehachse (diese Verbindung entspricht der Lage der Spanfläche herkömmlicher Schälräder).
Wie aus 2 hervorgeht, laufen der Normalenvektor n_R auf die Spanfläche 1R an der Schneidkante 2R und der Normalenvektor n_L auf die Spanfläche 1L an der Schneidkante 2L auseinander und schließen einen Winkel von ca. 40° ein. Es ergeben sich bei dieser Ausgestaltung vergleichsweise große Keilwinkel an den Schneidkanten.
Des Weiteren sind die Spanflächen 1L, 1R, auch wenn dies aus der Schnittansicht von 2 alleine nicht erkennbar ist, als ebene Flächen ausgebildet. Zudem liegen die linken Spanflächen 1L auf einer gemeinsamen Ebene, die orthogonal auf der Werkzeugdrehachse C steht. In dieser Konfiguration ist ein Nachschleifen des Schälrads besonders einfach.
Wie aus 3 erkennbar ist, wobei 3 wie 1 durch einen entsprechenden Schnitt aber unterhalb des Zahnfußbereichs des Schälrads 10 (B-B) hervorgeht, setzen sich die ebenen Flächen 1R, 1L auch über den Fußbereich des Schälrads 10 hinaus in Richtung auf dessen Drehachse fort. Dies erhöht nochmals weiter den beim Nachschärfen verfügbaren Bewegungsraum.
Bei der in 4 gezeigten Ausführungsform sind die Winkel (λ_R, λ_L) zwischen der jeweiligen Spanflächenebene und einer direkten Verbindungsgerade zwischen zwei Punkten auf den Schneidkanten gleichen radialen Abstands geringer als bei der in 2 gezeigten Ausführungsform. Es ergeben sich entsprechend geringere Keilwinkel, die aber weiterhin zu negativen Spanwinkeln führen und die Standzeit des Werkzeugs verbessern.
Bei der in 5 gezeigten Ausführungsform wird von der neuen Flexibilität dahingehend Gebrauch gemacht, dass an beiden Schneidkanten deutlich kleinere Keilwinkel eingestellt werden, insoweit ein für bestimmte Anwendungen gewünschter beidseits positiver Spanwinkel beabsichtigt wird. Dennoch bilden die Spanflächen wiederum jeweils ebene Flächen, und das Nachschärfen kann vergleichsweise einfach erfolgen.
Eine weitere mögliche, in 6 gezeigte Ausführungsform verdeutlicht, dass abweichend vom in den vorangegangenen Ausführungsformen dargestellten symmetrischen Variante auch unterschiedliche azimutale Erstreckungen der jeweiligen Spanflächen zum Einsatz kommen können, sowie auch (bezogen auf die Orthogonalebene auf die Verbindungsgeraden zwischen zwei Punkten gleichen radialen Abstands) unterschiedlich orientierte Normalenvektoren auf die Spanflächen an beiden Flanken. Bei diesem Ausführungsbeispiel sind wieder Keilwinkel vorgesehen, die zu negativen Spanwinkeln führen.
Die in 7 dargestellte Ausführungsform beleuchtet, dass die ebenen Spanflächen 1L, 1R nicht wie in den vorangegangenen Ausführungsbeispielen gezeigt unmittelbar ineinander übergehen müssen. Vielmehr kommt es auf die genaue Gestaltung eines azimutalen Zwischenbereichs zwischen den beiden Schneidkanten nicht an, insofern diese weder für den Schneidvorgang eine Rolle spielen noch wesentlichen Einfluss auf das Verhalten der vom Werkstück abgenommenen Späne haben. Auch bei der in 7 dargestellten Ausführungsform bilden die Spanflächen über die radiale Erstreckung der Zahnkante hinweg jeweils eine ebene Fläche und unterscheiden sich somit von einer in einer einzelnen Schnittansicht gleich erscheinenden Gestaltung, bei welcher z. B. zur Bildung der beiden Spanflächen gleichmäßig Material von der Grundform einer gemeinsamen Spanfläche für beide Schneidkanten abgenommen würde. Bei einer derartigen Variante wäre die Spanfläche aufgrund der gekrümmt verlaufenden Zahnflanke ebenfalls gekrümmt und gegenüber den oben erläuterten Ausführungsformen müsste beim Nachschärfen eine Bahn gefahren werden.
Neben den oben erläuterten Varianten des Wälzschälens und Hartschälens ist es auch möglich, Werkzeuge mit der erfindungsgemäßen Struktur im Wälzstoßen einzusetzen, beispielsweise zur Bearbeitung harter oder gehärteter vorverzahnter Werkstücke.
Die Erfindung ist nicht auf die in den obigen Beispielen erläuterten einzelnen Gestaltungen eingeschränkt. Vielmehr können die Merkmale der obigen Beschreibung und der nachstehenden Ansprüche einzeln oder in Kombination für die Verwirklichung der Erfindung in ihren verschiedenen Ausführungsformen wesentlich sein.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102011009027 A1 [0002]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

Bausch „Innovative Zahnradfertigung”, 3. Auflage, S. 408 [0002]

Claims

Radförmiges Verzahnungswerkzeug (10), insbesondere Schälrad, zur Bearbeitung von Verzahnungen, insbesondere in der Kinematik des Wälzschälverfahrens, mit Schneidzähnen (5), an deren im Bearbeitungsgriff der zu bearbeitenden Verzahnung zugewandten Seite Schneidkanten (2R, 2L) vorgesehen sind, dadurch gekennzeichnet, dass eine erste Schneidkante (2R) eines Schneidzahns durch den Schnitt einer Zahnflanke (4R) des Schneidzahns mit einer zu der Spanfläche dieser ersten Schneidkante gehörenden ersten insbesondere ebenen Fläche (1R) gebildet ist, deren Normalenvektor (n_R) an der ersten Schneidkante (2R) sich in seiner Orientierung von der Orientierung des Normalenvektors (n_L) auf eine zweite insbesondere ebene Fläche (1L) unterscheidet, deren Schnitt mit der anderen Zahnflanke (4L) des Schneidzahns eine zweite Schneidkante (2L) des Schneidzahns bildet und die zu der Spanfläche der zweiten Schneidkante (2L) gehört, wobei der Normalenvektor (n_L) auf die zweite Fläche (1L) an der zweiten Schneidkante (2L) im gleichen radialen Abstand von der Drehachse (C) des Verzahnungswerkzeugs ansetzt wie der Normalenvektor (n_R) auf die erste Fläche (1R).
Verzahnungswerkzeug nach Anspruch 1, bei dem der erste und der zweite Normalenvektor in Richtung auf den Außenraum auseinanderlaufen.
Verzahnungswerkzeug nach Anspruch 1 oder 2, bei dem sich die erste und/oder zweite ebene Fläche, insbesondere beide, über einen Zahnfußbereich des Schneidzahns hinaus in Richtung auf die Drehachse des Verzahnungswerkzeugs erstreckt/erstrecken.
Verzahnungswerkzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der erste oder der zweite Normalenvektor parallel zu der Drehachse des Verzahnungswerkzeugs verläuft.
Verzahnungswerkzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Kopfspanwinkel des Schneidzahns Null ist.
Verzahnungswerkzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, das schräg verzahnt ist, insbesondere mit einem Betrag des Schrägungswinkels (β) von größer 10°, bevorzugt größer 15° und insbesondere kleiner 30°, bevorzugt kleiner 25°.
Verzahnungswerkzeug nach Anspruch 6, bei dem ein Winkel zwischen einer Verbindungsgeraden zwischen einem Punkt der ersten Schneidkante und einem Punkt der zweiten Schneidkante, die den gleichen radialen Abstand von der Drehachse des Verzahnungswerkzeugs haben, zur Normalenebene der Drehachse des Verzahnungswerkzeugs einen Winkel (ε) einschließt, der um weniger als 10°, insbesondere weniger als 5° von dem Schrägungswinkel (β) abweicht, insbesondere gleich dem Schrägungswinkel ist.
Verzahnungswerkzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, das aus Voll-Material, insbesondere Voll-Stahl oder Voll-Hartmetall gebildet ist.
Verfahren zur Bearbeitung von Verzahnungen mit einem Verzahnungswerkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 8, insbesondere in der Kinematik des Wälzschälens und insbesondere als Bearbeitung von gehärteten, vorverzahnten Werkstücken.
Verfahren zum Nachschärfen eines Verzahnungswerkzeugs nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei dem von der ersten und zweiten insbesondere ebenen Fläche insbesondere ohne Änderung von deren jeweiligem Normalenvektor Material abgenommen wird, insbesondere durch flächigen Eingriff eines Schleifwerkzeugs.
Verzahnungsmaschine zur Bearbeitung von Verzahnungen, mit einer Werkstückaufnahme zur Aufnahme eines Werkstücks für die Verzahnungsbearbeitung und einer drehbar antreibbaren Werkzeugaufnahme, die ein Verzahnungswerkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 8 trägt.
Verzahnungsmaschine nach Anspruch 11, mit einer Einmittvorrichtung zur Ermittlung der relativen Drehlage der Werkstückverzahnung.