DE102018001389A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Anfasen verzahnter Werkstücke - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum stirnseitigen Anfasen und Entgraten von Zahnrädern (1) mit einem Anfaswerkzeug (2) mit mindestens einer als Schneidplatte ausgeführten Werkzeugschneide (3) mit wenigstens einer Schneidkanten (4), wobei wenigstens ein als Anfasfräser ausgestaltetes Anfaswerkzeug (2) tangential durch die Verzahnung des Werkrades (1) hindurch fährt.

Description

• Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum stirnseitigen Anfasen verzahnter Werkstücke nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 und des Patentanspruchs 6.
• Aus der EP 1 495 824 B1 ist es bekannt geworden, mit einem Entgratwerkzeug ähnlich einem Scheibenfräser zwischen die Zahnflanken zweier benachbarter Zähne eines Werkstücks einzutauchen. Am Entgratwerkzeug sind in Umfangsrichtung hintereinander Zähne angeordnet, deren Zahnstirnseiten als Spanflächen eingesetzt werden, wobei die Spanflächen im Wesentlichen parallel zur Werkzeugachse ausgerichtet sind. Dieses Vorgehen ist auch unter dem Begriff „Chamfer Cut“ bekannt geworden.
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Bearbeitung von Zahnrädern gebrauchsvorteilhaft weiterzubilden. Gelöst wird die Aufgabe durch ein Verfahren nach der Erfindung gemäß Patentanspruch 1 und eine Vorrichtung nach der Erfindung gemäß Patentanspruch 6. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
• Das erfindungsgemäße Verfahren sowie die erfindungsgemäße Vorrichtung weist einen als Anfasfräser ausgestaltetes Anfaswerkzeug auf , welches tangential durch die Verzahnung des Werkrades hindurch fährt. Von Vorteil ist mittels der vorliegenden Erfindung, dass die Zykluszeit für die Herstellung von Fasen an Verzahnungen und/oder Entgraten von Verzahnungen deutlich verkürzt werden kann.
• In einer weiteren vorteilhaften Ausführung sind Messeinrichtungen vorgesehen, mittels denen die Fertigungsqualität der Werkstücke hauptzeitparallel überwacht werden kann. Bei Bedarf kann die Winkellage der Werkstücke mit Sensoren erfasst werden.
• Weitere Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens:
• Universell einsetzbare Werkzeugprofile:
• Durch die oben beschriebene erfindungsgemäße Kinematik und die Gestaltung des Werkzeugs können Werkstücke gleichen Moduls mit unterschiedlichen Zähnezahlen mit ein und demselben Werkzeugprofil angefast werden. Im Gegensatz dazu erfordert das Chamfer Cut Verfahren ein maßgeschneidertes Werkzeug für jede individuelle Verzahnung bzw. Zähnezahl.
• Gestaltung der Fase durch Hüllschnitte
• Das Fasenprofil wird bei diesem erfindungsgemäßen Verfahren Dank der Kinematik durch sich überlagernde Hüllschnitte erzeugt. Durch den Einstellwinkel Eta und die Gestaltung des Tangentialvorschubs kann die Gestaltung der Fase beeinflusst werden, ohne dass beispielsweise eine logistisch und kostenmäßig aufwendige Anpassung oder Änderung des Profils (Umprofilierung) des Werkzeuges erforderlich ist.
• Darüber hinaus wird die Zerspanarbeit auf mehrere kleine Spanungsquerschnitte aufgeteilt. Jeder Zahn führt einen unterschiedlichen Hüllschnitt aus und dadurch wird eine gute Verteilung der Schneidenbelastung erreicht und somit ist ein sehr gutes Verschleißverhalten zu erwarten.
• Im Gegensatz dazu sind beim Chamfer-Cut-Verfahren mehrere Werkstückrotationen erforderlich, wobei die einzelne Schneide immer exakt denselben Querschnitt schneidet. Dabei entstehen als großer Nachteil zudem Nadelspäne, die schwieriger zu filtern sind.
• Reduktion der Werkzeugkosten
• Durch die einfache Gestaltung des Werkzeuges 1 können günstige Scheibenfräser, oder sogar Schlagzahnkassetten und somit auswechselbare Schlagzähne eingesetzt werden. Die Herstellung solcher Werkzeuge ist sehr viel günstiger und zudem in vorteilhafter Weise die Wiederverwendbarkeit gegeben.
• Steigerung Produktivität
• Gerade die Verwendung von Schlagzähnen ermöglicht in vorteilhafter Weise einen Einsatz von Hartmetall, CBN, Cermet und sonstigen Hochleistungsschneidstoffen, die (Stand heute) noch nicht beim Anfasen zum Einsatz kommen. Das ermöglicht höhere Standmengen, aber auch höhere Schnittgeschwindigkeiten und somit kürzere Taktzeiten als heute üblich.
• Von Bedeutung ist, dass es sich um ein kontinuierliches Verfahren zum Entgraten, bzw. genauer zum Anfasen von gerade-, oder schrägverzahnten Stirnverzahnungen handelt. Dabei wird entlang der Kontur der Verzahnung ein Kantenbruch durch spanende Formung (fräsen) angebracht.
• Im Folgenden wird die Erfindung an Hand eines Ausführungsbeispiels näher beschrieben.
• Es zeigen:
• 1 eine Ausführung des Anfaswerkzeugs.
• 2 den Eingriff des Anfaswerkzeugs 2 am Werkrad / Zahnrad 1.
• 3 das Anfaswerkzeug 2 im Eingriff mit dem Werkrad / Zahnrad 1, wobei das Anfaswerkzeug 2 um einen Einstellwinkel Eta geneigt ist.
• 4 das Anfaswerkzeug 2 im Eingriff mit dem Werkrad / Zahnrad 1, wobei das Anfaswerkzeug 2 um einen Einstellwinkel Eta geneigt ist. Das als Anfasfräser ausgestaltete Anfaswerkzeug 2 fährt tangential durch die Verzahnung des Werkrades 1 hindurch (siehe in der Draufsicht). Optional kann sich der Schwenkwinkel Eta mit fortlaufendem Tangentialweg ändern.
• 5 ein Vorrichtung bzw. Werkzeugmaschine zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
• 6 Werkzeugprofil vor und nach der Transformation.
• 7 die Denavit-Hartenberg-Matrix zur Umrechnung der Profilkoordinaten.
• In 2 und 4 ist der Eingriff des Anfaswerkzeugs 2 am Zahnrad 1 dargestellt. Das Zahnrad 1 ist um eine Rotationsachse 8' antreibbar und das Anfaswerkzeug 2 um eine Rotationsachse 8. Die Rotationsachsen 8, 8' von Anfaswerkzeug 2 und Zahnrad 1 können windschief zueinander angeordnet sein und können über Achskopplung in einem festen Drehzahlverhältnis zueinander in Rotation versetzt werden (siehe 5). Das Anfaswerkzeug 2 weist wenigstens eine an einer Umfangslinie angeordnete Werkzeugschneide 3 auf. Um die Zahnräder 1 an der Ober- und Unterseite in einer Aufspannung entgraten zu können, ist ein zweites Anfaswerkzaug 2' mit wenigstens einer weiteren Werkzeugschneide 3' vorgesehen, die entgegengesetzt zum Drehsinn des ersten Anfaswerkzeug 2 sich dreht bzw. deren wenigstens eine Werkzeugschneide 3 entgegengesetzt zum Drehsinn des ersten Anfaswerkzeug 2 ausgerichtet ist. Die Bearbeitung erfolgt durch einen mit dem Wälzfräsen vergleichbaren Abrollvorgang, wobei die Wirkstelle zwischen Werkzeugschneide 3, 3' und Stirnkante 5 während des Anfasvorganges entlang der Schneidkante 4 wandert.
• Vorteilhaft können mit der Vorrichtung die Stirnkanten beliebiger Verzahnungen angefast werden. Zur Anpassung an andere sind lediglich die Werkzeugschneiden 3, 3' auszutauschen.
• 5 zeigt eine Wälzfräsmaschine oder eine separate Anfasvorrichtung, bei welcher bei der Bearbeitung von Schrägverzahnungen das Werkzeug 1 dem Schrägungswinkel der Verzahnung entsprechend über die Achse A geneigt bzw. verschwenkt wird. Zu diesem Zweck ist - nicht näher dargestellt - der Bearbeitungskopf, welcher die Werkzeuge 1 oder einen die Werkzeuge 1 aufnehmenden Werkzeugträger oder Werkzeugaufnahmedorn trägt, mittels wenigstens einem Antrieb um eine Schwenkachse verschwenkbar.
• Bei diesem erfindungsgemäßen Verfahren kommt ein scheibenförmiges Schneidwerkzeug zum Einsatz. Dieses kann beispielsweise ein Scheibenfräser oder ein Formfräser oder eine Schlagzahnkassette sein, die mindestens eine oder mehrere Schneiden bzw. mindestens einen montierten Schlagzahn oder mehrere aufweist.
• Im Falle von Schlagzähnen ist es unter dem Aspekt der Werkzeugkosten besonders von Vorteil, diese für Mehrfachverwendung wendbar wie eine Wendeschneidplatte auszuführen.
• Dieses Werkzeug 2 wird unter einem bestimmten Winkel (beispielsweise unter 45 Grad) an die anzufasende Verzahnung des Werkrades 1 angestellt (siehe 2). Ggfs. ist hierbei eine Anpassung der Aufspannvorrichtung erforderlich um eine potentielle Kollision zu vermeiden. Das Werkzeug 2 weist beispielsweise vier Schneiden 3 auf (siehe 1).
• Prinzipiell kommen - wie in 5 dargestellt - zwei Werkzeuge 2, 2' zum Einsatz, deren Schnittrichtungen gegenläufig sind. Damit wird zuerst die eine Seite und anschließend, nach erfolgter Shiftung auf das zweite Werkzeug 2' und nach erfolgter Inversion der Schnittrichtung, die zweite Seite des Werkrades 1 angefast. Das Shiften ist in unserer älteren Anmeldung DE 10 2015 012 908 ausführlich offenbart, weshalb auf einen weitere Beschreibung an dieser Stelle verzichtet wird. Zudem zeigen die nachfolgenden Patentansprüche und die aufgezeigten Vorteile die vorliegende Erfindung eindeutig.
• Um das Profil des Werkzeuges 2 zu bestimmen, zieht man zunächst das Bezugsprofil des Wälzfräsers heran, mit dem das Werkrad 1 ursprünglich verzahnt wurde (z.B. DIN 3972 Bezugsprofil II). Dieses Wälzfräserprofil wird nun anhand einer Rotationsmatrix so transformiert, dass der neuen Eingriffssituation, d.h. dem Anstellen des Werkzeuges unter einem bestimmten Winkel, hier beispielsweise 45 Grad (siehe 2), Rechnung getragen wird.
• Eine Möglichkeit zur Bestimmung dieses Profils stellt hierbei die Transformation anhand einer Matrix nach Denavit-Hartenberg dar (siehe 6 und 7). Diese hat den Vorteil, dass zusätzliche rotatorische Drehungen in weiteren Achsen und translative Verschiebungen gleichzeitig durchgeführt werden können und so also auch der Schrägungswinkel im Falle einer Schrägverzahnung mitberücksichtigt werden kann.
• Die Werkzeugschneiden bzw. Fräserzähne 3 des Werkzeuges 2 bzw. - nicht näher dargestellt - die Schlagzähne der Schlagzahnkassette werden dem transformierten Profil entsprechend profiliert und zusätzlich ein Freiwinkel entlang des Profils angebracht.
• Selbstverständlich sind dabei, je nach gewünschter Fasengeometrie, diverse Profilmodifikationen möglich. Beispielsweise können Kopfkantenbrüche, Flankenaufmaße, Protuberanzen, Höhenballigkeiten o.ä. berücksichtigt werden.
• Prozesskinematik & Bearbeitungszyklus:
• Das Werkrad 1 und das als Fräswerkzeug ausgestaltete Anfaswerkzeug 2 rotieren im Drehzahlverhältnis ihrer Zähnezahlen.
• Das heißt konkret: $$n_{Werkstück}=\frac{n_{Werkzeug}\cdot z_{Werkzeug}}{z_{Werkstück}}$$

  
• Zur Verdeutlichung „Z Werkzeug“ entspricht der Anzahl der Schneiden des Werkzeuges.
• Dadurch ist sichergestellt, dass jeder Werkzeugzahn in die nachfolgende Zahnlücke des Werkrades trifft. Man vergleiche auch beim Wälzfräsen die Nutzung eines beispielsweise zweigängigen Wälzfräsers, bei dem der zweite Gang immer in diejenige Lücke trifft, die auf die vom ersten Gang geschnittene Lücke folgt.
• Um dem Fräswerkzeug bessere Schnittbedingungen zu ermöglichen, kann das Fräswerkzeug um einen Einstellwinkel Eta geneigt werden (siehe 3). Dieser errechnet sich zu: $$\eta =\text{arctan}\left(\frac{n_{Werkrad}}{n_{Werkzeug}}\right)$$

  
• Vorteilhaft im Hinblick auf Sekundärgratbildung ist es, die Schnittrichtung in das Werkstück 1 hinein zu wählen. So kann man sich den flachen Schneidenaustrittswinkel in der Verzahnung zunutze machen und vermeidet Sekundärgrate.
• Das Anfaswerkzeug 2 wird zu Beginn des Bearbeitungszyklus auf finale Frästiefe 11 in der Zustellachse Z gestellt. Unter kontinuierlicher Rotation der gekoppelten Achsen fährt das Werkzeug 2 in einem Tangentialvorschub 12 relativ zum Werkrad 1 in die anzufasende Verzahnung 13 ein (siehe 4).
• Um den Tangentialvorschub 12 relativ zum Werkrad 1 fahren zu können, kann je nach Bauart der Maschine, eine zusätzliche Z-Achs-Interpolation erforderlich sein, da ansonsten das Werkzeug 2 nur in seiner Achsrichtung und somit diagonal in Relation zur Werkstückachse in das Werkstück 1 einfahren würde. Der Einstellwinkel Eta bleibt dabei konstant.
• Optional kann das Anfasergebnis, d.h. Winkel und Fasenform, und auch die Schnittbedingungen durch eine zusätzliche Änderung des Einstellwinkel Eta beeinflusst werden. Dies kann über die Schwenkachse der Anfaseinrichtung (A-Achse der Maschine) beeinflusst werden. Diese Schwenkbewegung des Werkzeuges wird dabei dem Tangentialvorschub überlagert. Folglich ändert sich der Einstellwinkel Eta des Werkzeuges mit fortlaufendem Tangentialweg. Zudem kann bei Bedarf gleichzeitig eine Interpolation in der Z-Achse erfolgen. Dabei erreicht der Schwenkwinkel seinen „relativen Nullpunkt“, wenn das Werkzeug 2 orthogonal zur senkrechten Werkradachse 7 steht.
• Wie in 4 dargestellt kann sich der Winkel Eta mit fortlaufendem Tangentialvorschub um +/- 10 Grad vom „Basiswinkel Eta“, der vorzugsweise 6 Grad beträgt, also von 16 Grad bis -4 Grad ändern.
• Eine weitere Möglichkeit der Einflussnahme auf die Fasenausformung besteht darin, den Tangentialvorschub diskontinuierlich zu fahren oder einen kontinuierlich sich ändernden Versatz im Kopplungsverhältnis der rotatorischen Achsen einzubringen.
• Nach dem Austritt des Werkzeuges aus dem Werkrad 1 in tangentialer Richtung ist die Bearbeitung einseitig abgeschlossen. Es wird auf das zweite Werkzeug 2' mit gegenläufiger Schnittrichtung geshiftet, die Schnittrichtung invertiert und die zweite Seite des Zahnrades im selben Verfahren angefast (siehe 5).
• Die Werkzeuge 1 für beide Werkstückseiten können dabei - nicht näher dargestellt - neben dem Wälzfräser für die Herstellung der Verzahnung des Werkrades 1 auf demselben Fräser-Aufspanndorn montiert werden und auf einer Wälzfräsmaschine zum Einsatz kommen. Alternativ kann das Verfahren auch auf einer separaten Anfasmaschine oder einer in der Verzahnungsmaschine integrierten Einrichtung eingesetzt werden.
• Idealerweise wird der Abstand der beiden Anfaswerkzeuge 2 auf dem Werkzeugaufnahmedorn zueinander derart gewählt, dass das Werkzeug 2 mit der drehrichtungsverkehrten Schnittrichtung (das gerade nicht im Einsatz ist), leer durch die bereits existenten Zahnlücken des Werkrades 1 läuft, während das andere Werkzeug 2 gerade im Eingriff ist. Auf diese Art kann der benötigte Shiftweg, ausgeführt durch die Y-Achse der Werkzeugmaschine, in vorteilhafter weise reduziert werden.
• In einer alternativen Ausführungsform kann das Anfaswerkzeug 2 mit mindestens zwei Werkzeugschneiden 3, 3' vorgesehen sein.
• In einer weiteren Ausführungsform ist der Ober- und Unterseite der Werkräder 1 oder Zahnräder 1 mindestens je ein Anfaswerkzeug 2, 2' zugeordnet.
• Die Schneidkannten 4 der Werkzeugschneiden 3, 3' können in einem unterschiedlichen Drehsinn entsprechend ausgerichtet sein.
• Bei der erfindungsgemäße Vorrichtung ändert sich der Winkel Eta mit fortlaufendem Tangentialvorschub um +/- 10 Grad vom „Basiswinkel Eta“, der vorzugsweise insbesondere 6 Grad beträgt, also von vorzugsweise insbesondere 16 Grad bis -4 Grad.
• Bezugszeichenliste

1

Werkstück / Werkrad / Zahnrad

2

Anfaswerkzeug / Werkzeug

3

Werkzeugschneide

4

Schneidkante

5

Stirnkante

6

Fase

7

Rotationsachse Werkrad (C-Achse)

8

Rotationsachse Anfaswerkzeug (B-Achse)

9

Verschwenkung über A-Achse

10

Eingriffsensor / Messsensor zur Qualitätsprüfung

11

Finale Frästiefe

12

Tangentialvorschub

13

Verzahnung

X

X-Achse

Y

Y-Ache

Z

Z-Achse

• ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
• 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.
• Zitierte Patentliteratur
• EP 1495824 B1 [0002]
• DE 102015012908 [0021]

Claims (10)

1. Verfahren zum stirnseitigen Anfasen und Entgraten von Zahnrädern (1) mit einem Anfaswerkzeug (2) mit mindestens einer als Schneidplatte ausgeführten Werkzeugschneide (3) mit wenigstens einer Schneidkante (4), wobei wenigstens ein als Anfasfräser ausgestaltetes Anfaswerkzeug (2) tangential durch die Verzahnung des Werkrades (1) hindurch fährt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, mit folgenden Verfahrensschritten: a) stellen des Anfaswerkzeuges (2) auf finale Frästiefe (11) in der Zustellachse (Z) b) einfahren des Anfaswerkzeuges (2) unter kontinuierlicher Rotation von Anfaswerkzeug (2) und Werkrad (1) in einem Tangentialvorschub (12) relativ zum Werkrad (1) in die anzufasende Verzahnung (13).
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Anfaswerkzeug (2) zu Beginn des Bearbeitungszyklus auf die finale Frästiefe (11) eingestellt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Achsen miteinander gekoppelt werden.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Winkel Eta mit fortlaufendem Tangentialvorschub um +/- 10 Grad vom „Basiswinkel Eta“, der vorzugsweise insbesondere 6 Grad beträgt, also von vorzugsweise insbesondere 16 Grad bis -4 Grad geändert wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine Interpolation der Z-Achse (Z) durchgeführt wird.
7. Vorrichtung zum stirnseitigen Anfasen und Entgraten von Zahnrädern (1) mit einem Anfaswerkzeug (2) mit mindestens einer als Schneidplatte ausgeführten Werkzeugschneide (3) mit wenigstens einer Schneidkanten (4), wobei wenigstens ein als Anfasfräser ausgestaltetes Anfaswerkzeug (2) tangential durch die Verzahnung des Werkrades (1) hindurch fährt.
8. Vorrichtung nach Anspruch 7 zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Patentansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Anfaswerkzeug (2) als eine Schlagzahnkassette mit wenigstens einem auswechselbaren Schlagzahn ausgebildet ist.
9. Vorrichtung nach Patentanspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass als Schlagzahn ein Zahn aus Hartmetall, CBN, Cermet und sonstigen Hochleistungsschneidstoffen zum Anfasen eingesetzt wird.
10. Vorrichtung nach einem der Patentansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Ober- und Unterseite der Werkräder (1) oder Zahnräder (1) mindestens je ein Anfaswerkzeug (2, 2') zugeordnet ist.

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