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Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung stirnradverzahnter Werkstücke mit einer Verzahnung vorgegebener finaler Flankendimensionierung, umfassend die Schritte:
- a) Bereitstellen eines vorzugsweise rotationssymmetrischen, insbesondere gedrehten Werkstückrohlings,
- b) schneidendes Bearbeiten des Werkstückrohlings zum Herstellen einer Rohverzahnung auf dem Umfang des Werkstückrohlings mittels eines Schneidwerkzeugs,
- c) Drückentgraten der stirnseitigen Verzahnungskanten der Rohverzahnung mittels eines Drückwerkzeugs und
- d) schneidendes Bearbeiten, mittels des Schneidwerkzeugs von Schritt b, der drückentgrateten Rohverzahnung zur Entfernung eines beim Drückentgraten von Schritt c im stirnkantennahen Bereich der Rohverzahnungsflanken entstandenen Sekundärgrates zur Schaffung der final dimensionierten Verzahnung.
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Die Erfindung bezieht sich weiter auf entsprechend gefertigte stirnradverzahnte Werkstücke.
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Derartige Verfahren zur Herstellung von Stirnrädern sowie entsprechend gefertigte Stirnräder sind bekannt aus der
DE 10 2015 013 497 A1 sowie der von dieser in Bezug genommenen
EP 2 066 473 B1 .
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Der Begriff des stirnradverzahnten Werkstücks ist im Kontext der vorliegenden Beschreibung weit zu verstehen und umfasst alle wenigstens eine Stirnradverzahnung tragende Werkstücke, insbesondere in Form von Zahnrädern oder stirnradverzahnten Wellen, wie beispielsweise Ritzel- oder Stirnradwellen mit ein- oder mehrfacher Verzahnung.
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Zur Herstellung von schräg- oder geradverzahnten Stirnradverzahnungen wird üblicherweise ein scheiben- oder wellenförmiger, in der Regel gedrehter Werkstückrohling insbesondere mittels eines sogenannten Stollen-Wälzfräsers spanend bearbeitet. Dabei ist es üblich, während eines ersten schneidenden Bearbeitungsschrittes, dem sog. Vorfräsen oder ersten Schnitt eines 2-Schnitt-Verfahrens, zunächst eine Rohverzahnung herzustellen, deren Flankendimensionierung, insbesondere deren Flankenballigkeit und Härteverzugsvorhaltung, von der vorgegebenen finalen Dimensionierung der Zahnflanken der herzustellenden Verzahnung abweicht. Insbesondere werden die Zahnflanken üblicherweise mit einem Rollen- bzw. Kugelübermaß von 200 bis 400 µm, d. h. größer als für die finale Verzahnung spezifiziert, gefertigt. Der Hintergrund für diese gezielte, vorläufige Fehldimensionierung ist in der Notwendigkeit eines nachfolgenden Schrittes des Drückentgratens der Zahnflanken und Verzahnungsstirnkanten zu sehen. An diesen Kanten entsteht bei der schneidenden Bearbeitung ein Grat, der mehrere Nachteile mit sich bringt. Zum einen stört er die Regelmäßigkeit der stirnseitigen Verzahnungskanten, sodass diese in nachfolgenden Bearbeitungsschritten nicht als zuverlässige Orientierungsmarken, beispielsweise zur Ausrichtung von Werkzeugen, nutzbar sind. Besagte Stirnflächen stellen nämlich oft funktionsbedingte planare Spann-, Anlagen- oder Bestimmungsflächen dar, an die teils hohe Planparallelitätsanforderungen gestellt sind. Zudem können entsprechende Grate beim Betrieb eines aus derartigen Zahnrädern aufgebauten Getriebes brechen, wobei die Bruchstücke zu Schäden innerhalb des Getriebes führen können. Diese Gefahr ist besonders groß, wenn, wie üblicherweise vorgesehen, die stirnradverzahnten Werkstücke nach ihrer Formgebung zur Erreichung der geforderten Zahnfußkern- und Oberflächenhärte gehärtet werden. In solchen Härtungsschritten neigen besagte Grate zur Versprödung, der sogenannten Glashärte speziell an den Verzahnungskanten, die dann unter bestimmungsgemäßer Lasteinwirkung zu Mikrobrüchen neigen können. Weiter bilden beim Schneidprozess stehen bleibende Grate eine Verletzungsgefahr bei der nachfolgenden Handhabung der gefertigten Stirnräder. Zudem bergen die entstandenen Grate an den Kanten auch ein erhöhtes Potential, auf dem Bearbeitungsprozess- und Transportweg bis hin zum einbaufertigen Teil sowie während des Montageprozesses beschädigt zu werden.
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Daher ist es üblich, nach der ersten, schneidenden Formgebung die stirnseitigen Verzahnungskanten mittels Drückentgratens zu entgraten. Beim Drückentgraten fährt ein speziell für den Anwendungsfall, in Abhängigkeit der Geometrie ausgelegtes verzahntes Werkzeug unter Druck in die zu entgratende Rohverzahnung des Werkstücks. In der nun folgenden Abwälzbewegung entsteht in dem resultierenden Umformprozess die gewünschte Fase an den Zahnkanten. Dabei wird Werkstückmaterial im Bereich der Zahnkanten durch Druck bei der Abwälzbewegung plastisch verdrängt. Allerdings ergibt sich dabei im stirnkantennahen Bereich der Zahnflanken sowie im Bere3ich der Schutzfase auch ein Sekundärgrat, d.h. eine Aufwölbung des beim Drückentgraten plastisch verschobenen Materials.
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Die derart drückentgratete Rohverzahnung wird alsdann einer weiteren schneidenden Bearbeitung, dem sog. Fertigfräsen oder zweiten Schnitt im 2-Schnitt-Verfahren, insbesondere mit demselben Schneidwerkzeug wie bei der ersten schneidenden Bearbeitung, unterworfen. Auch die Werkstückspannung ist die gleiche wie beim ersten schneidenden Bearbeitungsschritt. Hierbei wird jedoch der typischerweise eingesetzte Stollen-Wälzfräser um das oben bereits erwähnte Übermaß, typischerweise 200 bis 400 µm, zugestellt. Mit anderen Worten wird die Verzahnung in diesem zweiten schneidenden Bearbeitungsschritt „auf Endmaß“ geschnitten, d. h. es wird insbesondere die finale beidseitige Flankendimensionierung, einschließlich der geforderten Balligkeiten, sowie der notwendigen Härteverzugvorhaltungen, eingestellt, wobei zugleich besagter Sekundärgrat entfernt wird.
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Dieses Verfahren hat sich hinsichtlich des materiell-gegenständlichen Ergebnisses bewährt: Es resultieren Stirnradverzahnungen mit exakt dimensionierter Verzahnung und gratfreien, angefasten Verzahnungskanten und Stirnflächen. Allerdings unterliegen die verwendeten Stollen-Wälzfräser einem erheblichen Verschleiß. Zudem wären unter wirtschaftlichen Gesichtspunkten eine kürzere Taktzeit der Fräsoperation wünschenswert..
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Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, das gattungsgemäße Verfahren derart weiterzubilden, dass die Standzeit des Schneidwerkzeugs, insbesondere des Stollen-Wälzfräsers, erhöht und der Verfahrensablauf beschleunigt wird.
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Diese Aufgabe wird in Verbindung mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 1 dadurch gelöst, dass die Flankendimensionierung der in Schritt b hergestellten Rohverzahnung der finalen Flankendimensionierung entspricht und das schneidende Bearbeiten in Schritt d mit einer Abhebung des Schneidwerkzeugs um 5 bis 20 Mikrometer erfolgt.
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Das resultierende stirnradverzahnte Werkstück ist Gegenstand von Anspruch 5.
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Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.
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Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass Schneidwerkzeuge, insbesondere Stollen-Wälzfräser, für das Trocken-Wälzfräsen auf Vollmaterial ausgelegt sind und bei der Bearbeitung von Vollmaterial, insbesondere im optimalen Kopfspandicken-Bereich von 200 bis 240 Mikrometer, durchaus akzeptable Standzeiten zeigen. Als höchst verschleißanfällig und daher standzeitkritisch wurde im Rahmen der Erfindung vom Erfinder den schabenden Einsatz solcher Schneidwerkzeuge, insbesondere Stollen-Wälzfräser, erkannt. Im Rahmen der Erfindung ist zudem vom Erfinder erkannt worden, dass während des zweiten schneidenden Bearbeitungsschrittes des gattungsgemäßen Verfahrens, bedingt durch die geringe Schnitttiefe, sehr klein dimensionierte Späne entstehen. Über diese wird verfahrenstypisch ein Großteil der beim Zerspanen erzeugten Wärmeenergie abgeführt, sodass sie in ungünstigen Fällen auf den Zahnflanken aufschmelzen bzw. sich einbrennen können. Bei den industriell typischerweise angewandten Schnittgeschwindigkeiten gehen ca. 80 % der Wärmeenergie in die Späne über, was letztendlich dazu führt, dass Temperaturen von circa 1000°C und mehr entstehen können. Um einen solchen nachteiligen, schabenden Einsatz, wie er beim Stand der Technik üblicherweise im zweiten schneidenden Bearbeitungsschritt angewandt wird, zu vermeiden, schlägt die Erfindung vor, die Rohverzahnung bereits im ersten schneidenden Bearbeitungsschritt, dem Vorfräsen, „auf Endmaß“, d.h. mit einer der finalen Flankendimensionierung entsprechenden Flankendimensionierung, insbesondere mit einer der finalen Spezifizierung entsprechenden Flankenballigkeit und Härteverzugvorhaltung, zu fertigen.
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Natürlich wird hierdurch nicht die Entstehung eines Sekundärgrates im Rahmen des Drückentgratens vermieden. Auch hält die Erfindung an der Idee der schneidenden Entfernung dieses Sekundärgrates fest. Allerdings sieht die Erfindung für den zweiten schneidenden Bearbeitungsschritt im Gegensatz zum Stand der Technik keine Zustellung des Werkzeuges um mehrere 100 Mikrometer, sondern seine Abhebung von wenigen Mikrometern vor. Diese Abhebung ist äußerst gering dimensioniert und beträgt lediglich 5 bis 20 µm, bevorzugt etwa 8 bis 12 µm, insbesondere 10 µm. Eine derartige Abhebung genügt, um während des zweiten schneidenden Bearbeitungsschrittes einen Kontakt zwischen dem Schneidwerkzeug, insbesondere dem Stollfräser, und im überwiegenden Teil der Zahnflanken zu vermeiden. Eine schabende Bearbeitung, die die Standzeit des Stollen-Wälzfräser, wie oben erläutert, negativ beeinflussen würde, entfällt weitestgehend. Lediglich im stirnkantennahen Flankenbereich, nämlich dort wo sich der Sekundärgrat befindet, erfolgt eine mechanische, im Wesentlichen schabende Wechselwirkung, bei der der Sekundärgrat spanend entfernt wird. Der Fachmann wird verstehen, dass der Sekundärgrat dabei nicht exakt auf dem Niveau der übrigen Zahnflanke abgetragen wird. Vielmehr bleibt ein der erfindungsgemäßen Werkzeug-Abhebung entsprechender Sockel stehen. Ein solch gering dimensionierter Sockel von wenigen Mikrometern Höhe hat sich aber selbst für Präzisions-Stirnräder als unkritisch erwiesen. Insbesondere liegt er im Dimensionsbereich der verfahrenstypischen Vorschubmarkierungen beim Fräsen, die für ggf. nachfolgende Hart- und Feinbearbeitungsverfahren, wie z.B. das Verzahnungshonen, sogar vorteilhaft nutzbar sind. Die Qualität des Honprozesses ist zudem stark beeinflusst von der Eingangsqualität der Verzahnungsflanken, die beim Fräsen entstehen. Gering dimensionierte Späne, wie sie beim herkömmlichen Zwei-Schnitt-Verfahren im zweiten Schnitt entstehen und die auf den Zahnflankenflächen anhaften, im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens aber nicht auftreten, können sich dabei stark prozessstörend auswirken.
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Aufgrund der weitgehenden Vermeidung einer schabenden Wechselwirkung zwischen dem Schneidwerkzeug, insbesondere dem Stollen-Wälzfräser, und den Zahnflanken wird der Verschleiß des Schneidwerkzeugs wesentlich reduziert, d.h. seine Standzeit wird deutlich verlängert. Zudem entstehen aus den oben beschriebenen Gründen durch das erfindungsgemäßes Verfahren nicht die auf den Verzahnungsflanken aufgebrannten, gering dimensionierten Frässpäne.
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Ein weiterer Vorteil der Erfindung liegt darin, dass das Schneidwerkzeug, insbesondere der Stollen-Wälzfräser, beim zweiten schneidenden Bearbeitungsschritt sehr schnell in axialer Richtung von Stirnkante zu Stirnkante verschoben werden kann, da zwischen diesen Stirnkanten ja keine mechanische Wechselwirkung stattfindet. Entsprechend kann die Verschiebung mit maximaler Vorschubgeschwindigkeit erfolgen, was insbesondere den zweiten schneidenden Bearbeitungsschritt deutlich beschleunigt und daher die Verfahrensdauer insgesamt reduziert.
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Zudem besteht ein weiterer Vorteil darin, dass Stirnradverzahnungen welche konstruktiv bedingt nur einen einseitigen Verzahnungsauslauf haben, im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens auch nur einseitig entgratet werden müssen. Entsprechend kann die Bearbeitungszeit für den zweiten schneidenden Bearbeitungsschritt deutlich reduziert werden, da die Sekundärgratbeseitigung nur einseitig und nur im Bereich der Sekundärgratbreite vollzogen werden muss.
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Und schließlich zeitigt die Erfindung den Vorteil, dass beim Drückentgraten kein zuvor eingestelltes Flankenübermaß „überdrückt“ werden muss, sondern lediglich das bereits im ersten schneidenden Bearbeitungsschritt erzielte, finale Flankenaufmaß. Hieraus resultiert eine Verringerung des Sekundärgrates in der Schutzfase.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden, speziellen Beschreibung und den Zeichnungen.
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Es zeigen:
- 1: eine schematische Darstellung von drei Zwischenstadien eines stirnradverzahnten Werkstücks gemäß der Erfindung während seiner Herstellung sowie
- 2: eine schematische Darstellung von drei Zwischenstadien eines stirnradverzahnten Werkstücks gemäß Stand der Technik während seiner Herstellung.
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Gleiche Bezugszeichen in den Figuren deuten auf gleiche oder analoge Elemente hin.
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1 zeigt in stark schematisierter Darstellung einen Zahn 10 eine erfindungsgemäßen Stirnradverzahnung in drei verschiedenen Stadien während deren Herstellung. 1a zeigt den Zahn 10 unmittelbar nach Abschluss eines ersten schneidenden Bearbeitungsschrittes, in dem eine Rohverzahnung mittels eines Schneidwerkzeugs, insbesondere mittels eines Stollen-Wälzfräsers, am Umfang eines scheiben- oder wellenförmigen Werkstückrohlings ausgeformt wurde. Die Zahnfalken sind hinsichtlich ihrer Balligkeit und Härteverzugvorhaltungen bereits mit ihren finalen Dimensionen versehen. Mit anderen Worten sind die Zahnflanken 12 bereits auf Endmaß gefertigt. Axial werden sie begrenzt durch scharfe Stirnkanten 14. Diese tragen in der schematischen Darstellung von 1 nicht gesondert dargestellte Grate.
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Die Grate der Stirnkanten 14 werden in einem nachfolgenden Drückentgratungsschritt entfernt. Dabei fährt ein speziell für den Anwendungsfall, in Abhängigkeit der Geometrie ausgelegtes verzahntes Werkzeug unter Druck in die zu entgratende Rohverzahnung des Werkstücks, sodass sich der in 1b dargestellte Zwischenzustand ergibt. In der nun folgenden Abwälzbewegung entsteht in dem resultierenden Umformprozess die gewünschte Fase an den Zahnkanten 14. Dabei wird Werkstückmaterial im Bereich der Zahnkanten 14 durch den Druck der Abwälzbewegung plastisch verdrängt und es entsteht die angefaste Kante 141. Die plastische Umformung der Stirnkanten 14/141 und die damit verbundene Entgratung führen jedoch zu einer Materialverschiebung. Insbesondere wirft sich im stirnkantennahem Bereich der Zahnflanken 12 ein Sekundärgrat 16 in Form eines kantenparallelen Wulstes auf. Auch auf der Stirnfläche 15 und im Bereich der Schutzfase 17 entstehen derartige Sekundärgrate, die in den Figuren jedoch aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht dargestellt sind.
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Dieser Sekundärgrat 16 wird in einem nachfolgenden, zweiten schneidenden Bearbeitungsschritt nahezu vollständig entfernt, wie in 1c dargestellt. Hierzu wird das rohverzahnte und drückentgratete Werkstück erneut einer schneidenden Bearbeitung unter Beibehaltung der Werkstückspannung und mit dem bereits im ersten schneidenden Bearbeitungsschritt eingesetzten Schneidwerkzeug, insbesondere dem Stollen-Wälzfräser, unterworfen. Allerdings wird dabei die Relativeinstellung von Werkzeug zu Werkstück geringfügig geändert. Insbesondere wird das Schneidwerkzeug, insbesondere der Stollen-Wälzfräser, um wenige Mikrometer von der bereits hinsichtlich ihrer Balligkeit und Härteverzugvorhaltung final dimensionierten Zahnflanke 12 abgehoben. Eine schneidende Wechselwirkung erfolgt daher ausschließlich im Bereich der Sekundärgrate 16. Diese werden bis auf einen Sockel 161, der die Höhe besagter Abhebung hat, entfernt. Es resultiert ein final dimensioniertes stirnverzahntes Werkstück mit in der Praxis, insbesondere bei typischerweise nachfolgenden, weiteren Bearbeitungsschritten, wie Härten und/oder Verzahnungshonen, vernachlässigbaren Sekundärgratsockeln 161 im Dimensionsbereich von Vorschubmarkierungen aus der Fräsoperation.
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2 zeigt im Gegensatz dazu die entsprechenden Zwischenstadien bei der Herstellung einer Stirnverzahnung nach dem Stand der Technik. Hier wird, wie in 2a dargestellt, die Rohrverzahnung im ersten schneidenden Bearbeitungsschritt auf Übermaß gefertigt. Die finale Zahndimensionierung ist in 2a gestrichelt dargestellt. Die entsprechende, übermaßige Zahnflanke, die das Resultat des ersten schneidenden Bearbeitungsschrittes darstellt, ist in 2 mit den Bezugszeichen 121 gekennzeichnet. Die im ersten schneidenden Bearbeitungsschritt noch nicht realisierte, finaldimensionierte Zahnflanke trägt, wie in 1, das Bezugszeichen 12.
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Im nachfolgenden Drückentgratungsschritt entstehen die angefaste Stirnkante 141 sowie der Sekundärwulst 16, wie bereits im Kontext von 1 erläutert.
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Im nachfolgenden Schritt wird das rohverzahnte und entgratete Stirnrad erneut einem schneidenden Bearbeitungsschritt unterworfen. Insbesondere wird es erneut einer Bearbeitung durch das oben genannte Schneidwerkzeug, insbesondere durch den Stollfräser, unterzogen. Im Vergleich zur Erfindung wird die Relativausrichtung von Werkzeug und Werkstück hierbei in umgekehrter Richtung verändert. Das Werkzeug wird entsprechend dem Übermaß im ersten schneidenden Bearbeitungsschritt zugestellt, d.h. näher an das Werkstück herangefahren. Die Zustellung bzw. das anfängliche Übermaß betragen typsicherweise mehrere 100 µm. Gemeinsam mit dem übermaßigen Material der Zahnflanke 121 wird der Sekundärwulst 16 durch schabende Wechselwirkung zwischen dem Schneidwerkzeug und dem Werkstück entfernt. Das Ergebnis ist in 2c dargestellt. Im Unterschied zu einem erfindungsgemäßen Stirnrad weist die resultierende, final dimensionierte Zahnflanke 12 keine stirnkantennahen Sekundärgratsockel auf.
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Natürlich stellen die in der speziellen Beschreibung diskutierten und in den Figuren gezeigten Ausführungsformen nur illustrative Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung dar. Dem Fachmann ist im Lichte der hiesigen Offenbarung ein breites Spektrum an Variationsmöglichkeiten an die Hand gegeben.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Zahn
- 12
- Zahnflanke (final dimensioniert)
- 121
- Zahnflanke (übermaßig)
- 14
- Stirnkante
- 141
- angefaste Stirnkante
- 15
- Stirnfläche
- 16
- Sekundärgrat
- 161
- Sekundärgratsockel
- 17
- Schutzfase
