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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Werkzeug sowie ein Verfahren zur spanenden Bearbeitung eines Werkstücks. Das erfindungsgemäße Werkzeug und das erfindungsgemäße Verfahren eignen sich insbesondere zur Herstellung einer Außenkontur an einem Werkstück, die im Querschnittsprofil des Werkstücks im Wesentlichen einem regelmäßigen konvexen Polygon entspricht.
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Unter einem regelmäßigen konvexen Polygon wird ein Vieleck verstanden, dessen Kanten sich nur in den Eckpunkten berühren bzw. schneiden, bei dem alle Innenwinkel kleiner als 180° sind und das sowohl gleichseitig als auch gleichwinklig ist. Beispiele von derartigen regelmäßigen konvexen Polygonen sind gleichseitige Dreiecke, Quadrate, gleichseitige Fünfecke, gleichseitige Sechsecke, etc.
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Ein typischer Anwendungsfall eines solchen Querschnittsprofils ist die Herstellung eines Sechskants an einem Werkstück. Beispielsweise kann es sich bei dem Werkstück um eine Schraube oder einen Bolzen mit Sechskant handeln. Bei diesem typischen Anwendungsfall hat das Werkstück also ansonsten einen runden Querschnitt und weist nur in dem Bereich, in dem der Sechs- oder Mehrkant angeordnet ist, ebene Flächen am Umfang des ansonsten runden bzw. zylindrischen Werkstücks auf.
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Typischerweise werden derartige Mehrkant-Formen an ansonsten runden Werkstücken mittels Fräsen hergestellt. Eine klassische Drehbearbeitung ist aufgrund der zu erzeugenden ebenen Flächen am Werkstück nicht möglich.
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Der ständig steigende Druck zur Kostenreduzierung in der Industrie, vor allem bei der Herstellung von Serien- und Massenteilen, wie es bei den beispielhaft genannten Schrauben der Fall ist, zwingt jedoch zur permanenten Überprüfung von eingefahrenen Verfahren, zu dem auch das Fräsen mehrerer ebener Flächen an der Mantelfläche von runden Werkstücken aus Stahl zählt. Schon kleine Zeiteinsparungen bei der Fertigung eines Teiles multiplizieren sich bei größeren Serien zu einem beträchtlichen Potenzial an eingesparten Kosten und gewonnener Maschinenkapazität.
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Als Alternative zu der klassischen Fräsbearbeitung hat sich daher das sog. Mehrkantschlagen als Verfahren zur Herstellung von Mehrkant-Profilen (Querschnittsprofile, die einem regelmäßigen konvexen Polygon entsprechen) herausgestellt. Mehrkantschlagen eröffnet im Vergleich zu der klassischen Fräsbearbeitung die zuvor erwähnten Einsparpotenziale.
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Das Mehrkantschlagen ermöglicht die Herstellung von ebenen Flächen auf einer ansonsten runden Mantelfläche des Werkstücks. Dieses Bearbeitungsverfahren erfolgt typischerweise auf einer Drehmaschine, wobei nicht nur das Werkstück, sondern auch das Werkzeug angetrieben wird. Das Werkstück in der Hauptspindel und das rotierende Schlagwerkzeug im Revolver der Maschine laufen dabei in einem synchronen Übersetzungsverhältnis zueinander. Die Anzahl der erzeugten Flächen am Werkstück ist abhängig von diesem Übersetzungsverhältnis von Werkstück zu Werkzeug sowie der Anzahl der Schneiden am Werkzeug. Der im Stand der Technik praktisch bedeutsame Fall sieht beispielsweise vor, dass sich das Werkzeug mit doppelter Geschwindigkeit im Vergleich zu dem Werkstück dreht, wobei die Anzahl der Schneiden multipliziert mit dem Faktor 2 die Zahl der erzeugten Mehrkant-Planflächen ergibt. Somit kann in diesem Fall mit einem Werkzeug, das drei über den Umfang regelmäßig verteilte Schneidmesser aufweist, ein Sechskant-Profil mittels Mehrkantschlagen hergestellt werden.
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Aufgrund der Tatsache, dass das Mehrkantschlagen typischerweise auf einer Drehmaschine erfolgt, wird dieses Bearbeitungsverfahren häufig auch als Schlagdrehen bezeichnet. Weitere Informationen zu dieser Art von Bearbeitungsverfahren lassen sich beispielsweise der
DE 20 2015 002 876 U1 entnehmen.
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Wenngleich sich das Mehrkantschlagen als kostengünstige und technisch durchaus ausgefeilte Alternative zur klassischen Fräsbearbeitung für die Herstellung von Mehrkant-Profilen etabliert hat, haben sich verfahrensbedingt dennoch Nachteile herausgestellt. Wie einfach nachzuvollziehen ist, kommt es verfahrensbedingt nicht zu exakt ebenen Flächen am Mehrkant-Profil. Stattdessen sind die einzelnen Flächen des Mehrkant-Profils leicht ballig ausgestaltet. Zudem lässt sich nicht die gleiche Oberflächengüte realisieren, wie es beispielsweise mit der klassischen Fräsbearbeitung der Fall ist. Solange es jedoch keiner größeren Präzision bedarf und die Kostenersparnis im Fokus steht, ist das Mehrkantschlagen zur Herstellung von Mehrkant-Profilen an Werkstücken nach wie vor eine ernstzunehmende Alternative.
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Nichtsdestotrotz besteht Bedarf, Mehrkant-Profile auf vergleichsweise kostengünstige Art durch alternative Herstellungsverfahren zu erzeugen, die den Nachteil auftretender balliger Flächen nicht haben.
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Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Werkzeug sowie ein Verfahren bereitzustellen, das auf kostengünstige und prozesssichere Art und Weise die Herstellung eines Mehrkant-Profils an einem Werkstück ermöglicht und das im Vergleich zum bereits bekannten Mehrkantschlagen bessere Bearbeitungsergebnisse am Werkstück ermöglicht.
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Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird diese Aufgabe durch ein Wälzschälwerkzeug gelöst, mit einem Schaft, der sich entlang einer Längsachse des Werkzeugs erstreckt, und einem Schneidkopf, der an einem stirnseitigen Ende des Schafts angeordnet ist, wobei der Schneidkopf eine Vielzahl von umfangsseitig angeordneten Zähnen aufweist, wobei jeder der Zähne in einem Querschnitt orthogonal zu der Längsachse betrachtet eine konvex abgerundete Kontur hat, die an einem ersten Ende entweder unmittelbar oder über eine dazwischen angeordnete erste konkave Übergangskontur in die konvex abgerundete Kontur eines ersten benachbarten Zahns der Vielzahl von Zähnen übergeht und an einem dem ersten Ende gegenüberliegenden zweiten Ende entweder unmittelbar oder über eine dazwischen angeordnete zweite konkave Übergangskontur in die konvex abgerundete Kontur eines zweiten benachbarten Zahns der Vielzahl von Zähnen übergeht, und wobei eine in dem Querschnitt als Abstand zwischen dem ersten Ende und dem zweiten Ende gemessene Breite jedes Zahns der Vielzahl von Zähnen größer als eine in dem Querschnitt orthogonal zu der Breite und mittig zwischen dem ersten Ende und dem zweiten Ende gemessene Höhe des jeweiligen Zahns ist.
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Gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird die oben genannte Aufgabe durch ein Verfahren zur spanabhebenden Bearbeitung eines Werkstücks gelöst, das die folgenden Schritte aufweist:
- - Bereitstellen eines Wälzschälwerkzeugs sowie des zu bearbeitenden Werkstücks;
- - Herstellen einer Außenkontur an dem Werkstück mit Hilfe des Wälzschälwerkzeugs bei einer Wälzschälbearbeitung, wobei die herzustellende Außenkontur im Querschnittsprofil des Werkstücks im Wesentlichen einem regemäßigen konvexen Polygon entspricht, und wobei bei der Wälzschälbearbeitung das Wälzschälwerkzeug und das Werkstück mit zueinander entgegengesetztem Drehsinn rotiert werden, eine Rotationsachse des Wälzschälwerkzeugs unter einem definierten Achskreuzwinkel bezüglich einer Rotationsachse des Werkstücks ausgerichtet ist und das Wälzschälwerkzeug und/oder das Werkstück zur Erzeugung einer Vorschubbewegung gleichzeitig translatorisch bewegt werden.
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Bei dem in dem erfindungsgemäßen Verfahren verwendeten Wälzschälwerkzeug handelt es sich vorzugsweise um das erfindungsgemäße Wälzschälwerkzeug.
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Die vorliegende Erfindung geht somit also einen ganz neuen Weg. Statt der bisher bekannten Herstellungsverfahren wie Fräsen und Mehrkantschlagen wird zur Herstellung des Mehrkant-Profils eine Wälzschälbearbeitung unter Verwendung eines entsprechenden Wälzschälwerkzeugs eingesetzt. Wälzschälen ist an sich bereits seit längerem bekannt. Völlig neu ist jedoch die Idee, Wälzschälen zur Herstellung eines Mehrkant-Profils einzusetzen.
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Typischerweise wird Wälzschälen zur Herstellung von Verzahnungen, seien es Innenverzahnungen oder Außenverzahnungen, eingesetzt. Ein typisches Anwendungsfeld ist die Fertigung von Zahnrädern.
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Wälzschälen an sich ist bereits seit mehr als 100 Jahren bekannt. Eine erste diesbezügliche Patentanmeldung mit der Nummer
DE 243514 geht auf das Jahr
1910 zurück. In den darauffolgenden Jahren fand das Wälzschälen lange Zeit keine größere Beachtung. Im vergangenen Jahrzehnt wurde dieses sehr alte Fertigungsverfahren zur spanenden Bearbeitung eines Werkstücks jedoch erneut aufgegriffen und findet mittlerweile vielfach Verwendung bei der Fertigung diverser Verzahnungen. Eine vergleichsweise neue Patentanmeldung zu diesem Thema ist beispielsweise die
WO 2012/152659 A1 .
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Wälzschälen wird bei der Fertigung von Zahnrädern typischerweise als Alternative zum Wälzfräsen oder Wälzstoßen eingesetzt. Es ermöglicht im Vergleich zum Wälzfräsen und Wälzstoßen eine deutliche Verringerung der Bearbeitungsdauer. Zudem lässt sich eine sehr hohe Bearbeitungsqualität erzielen. Wälzschälen ermöglicht daher eine sehr produktive und gleichzeitig hochpräzise Herstellung von Verzahnungen.
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Beim Wälzschälen werden das Werkstück und das Werkzeug mit einem aufeinander abgestimmten (synchronisierten) Drehzahlverhältnis angetrieben. Bei der Herstellung von Außenverzahnungen werden Werkstück und Werkzeug mit gegenläufigem bzw. entgegengesetztem Drehsinn angetrieben. Bei der Herstellung von Innenverzahnungen werden Werkstück und Werkzeug dagegen mit gleichem Drehsinn angetrieben.
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Das Werkzeug wird dabei schräg, unter einem vorbestimmten Winkel, der üblicherweise als Achskreuzwinkel bezeichnet wird, relativ zu dem Werkstück angestellt. Der Achskreuzwinkel bezeichnet den Winkel zwischen der Rotationsachse des Wälzschälwerkzeugs und der Rotationsachse des zu bearbeitenden Werkstücks.
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Zur Erzeugung einer Vorschubbewegung wird das Werkzeug und/oder das Werkstück zudem translatorisch bewegt. Die resultierende Relativbewegung zwischen dem Wälzschälwerkzeug und dem Werkstück ist also eine Art Schraubbewegung, die einen Drehanteil (rotatorischer Anteil) und einen Schubanteil (translatorischer Anteil) aufweist.
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Die Bearbeitung des Werkstücks erfolgt mit den am Schneidkopf des Schälwerkzeugs umfangsseitig angeordneten Zähnen. Durch die gekreuzte Achsanordnung entsteht eine Relativgeschwindigkeit zwischen Werkzeug und Werkstück. Diese Relativbewegung wird als Schnittbewegung ausgenutzt und hat seine Hauptschnittrichtung entlang der Zahnlücke des Werkstücks. Man spricht daher davon, dass der Span bei der Bearbeitung „herausgeschält“ wird. Die Größe der Schnittgeschwindigkeit ist von der Größe des Achskreuzwinkels der Vorschubbewegung und von der Drehzahl der Bearbeitungsspindeln abhängig.
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Eine solche Wälzschälbearbeitung für die Fertigung von Zahnrädern oder anderen Arten von Verzahnungen einzusetzen, hat sich, wie gesagt, bereits etabliert. Die Erfinder der vorliegenden Erfindung haben nun jedoch herausgefunden, dass eine derartige Wälzschälbearbeitung auch zur Fertigung von Mehrkant-Profilen (Querschnittsprofilen, die einem regelmäßigen konvexen Polygon entsprechen) eingesetzt werden kann. Wenngleich dies anfangs überraschend war, hat sich dies als überaus vorteilhaft herausgestellt, da sich somit die typischen Vorteile des Wälzschälens auch bei der Fertigung von Mehrkant-Profilen nutzen lassen.
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Auf diese Weise lassen sich Mehrkant-Profile sogar noch schneller herstellen als dies mittels Mehrkantschlagen der Fall ist. Des Weiteren sind die Zerspanungsverhältnisse wie auch die Schnittkräfte beim Wälzschälen deutlich besser als beim Mehrkantschlagen, da das Werkstück eher „schälend“ statt „schlagend“ bearbeitet wird. Somit lassen sich Mehrkant-Profile mit deutlich höherer Oberflächengüte erzeugen.
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Des Weiteren entstehen im Vergleich zur Herstellung mittels Mehrkantschlagen keine balligen Flächen. Stattdessen lassen sich nahezu vollständig ebene Flächen an dem Werkstück erzeugen. Zudem lassen sich auch die eckigen Übergänge zwischen den einzelnen ebenen Flächen des Mehrkant-Profils mittels Wälzschälen deutlich exakter herstellen als mittels Mehrkantschlagen. Alles in allem ergibt sich somit eine überaus vorteilhafte Art der Fertigung, die keineswegs vorhersehbar war.
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Eine Erkenntnis der Erfinder, die die Fertigung von Mehrkant-Profilen mittels Wälzschälen ermöglichte, war die Idee, die Zähne an dem Wälzschälwerkzeug besonders zu formen. Anders als bei Wälzschälwerkzeugen, die für die typische Fertigung von Verzahnungen eingesetzt werden, ist das erfindungsgemäße Wälzschälwerkzeug mit konvex abgerundeten Zähnen ausgestattet, die deutlich flacher bzw. weniger stark gekrümmt sind.
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Vorzugsweise sind die einzelnen Zähne stetig gekrümmt. D.h. mit anderen Worten, dass die Zähne im Querschnitt orthogonal zu der Längsachse des Werkzeugs betrachtet keinen Knick und keine Ecke aufweisen. In dem Querschnitt hat jeder Zahn also eine Kontinuierlich und stetig verlaufende Tangentensteigung.
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Unter einer „konvex abgerundeten“ Kontur wird vorliegend jede Art der nach außen gewölbten Kontur verstanden, die abgerundet, also ohne klare Ecken und Kanten ist. Diese Kontur ist in dem beschriebenen Querschnitt jedoch nicht notwendigerweise einer Kreisform angeglichen oder exakt kreisförmig, sondern kann auch elliptisch oder oval sein oder eine sonstige abgerundete Freiform aufweisen. Vorzugsweise wird tatsächlich eine konvex abgerundete Freiform als Kontur in dem genannten Querschnitt orthogonal zu der Längsachse verwendet.
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Zwischen diesen Zähnen, die eine konvex abgerundete Kontur aufweisen, kann jeweils entweder eine konkave Übergangskontur vorgesehen sein oder ein direkter Übergang zwischen den einzelnen Zähnen realisiert sein. Sofern zwischen den einzelnen Zähnen eine konkave Übergangsstruktur vorgesehen ist, ist diese vorzugsweise klein im Vergleich zu den Zähnen ausgestaltet. Je kleiner diese Übergangsstruktur ist, desto besser lassen sich die Ecken des Mehrkant-Profils am Werkstück erzeugen. Die konkave Übergangsstruktur kann auch durchaus eckig sein und muss, anders als die konvex abgerundete Kontur der Zähne, nicht abgerundet sein.
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Ein wesentliches Merkmal des erfindungsgemäßen Wälzschälwerkzeugs liegt, wie bereits erwähnt, in der Art der Ausgestaltung der einzelnen Zähne, die in dem Querschnitt orthogonal zu der Längsachse betrachtet, vorzugsweise deutlich breiter als hoch sind. Die Breite b wird hierbei jeweils als Abstand zwischen dem ersten Ende und dem zweiten Ende jedes Zahns gemessen. Die Höhe h wird als eine in demselben Querschnitt orthogonal zu der Breite und mittig zwischen dem ersten Ende und dem zweiten Ende gemessene Höhe des jeweiligen Zahns gemessen. Vorzugsweise handelt es sich bei der Höhe h um den Abstand von einem Punkt auf der Kontur des Zahns, der gleich weit von dem ersten und dem zweiten Ende entfernt ist, zu einer Verbindungslinie zwischen dem ersten und dem zweiten Ende. Die Länge der zuletzt genannten Verbindungslinie entspricht der Breite des Zahns.
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Durch diese sehr flache und geringgekrümmte Ausgestaltung der Zähne des Wälzschälwerkzeugs gelingt es auch mithilfe der Wälzschälbearbeitung nahezu vollständig ebene Flächen am Werkstück zu erzeugen.
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Die Eckenbearbeitung der Mehrkant-Profile erfolgt im Wesentlichen durch die Übergänge zwischen den einzelnen Zähnen.
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Durch eine entsprechende Abstimmung des Drehzahlverhältnisses der Drehzahlen, mit denen das Werkstück bzw. das Werkzeug rotiert werden, lassen sich unterschiedliche regelmäßige polygonale Querschnitte am Werkstück herstellen. Vorzugsweise wird das Wälzschälwerkzeug mit einer ersten Drehzahl rotiert und das Werkstück mit einer zweiten Drehzahl rotiert, wobei die zweite Drehzahl ein ganzzahliges Vielfaches der ersten Drehzahl ist. Das Werkstück wird also typischerweise schneller rotiert als das Werkzeug. Dies an sich wie auch die übrigen Parameter der Wälzschälbearbeitung entsprechen jedoch der herkömmlichen Wälzschälbearbeitung, die zur Fertigung von Verzahnungen eingesetzt wird.
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Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung ist die Breite jedes Zahns der Vielzahl von Zähnen mehr als doppelt so groß wie die Höhe des jeweiligen Zahns. Besonders bevorzugt ist die Breite jedes Zahns mehr als dreimal so groß wie die Höhe des jeweiligen Zahns.
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Die Zähne sind somit extrem flach im Vergleich zu den Zähnen eines klassischen Wälzschälwerkzeugs. Dies ist insbesondere zur Gewährleistung einer möglichst exakten Planarität der an einem Mehrkant-Profil herzustellenden ebenen Flächen von Vorteil. Erfindungsgemäß kann es sogar vorgesehen sein, dass das Verhältnis von Breite zu Höhe jedes Zahns sogar größer als 5:1, 6:1 oder 7:1 ist.
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Ein weiteres Merkmal der beschriebenen flachen bzw. gering gekrümmten Ausgestaltung der einzelnen Zähne kann darin bestehen, dass eine im dem Querschnitt orthogonal zu der Längsachse des Werkzeugs an das erste Ende der konvex abgerundeten Kontur jedes Zahns angelegte erste Tangente eine in dem Querschnitt an das zweite Ende der konvex abgerundeten Kontur angelegte zweite Tangente unter einem Winkel α schneidet, wobei gilt 60° ≤ α ≤ 140°. Vorzugsweise gilt sogar 80° ≤ α ≤ 130°.
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Im Gegensatz dazu weisen Zähne von konventionellen Wälzschälwerkzeugen typischerweise zwei gegenüberliegende Seitenflanken auf, die am Übergang zwischen den einzelnen Zähnen nahezu parallel oder sogar exakt parallel zueinander ausgerichtet sind, so dass die beschriebenen Tangenten in diesem Fall entweder gar keinen Schnittpunkt hätten oder unter sich einen deutlich kleineren Winkel einschließen würden.
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Gemäß einer weiteren Ausgestaltung ist die erste und die zweite konkave Übergangsstruktur, also die Übergangsstruktur zwischen den einzelnen Zähnen des Wälzschälwerkzeugs, in dem Querschnitt orthogonal zu der Längsachse betrachtet ein Radius. Dieser als Übergangskontur ausgestaltete Radius schneidet bei der Bearbeitung, wie bereits erwähnt, ebenfalls mit und bearbeitet somit das Werkstück.
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Des Weiteren ist es bevorzugt, dass jeder Zahn der Vielzahl von Zähnen eine zu den übrigen Zähnen der Vielzahl von Zähnen identische Form hat. Typsicherweise schneidet das Wälzschälwerkzeug nämlich am kompletten Umfang während der Wälzschälbearbeitung, wobei jeder Zahn bei der Herstellung eines Mehrkantprofils jeweils über eine der ebenen Flächen abgerollt wird, um diese spanend zu bearbeiten.
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Gemäß einer weiteren Ausgestaltung weist jeder der Vielzahl von Zähnen an einem stirnseitigen, dem Schaft abgewandten Ende des Schneidkopfes eine planare Spanfläche auf, die in Bezug auf die Längsachse unter einem Winkel ungleich 90° geneigt ist.
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Die Spanflächen sind also typischerweise an einer Oberseite der Zähne angeordnet; sie bilden das stirnseitige Ende des Schneidkopfes, welches von dem Schaft des Wälzschälwerkzeugs abgewandt ist. Typischerweise sind die Spanflächen als planare Flächen ausgestaltet. In Bezug auf die Längsachse des Wälzschälwerkzeugs sind die Spanflächen vorzugsweise geneigt, also nicht senkrecht zu der Längsachse angeordnet.
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Je nach Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Wälzschälwerkzeugs können die Spanflächen aller Zähne in einer gemeinsamen konischen Fläche, die rotationssymmetrisch zu der Längsachse ist, angeordnet sein. Alternativ dazu ist zwischen den Spanflächen zweier benachbarter Zähne jeweils eine Übergangsfläche angeordnet, die ebenfalls an dem stirnseitigen Ende des Schneidkopfes angeordnet ist und unmittelbar an die Spanflächen der zwei benachbarten Zähne angrenzt. Die einzelnen Spanflächen der Zähne liegen dann in jeweils unterschiedlichen Ebenen. Zwischen den einzelnen Zähnen entstehen dann an der Stirnseite bzw. zwischen den Spanflächen einzelne treppenartige Stufen. Letzteres kommt insbesondere dadurch zustande, dass die Spanflächen der Zähne typischerweise mit einer Schleifscheibe hergestellt werden. Hierdurch ergibt sich zwischen der Spanfläche eines Zahns und der Spanfläche eines benachbarten Zahns typischerweise ein Absatz, welcher wie eine Art Treppenstufe aussieht. Das erfindungsgemäße Wälzschälwerkzeug kann, wie bereits erwähnt, jedoch auch derart ausgestaltet sein, dass alle Spanflächen in einer gemeinsamen konischen Fläche angeordnet sind.
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Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung weist das Wälzschälwerkzeug insgesamt vierundzwanzig Zähne auf. Aufgrund dieser relativ hohen Anzahl von Zähnen ist die Herstellung von Mehrkantprofilen deutlich schneller als mittels der klassischen Fräsbearbeitung und sogar ebenfalls schneller als mittels Mehrkantschlagen.
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Gemäß einer weiteren Ausgestaltung ist es vorgesehen, dass die Zähne jeweils eine umfangsseitig angeordnete Flanke aufweisen, die windschief zu der Längsachse ausgerichtet ist. Die Flanken der Zähne verlaufen also vorzugsweise nicht-parallel zu der Längsachse.
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Gemäß einer weiteren Ausgestaltung des Wälzschälwerkzeugs kann der Schneidkopf an dem Schaft lösbar befestigt sein. In diesem Fall lässt sich der Schneidkopf bei Verschleiß gesamthaft austauschen und durch einen neuen ersetzen. Als Schnittstelle zwischen dem Schneidkopf und dem Schaft kommen diverse Schnittstellen in Betracht. Vorzugsweise weist die Schnittstelle eine Schraubverbindung auf.
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Der Schneidkopf oder zumindest die an diesem angeordneten Zähne sind vorzugsweise aus Hartmetall, wohingegen der Schaft des erfindungsgemäßen Wälzschälwerkzeugs typischerweise aus Stahl ist. Je nach Größe des Wälzschälwerkzeugs kann allerdings auch das gesamte Werkzeug aus Hartmetall hergestellt sein. Ebenso ist es möglich, den Schneidkopf des Wälzschälwerkzeugs mit einzelnen Wendeschneidplatten zu bestücken, die die Zähne bilden. Ferner können Hartmetallschneiden, die die Zähne bilden, auf den Wechselkopf aufgelötet sein.
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Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den nachfolgenden Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
- 1 eine perspektivische Ansicht eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Wälzschälwerkzeugs;
- 2 eine Seitenansicht des in 1 gezeigten Wälzschälwerkzeugs;
- 3 eine Detailansicht aus 2;
- 4 eine Draufsicht von unten auf das in 1 und 2 gezeigte Wälzschälwerkzeug;
- 5 ein Detail aus 4;
- 6 das in 5 gezeigte Detail in einer Schnittansicht orthogonal zur Längsachse des Wälzschälwerkzeugs;
- 7 eine perspektivische Ansicht des Schneidkopfes des in 1 gezeigten Wälzschälwerkzeugs;
- 8 ein Detail aus 7;
- 9 eine perspektivische Ansicht des in 1 gezeigten Wälzschälwerkzeugs zusammen mit einem zu bearbeitenden Werkstück; und
- 10a-d mehrere Ansichten zur Veranschaulichung einer Wälzschälbearbeitung eines Werkstücks mithilfe des erfindungsgemäßen Wälzschälwerkzeugs.
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1 zeigt eine perspektivische Ansicht eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Wälzschälwerkzeugs. Das Wälzschälwerkzeug ist darin in seiner Gesamtheit mit der Bezugsziffer 10 gekennzeichnet.
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Das erfindungsgemäße Wälzschälwerkzeug 10 weist einen Schaft 12 auf, der sich entlang einer Längsachse 14 erstreckt. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel ist der Schaft 12 zylindrisch ausgestaltet. Grundsätzlich kann dieser jedoch auch eine andere Form aufweisen, also beispielsweise quaderförmig ausgestaltet sein.
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Des Weiteren weist das Wälzschälwerkzeug 10 einen Schneidkopf 16 auf, welcher an einem stirnseitigen Ende des Schafts angeordnet ist. An dem Schneidkopf 12 ist eine Vielzahl von Zähnen 18 angeordnet, welche über den Umfang des Schneidkopfes 16 verteilt sind.
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Wie insbesondere in 4-6 zu sehen ist, weisen die Zähne 18 eine konvex abgerundete Kontur auf. Genauer gesagt, haben die Zähne 18 diese konvex abgerundete Kontur in einem Querschnitt orthogonal zu der Längsachse 14, wie er in 6 dargestellt ist.
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Anders als die Zähne herkömmlicher Wälzschälwerkzeuge sind die Zähne 18 des erfindungsgemäßen Wälzschälwerkzeugs 10 weder eckig noch spitz zulaufend. Sie sind deutlich runder ausgestaltet, was bedeutet, dass sie keine Ecken oder scharfe Kanten aufweisen. Ein weiteres Merkmal des erfindungsgemäßen Wälzschälwerkzeugs 10 ist darin zu sehen, dass die Zähne 18 deutlich flacher bzw. weniger stark gekrümmt ausgestaltet sind, als dies bei konventionellen Wälzschälwerkzeugen, die zur Herstellung von Verzahnungen dienen, der Fall ist.
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Die Zähne 18 weisen an einem stirnseitigem, dem Schaft 12 abgewandten Ende der Zähne 18 eine Spanfläche 20 auf. Wie insbesondere aus 4 erkennbar ist, liegen die Spanflächen 20 aller Zähne 18 bei dem Wälzschälwerkzeug 10 gemäß des vorliegend gezeigten Ausführungsbeispiels in einer gemeinsamen Ebene. Bei dieser Ebene handelt sich um eine konische Ebene, die rundherum unter einem konstanten Winkel relativ zu der Längsachse 14 verläuft. Alternativ dazu ist es jedoch auch möglich, dass die Spanflächen 20 der einzelnen Zähne in unterschiedlichen Ebenen angeordnet sind, wobei dann zwischen den Spanflächen 20 zweier benachbarter Zähne 18 jeweils eine Art Treppenstufe entsteht.
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Das Wälzschälwerkzeug 10 gemäß des vorliegend gezeigten Ausführungsbeispiels weist insgesamt vierundzwanzig solcher Zähne 18 auf. Diese vierundzwanzig Zähne 18 sind gleichmäßig über den Umfang des Schneidkopfes 16 verteilt und stehen sternförmig von dessen Umfang ab. Wie aus den Figuren ersichtlich ist, stehen die Zähne 18 jedoch nicht exakt in Radialrichtung (orthogonal zu der Längsachse 14) von dem Umfang des Schneidkopfes 16 ab.
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Umfangsseitig weist jeder der Zähne 18 eine Flanke 22 auf, die den radial äußersten Teil jedes Zahnes 18 und damit auch den radial äußersten Teil des Schneidkopfes 16 repräsentiert. Diese Flanken 22 verlaufen windschief in Bezug auf die Längsachse 14, was insbesondere aus 3 ersichtlich ist.
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5 und 6 verdeutlichen die geringe Krümmung und flache Ausgestaltung der Zähne 18, die für das erfindungsgemäße Wälzschälwerkzeug 10 charakteristisch ist. Diesbezüglich zeigt 6 ein Detail des Schneidkopfes 16 in einem Querschnitt, der orthogonal zu der Längsachse 14 ausgerichtet ist. Neben der konvex abgerundeten Kontur jedes Zahns 18 ist aus 5 und 6 des Weiteren ersichtlich, dass die Zähne 18 gemäß des vorliegend gezeigten Ausführungsbeispiels unmittelbar ineinander übergehen. D.h. mit anderen Worten, dass jeder Zahn 18 in dem in 6 dargestellten Querschnitt an seinem ersten Ende 24 unmittelbar in die konvex abgerundete Kontur eines benachbarten Zahns 18' übergeht und an seinem dem ersten Ende 24 gegenüberliegenden zweiten Ende 26 unmittelbar in die konvex abgerundete Kontur seines zweiten benachbarten Zahns 18" übergeht.
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Anstelle eines unmittelbaren Übergangs der konvex abgerundeten Konturen der einzelnen Zähne 18 ineinander, können zwischen den einzelnen Zähnen 18 auch konkave Übergangskonturen vorgesehen sein, die im Vergleich zu den konvex abgerundeten Konturen, die die Zähne 18 in dem gezeigten Querschnitt bilden, jedoch vergleichsweise klein sind. Als konkave Übergangskonturen zwischen den einzelnen Zähnen 18 kommen beispielsweise Radien in Betracht.
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Die flache bzw. geringfügig gekrümmte Art der Ausgestaltung der einzelnen Zähne lässt sich insbesondere anhand folgender Merkmale charakterisieren: Eine in dem in 6 gezeigten Querschnitt als Abstand zwischen dem ersten Ende 24 und dem zweiten Ende 26 gemessene Breite b jedes Zahns 18 ist deutlich größer als eine in dem Querschnitt orthogonal zu der Breite b und mittig zwischen dem ersten Ende 24 und dem zweiten Ende 26 gemessene Höhe h des jeweiligen Zahns 18. Wie in 6 angedeutet, wird die Höhe als Abstand von einem Punkt 28 auf der Kontur des Zahns 18 zu einer Verbindungslinie 30 zwischen dem ersten und dem zweiten Ende 24, 26 gemessen. Die Länge der Verbindungslinie 30 entspricht der Breite b des Zahns 18. Bei dem Punkt 28 handelt es sich um einen Punkt am Zenit des Zahns, der einen gleich großen Abstand von dem ersten Ende 24 und dem zweiten Ende 26 hat.
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Vorzugsweise besteht zwischen der Breite b und der Höhe h ein Verhältnis von mindestens 2:1, vorzugsweise von mindestens 3:1 oder sogar von mindestens 5:1.
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Eine in dem in 6 gezeigten Querschnitt an das erste Ende 24 der konvex abgerundeten Kontur des Zahns 18 angelegte erste Tangente 32 und eine in dem Querschnitt an das zweite Ende 26 der konvex abgerundeten Kontur des Zahns 18 angelegte zweite Tangente 34 schneiden sich unter einem Winkel α, der vorzugsweise im Bereich von 60° ≤ α ≤ 140° liegt. Wie aus 6 ersichtlich ist, handelt es sich bei dem Winkel α um einen am Schnittpunkt der beiden Tangenten 32, 34 gemessenen Innenwinkel innerhalb des imaginären Dreiecks, dessen Dreiecken der Schnittpunkt 36 der beiden Tangenten 32, 34, das erste Ende 24 und das zweite Ende 26 sind.
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Die einzelnen Zähne 18 haben vorzugsweise allesamt eine identische Form, die der zuvor erwähnten Form entspricht. Die Zähne 18 sind vorzugsweise aus Hartmetall gefertigt, während der Schaft 12 vorzugsweise aus Stahl gefertigt ist.
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Das erfindungsgemäße Wälzschälwerkzeug 10 eignet sich insbesondere zur Herstellung einer Außenkontur, die im Querschnittsprofil des Werkstücks im Wesentlichen einem regelmäßigen konvexen Polygon entspricht. Der Begriff „im Wesentlichen“, der dem Begriff „regelmäßigen konvexen Polygon“ zugeordnet ist, soll an dieser Stelle verdeutlichen, dass es sich bei der herzustellenden Kontur am Werkstück in der Gesamtansicht um ein regelmäßig polygonales Querschnittsprofil handelt, das auf mikroskopischer Ebene oder bereits in der Detailansicht aufgrund von Fertigungsungenauigkeiten jedoch nicht zwangsweise exakt einem regelmäßigen Polygon entspricht. Beispielsweise kann es in den Ecken des Mehrkant-Profils zu einzelnen Abrundungen kommen.
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9 veranschaulicht ganz generell die Art des Zusammenspiels des Wälzschälwerkzeugs 10 mit einem Werkstück 38. Bei der Wälzschälbearbeitung wird sowohl das Wälzschälwerkzeug 10 als auch das Werkstück 38 rotiert. Das Wälzschälwerkzeug 10 und das Werkstück 38 werden jedoch mit zueinander gegenläufigen bzw. entgegengesetzten Drehsinn rotiert. In dem in 9 gezeigten Beispiel wird das Werkstück 38 im Uhrzeigersinn und das Wälzschälwerkzeug 10 im Gegenuhrzeigersinn rotiert.
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Das Wälzschälwerkzeug 10 wird um seine Längsachse 14 rotiert. Als Rotationsachse 40 des Werkstücks 38 dient die Längsachse des Werkstücks 38. Wenngleich dies in 9 nicht eindeutig ersichtlich ist, so sind die beiden Rotationsachsen 14, 40 nicht parallel, sondern quer zueinander unter einem sogenannten Achskreuzwinkel zueinander ausgerichtet. Diese schräge Anordnung der Rotationsachsen 14, 40 zueinander ist charakteristisch für das Wälzschälen. Durch die gekreuzte Achsanordnung entsteht eine Relativgeschwindigkeit zwischen Wälzschälwerkzeug 10 und Werkstück 38.
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Während der Wälzschälbearbeitung gleiten die einzelnen Zähne 18 auf dem Werkstück 38 ab und heben dabei Späne von dem Werkstück 38 ab. Dies lässt sich beispielsweise aus der in 10a-10d schematisch angedeuteten Bildabfolge, die zur Veranschaulichung des Wälzschälprozesses dient, entnehmen.
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Zusätzlich zu der Rotation von Werkstück 38 und Werkzeug 10, wird beim Wälzschälen das Werkzeug 10 und/oder das Werkstück 38 auch translatorisch bewegt. Auf diese Art und Weise entsteht eine Art Schraubbewegung, durch die der vom Werkstück 38 abgehobene Span „herausgeschält“ wird.
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Im vorliegenden Fall wird an dem Werkstück 38 mithilfe des Wälzschälwerkzeugs 10 auf die genannte Art und Weise eine Außenkontur erzeugt, die im Querschnitt betrachtet einem regelmäßigen Sechseck entspricht. Eine derartige Außenkontur entspricht beispielsweise der Außenkontur eines Sechskants an einer Schraube oder einem Bolzen.
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Wie insbesondere aus der in 10a-10d schematisch angedeuteten Bildabfolge ersichtlich ist, werden die ebenen Flächen des Sechskant-Profils mithilfe der Zähne 18 erzeugt, die die zuvor beschriebene flache und vergleichsweise geringfügig gekrümmte, konvex abgerundete Kontur aufweisen. Die Ecken des Sechskant-Profils werden hingegen mithilfe der Übergangskonturen zwischen den Zähne 18 bzw. mit den Zahnzwischenräumen erzeugt, wodurch mehr oder weniger exakte Ecken am Werkstück 38 entstehen.
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Während der Wälzschälbearbeitung wird das Werkstück 38 vorzugsweise mit einer höheren Drehzahl rotiert als das Wälzschälwerkzeug 10. Zur Erzeugung des beispielhaft dargestellten Sechskant-Profils am Werkstück 38 kann beispielsweise ein Drehzahlverhältnis von 3:1 vorgesehen sein. Beispielsweise kann das Wälzschälwerkzeug 10 mit einer Drehzahl im Bereich von 3.000 U/min rotiert werden, während das Werkstück 38 mit einer Drehzahl im Bereich von 12.000 U/min rotiert wird. Der Achskreuzwinkel β, der in 9 nur schematisch dargestellt ist, kann beispielsweise 25° betragen. Die Schnittgeschwindigkeit kann auf 100 m/min eingestellt sein.
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Auf diese Weise lässt sich sehr einfach, kostengünstig und überaus schnell eine Außenkontur an einem Werkstück 38 erstellen, die im Querschnitt einem regelmäßigen konvexen Polygonzug entspricht.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 202015002876 U1 [0008]
- DE 243514 [0017]
- WO 2012/152659 A1 [0017]
