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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Kronenrads, wobei das Kronenrad eine Vielzahl von Zahnlücken aufweist, wobei jede Zahnlücke eine erste und eine zweite Zahnfläche umfasst, wobei das Verfahren umfasst:
- a) Bereitstellen eines Kronenrad-Werkstücks mit einer ersten Rotationsachse,
- b) Bereitstellen eines Werkzeugs mit einem Umfang und mit einer zweiten Rotationsachse, wobei das Werkzeug eine oder mehrere auf dem Umfang positionierte Material abtragende Flächen aufweist,
- c) Positionieren des Werkzeugs und des Kronen-Werkstücks relativ zueinander zur Erzeugung einer von der ersten oder der zweiten Zahnfläche auf dem Werkstück,
- d) Drehen des Werkzeugs um die zweite Rotationsachse und relatives Vorschieben des Werkzeugs in das Kronenrad-Werkstück
- e) Erzeugen einer von der ersten oder der zweiten Zahnfläche auf dem Werkstück durch Bewegen des Werkzeugs und des Kronenrad-Werkstücks relativ zueinander.
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Ein Kronenrad kann insbesondere Teil eines Kronenradgetriebes sein. Ein Kronenradgetriebe ist ein Winkelgetriebe, bei dem das Kronenrad mit einem Ritzel zusammenwirkt. Das Ritzel ist mit einer Standard-Evolvente entweder gerad- oder schrägverzahnt. Die Geometrie der Kronenradverzahnung wird durch die Übersetzung, die Geometrie des Ritzels sowie die Position des Ritzels definiert. Da die Drehgeschwindigkeit am Innen- und Außendurchmesser unterschiedlich groß ist, variiert der Eingriffswinkel entlang der Zahnbreite. Dadurch entsteht ein Übergang von der konischen Außenverzahnung zu der konischen Innenverzahnung. Zwischen Ritzel und Kronenrad liegt in aller Regel eine Linienberührung vor, wobei die Berührungslinien über die Zahnflanken laufen.
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Die sogenannte klassische Paarung ist geradverzahnt und hat einen 90°-Achswinkel. Grundsätzlich ist jede Paarung in Bezug auf Schrägungswinkel, Achswinkel und Achsversetzung möglich, so dass sich die Achsen schneiden oder kreuzen können.
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Ein wichtiger Vorteil des Kronenradgetriebes gegenüber anderen Zahnradgetrieben ist die axiale Freiheit des Ritzels. Damit ist das Tragbild am Kronenrad im Allgemeinen unabhängig von der axialen Position des Ritzels. Dies erleichtert die Montage und den Aufbau des Winkelgetriebes, da keine Axiallagerung oder Positionierung des Ritzels notwendig ist.
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Einen umfassenden Blick in das technische Gebiet, insbesondere in die Herstellung von Kronenrädern, gibt das Lehrbuch Zahnradtechnik - Evolventen-Sonderverzahnungen zur Getriebeverbesserung von K. Roth (1998, Verlag Springer Berlin Heidelberg, ISBN: 978-3-642-63778-0).
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Zudem gibt auch die
WO 2011/017301 A1 einen guten Überblick in verschiedene Herstellungsverfahren von Kronenrädern. Die
WO 2011/017301 A1 beschreibt folgende Verfahren für die Weichbearbeitung:
- - Hobbing, also Wälzfräsen, d.h. Wälzfräsen mit einem speziellen Wälzfräser (z. B. Toroidfräser) auf einer Maschine für zylindrische Ritzel, der so modifiziert ist, dass er das Schneiden am untersten Umfangsabschnitt des Wälzfräswerkzeugs ermöglicht (vertikale Tischachse der Wälzfräsmaschine).
- - Shaping, also Stoßen, d.h. Stoßen mit einem Schneidrad, der das passende zylindrische Ritzel darstellt, und einer Stoßmaschine mit einem Arbeitstisch, der (im Vergleich zu einer normalen Stoßmaschine für zylindrische Zahnräder) um den Fußwinkel des Kronenradsatzes (normalerweise 90°) gedreht wird.
- - Universal milling method, also eine universelle Fräsmethode, unter Verwendung eines Schaftfräsers auf einem 5-Achsen-Bearbeitungszentrum.
- - Grinding from solid, also Schleifen aus dem Vollen.
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Die
WO 2011/017301 A1 beschreibt zudem folgende Verfahren für die Hartbearbeitung:
- - Continuous grinding, also kontinuierliches Schleifen unter Verwendung einer Gewindeschleifscheibe mit einem Gewinde-Referenzprofil, das mit dem Ritzelzahnprofil des Kronenradsatzes identisch ist, auf einer Scheibe mit großem Durchmesser und kleiner Breite, die im Allgemeinen 1,5 bis 2,5 Gewindeumdrehungen aufweist.
- - Single index generating grinding, also einzelnes indexerzeugendes Schleifen mit einem Radprofil, das mit dem Ritzelzahnprofil des Kronenradsatzes identisch ist
- - Skiving, also Schälen, mit einem Schälmesser oder einem speziellen Wälzfräser
- - Skiving, also Schälen, mit einem Schaftfräser und einem 5-Achsen-Bearbetungszentrum.
- - Honing, also Honen, unter Verwendung eines modifizierten Ritzels mit einer abrasiven Schicht auf der Zahnoberfläche
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Des Weiteren erfährt der Fachmann aus dieser Schrift, dass die Weichbearbeitungsmethoden für Planverzahnungen von auftragsspezifischen Spezialwerkzeugen abhängen, die teuer und nicht flexibel hinsichtlich ihrer Verwendung für andere Aufgaben sind. Die Bearbeitungszeit eines Kronenrads ist im Allgemeinen deutlich länger als die Schnittzeit eines vergleichbaren Stirn- oder Kegelrads.
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Zwei der gebräuchlicheren Kronenrad-Hartbearbeitungsmethoden verwenden entweder eine sehr komplexe Werkzeuggeometrie, die sich nur schwer abrichten lässt und eine lange Abrichtzeit erfordert oder eine komplizierte und zeitaufwendige Wälzbearbeitung, kombiniert mit einer Vorschubbewegung in Stirnbreitenrichtung (Einzelindex-Wälzschleifen). Das Schälen mit einem speziellen Wälzfräser oder einem Formfräser aus Hartmetall bietet vernünftige Schnittzeiten, erfordert aber ein Werkzeug, das nicht nur teuer, sondern auch nicht oder nur schwer erhältlich ist.
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Das Honen von Kronenrädern erfordert z.B. ein wärmebehandeltes, geschliffenes und CBNbeschichtetes Ritzel, das teuer und unflexibel ist und für eine gute Spanabfuhr auf einen ziemlich großen Ritzelversatz angewiesen ist (gleich dem erforderlichen Versatz zwischen Kronenrad und passendem zylindrischen Ritzel), was die Anwendung auf Kronenradsätze beschränkt, die einen so hohen Versatz haben.
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Die
WO 2011/017301 A1 löst die geschilderten Probleme durch eine Frässcheibe, die unter einem Winkel, der dem Eingriffswinkel des Ritzels des Kronenradsatzes entspricht, auf ein Werkstück (z.B. Kronenrad) ausgerichtet werden und um eine virtuelle Ritzelachse gedreht werden kann, um eine Zahnflanke auf dem Werkstück zu erzeugen. Dieses Abwälzverfahren ist trotz der Überwindung der beschriebenen Nachteile weiterhin sehr zeitaufwendig, da die gesamte Zahnfläche schrittweise bearbeitet werden muss, insbesondere schrittweise durch Abwälzen bearbeitet werden muss. Die Werkzeuge benötigen entsprechende Radien, die auch immer wieder abgerichtet werden müssen. Die Oberflächenstruktur ist von den entsprechenden Vorschub- und Wälzbewegungen abhängig.
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Es besteht der Bedarf nach einem schnelleren und kostengünstigeren Herstellungsverfahren für ein Kronenrad sowie einer Fräs- oder Schleifanordnung zur Durchführung des Verfahrens.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Herstellungsverfahren für Kronenräder bereitzustellen, welches eine schnellere und flexiblere Herstellung von Kronenrädern und damit eine noch wirtschaftlichere Fertigung von einer Vielzahl von Kronenrädern ermöglicht. Nach einem weiteren Aspekt liegt die Aufgabe darin, eine Fräs- oder Schleifanordnung bereitzustellen.
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Nach einem ersten Aspekt der Erfindung wird die Aufgabe gelöst, indem bei einem Verfahren der eingangs genannten Art das Erzeugen Abtragen von Material des Kronenrad-Werkstücks in Schubrichtung umfasst, und das Werkzeug in einem Winkel gegen das Werkstück gerichtet wird, wobei der Winkel des Werkzeuges relativ zum Werkstück während des Vorschubs derart verändert wird, dass entlang einer Zahnbreite des Kronenrads unterschiedlich große Eingriffswinkel an der Zahnfläche erzeugt werden.
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Bei dem Werkzeug handelt es sich insbesondere um ein Fräs- oder Schleifwerkzeug, insbesondere für Hart- und/oder Weichbearbeitung. Als Werkzeug können handelsübliche zylindrische oder kegelförmige Fräser als auch plane oder kegelförmige Scheiben zum Einsatz kommen. Ein Beispiel eines zylindrischen Fräsers ist eine Schleifspindel oder ein Schleifzylinder. Ein weiteres Beispiel eines zylindrischen Fräsers ist ein Scheibenfräser oder eine Schleifscheibe, wobei die Scheibe bevorzugt mit geraden oder gekrümmten Flanken ausgebildet ist. Bei einer Scheibe kann es sich insbesondere um eine abgerichtete oder um eine CBN-Schleif- oder Frässcheibe handeln. Ein Kegel, ein Kegelstumpf sowie ein Doppelkegel sind Ausprägungen einer kegelförmigen Ausführung.
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Wenn das Werkzeug in einem Winkel gegen das Werkstück gerichtet ist, dann ist damit eine Neigung oder Verschwenkung des Werkzeugs relativ zum Werkstück gemeint. Insbesondere ist damit die Neigung des Werkzeugs bzw. die Neigung der Material abtragenden Fläche gegenüber dem Werkstück gemeint. Rotiert bzw. dreht das Werkzeug um seine Achse, so bildet das Werkzeug mit seiner Material abtragenden Fläche eine Bearbeitungsebene die gegen das Werkstück geneigt werden kann. Diese Bearbeitungsebene kann nun einerseits in Vorschubrichtung in das Werksstück hinein und wieder herausbewegt werden und andererseits relativ zum Werkstück geneigt werden.
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Der Winkel bzw. die Neigung des Werkzeugs relativ zum Werkstück ist insbesondere derart eingestellt, dass in dieser Neigung der Eingriffswinkel des Kronenrads erzeugt werden kann. Zu Beginn der Erzeugung einer Zahnfläche bzw. einer Zahnflanke kann damit insbesondere der Eingriffswinkel am Außenradius des Kronenrads oder der Eingriffswinkel am Innenradius des Kronenrads erzeugt werden.
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Unter der Vorschubrichtung des Werkzeugs ist insbesondere die Bewegung des Werkzeugs in radiale Werkstückrichtung zu verstehen, also, in Bezug auf das Werkstück, die Bewegung von radial außen nach innen oder von radial innen nach außen.
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Wenn von derersten und zweiten Zahnfläche bzw. Zahnflanke gesprochen wird, dann sind die jeweiligen einander gegenüberliegenden Zahnflanken gemeint, die durch die Zahnlücke getrennt werden.
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Es ist bekannt, dass sich beim Kronenrad das Zahnprofil bzw. der Eingriffswinkel über die Kronenradbreite stufenlos vom Innendurchmesser auf den Außendurchmesser verändert, damit es mit einem zylindrischen Zahnrad bzw. Ritzel gepaart werden kann. In diesem Sinne ist auch die Änderung des Winkels bzw. des Neigungswinkels des Werkzeugs während des Vorschubs zu verstehen. Es erfolgt demnach eine Veränderung bzw. Anpassung des Werkzeugs relativ zum Kronenrad-Werkstück während der Bewegung des Werkzeugs derart, dass eine stufenlose, d.h. eine kontinuierliche Veränderung des Eingriffswinkels erzeugt wird. So kann ein kronenradtypischer Übergang von einem kleineren Eingriffswinkel am Innenradius in einen größeren Eingriffswinkel am Außenradius dargestellt werden.
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Durch das Verfahren können insbesondere gerade Zahnflanken am Kronenrad erzeugt werden, welche beispielsweise einer idealisierten Zahnstange entsprechen können. Je nach Kronenraddurchmesser und Zähnezahl weicht die geradflankige Form des durch das erfindungsgemäße Verfahren hergestellten Kronenrads von der Kronenradflanke des durch aus dem Stand der Technik bekannten Abwälzens hergestellten Kronenrads ab. Es hat sich jedoch herausgestellt, dass diese Abweichungen tolerierbar sind.
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Anders als im Stand der Technik, handelt es sich bei dem erfindungsgemäßen Verfahren nicht um ein Abwälzverfahren, sondern um ein Formverfahren.
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Wird das erfindungsgemäße Verfahren bspw. in einem 5-Achs-CNC-Verfahren angewendet, so ist es aufgrund des Linienkontaktes wesentlich schneller als bisher bekannte Verfahren. Insbesondere, auch deswegen, weil kein punktförmiges Werkzeug, wie bspw. ein Einpunktfräser, verwendet wird. Eigene Untersuchungen haben gezeigt, dass das erfindungsgemäße Verfahren schneller als bisherige Abwälzverfahren ist. So kann bevorzugt mit einem einzigen Vorschubvorgang die gesamte Zahnhöhe einer der beiden Zahnflächen erzeugt werden.
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Ferner ist das erfindungsgemäße Verfahren sehr flexibel und kostengünstig, weil kommerzielle Werkzeuge, insbesondere zylindrische und kegelförmige Fräs- bzw. Schleifwerkzeuge verwendet werden können. Es müssen demnach ab Werk keine Anpassungen an die Bedürfnisse des Individualkunden vorgenommen werden. Die Herstellung von Spezialwerkzeug ist wiederum zeitaufwendig. Unter Flexibilität ist insofern insbesondere die Unabhängigkeit von besagtem Spezialwerkzeug zu verstehen.
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Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren können Kronenräder sämtlicher Größen hergestellt werden, bevorzugt 0,1 bis 10 (Modul in mm).
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Die ersten und zweiten Zahnflächen können nacheinander, aber auch in einer bestimmten oder stochastischen Reihenfolge erzeugt werden. Das erfindungsgemäße Verfahren kann demnach die Zahnflächen bzw. Zahnflanken derart erzeugen, dass bspw. zunächst die Gesamtheit der ersten Zahnflächen erzeugt wird und anschließend die Gesamtheit der zweiten Zahnflächen erzeugt wird, oder umgekehrt. Dies kann beispielsweise durch eine Vorschubbewegung des Werkzeugs in eine erste Vorschubrichtung erfolgen. Besonders bevorzugt ist es, dass erste und zweite Zahnflächen abwechselnd erzeugt werden, insbesondere durch Hin- und Rückbewegung des Werkzeugs oder durch Drehen des Werkstücks. Dies kann beispielsweise dadurch erreicht werden, dass das Werkzeug zunächst in eine erste Vorschubrichtung bewegt wird und anschließend in eine zweite Vorschubrichtung bewegt wird, wobei die zweite Vorschubrichtung im Wesentlichen der ersten Vorschubrichtung entgegengesetzt ist (Hin- und Rückbewegung). Das Verfahren kann derart ausgeführt werden, dass das Werkstück während des Herstellungsvorgangs aller Zahnflächen fixiert bleibt und das Werkzeug entsprechend bewegt wird. Es kann auch derart ausgeführt werden, dass das Werkstück nach Erzeugung einer ersten und/oder zweiten Zahnflanke in eine vorbestimmte Position gedreht wird.
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So ist gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ein Verfahren vorgesehen, das weiterhin Neupositionieren des Werkzeugs und des Werkstücks relativ zueinander und Erzeugen der anderen von der ersten oder der zweiten Zahnfläche auf dem Werkstück umfasst, oder Erzeugen von einer zweiten ersten Zahnfläche umfasst, wobei das Erzeugen Abtragen von Material des Kronenrad-Werkstücks in Schubrichtung umfasst, wobei der Winkel des Werkzeugs relativ zum Werkstück während des Vorschubs derart verändert wird, dass entlang einer Zahnbreite des Kronenrads unterschiedlich große Eingriffswinkel an der Zahnfläche erzeugt werden.
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Ebenfalls ist es bevorzugt, wenn nach der Erzeugung einer Zahnflanke das Werkzeug aus der Zahnlücke zurückgezogen wird und das Kronenrad-Werkstück zu einer anderen Lückenposition indexiert wird und das Erzeugungsverfahren für diese Zahnlückenposition wiederholt wird, wobei die Schritte des Zurückziehens, der Indexierung und der Erzeugung für alle Zahnlücken auf dem Kronenrad-Werkstück wiederholt werden.
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Es ist jedoch, wie vorstehend bereits erwähnt, auch möglich, dass das Werkstück während des gesamten Vorganges fixiert bleibt und das Werkzeug um das Werkstück herum arbeitet.
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Das Kronenrad kann gemäß dem Verfahren derart hergestellt werden, dass die Erzeugung der Zahnflächen stets von radial außen nach radial innen erfolgt, oder umgekehrt. Alternativ dazu kann das Kronenrad auch derart hergestellt werden, dass das Werkzeug abwechselnd von radial außen nach radial innen geführt wird, oder umgekehrt. So ist es bevorzugt, wenn der Schritt des relativen Vorschiebens des Werkzeugs in das Kronenrad-Werkstück eine Bewegung des Werkstücks von einer radialen Außenseite des Kronenrads zu einer radialen Innenseite des Kronenrads umfasst und/oder eine Bewegung von einer radialen Innenseite des Kronenrads zu einer radialen Außenseite des Kronenrads umfasst.
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Für die Lösung des Problems ist es ausreichend, wenn während des Vorschubs des Werkzeugs in das Kronenrad-Werkstück, das Kronenrad-Werkstück festgehalten wird, also relativ zur Bewegung des Werkzeugs stillsteht. In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Bewegung des Werkzeugs in Schubrichtung und die Verschwenkung des Werkstücks relativ zum Werkstück in einem zeitlich aufeinander abgestimmten Verhältnis zu einer Drehung des Kronenrad-Werkstücks um die erste Rotationsachse ausgeführt werden. So kann insbesondere ein Gegendruck gegen das Werkzeug aufgebaut werden. Dieses Vorgehen kann insbesondere einen Verschleiß des Werkzeugs kompensieren.
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Bevorzugt ist es, wenn das Erzeugen in Schubrichtung in einer vorgegebenen Anzahl von Schubinkrementen erfolgt, wobei bei jedem Inkrement der Neigungswinkel bzw. Schwenkwinkel des Werkzeugs um einen vorgegebenen Betrag verändert wird, sodass bei dem Kronenrad-Werkstück von radial innen nach radial außen der Eingriffswinkel zunimmt. Der Betrag des Winkels kann insbesondere größer Null sein. Der Betrag des Winkels kann aber auch größer gleich Null sein und damit eine Nichtänderung des Winkels einschließen.
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Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, wenn das Kronenradprofil mit dünnen Scheiben als ein geradflankiges Zahnprofil, wie bspw. eine idealisierte Zahnstange betrachtet wird. Geometrisch bedeutet dies, dass ein idealisierter Zahneingriff des Ritzels und der Zahnstange simuliert wird. Dabei haben die Kronenradscheiben bzw. Zahnstangenscheiben ein geradflankiges Zahnprofil, wie es eben bei einer Zahnstange der Fall ist. Ist die Anzahl der Inkremente unendlich groß und ist die Winkeländerung unendlich klein, so wird ein perfekter Eingriffswinkel über die Zahnbreite des Kronenrads erzeugt. Bevorzugt ist es, wenn das Kronenradprofil mit infinitesimal dünnen Scheiben als ein geradflankiges Zahnprofil, wie bspw. eine idealisierte Zahnstange betrachtet wird, da dadurch eine nahezu ideale Geometrie des Kronenrads erreicht werden kann.
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Zur Anzahl der Inkremente ist zu sagen, dass viele kleine Inkremente einerseits eine hohe Genauigkeit des Kronenradprofils bedeuten. Andererseits kann sich die Herstellungszeit des Kronenrads erhöhen. Die Breite der einzelnen Inkremente kann dabei stets dieselbe sein. Die Breite der einzelnen Inkremente kann aber auch variieren. Die Anzahl der Inkremente aber auch die Breite der Inkremente ist letztendlich ein Kompromiss aus Herstellungsgeschwindigkeit und Genauigkeit des Profils und zudem abhängig von der Maschinengenauigkeit. Hier sind viele Variationen denkbar.
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Vorstehend beschriebene Verfahrensweise bedeutet anders ausgedrückt, dass jedes Inkrement, idealisiert betrachtet, geradflankig ist. Durch die erfindungsgemäßen Verfahrensschritte wird jedoch praktisch eine „gekrümmte Zahnstange“ abgebildet, welche das für das Kronenrad charakterisierende Profil darstellt.
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Bevorzugt ist es, wenn die Neigungsbewegung bzw. Schwenkbewegung des Werkzeugs bzw. die Änderung des Winkels kontinuierlich entlang der Zahnbreite des Kronenrads erfolgt.
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Das Verfahren kann derart fortgebildet werden, dass an den Zahnflächen Balligkeiten ausgebildet werden. Unter einer Balligkeit wird eine Abweichung der Zahnflankengeometrie von der idealen Evolvente verstanden. Sie kann aufgrund der Druckbelastung des Materials (Hertz'sche Pressung) erforderlich sein. Unter Balligkeit wird sowohl die Höhenballigkeit als auch die Breitenballigkeit verstanden. In Kombination von Zustellung und Winkelkorrektur können auch gezielt Verschränkungen erzeugt werden, wobei unter einer Verschränkung eine ungleiche Änderung der Korrekturen über die Zahnbreite zu verstehen ist. Man spricht insofern auch von einem verschränkten Profil bzw. von einem twisted profile. Die Balligkeit kann an einer jeden Stelle der Zahnfläche erzeugt werden. Die Balligkeit kann auch als eine „Korrektur“ des Zahnes verstanden werden, insbesondere ist damit eine Kopf- oder Fußrücknahme des Zahnes gemeint.
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In diesem Zusammenhang ist es bevorzugt, wenn durch das Werkzeug am oder im Einlauf und/oder Auslauf des Werkstücks eine zusätzliche Schwenkbewegung zur Erzeugung einer Balligkeit an der ersten und/oder zweiten Zahnfläche durchgeführt wird. Ein guter Einlauf des Kronenrads steigert dessen Flankentragfähigkeit und gestattet so eine höhere Lebensdauer oder Belastbarkeit des Kronenrads.
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Die Balligkeit kann aber auch mittels eines geeigneten Werkzeugs erzeugt werden, so dass es bevorzugt ist, wenn das Verfahren die Nutzung eines geradflankigen Werkzeug mit einem bestimmten Profil umfasst, wodurch an der Zahnfläche eine oder mehrere Balligkeiten ausgebildet werden können.
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Mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens lassen sich nicht nur geradverzahnte Kronenräder (engl.: spur gears) herstellen, sondern auch schrägverzahnte Kronenräder (eng.: helical face gears) und achsversetzte Kronenräder (offset face gears). Schrägverzahnte Kronenräder könnten insbesondere dadurch hergestellt werden, indem das Werkzeug, bspw. in der Form eines Schaftfräsers oder einer Schneidscheibe gemäß dem Eingriffswinkel und auch gemäß dem Schrägungswinkel kontinuierlich geneigt wird.
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Es versteht sich, dass dem erfindungsgemäßen Verfahren eine Vorbearbeitung des Werkstücks bzw. des Kronenrads vorangeht.
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Die Vorbearbeitung des Kronenrades erfolgt in Bezug auf die Zahnflanke im Wesentlich identisch der Endbearbeitung jedoch mit Aufmaß. Die Zahnfußbearbeitung hingegen erfolgt in der Regel punktweise in einem generierenden Verfahren. Sie wird ohne Aufmaß und ggfs. mit Protuberanz durchgeführt, so dass bei der Endbearbeitung nur noch die Zahnflanke bearbeitet werden muss.
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Ein weiterer Aspekt der Erfindung ist es, eine Fräs- oder Schleifanordnung, welche geeignet ist, das vorstehend beschriebene Verfahren durchzuführen, bereitzustellen, die Fräs- oder Schleifanordnung umfassend
- a) eine Aufnahmevorrichtung zur Aufnahme eines zu bearbeitenden Kronenrad-Werkstücks,
- b) ein rotationssymmetrisches und Material abtragende Flächen aufweisendes Werkzeug, das angeordnet ist, um eine erste und zweite Zahnfläche zu erzeugen, wobei das Erzeugen Abtragen von Material des Kronenrad-Werkstücks in eine Schubrichtung umfasst,
- c) eine Steuerungseinheit;
- d) eine mit der Steuerungseinheit signaltechnisch gekoppelte Verfahreinrichtung, die mit dem Werkzeug mechanisch verbunden ist, wobei die Steuereinheit ausgebildet ist, die Verfahreinrichtung signaltechnisch anzusteuern und die Verfahreinrichtung ausgebildet ist, auf Basis dieser Ansteuerung das Werkzeug in Schubrichtung zu verfahren und das Werkzeug in einem Winkel gegen die zu bearbeitende Zahnfläche des Werkstücks zu neigen, derart, dass während der Schubbewegung unterschiedlich große Eingriffswinkel entlang einer Zahnbreite des Kronenrads erzeugt werden.
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Die erfindungsgemäße Fräs- oder Schleifanordnung eignet sich in besonderer Weise zur Herstellung von Kronenrädern mit geraden Zahnflanken.
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Die erfindungsgemäße Fräs- oder Schleifanordnung weist eine spezifisch ausgebildete Steuerungseinheit aus, die mit der Verfahreinrichtung für deren Steuerung signaltechnisch gekoppelt ist. Die Steuerungseinheit ist dabei so programmiert, dass sie eine Verfahreinrichtung kontinuierlich bewegen kann, mit welcher Verfahreinrichtung das Werkzeug mechanisch verbunden ist. Die Verfahreinrichtung kann dabei in Schubrichtung, also in radiale Richtung und zudem auch in axiale Richtung des Kronenrad-Werkstücks bewegt werden. Die Verfahreinrichtung kann zudem um einen Winkel verschwenkt bzw. geneigt werden derart, dass das mit der Verfahreinrichtung verbundene Werkzeug in einem Winkel gegen die Zahnfläche des Kronenrad-Werkstücks geneigt wird, um einen Eingriffswinkel zu erzeugen.
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Es ist zu verstehen, dass diese Ausbildung der Steuerungseinheit zur Herstellung einer solchen Zahnflanke bzw. eines solchen Kronenrads insbesondere durch entsprechend an die Steuerungseinheit übertragene Daten ausgeführt werden kann, beispielsweise indem die Steuerungseinheit zur Datenübertragung kabelgebunden oder kabellos mit einem Steuerungsrechner verbunden ist, der die Daten zur Herstellung der jeweiligen Zahnflanke einerseits, darüber hinaus aber gegebenenfalls auch die Daten zur Herstellung des Kronenrads auf die Steuerungseinheit übertragt.
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Grundsätzlich ist zu verstehen, dass die Steuerungseinheit auch durch eine entsprechende elektronische Schaltung, eine Schnittstelle an der Fräs- oder Schleifanordnung und eine externe Steuerung durch einen Computer oder dergleichen gebildet werden kann.
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Die erfindungsgemäße Fräs- oder Schleifanordnung kann bevorzugt solcher Art fortgebildet werden, dass die Steuerungseinheit dafür ausgebildet ist, das Werkzeug in einer vorgegebenen Anzahl von Schubinkrementen zu verfahren, und bei jedem Inkrement den Neigungswinkel des Werkzeugs um einen vorgegebenen Betrag zu verändern, sodass bei dem Kronenrad-Werkstück von radial innen nach radial außen der Eingriffswinkel zunimmt bzw. von radial außen nach radial innen der Eingriffswinkel abnimmt. Je nach Kronenraddurchmesser und Zähnezahl kann sich hierbei eine geringfüge Abweichung von dem idealisierten, geradflankigen Zahnprofil (Zahnstange) ergeben, welche aber akzeptierbar wäre.
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Gemäß dieser Ausgestaltung wird das Kronenradprofil mit dünnen Scheiben als ein näherungsweises geradflankiges Zahnprofil, wie bspw. eine ideale Zahnstange betrachtet. Geometrisch bedeutet dies, dass ein idealisierter Zahneingriff des Ritzels und der Zahnstange simuliert wird. Dabei haben die Kronenradscheiben bzw. Zahnstangenscheiben ein geradflankiges Zahnprofil, wie es eben bei einer Zahnstange der Fall ist. Mathematisch kann die vorstehend beschriebene Scheibchen- bzw. Inkrementenmethode durch Interpolation zwischen einem Anfangswert und einem Endwert gelöst werden. Anfangs- und Endwert bzw. Anfangs- und Endwerte umfassen vorgebenene Parameter, wie Koordinaten und Winkel.
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Es ist eine Fräs- oder Schleifanordnung bevorzugt, wobei die Steuerungseinheit signaltechnisch zusätzlich mit der Aufnahmevorrichtung gekoppelt ist, um das Kronenrad-Werkstück in eine Drehbewegung zu versetzen, um das Kronenrad-Werkstück zu einer anderen Lückenposition zu indexieren. Die Fräs- bzw. Schleifanordnung umfasst demnach eine Indexiereinheit. Hier wird die aktuelle Position des Werkzeugs zur Zahnlücke des Kronenrad-Werkstücks mit Hilfe eines oder mehrerer Sensoren mit einer Genauigkeit von wenigen Mikrometern eingemessen und gegebenenfalls korrigiert. Die Genauigkeit ist abhängig von der Maschine, sogenannte Maschinengenauigkeit, und kann daher variieren. Das Indexieren ist prinzipiell aus dem Stand der Technik bekannt.
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Es können sowohl abrichtbare als auch nicht abrichtbare, beschichtete (CBN-) Scheiben (geradflankig oder kegelförmig) zur Vor- oder Nachbearbeitung eingesetzt werden. Bei abrichtbaren Scheiben befindet sich eine Abrichteinrichtung auf der Maschine. Es kann zusätzlich eine Messeinrichtung für das Werkzeug vorgesehen sein.
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Die ersten und zweiten Zahnflächen können hintereinander, aber auch in einer bestimmten oder stochastischen Reihenfolge erzeugt werden.
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Darüber hinaus ergeben sich die Vorteile entsprechender bevorzugter erfindungsgemäßer Fräsanordnungen unmittelbar aus den vorstehenden Ausführungen zu erfindungsgemäßen und bevorzugen Verfahren zur Herstellung eines Kronenrads. Die vorstehenden Ausführungen treffen mutatis mutandis zu.
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Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Figuren näher erläutert. Es zeigen
- 1 eine Fräs- bzw. Schleifanordung in einer ersten bevorzugten Ausführungsform der
Erfindung in einer schematischen Ansicht aus einer Perspektive;
- 2a-c jeweils Ausschnitte einer Fräs- bzw. Schleifanordung gemäß 1 bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zu drei Zeitpunkten in einer ersten Ansicht;
- 3a-c dieselben Ausschnitte aus 2a-c in einer zweiten Ansicht;
- 4a-c dieselben Ausschnitte aus 3a-c in einer dritten Ansicht;
- 5a-c jeweils Ausschnitte einer Fräs- bzw. Schleifanordung in einer zweiten Ausführungsform der Erfindung bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zu drei Zeitpunkten in einer ersten Ansicht;
- 6a-c dieselben Ausschnitte aus 5a-c in einer zweiten Ansicht;
- 7a-c jeweils Ausschnitte einer Fräs- bzw. Schleifanordung in einer dritten Ausführungsform der Erfindung bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zu drei Zeitpunkten in einer ersten Ansicht;
- 8a-c dieselben Ausschnitte aus 7a-c in einer zweiten Ansicht;
- 9 eine schematische Ansicht einer beispielhaften Einteilung eines Kronenrad-Werkstücks in Inkrementen;
- 10 Verfahrensschritte des Verfahrens zur Herstellung eines Kronenrads in einer bevorzugten Ausführungsform, und
- 11 ein fertiggestelltes Kronenrad, das mit einem Ritzel in Zahneingriff ist, in einer schematischen Ansicht aus einer Perspektive.
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Nachfolgend wird zunächst auf eine beispielhafte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Fräs- bzw. Schleifanordnung eingegangen, welche für die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung eines Kronenrads vorgesehen ist.
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Die Fräs- bzw. Schleifanordnung 10 gem. 1 umfasst eine nicht näher dargestellte Aufnahmevorrichtung in welcher das Kronenrad-Werkstück 1 mit einer Rotationsachse X aufgenommen ist. Die Fräs- bzw. Schleifanordnung 10 umfasst ferner ein rotationssymmetrisches A und Material abtragende Flächen 3 aufweisendes Werkzeug 2 in Form einer Schleifscheibe. Das Werkzeug 2 ist angeordnet, um eine nicht näher dargestellte erste Zahnfläche 4 und eine nicht näher dargestellte zweite Zahnfläche 5 des Kronenrads zu erzeugen, wobei das Erzeugen Abtragen von Material des Kronenrad-Werkstücks 1 in eine Schubrichtung 7 bzw. 9 umfasst. Von radial innen nach radial außen wird die Vorschubrichtung mit Bezugszeichen „7“ bezeichnet. In umgekehrter Richtung wird die Vorschubrichtung mit Bezugszeichen „9“ bezeichnet.
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Die Fräs- bzw. Schleifanordnung 10 umfasst ferner eine nicht dargestellte Steuerungseinheit sowie eine mit der Steuerungseinheit signaltechnisch gekoppelte nicht dargestellt Verfahreinrichtung, die mit dem Werkzeug mechanisch verbunden ist. Die Steuerungseinheit ist ausgebildet, die Verfahreinrichtung signaltechnisch anzusteuern. Die Steuerungseinheit kann insbesondere derart konfiguriert sein, dass sie zwischen einem Anfangswert und einem Endwert interpoliert wird. Die Verfahreinrichtung ist ausgebildet, auf Basis dieser Ansteuerung das Werkzeug 2 in Schubrichtung 7 und 9 kontinuierlich zu verfahren und das Werkzeug 2 in einem Winkel gegen die zu bearbeitende Zahnfläche 4, 5, des Werkstücks 1 zu neigen, derart, dass während der Schubbewegung 7 (durch Abtragen von Material des Werkstücks 1 in Vorschubrichtung) unterschiedlich große Eingriffswinkel entlang einer Zahnbreite des Kronenrads erzeugt werden. Die unterschiedlich großen Eingriffswinkel verlaufen in kronenradtypischer Weise kontinuierlich vom Innenradius zum Außenradius des Kronenrads 1.
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Mit dieser Fräs- bzw. Schleifanordnung 10 kann das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung des Kronenrads, durchgeführt werden. Hierzu im Detail: Nachdem das Kronenrad-Werkstück 1 mit der ersten Rotationsachse X und das Werkzeug 2 mit der zweiten Rotationsachse A bereitgestellt wurde, wird das Werkzeug 2 und das Kronenrad-Werkstück 1 relativ zueinander positioniert. Das Werkzeug 2 wird in Rotation versetzt, sodass es sich um die zweite Rotationsachse A dreht. Das Werkzeug 2 wird relativ in die Vorschubrichtung 7, 9 vorgeschoben. Die erste und zweite Zahnfläche 4, 5 wird durch Bewegen des Werkzeugs 2 und des Kronenrad-Werkstücks 1 relativ zueinander erzeugt.
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Es ist vorgesehen, dass zunächst die erste Zahnfläche 4 in Vorschubrichtung 7 erzeugt wird. Anschließend wird die zweite Zahnfläche 5 in Vorschubrichtung 9 erzeugt. Andere Reihenfolgen sind selbstverständlich denkbar. Nach dem die erste Zahnflanke 4 erzeugt wurde, wird das Werkzeug verschwenkt, um in entgegengesetzter Schubrichtung 9 die zweite Zahnfläche 5 zu erzeugen. Es erfolgt demnach ein Neupositionieren des Werkzeugs und des Werkstücks relativ zueinander bevor die andere Zahnfläche erzeugt wird. Nach Erzeugung der zweiten Zahnfläche 5 in Vorschubrichtung 9 wird das Werkzeug 2 aus der Zahnlücke 6 zurückgezogen und das Kronenrad-Werkstück 1 wird zu einer anderen Lückenposition indexiert. Das Erzeugungsverfahren wird für diese Zahnlückenposition wiederholt, wobei die Schritte des Zurückziehens, der Indexierung und der Erzeugung für alle Zahnlücken auf dem Kronenrad-Werkstück wiederholt werden.
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Es ist an diesem Verfahren vorgesehen, dass das Werkzeug 2 bzw. seine Material abtragende Fläche 3 in einem nicht näher dargestellten Neigungswinkel bzw. Schwenkwinkel gegen das Werkstück 1 gerichtet wird, wobei der Neigungswinkel mit einem Eingriffswinkel eines mit dem herzustellenden Kronenrad korrespondierenden Ritzels korrespondiert und das Erzeugen Abtragen von Material des Kronenrad-Werkstücks 1 in Schubrichtung 7 bzw. 9 umfasst. Der Neigungswinkel des Werkzeugs 2 bzw. der Material abtragende Fläche 3 relativ zum Kronenrad-Werkstücks 1 wird während des Vorschubs 7 bzw. 9 derart verändert, dass entlang einer Zahnbreite des Kronenrads 1 kontinuierlich verlaufende Eingriffswinkel erzeugt werden.
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Das Erzeugen der ersten und zweiten Zahnfläche 4, 5 in Schubrichtung 7 bzw. 9 erfolgt in einer vorgegebenen Anzahl von Schubinkrementen, wobei bei jedem Inkrement der Neigungswinkel des Werkzeugs 2 um einen vorgegebenen Betrag verändert wird, sodass bei dem Kronenrad-Werkstück 1 von radial innen nach radial außen der Eingriffswinkel zunimmt. Dabei wird das Kronenradprofil mit infinitesimal dünnen Inkrementen, als ein geradflankiges Zahnprofil betrachtet. Geometrisch bedeutet dies, dass ein idealisierter Zahneingriff des (mit dem Kronenrad korrespondierenden) Ritzels und einer Zahnstange simuliert wird. Dabei haben die Kronenradscheiben bzw. Zahnstangenscheiben ein geradflankiges Zahnprofil. Mathematisch wird dies, wie vorstehend bereits erwähnt, durch Interpolation gelöst. Die Neigungsbewegung des Werkzeugs 2 erfolgt kontinuierlich entlang der Zahnbreite des Kronenrads.
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Die erfindungsgemäße Fräs- bzw. Schleifanordnung wurde vorstehend anhand einer kegelstumpfförmigen Schleifscheibe erläutert. Es sind auch andere Fräs- bzw. Schleifwerkzeuge verwendbar, wie bspw. zylindrische Fräser, kegelförmige Fräser und andere Formen von Schleifscheiben. Die Fräs- bzw. Schleifanordnung funktioniert sinngemäß auch mit diesen alternativen Werkzeugen.
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Ausgehend von der Fräs- bzw. Schleifanordnung 10 aus 1 werden in 2a-c, 3a-c, 4a-c drei Momentaufnahmen der Herstellung eines Kronenrads mit dieser Fräs- bzw. Schleifanordnung gezeigt. 2a zeigt eine Momentaufnahme der Herstellung des Kronenrads zu einem ersten Zeitpunkt t1. 2b zeigt eine Momentaufnahme der Herstellung des Kronenrads zu einem zweiten Zeitpunkt t2. 2c zeigt eine Momentaufnahme der Herstellung des Kronenrads zu einem dritten Zeitpunkt t3. Der Zeitpunkt t1 stellt den Beginn des Erzeugens der ersten Zahnflanke 4 dar. Der Zeitpunkt t3 stellt das Ende des Erzeugens der ersten Zahnflanke 4 dar. Der Zeitpunkt t2 liegt zwischen den Zeitpunkten t1 und t3.
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Bei der in 2a gezeigten Momentaufnahme ist das Werkzeug 2 mit seiner Material abtragenden Fläche 3 in einem Winkel α1 gegen das Werkstück 1 gerichtet. Die Rotationsachse X des Werkstücks 1 und die Rotationsachse A des Werkzeugs 2 kreuzen sich. In einer Ausgangssituation zum Zeitpunkt t1 sind die Achsen X, A in einem Winkel von 90° zueinander angeordnet. Die kegelstumpfartige Ausführung der Schleifscheibe gibt in diesem Zustand bereits eine Neigung der Material abtragenden Fläche 3 relativ zur Rotationsachse A vor.
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Nachfolgend ist der Neigungswinkel der Material abtragenden Fläche 3 relativ zur Zahnfläche 4,5 in Rotation zur Rotationsachse X des Werkstücks 1 dargestellt.
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So repräsentiert der Winkel α1 zum Anfangszeitpunkt t1 die Neigung der Material abtragenden Fläche 3 relativ zur Achse X des Werkstücks 1. Die Material abtragende Fläche 3 des Werkzeugs 2 ist in Kontakt mit dem Werkstück 1 und erzeugt die erste Zahnfläche 4. Die erste Zahnfläche 4 liegt gegenüber einer zweiten Zahnfläche 5. Zwischen jeweiligen ersten und zweiten Zahnflächen 4, 5 sind jeweilige Zahnlücken 6 vorgesehen. Zum Zeitpunkt t1 befindet sich das Werkzeug am Innendurchmesser des Werkstücks. Die Vorschubrichtung ist mit Bezugszeichen 7 bezeichnet.
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Gemäß der Ausführungsform nach 2a erfolgt das Erzeugen der ersten Zahnfläche 4 von radial innen nach radial außen. Das Erzeugen der zweiten Zahnfläche 5 erfolgt in umgekehrter Reihenfolge, nämlich von radial außen nach radial innen. Die ersten und zweiten Zahnflächen 4, 5 derselben Zahnlücke werden abwechselnd erzeugt, also zunächst die an die Zahnlücke 6 angrenzende erste Zahnfläche 4 und anschließend die an dieselbe Zahnlücke 6 angrenzende zweite Zahnfläche 5.
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2b zeigt eine weitere Momentaufnahme zum Zeitpunkt t2. Der Zeitpunkt t2 liegt zeitlich nach dem Zeitpunkt t1. Zu diesem Zeitpunkt ist das Werkzeug 2 ungefähr mittig zwischen Innenradius und Außenradius des Werkstücks 1. Der Neigungswinkel α2 ist größer als der Neigungswinkel α1. Das heißt, dass der erzeugte Eingriffswinkel größer als in 2a ist.
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2c zeigt eine weitere Momentaufnahme zum Zeitpunkt t3. Der Zeitpunkt t3 liegt zeitlich nach dem Zeitpunkt t2. Zu diesem Zeitpunkt ist das Werkzeug 2 am Außenradius des Werkstücks 1. Der Neigungswinkel α3 ist größer als der Neigungswinkel α2. Das heißt, dass der erzeugte Eingriffswinkel größer als in 2b ist. Der Zeitpunkt t3 stellt das Ende des Erzeugens der ersten Zahnfläche 4 dar. Es folgt nun das Erzeugen der gegenüberliegenden zweiten Zahnfläche 5 von radial außen nach radial innen.
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3a-c zeigen dieselben Momentaufnahmen der 2a-c aus einem anderen Blickwinkel, nämlich um 90° gedreht, sodass auf die Ausführungen zu diesen Figuren verwiesen werden kann. Die Vorschubrichtung 7 des Werkzeugs 2 verläuft gem. 3a-c von „rechts nach links“ verläuft. Radial innen, also am Innendurchmesser d(i), weist der Zahn eine Höhe h1 auf. Radial außen, also am Außendurchmesser d(a), weist der Zahn eine Höhe h2 auf. Gut zu erkennen ist, dass die Höhe h1 größer als die Höhe h2 ist.
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4a-c zeigen dieselben Momentaufnahmen der 2a-c aus einer erneut anderen Perspektive. Während die 2a-c die Anordnung 10 jeweils in einem Querschnitt zeigen, zeigen 4a-c die jeweilige Anordnung 10 aus einer Perspektive. Gezeigt werden die Schleifscheibe 2 mit ihrer Material abtragenden Fläche 3, das Werkstück 1, sowie die Winkel α1, α2 und α3, die zwischen Fläche 3 und Achse X aufgespannt werden, zu den drei Zeitpunkten t1, t2 und t3.
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5a-c, 6a-c und 7a-c, 8a-c zeigen zwei weitere Ausführungsformen der Fräs- bzw. Schleifanordnung. Der wesentliche Unterschied liegt in der Form des Werkzeugs. Während die Anordnung 10 aus 1 bis 4a-c eine kegelförmige Schleifscheibe umfasst, umfasst die Fräs- bzw. Schleifanordnung in 5a-c, 6a-c einen zylindrischen Fräser und in 7a-c, 8a-c einen kegelförmiger Fräser. Ein weiterer Unterschied kann in der Programmierung und Justierung der Steuerungseinheit liegen, die unter Umständen für ein jedes Werkzeug separat vorgenommen werden muss.
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5a-c zeigen demnach eine zweite Ausführungsform der Fräs- bzw. Schleifanordnung. Im Unterschied zur Ausführung gem. 2a-c, 3a-c und 4a-c weist die Anordnung 100 ein Werkzeug 20 in Form eines zylindrischen Fräsers mit einer Achse B auf. Die Rotationsachse B der Schleifscheibe 20 ist demnach um 90° gegenüber der Rotationsachse X des zylindrischen Fräsers 20 gedreht.
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Bei der in 5a gezeigten Momentaufnahme ist das Werkzeug 20 mit seiner Material abtragenden Fläche 30 in einem Winkel β1 gegen das Werkstück 1 gerichtet. Die Achsen X und B kreuzen sich. Der Winkel β1 repräsentiert die Neigung der Achse B des Werkzeugs 20 gegenüber der Achse X des Werkstücks 1. Die Neigung des Fräsers 20 entspricht bei dieser Ausführung der Neigung der Material abtragenden Fläche 30. Die Fläche 30 des Werkzeugs 20 ist in Kontakt mit dem Werkstück 1 und erzeugt die erste Zahnfläche 4. Die erste Zahnfläche 4 liegt gegenüber einer zweiten Zahnfläche 5. Zwischen jeweiligen ersten und zweiten Zahnflächen 4, 5 sind jeweilige Zahnlücken 6 vorgesehen. Zum Zeitpunkt t1 ist das Werkzeug am Innendurchmesser des Werkstücks. Der Zeitpunkt t1 stellt den Beginn des Erzeugens der ersten Zahnfläche dar. Die Vorschubrichtung ist mit Bezugszeichen 7 bezeichnet.
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5b zeigt eine weitere Momentaufnahme zum Zeitpunkt t2. Der Zeitpunkt t2 liegt zeitlich nach dem Zeitpunkt t1. Zu diesem Zeitpunkt ist das Werkzeug 20 ungefähr mittig zwischen Innenradius und Außenradius des Werkstücks 1 und weist einen Neigungswinkel β2 auf. Der Neigungswinkel β2 ist größer als der Neigungswinkel β1. Das heißt, dass der erzeugte Eingriffswinkel größer als in 5a ist.
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5c zeigt eine weitere Momentaufnahme zum Zeitpunkt t3. Der Zeitpunkt t3 liegt zeitlich nach dem Zeitpunkt t2. Zu diesem Zeitpunkt ist das Werkzeug 20 am Außenradius des Werkstücks 1 und weist einen Neigungswinkel β3 auf. Der Neigungswinkel β3 ist größer als der Neigungswinkel β2. Das heißt, dass der erzeugte Eingriffswinkel größer als in 5b ist. Der Zeitpunkt t3 stellt das Ende des Erzeugens der ersten Zahnfläche 4 dar.
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6a-c zeigen dieselben Momentaufnahmen der 5a-c aus einem anderen Blickwinkel, nämlich um 90° gedreht, sodass auf die Ausführungen zu diesen Figuren verwiesen werden kann. Die Vorschubrichtung 7 des Werkzeugs verläuft gem. 6a-c von „rechts nach links“ verläuft. Radial innen, also am Innendurchmesser d(i), weist der Zahn eine Höhe h1 auf. Radial außen, also am Außendurchmesser d(a), weist der Zahn eine Höhe h2 auf. Gut zu erkennen ist, dass die Höhe h1 größer als die Höhe h2 ist.
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7a-c zeigen eine dritte Ausführungsform der Fräs- bzw. Schleifanordnung. Im Unterschied zur Ausführung gem. 5a-c und 6a-c weist die Anordnung 1000 ein Werkzeug 200 in Form eines kegelförmigen Fräsers mit einer Achse C auf. Der Fräser 200 weist eine Material abtragende Fläche 300 auf, die bereits einen Winkel gegenüber der Rotationsachse C aufweist.
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Wie bei der Ausführungsform gemäß 5a-c ist die Material abtragende Fläche zum Zeitpunkt t1 in einem Winkel gegen das Werkstück 1 gerichtet, welcher Winkel vorliegend mit ϕ1 bezeichnet wird. Die Rotationsachse C des Werkzeugs 200 und die Rotationsachse X des Werkstücks sind jedoch - anders als bei 5a-c - parallel zueinander und kreuzen sich nicht. Aus der Sicht des Betrachters liegen die Achsen C und X in 5a hintereinander.
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Der Winkel ϕ1 repräsentiert demnach die Neigung der Fläche 300 des Werkzeugs 2 gegenüber der Achse X des Werkstücks 1. Die Fläche 300 des Werkzeugs 2 ist in Kontakt mit dem Werkstück 1 und erzeugt die erste Zahnfläche 4. Die erste Zahnfläche 4 liegt gegenüber einer zweiten Zahnfläche 5. Zwischen jeweiligen ersten und zweiten Zahnflächen 4, 5 sind jeweilige Zahnlücken 6 vorgesehen. Zum Zeitpunkt t1 ist das Werkzeug am Innendurchmesser des Werkstücks. Der Zeitpunkt t1 stellt den Beginn des Erzeugens der ersten Zahnfläche dar. Die Vorschubrichtung ist mit Bezugszeichen 7 bezeichnet.
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Gemäß der Ausführungsform nach 7a erfolgt die Erzeugung der ersten Zahnfläche 4 von radial innen nach radial außen. Die Erzeugung der zweiten Zahnflächen 5 erfolgt in umgekehrter Reihenfolge, nämlich von radial Außen nach radial innen. Die ersten und zweiten Zahnflächen 4, 5 derselben Zahnlücke 6 werden abwechselnd erzeugt, also zunächst die an die Zahnlücke 6 angrenzende erste Zahnfläche 4 und anschließend die an dieselbe Zahnlücke 6 angrenzende zweite Zahnfläche 5 oder umgekehrt.
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7b zeigt eine weitere Momentaufnahme zum Zeitpunkt t2. Der Zeitpunkt t2 liegt zeitlich nach dem Zeitpunkt t1. Zu diesem Zeitpunkt ist das Werkzeug 200 ungefähr mittig zwischen Innenradius und Außenradius des Werkstücks 1. Der Neigungswinkel ϕ2 ist größer als der Neigungswinkel ϕ1. Das heißt, dass der erzeugte Eingriffswinkel größer als in 6a ist.
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7c zeigt eine weitere Momentaufnahme zum Zeitpunkt t3. Der Zeitpunkt t3 liegt zeitlich nach dem Zeitpunkt t2. Zu diesem Zeitpunkt ist das Werkzeug 200 am Außenradius des Werkstücks 1. Der Neigungswinkel ϕ3 ist größer als der Neigungswinkel ϕ2. Das heißt, dass der erzeugte Eingriffswinkel größer als in 7b ist. Der Zeitpunkt t3 stellt das Ende des Erzeugens der ersten Zahnfläche 4 dar. Es folgt nun das Erzeugen der gegenüberliegenden zweiten Zahnfläche 5 von radial außen nach radial innen.
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8a-c zeigen dieselben Momentaufnahmen der 7a-c aus einem anderen Blickwinkel, nämlich um 90° gedreht, sodass auf die Ausführungen zu diesen Figuren verwiesen werden kann. Die Vorschubrichtung 7 des Werkzeugs verläuft gem. 8a-c von „rechts nach links“ verläuft. Radial innen, also am Innendurchmesser d(i), weist der Zahn eine Höhe h1 auf. Radial außen, also am Außendurchmesser d(a), weist der Zahn eine Höhe h2 auf. Gut zu erkennen ist, dass die Höhe h1 größer als die Höhe h2 ist.
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9 zeigt die durch das Verfahren verwendete „Scheibchenmethode“ in einer schematischen Ansicht. Beispielhaft sind 10 Inkremente i1 bis i10 dargestellt. Das erste Inkrement i1 ist dem Innendurchmesser d(i) zugeordnet, während das zehnte Inkrement i10 dem Außendurchmesser d(a) zugeordnet ist. Der Winkel des nicht dargestellten Werkzeugs bzw. der Material abtragenden Fläche wird bei jedem Inkrement um einen bestimmten Betrag verändert. Es ist denkbar, dass die Änderung stets denselben Betrag umfasst. Es ist aber auch denkbar, dass die Änderung jeweils unterschiedlich große Beträge umfasst. Auch eine Kombination von unterschiedlich großen Beträgen und gleich großen Beträgen ist denkbar. Wird das Werkzeug von radial innen nach radial außen bewegt, so nimmt der Neigungswinkel zu. Wie der schematischen Zeichnung gut zu entnehmen ist, wird der Winkel, der von der ersten und zweiten Zahnfläche 4, 5 aufgespannt wird, ausgehend von i1 hin zu i10 größer, wie bei einem Kronenrad üblich. Es versteht sich, dass die Anzahl der Inkremente lediglich als Beispiel und zur Erläuterung Prinzips der Scheibchenmethode dient. Die tatsächliche Anzahl ist höher. Je höher die Anzahl der Inkremente, desto kontinuierlicher kann der Übergang von radial innen nach außen gestaltet werden.
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10 zeigt beispielhaft Verfahrensschritte des Verfahrens in einer bevorzugten Ausführungsform, nämlich
- - Bereitstellen eines Kronenrad-Werkstücks mit einer ersten Rotationsachse in einem ersten Schritt S1,
- - Bereitstellen eines Werkzeugs mit einer zweiten Rotationsachse, wobei das Werkzeug eine oder mehrere auf dem Werkzeug angeordnete Material abtragende Flächen aufweist in einem zweiten Schritt S2,
- - Positionieren des Werkzeugs und des Kronenrad-Werkstücks relativ zueinander zur Erzeugung einer von der ersten Zahnfläche oder der zweiten Zahnfläche auf dem Kronenrad-Werkstücks in einem dritten Schritt S3,
- - Drehen des Werkzeugs um die zweite Rotationsachse und relatives Vorschieben des Werkzeugs in eine Vorschubrichtung in einem vierten Schritt S4,
- - Erzeugen einer von der ersten oder der zweiten Zahnfläche auf dem Kronenrad-Werkstücks durch Bewegen des Werkzeugs und des Kronenrad-Werkstücks relativ zueinander in einem fünften Schritt S5.
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Das Werkzeug wird in einem sechsten Schritt S6 in einem Winkel gegen das Werkstück gerichtet, wobei der Winkel mit einem Eingriffswinkel eines mit dem herzustellenden Kronenrad korrespondierenden Ritzels korrespondiert. Das Erzeugen umfasst Abtragen von Material des Kronenrad-Werkstücks in Vorschubrichtung. Der Winkel des Werkzeugs relativ zum Kronenrad-Werkstück wird während des Vorschubs derart verändert wird, dass entlang einer Zahnbreite des Kronenrads unterschiedlich große Eingriffswinkel erzeugt werden. Schritte S4, S5 und S6 erfolgen insbesondere gleichzeitig.
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Das Neupositionieren des Werkzeugs und des Werkstücks relativ zueinander erfolgt in einem siebten Schritt S7. Das Erzeugen der anderen von der ersten oder der zweiten Zahnfläche auf dem Werkstück erfolgt in einem anschließenden achten Schritt S8.
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Mit Durchführen der Schritte S1 bis S8 wird eine erste und zweite Zahnfläche bzw. Zahnflanke erzeugt. Nach Erzeugung der ersten und zweiten Zahnfläche wird das Werkzeug aus der Zahnlücke zurückgezogen und das Kronenrad-Werkstück wird zu einer anderen Lückenposition indexiert. Das Erzeugungsverfahren wird für diese Zahnlückenposition wiederholt, wobei die Schritte des Zurückziehens, der Indexierung und der Erzeugung für alle Zahnlücken auf dem Kronenrad-Werkstück wiederholt werden.
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11 zeigt ein mittels des vorstehend beschriebenen Verfahrens bzw. mittels der vorstehend beschriebenen Fräs- bzw. Schleifanordnung hergestelltes Kronenrad 1 mit einer Rotationsachse X in einer schematischen Ansicht aus einer Perspektive, wobei lediglich drei Zähne 1 des Kronenrads 1 dargestellt sind. Ferner ist ein zylindrisches Ritzel 8 mit einer Rotationsachse Y und mit Zähnen 8.1 dargestellt. Die Verzahnung 8.1 des Ritzels 8 korrespondiert mit der Verzahnung 1 des Kronenrads 1, Der Zahneingriff ist durch zwei Zähne 8.1 des Ritzels 8 zwischen drei Zähnen 1 des Kronenrads 1 dargestellt. Die Achsen X und Y stehen in einem 90° Winkel zueinander und schneiden sich.
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Es werden nun beispielhafte Aspekte des Verfahrens zur Herstellung eines Kronenrads sowie der Fräs- und/oder Schleifanordnung beschrieben, die nicht Teil der Ansprüche sind.
- 1. Verfahren zur Herstellung eines Kronenrads, wobei das Kronenrad eine Vielzahl von Zahnlücken aufweist, wobei jeder Zahnlücke eine erste und eine zweite Zahnfläche umfasst, wobei das Verfahren umfasst:
- a) Bereitstellen eines Kronenrad-Werkstücks mit einer ersten Rotationsachse,
- b) Bereitstellen eines Werkzeugs mit einer zweiten Rotationsachse, wobei das Werkzeug eine oder mehrere auf dem Werkzeug angeordnete Material abtragende Flächen aufweist,
- c) Positionieren des Werkzeugs und des Kronenrad-Werkstücks relativ zueinander zur Erzeugung einer von der ersten Zahnfläche oder der zweiten Zahnfläche auf dem Kronenrad-Werkstücks,
- d) Drehen des Werkzeugs um die zweite Rotationsachse und relatives Vorschieben des Werkzeugs in eine Vorschubrichtung,
- e) Erzeugen einer von der ersten oder der zweiten Zahnfläche auf dem Kronenrad-Werkstücks durch Bewegen des Werkzeugs und des Kronenrad-Werkstücks relativ zueinander;
dadurch gekennzeichnet, dass
- f) das Werkzeug in einem Winkel gegen das Werkstück gerichtet wird, wobei der Winkel mit einem Eingriffswinkel eines mit dem herzustellenden Kronenrad korrespondierenden Ritzels korrespondiert,
- g) das Erzeugen Abtragen von Material des Kronenrad-Werkstücks in Vorschubrichtung umfasst,
- h) wobei der Winkel des Werkzeugs relativ zum Kronenrad-Werkstück während des Vorschubs derart verändert wird, dass entlang einer Zahnbreite des Kronenrads unterschiedlich große Eingriffswinkel erzeugt werden.
- 2. Verfahren nach Aspekt 1, das weiterhin Neupositionieren des Werkzeugs und des Werkstücks relativ zueinander und Erzeugen der anderen von der ersten oder der zweiten Zahnfläche auf dem Werkstück umfasst, oder von einer zweiten ersten Zahnfläche umfasst, wobei die Schritte g) und h) wiederholt werden.
- 3. Verfahren nach Aspekt 1 oder 2, wobei nach der Erzeugung einer Zahnfläche das Werkzeug aus der Zahnlücke zurückgezogen wird und das Kronenrad-Werkstück zu einer anderen Lückenposition indexiert wird und das Erzeugungsverfahren für diese Zahnlückenposition wiederholt wird, wobei die Schritte des Zurückziehens, der Indexierung und der Erzeugung für alle Zahnlücken auf dem Kronenrad-Werkstück wiederholt werden.
- 4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Aspekte, wobei der Schritt des relativen Vorschiebens des Werkstücks in das Kronenrad-Werkstück eine Bewegung des Werkstücks von einer radialen Außenseite des Kronenrads zu einer radialen Innenseite des Kronenrads umfasst oder eine Bewegung von einer radialen Innenseite des Kronenrads zu einer radialen Außenseite des Kronenrads umfasst.
- 5. Verfahren nach einem dervorhergehenden Aspekte, wobei die Bewegung des Werkzeugs in Schubrichtung und die Verschwenkung des Werkzeugs relativ zum Werkstück in einem zeitlich aufeinander abgestimmten Verhältnis zu einer Drehung des Kronenrad-Werkstücks um die erste Rotationsachse ausgeführt werden.
- 6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Aspekte, wobei das Erzeugen in Schubrichtung in einer vorgegebenen Anzahl von Schubinkrementen erfolgt, wobei bei jedem Inkrement der Schwenkwinkel/Neigungswinkel des Werkzeugs um einen vorgegebenen Betrag verändert wird, sodass bei dem Kronenrad-Werkstück von radial innen nach radial außen der Eingriffswinkel zunimmt.
- 7. Verfahren nach Aspekt 6, wobei die Neigungsbewegung/Schwenkbewegung des Werkzeugs kontinuierlich entlang der Zahnbreite des Kronenrads erfolgt.
- 8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Aspekte, wobei beim Erzeugen einer der beiden Zahnflächen eine Teilzahnhöhe erzeugt wird, bevorzugt die gesamte Zahnhöhe erzeugt wird.
- 9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Aspekte, wenn durch das Werkzeug am oder im Einlauf und/oder Auslauf des Werkstücks eine zusätzliche Schwenkbewegung des Werkzeugs zur Erzeugung einer Balligkeit an der ersten und/oder zweiten Zahnfläche durchgeführt wird.
- 10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Aspekte, wobei das Verfahren die Nutzung eines Fräs- oder Schleifwerkzeugs in der Form eines zylindrischen oder kegelförmigen Fräsers oder Scheibe umfasst, wobei der Fräser bzw. die Scheibe bevorzugt gerade oder gekrümmte Flanken aufweist.
- 11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Aspekte, wobei das Verfahren die Nutzung eines geradflankigen Fräs- bzw. Schleifwerkzeugs mit Korrekturen umfasst, wodurch an der Zahnfläche eine oder mehrere Profilkorrekturen ausgebildet werden können.
- 12. Fräs- und/oder Schleifanordnung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Aspekte, umfassend
- a) eine Aufnahmevorrichtung zur Aufnahme eines zu bearbeitenden Kronenrad-Werkstücks,
- b) ein rotationssymmetrisches und Material abtragende Flächen aufweisendes Werkzeug, das angeordnet ist, um eine erste und die zweite Zahnfläche zu erzeugen, wobei das Erzeugen Abtragen von Material des Kronenrad-Werkstücks in eine Schubrichtung umfasst,
- c) eine Steuerungseinheit;
- d) eine mit der Steuerungseinheit signaltechnisch gekoppelte Verfahreinrichtung, die mit dem Werkzeug mechanisch verbunden ist, wobei die Steuerungseinheit ausgebildet ist, die Verfahreinrichtung signaltechnisch anzusteuern und die Verfahreinrichtung ausgebildet ist, auf Basis dieser Ansteuerung das Werkzeug in Schubrichtung zu verfahren und das Werkzeug in einem Winkel gegen die zu bearbeitende Zahnfläche des Kronenrad-Werkstücks zu neigen, derart, dass während der Schubbewegung unterschiedlich große Eingriffswinkel entlang einer Zahnbreite des Kronenrads erzeugt werden.
- 13. Fräs- und/oder Schleifanordnung nach Aspekt 12, wobei die Steuerungseinheit dafür ausgebildet ist, das Werkzeug in einer vorgegebenen Anzahl von Schubinkrementen zu verfahren, und bei jedem Inkrement den Neigungswinkel des Werkzeugs um einen vorgegebenen Betrag zu verändern, sodass bei dem Kronenrad-Werkstück von radial innen nach radial außen der Eingriffswinkel zunimmt bzw. von radial außen nach radial innen der Eingriffswinkel abnimmt.
- 14. Fräs- und/oder Schleifanordnung nach Aspekt 12 oder 13, wobei die Steuerungseinheit signaltechnisch mit der Aufnahmevorrichtung gekoppelt ist, um das Kronenrad-Werkstück in eine Drehbewegung zu versetzen, um das Kronenrad-Werkstück zu einer anderen Lückenposition zu indexieren.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Kronenrad-Werkstück, Werkstück
- 2, 20, 200
- Werkzeug, zylindrisch, scheibenförmig, kegelförmig, Fräs- bzw. Schleifwerkzeug
- 3, 30, 300
- Material abtragende Fläche
- 4
- erste Zahnfläche
- 5
- zweite Zahnfläche
- 6
- Zahnlücke
- 7
- Vorschubrichtung
- 10,100,1000
- Fräs- bzw. Schleifanordnung
- d(i)
- Innendurchmesser
- d(a)
- Außendurchmesser
- h1
- Zahnhöhe
- h2
- Zahnhöhe
- i1, ..., i10
- Inkremente
- t1, t2, t3
- Zeitpunkt, Momentaufnahme
- α, β, ϕ
- Neigungs- bzw. Schwenkwinkel
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- WO 2011/017301 A1 [0006, 0007, 0011]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- K. Roth (1998, Verlag Springer Berlin Heidelberg, ISBN: 978-3-642-63778-0) [0005]
