DE102021112954A1

DE102021112954A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung einer Mikroverzahnung

Info

Publication number: DE102021112954A1
Application number: DE102021112954.0A
Authority: DE
Inventors: Klaus Daut
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2021-05-19
Filing date: 2021-05-19
Publication date: 2022-11-24

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Herstellung einer Mikroverzahnung, umfassend einen gegenüber einer ortsfesten Rotationsführung (5) drehbar und axial verlagerbar angeordneten Kathodenschaft (3), wobei am Kathodenschaft (3) eine Kathode (2) mit einer ersten Verzahnungsgeometrie (16) mit einer positiven Verzahnungsform befestigt ist, die dazu eingerichtet ist, eine Senkerosion an einem Rohling (1) auszuführen, wobei durch pulsende Oszillation der Kathode (2) in Richtung des Rohlings (1) ein Materialabtrag am Rohling (1) zur Herstellung einer zweiten Verzahnungsgeometrie (17) mit einer negativen Verzahnungsform erfolgt, wobei die Rotationsführung (5) dazu ausgebildet ist, eine Rotationsbewegung sowie eine Axialbewegung des Kathodenschaftes (3) relativ zum Rohling (1) zu führen. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer Mikroverzahnung (5) mit einer solchen Vorrichtung.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Herstellung einer Mikroverzahnung. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer Mikroverzahnung mit einer solchen Vorrichtung.
Aus der DE 10 2004 058 445 A1 geht ein Verfahren zur Herstellung von Zahnrädern hervor. Zunächst wird ein Grundkörper für ein Zahnrad bereitgestellt, der durch einen Precise Electro Chemical Machining-Prozess (zu Deutsch: Präzise Elektrochemische Metallbearbeitung oder PECM-Prozess) elektrochemisch bearbeitet wird. Zum Herstellen der Zähne des Zahnrads werden gleichzeitig mehrere zwischen den Zähnen verlaufende Ausnehmungen elektrochemisch abgesenkt.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Vorrichtung sowie ein Verfahren zur Herstellung von Mikroverzahnungen weiterzuentwickeln. Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 9 gelöst. Bevorzugte oder vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen der nachfolgenden Beschreibung sowie den beigefügten Figuren.
Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Herstellung einer Mikroverzahnung umfasst einen gegenüber einer ortsfesten Rotationsführung drehbar und axial verlagerbar angeordneten Kathodenschaft, wobei am Kathodenschaft eine Kathode mit einer ersten Verzahnungsgeometrie mit einer positiven Verzahnungsform befestigt ist, die dazu eingerichtet ist, eine Senkerosion an einem Rohling auszuführen, wobei durch pulsende Oszillation der Kathode in Richtung des Rohlings ein Materialabtrag am Rohling zur Herstellung einer zweiten Verzahnungsgeometrie mit einer negativen Verzahnungsform erfolgt, wobei die Rotationsführung dazu ausgebildet ist, eine Rotationsbewegung sowie eine Axialbewegung des Kathodenschaftes relativ zum Rohling zu führen. Mittels der Vorrichtung sind Mikroverzahnungen an Rohlingen mittels PECM-Verfahrens herstellbar, wobei prinzipiell beliebige Verzahnungsgeometrien einstellbar sind. Insbesondere sind schräge Mikroverzahnungen bzw. Schrägverzahnungen mittels der Vorrichtung herstellbar. Zwar erfolgt am Kathodenschaft die Einleitung einer Oszillationsbewegung in axialer Richtung, jedoch ermöglichen die drehbare Lagerung des Kathodenschafts in Kombination mit der Rotationsführung, dass der Kathodenschaft zusammen mit der Kathode bei einer axialen Verlagerung gleichzeitig in eine zwangsgeführte Rotation versetzt wird. Mittels der Rotationsführung wird neben der Rotationsbewegung des Kathodenschaftes auch die Axialbewegung des Kathodenschaftes relativ zum Rohling während der pulsenden Oszillation geführt.
Die Zahnlücken der Mikroverzahnung am Rohling werden vertikal von oben kommend, das heißt mit einer Verlagerung der Kathode parallel zur Rotationsachse des Rohlings, mit der Kathode und einer pulsenden Oszillationen, vorzugsweise mit 50 bis 90 Hz, chemisch abgetragen. Dies wird als Senkerosion bezeichnet. Die Kathode weist eine Positivform der Verzahnung auf und trägt eine vollflächige Negativform am Rohling pulsend ab. Dabei liegt ein Arbeitsspalt von beispielsweise 20 µm zwischen der Positivform und der Negativform vor. Die positive Verzahnungsform der Kathode gibt die erste Verzahnungsgeometrie vor, wobei durch die Senkerosion am Rohling eine zweite Verzahnungsgeometrie mit einer, bezogen auf die positive Verzahnungsform der ersten Verzahnungsgeometrie, negativen Verzahnungsform ausbildbar ist. Anders gesagt gibt die Form der ersten Verzahnungsgeometrie der Kathode die Form der zweiten Verzahnungsgeometrie am Rohling vor. Die gesamte Mikroverzahnung am Rohling wird bevorzugt als Ganzes hergestellt, indem das Material des Rohlings in axialer Richtung mit jeder Schwingung der pulsend oszillierenden Kathode schrittweise elektrochemisch abgetragen wird, bis die zweite Verzahnungsgeometrie bzw. die Mikroverzahnung am Rohling vollständig ausgebildet ist.
Je tiefer die Kathode in das Material des Rohlings eindringt, umso größer ist die Gefahr, dass der hintere Teil der Kathode weiteres zusätzliches Material ungewollt abträgt. Dieser Effekt wird als Nachbrennen am Rohling bezeichnet. Um dies zu verhindern wird die Kathode mit einer Dicke zwischen 0,1 und 0,5 mm, vorzugsweise zwischen 0,2 und 0,4 mm, bevorzugt von ca. 0,3 mm ausgebildet. Die erste Verzahnungsgeometrie der Kathode weist vorzugsweise eine Dicke auf, die kleiner ist als die axiale Länge des Rohlings. Dies stellt sicher, dass ein Nachbrenneffekt am Rohling verhindert wird. Alternativ oder ergänzend kann die Kathode bereichsweise mit einer nicht leitenden Isolationsbeschichtung beschichtet sein, die eine Wechselwirkung zwischen der Kathode und dem Material des Rohlings im Bereich der Beschichtung verhindert.
Die Rotationsführung ist beispielsweise an einem Unterbau der Vorrichtung ortsfest aufgenommen. Ebenso kann der Rohling ortsfest am Unterbau oder einem weiteren Bauteil angeordnet sein. Unter einer ortsfesten Anordnung ist vorliegend eine nicht drehbare sowie axial unbewegliche Anordnung der Rotationsführung bzw. des Rohlings zu verstehen. Ein Oberbau der Vorrichtung ist jedoch relativ zur Rotationsführung axial verlagerbar angeordnet, wobei am Oberbau das Werkzeug, umfassend wenigstens den Kathodenschaft und die Kathode, zur Herstellung der Mikroverzahnung drehbar angeordnet ist.
Das Werkzeug weist vorzugsweise eine Aufnahme auf, wobei der Kathodenschaft bevorzugt über wenigstens eine Lageranordnung relativ zur Aufnahme drehbar gelagert ist. Die Aufnahme kann lösbar am Oberbau der Vorrichtung angebunden sein, um das Werkzeug austauschen zu können. Das Werkzeug ist somit im Oberbau eingespannt oder darin einspannbar. Über den Oberbau wird die pulsende Oszillation initiiert und ausgeführt, wobei der Oberbau den Kathodenschaft pulsend in Richtung des ortsfesten Rohlings in eine Vorschubrichtung bewegt, um die Verzahnung Schritt für Schritt auszubilden. Vorzugsweise ist der Kathodenschaft über zwei oder mehrere Lageranordnungen gegenüber der Aufnahme drehbar gelagert. Dadurch wird eine stabile drehbare Lagerung des Kathodenschaftes sowie eine leichtgängige Verdrehung der gesamten Kathode realisiert.
Nach einem Ausführungsbeispiel ist der Kathodenschaft über einen Sicherungsstift gegenüber der Aufnahme positioniert. Der Sicherungsstift ist dazu eingerichtet, ein radiales Ausweichen bzw. eine radiale Bewegung des Kathodenschaftes relativ zum Rohling sowie zur Rotationsführung zu verhindern. Der Sicherungsstift kann dazu in die Aufnahme eingepresst sein und eine oder mehrere der genannten Lageranordnungen zur drehbaren Lagerung des Kathodenschafts aufnehmen. Die Lagerringe der jeweiligen Lageranordnung können je nach Ausbildung des Werkzeugs in den Kathodenschaft und/oder die Aufnahme eingepresst bzw. auf den Kathodenschaft und/oder die Aufnahme aufgepresst sein. Zudem ist der Sicherungsstift dazu eingerichtet, die Lageranordnungen wenigstens in axialer Richtung vorzuspannen.
Durch die Vorrichtung wird eine Kombination einer Axialbewegung mit einer Rotationsbewegung der Kathode ermöglicht, um eine von einer im Wesentlichen geraden Verzahnung unterschiedliche Verzahnungsgeometrie am Rohling zu erzeugen. Mithin ist mittels der Vorrichtung die Ausbildung einer Schrägverzahnung oder einer gekrümmten Verzahnung möglich.
Vorzugsweise weist die Rotationsführung wenigstens eine Ausnehmung auf, in der jeweils ein fest mit dem Kathodenschaft verbundener Führungsstift geführt ist. Der jeweilige Führungsstift kann in den Kathodenschaft eingepresst, eingeschlagen oder eingeschraubt sein. Damit eine Führung des Führungsstifts innerhalb der Ausnehmung mit einer möglichst geringen Reibung realisierbar ist, besteht zwischen dem jeweiligen Führungsstift und der dazugehörigen Ausnehmung ein Spiel von vorzugsweise ca. 0,004 mm. Je geringer das Spiel ist, desto genauer ist die Führung des Führungsstifts und desto geringer sind die realisierbaren Toleranzen an der Mikroverzahnung. Durch das Vorsehen mehrerer Ausnehmungen mit jeweils darin geführten Führungsstiften kann zudem eine gleichmäßige Kraftverteilung sichergestellt werden.
Der in einer jeweiligen Ausnehmung geführte Führungsstift realisiert eine mechanische Zwangsführung der Rotationsbewegung des Kathodenschafts bzw. der Kathode relativ zur Rotationsführung mit einer vergleichsweise hohen Genauigkeit. Die Oszillation des Kathodenschafts bzw. der Kathode kann dabei weiterhin in axialer Richtung erfolgen, ohne dass die Verdrehung des Kathodenschaftes von einer Steuerung zu berücksichtigen ist.
Nach einem Ausführungsbeispiel ist die jeweilige Ausnehmung ein Langloch, die mit einem Winkel größer als 0° zur axialen Verlagerungsachse des Kathodenschaftes angeordnet ist, um eine schräge Mikroverzahnung am Rohling auszubilden. Mit anderen Worten ist das Langloch nicht parallel zur axialen Verlagerungsachse des Kathodenschaftes ausgebildet, sondern verläuft schrägt dazu. Die Geometrie des Langlochs gibt die Geometrie der Mikroverzahnung am Rohling vor. Anders gesagt definiert das Langloch einen Verlagerungsweg des Führungsstifts zwischen einem Minimum und einem Maximum, der in einer axialen Bewegung sowie einer Rotationsbewegung des Kathodenschaftes relativ zur Rotationsführung resultiert. Über die axiale Erstreckung der Ausnehmung bzw. des Langlochs wird vorgegeben, welchen axialen Weg der Kathodenschaft relativ zur Rotationsführung bzw. zum Rohling zurücklegen kann. Über die umfängliche Erstreckung der Ausnehmung bzw. des Langlochs bzw. dem Winkel, mit dem die Ausnehmung bzw. das Langloch relativ zu einer Längsachse des Werkzeugs ausgebildet ist, wird demgegenüber der Winkel der Mikroverzahnung relativ zu einer Längsachse des Rohlings vorgegeben. Beispielsweise wenn das Langloch einen Winkel von 45° zur axialen Verlagerungsachse des Kathodenschaftes aufweist, wird am Rohling ebenfalls eine Mikroverzahnung ausgebildet, deren Zähne sich mit einem Winkel von 45° zur Längsachse bzw. Rotationsachse des Rohlings längs erstrecken. Somit wird anhand eines gewünschten Schrägungswinkels für die Mikroverzahnung die Ausnehmung bzw. das Langloch entsprechend konstruiert und ausgebildet, wobei die Kathode entsprechend dieser Winkelvorgabe bahngenau geführt wird. Es wird sichergestellt, dass die Kathode nur in diesem Winkel in das Werkstück eindringen kann und bei der Oszillationsbewegung immer in der gleichen Bahn verbleibt. Es sei explizit darauf hingewiesen, dass mittels der Vorrichtung nicht nur schräge Mikroverzahnungen für Zahnräder herstellbar sind, sondern prinzipiell jede beliebige Form für verschiedene Anwendungsgebiete. Das Langloch kann in seiner Erstreckung beispielsweise gekrümmt bzw. gebogen sein. Es können auch freie Geometrien mittels dieser Vorrichtung hergestellt werden. Beispielsweise können schräge und/oder gekrümmte Führungsflächen für aneinander abgleitende Bauteile hergestellt werden.
Vorzugsweise ist am Kathodenschaft sowie an der Kathode wenigstens eine fluchtende Passbohrung ausgebildet, in die zur Verdrehsicherung ein Passstift aufgenommen ist. Die Kathode ist ein Verschleißteil, das in regelmäßige Abständen ausgetauscht werden muss. Daher muss die Kathode lösbar mit dem Kathodenschaft verbindbar sein. Um jedoch eine Verdrehsicherung der Kathode relativ zum Kathodenschaft sicherzustellen, wird diese nach Montage mittels des jeweiligen Passstifts gegen ein Verdrehen gegenüber dem Kathodenschaft gesichert. Ferner kann, je nach Ausbildung des jeweiligen Passstifts, auch eine wenigstens teilweise axiale Sicherung der Kathode realisiert werden. Auch mehrere Passstifte können zur Verdrehsicherung eingesetzt werden.
Bevorzugt ist die Kathode zwischen einer Bodenplatte und einer Deckplatte axial eingespannt. Mit anderen Worten sind die Bodenplatte bzw. die Deckplatte zur Aufnahme der Kathode ausgebildet, wobei die Bodenplatte und die Deckplatte derart miteinander verspannt werden, dass wenigstens eine axiale Bewegung, vorzugsweise zusätzlich eine Rotationsbewegung, der Kathode relativ zum Kathodenschaft verhindert wird. Entsprechend den vorherigen Ausführungen können die Bodenplatte sowie die Deckplatte ebenfalls Passbohrungen aufweisen, die mit der Passbohrung am Kathodenschaft sowie der Passbohrung an der Kathode fluchten, wobei durch den jeweiligen Passstift eine drehfeste Anordnung des Kathodenschaftes mit der Kathode sowie der Deck- und Bodenplatte realisierbar ist.
Ferner bevorzugt ist die Rotationsführung aus einem nicht leitenden Material ausgebildet. Die Rotationsführung kann beispielsweise aus Borosilikatglas oder aus einem Kunststoff oder dergleichen ausgebildet sein. Alternativ könnte der Unterbau, der die Rotationsführung ortsfest anordnet, nicht leitend bzw. aus dem nicht leitenden Material ausgebildet sein.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung einer Mikroverzahnung umfasst die Schritte:

a) Bereitstellen eines Rohlings, der in einer Vorrichtung zur Herstellung von Mikroverzahnungen eines Zahnrades ortsfest angeordnet wird, umfassend einen gegenüber einer ortsfesten Rotationsführung drehbar und axial verlagerbar angeordneten Kathodenschaft mit einer Kathode, wobei die Rotationsführung dazu ausgebildet ist, eine Rotationsbewegung sowie eine Axialbewegung des Kathodenschaftes relativ zum Rohling zu führen;
b) Positionieren der Kathode in einer Ausgangsposition, wobei die Kathode eine erste Verzahnungsgeometrie mit einer positiven Verzahnungsform aufweist und axial zum Rohling beweglich angeordnet wird, wobei eine Längsachse des Rohlings parallel zu einer Rotationsachseder Kathode relativ zum Rohling angeordnet ist;
c) Durchführen einer Senkerosion am Rohling, wobei durch pulsende Oszillation der in ihrer Rotationsbewegung sowie in ihrer Axialbewegung geführten Kathode in Richtung des Rohlings ein Materialabtrag am Rohling erfolgt, bis eine zweite Verzahnungsgeometrie am Rohling mit einer, bezogen auf die positive Verzahnungsform der ersten Verzahnungsgeometrie, negativen Verzahnungsform ausgebildet wird.

Während des gesamten Herstellungsvorgangs der Mikroverzahnung kommt es zwischen der Kathode und dem Rohling zu keiner Zeit zu einem direkten Kontakt, sodass keine mechanischen Kräfte von der Kathode auf den Rohling, oder umgekehrt, übertragen werden. Dadurch ist das Verfahren unabhängig von der Härte oder der Zähigkeit des Rohlings. Anders gesagt kann das Werkzeug bereits vor der Herstellung der Mikroverzahnung gehärtet oder vergütet sein. Als Rohling eignet sich beispielsweise nicht rostender oder hochvergüteter Stahl, insbesondere Edelstahl. Die Herstellung der Mikroverzahnung ist jedoch abhängig von Werkstoffeigenschaften des Rohlings, insbesondere dem Schmelzpunkt, der Wärmeleitfähigkeit sowie der elektrischen Leitfähigkeit, wobei diese Eigenschaften die Verfahrensparameter wesentlich beeinflussen. In Abhängigkeit dieser und weiterer elektrischer Parameter sowie in Abhängigkeit von den Strömungsverhältnissen einer im Spalt zwischen der Kathode und dem Werkzeug angeordneten Elektrolytlösung wird eine Spaltweite zwischen der Kathode und dem Werkzeug eingestellt, die bevorzugt wenige Mikrometer beträgt, bevorzugt zwischen 0,01 mm und 1 mm, besonders bevorzugt etwa 0,02 mm bzw. 20 µm. Mit anderen Worten ist zwischen der Kathode und dem Werkzeug ein Arbeitsspalt ausgebildet, durch den die Elektrolytlösung hindurchfließen kann. Je kleiner der Arbeitsspalt ausgebildet ist, desto besser ist die Abbildungstreue der ersten Verzahnungsgeometrie der Kathode auf die zweite Verzahnungsgeometrie am Rohling. Gleichzeitig ist jedoch sicherzustellen, dass der Arbeitsspalt derart groß ausgebildet ist, dass eine ausreichende Menge der Elektrolytlösung durch den Arbeitsspalt hindurchfließen kann, um das Elektrolyt ausreichend auszutauschen bzw. zu erneuern, um den Herstellungsprozess mit einer bestmöglichen Qualität der Mikroverzahnung auszuführen. Der Austausch des Elektrolyts wird durch die Oszillationsbewegung der Kathode zudem begünstigt.
Die Vorrichtung umfasst vorzugsweise einen Speicher zum Vorhalten, Kühlung und/oder gegebenenfalls Filtern bzw. Säubern eines Elektrolyts, mittels dessen die elektrochemische Absenkung der Mikroverzahnung am Rohling erfolgt, wobei das Elektrolyt aus dem Speicher in den Arbeitsspalt zwischen der Kathode und dem Rohling förderbar ist.
Die Elektrolytlösung übernimmt den Ladungstransport im Arbeitsspalt zwischen der ersten Verzahnungsgeometrie der Kathode und dem Werkzeug. Diese ist üblicherweise eine wässrige Lösung von Natriumchlorid (NaCI) oder Natriumnitrat (NaNO3). Mittels einer pulsenden Spannungsquelle wird ein Elektronenstrom an der Kathode erzeugt, welcher zusammen mit der pulsenden Oszillation der Kathode Metallionen vom Rohling löst. Die gelösten Metallionen gehen dann am Werkzeug Reaktionen mit Teilen des gespaltenen Elektrolyts ein. An der Kathode reagiert der Elektrolytrest mit Wasser. Als Endprodukt fällt Metallhydroxid an, welches mittels der Elektrolytlösung aus dem Arbeitsspalt entfernt bzw. herausgespült wird.
Durch Wiederholung dieser Schritte mit gleichzeitigem Nachführen der Kathode zum Rohling, damit während der pulsenden Oszillation der Kathode die geforderte Spaltweite erhalten bleibt, wird Schritt für Schritt die zweite Verzahnungsgeometrie am Rohling als negative Verzahnungsform elektrochemisch herausgearbeitet. Durch Senkerosion am Rohling wird somit vorzugsweise die gesamte Mikroverzahnung des Rohlings, umfassend alle Zähne, sowie die dazwischen liegenden Zahnzwischenräume als Ganzes hergestellt. Alternativ kann eine teilweise umlaufene Mikroverzahnung, also ein Verzahnungsabschnitt der Mikroverzahnung, am Rohling hergestellt werden. In diesem Fall kann der Rohling verdrehbar angeordnet sein, wobei nach Verdrehen des Rohlings eine Wiederholung der Senkerosion erfolgen kann, mit der ein zweiter oder n-ter Verzahnungsabschnitt der Mikroverzahnung herstellbar ist.
Die Kathode und der Rohling sind zu Beginn des Herstellungsverfahrens der Mikroverzahnung in zwei im Wesentlichen parallelen Ebenen angeordnet. Die erste Ebene, auf der die Kathode angeordnet ist, ist in Richtung der zweiten Ebene, auf der der Rohling angeordnet ist, verlagerbar, wobei die Kathode mit der ersten Verzahnungsgeometrie im Verlauf der Herstellung der zweiten Verzahnungsgeometrie in Richtung des Rohlings verlagert wird, und zwar so weit, bis die zweite Verzahnungsgeometrie bzw. die Mikroverzahnung vollständig hergestellt ist.
Vorzugsweise oszilliert die durch die Rotationsführung in ihrer Rotationsbewegung sowie in ihrer Axialbewegung geführte Kathode derart pulsend, dass eine schräge Mikroverzahnung am Rohling ausgebildet wird. Mit anderen Worten wird mittels der Rotationsführung eine mechanische Zwangsführung des drehbar gelagerten Kathodenschaftes in Umfangsrichtung bei gleichzeitiger Oszillationsbewegung in axialer Richtung des Kathodenschaftes gemäß den vorherigen Ausführungen realisiert.
Die vorhergehenden Ausführungen zur erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Herstellung der Mikroverzahnung gelten gleichermaßen für das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung der Mikroverzahnung, und umgekehrt.
Weitere die Erfindung verbessernde Maßnahmen werden nachstehend gemeinsam mit der Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt. Hierbei zeigt

1 eine schematische Perspektivdarstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Herstellung einer Mikroverzahnung,
2 eine schematische Längsschnittdarstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung,
3 eine schematische Ansicht der Vorrichtung gemäß den 1 und 2 vor Herstellung einer Mikroverzahnung an einem Rohling, und
4 eine detaillierte Teilansicht einer Kathode der Vorrichtung nach den 1 bis 3 während einer Senkerosion am Rohling.

1 zeigt ein Werkzeug 20 einer - hier nicht näher dargestellten - Vorrichtung zur Herstellung einer Mikroverzahnung, insbesondere einer Mikroverzahnung eines Zahnrades. Das hier herausgearbeitete Zahnrad stellt ein Hohlrad mit einer als Innenverzahnung herzustellenden Verzahnungsgeometrie dar. Die Mikroverzahnung ist mittels eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung einer Mikroverzahnung hergestellt. Das Verfahren wird nachfolgend gemäß den 1 bis 4 detaillierter beschrieben. Das Werkzeug 20 umfasst einen Kathodenschaft 3, der drehbar zu einer Aufnahme 4 gelagert ist, die in einem - hier nicht gezeigten - Oberbau aufgenommen ist. Die Aufnahme 4 kann vom Oberbau demontiert werden, um einen Austausch des Werkzeugs 20 zu ermöglichen. Wie in 2 zu sehen ist, ist der Kathodenschaft 3 über einen Sicherungsstift 11 gegenüber der Aufnahme 4 positioniert, wobei der Sicherungsstift 11 den Kathodenschaft 3 in radialer und axialer Richtung zumindest mittelbar sichert. Die drehbare Lagerung des Kathodenschaftes 3 gegenüber der Aufnahme 4 erfolgt über zwei als Axiallager ausgebildete Lageranordnungen 10, 21, die durch den Sicherungsstift 11 axial vorgespannt sind. Der Kathodenschaft 3 ist somit auch relativ zum Sicherungsstift 11 drehbar gelagert.
Der Oberbau ist dazu ausgebildet, eine pulsende Oszillation in die Aufnahme 4 und von dort auf den Kathodenschaft 3 entlang einer axialen Verlagerungsachse 9 relativ zur Rotationsführung 5 bzw. in eine Vorschubrichtung 24 zu übertragen, wobei der Kathodenschaft 3 zusammen mit einer daran befestigten Kathode 2 relativ zu einem Rohling 1 gemäß 3 pulsend oszilliert, um durch eine Senkerosion einen elektrochemischen Materialabtrag am Rohling 1 zu realisieren. Die Kathode 2 ist zwischen einer Bodenplatte 14 und einer Deckplatte 15 des Werkzeugs 20 axial eingespannt. Zudem sind am Kathodenschaft 3, an der Kathode 2 sowie der Bodenplatte 14 und der Deckplatte 15 gemäß 2 jeweils fluchtende Passbohrungen 12, 13, 22, 23 ausgebildet, in die zur Verdrehsicherung der Kathode 2 relativ zum Kathodenschaft 3 ein Passstift 8 eingepresst ist. Die Kathode 2 weist vorliegend eine Dicke von etwa 0,3 mm auf.
Der Rohling 1 weist, wie in 4 teilweise dargestellt, eine erste Verzahnungsgeometrie 16 auf. Die erste Verzahnungsgeometrie 16 besteht hier aus einer am Umfang der Kathode 2 ausgebildeten Zähnen mit Zahnzwischenräumen, also einer positiven Verzahnungsform. Der Rohling 1 kann bereits vor dem Durchführen des hier beschriebenen PECM-Verfahrens gehärtet oder besonders vergütet sein, da das Verfahren ohne mechanische Beanspruchung des Werkzeugs 1 erfolgt.
Das Werkzeug 20 umfasst ferner eine Rotationsführung 5, die den Kathodenschaft 3 in axialer Richtung sowie in Umfangsrichtung führt. Die Rotationsführung 5 ist an einem - hier nicht dargestellten - Unterbau ortsfest, also dreh- und axialfest, angeordnet. Vorliegend ist die Rotationsführung 5 als Hülse und aus einem nicht leitenden Material ausgebildet, wobei diese Hülse den zylindrischen Kathodenschaft 3 aufnimmt und entsprechend während der Oszillation führt. Vorliegend weist die Rotationsführung 5 eine als schräges Langloch ausgebildete Ausnehmung 6 auf, in der ein fest mit dem Kathodenschaft 3 verbundener Führungsstift 7 bahngenau geführt ist. Als schräges Langloch ist vorliegend eine Ausnehmung zu verstehen, die einen Winkel von etwa 45° zur axialen Verlagerungsachse 9 des Kathodenschaftes 3 aufweist. Der Führungsstift 7 ist senkrecht zur Längsachse des Kathodenschaftes 3 angeordnet und gleitet innerhalb der von der Ausnehmung 6 vorgegebenen Bahn, wobei durch die spezifische Ausbildung der Ausnehmung 6 eine mechanische Zwangsführung des Kathodenschaftes 3 relativ zur Rotationsführung 5 erfolgt. Aufgrund der schrägen Ausführung der Ausnehmung 6 wird der Kathodenschaft 3 während der pulsenden Oszillation, also während dessen Bewegung in Vorschubrichtung 24, durch die Zwangsführung des Führungsstifts 7 innerhalb der Ausnehmung 6 in eine Rotationsbewegung um seine eigene Längsachse versetzt. Mit zunehmendem axialen Weg der Kathode 2 bzw. des Kathodenschaftes 3 verschwenkt die Kathode 2 kontinuierlich um ihre eigene Achse, wodurch der elektrochemische Materialabtrag am Rohling 1 derart erfolgt, dass die Mikroverzahnung am Rohling 1 in einer der geometrischen Form der Ausnehmung 6, insbesondere der Neigung der Ausnehmung 6 relativ zu einer axialen Verlagerungsachse 9, entsprechenden Form erfolgt. Mithin wird am Rohling 1 eine schräge zweite Verzahnungsgeometrie 17 ausgebildet.
Die Kathode 2 wird zur Herstellung der Mikroverzahnung in einer Ausgangsposition positioniert. In der Ausgangsposition ist die Kathode 2, wie in 3 angedeutet, räumlich oberhalb des Rohlings 1 positioniert und wird während des Herstellungsverfahrens einerseits in einer Vorschubrichtung 24 in Richtung des Rohlings 1 abgesenkt und andererseits geführt durch den in der Ausnehmung 6 abgleitenden Führungsstift 7 um seine eigene Achse verdreht. Der Rohling 1 ist als Anode positiv polarisiert und die Kathode 2 ist negativ polarisiert. Die Kathode 2 wird bei jeder Schwingung bzw. Oszillation axial an den Rohling 1 herangeführt, bis ein Arbeitsspalt 25 vorliegt, durch den eine - hier nicht gezeigtes - Elektrolytlösung hindurchfließt. Mittels der Elektrolytlösung erfolgt ein Ladungstransport im Arbeitsspalt 25 zwischen der ersten Verzahnungsgeometrie 16 der Kathode 2 und dem Rohling 1. Das nicht leitende Material der Rotationsführung 5 bildet eine Isolationsschicht und stellt sicher, dass sich der Spannungsbogen zwischen der Kathode 2 und dem Rohling 1 ausbreitet, wobei die Ladungen zwischen der Kathode 2 und dem Rohling 1 ausgetauscht werden. An der Kathode 2 wird mittels einer - hier ebenfalls nicht dargestellten - Spannungsquelle ein pulsender Elektronenstrom erzeugt, welcher zusammen mit der pulsenden Oszillation der Kathode 2 Metallionen vom Rohling 1 löst, die mit der Elektrolytlösung reagieren und als Metallhydroxid von der übrigen Elektrolytlösung aus dem Arbeitsspalt 25 gespült werden. Durch Nachführen der Kathode 2 wird der Arbeitsspalt 25 im Wesentlichen konstant eingehalten, sodass mit jeder Schwingung der Kathode 2 nach und nach die zweite Verzahnungsgeometrie 17 in Form einer schrägen Innenverzahnung am Rohling 1 herausgearbeitet wird, bis die Mikroverzahnung mit einer bezogen auf die Längsachse 18 des Rohlings 1 schrägen Verzahnung vorliegt. Mithin wird die zweite Verzahnungsgeometrie 17 als Ganzes aus dem Rohling 1 elektrochemisch herausgearbeitet. Mittels der hier beschriebenen Vorrichtung kann aus dem Rohling 1 beispielsweise ein Hohlrad mit einer bezogen auf eine Rotationsachse bzw. einer Längsachse 18 schrägen Mikroinnenverzahnung ausgebildet werden. Die Längsachse 18 des Rohlings 1 ist vorliegend koaxial zu einer Rotationsachse 19 der Kathode 2 sowie zur axialen Verlagerungsachse 9 des Kathodenschaftes 3 bzw. der Kathode 2.
Die Ausgestaltung der zweiten Verzahnungsgeometrie 17 ist folglich unmittelbar mit der Form der Ausnehmung 6 verknüpft, sodass die zweite Verzahnungsgeometrie 17 am Rohling 1 prinzipiell in jeder beliebigen Form erstellbar ist. Im Umkehrschluss würde eine als Langloch ausgebildete Ausnehmung 6, die sich parallel zur axialen Verlagerungsachse 9 des Kathodenschaftes 3 erstreckt eine gerade Verzahnungsgeometrie 17 am Rohling 1 ausbilden. Insofern erweitert die Vorrichtung das Anwendungsspektrum für mögliche Verzahnungsgeometrien von Mikroverzahnungen. Vorliegend wird durch den Winkel der Ausnehmung 6 von 45° zur axialen Verlagerungsachse 9 des Kathodenschaftes 3 auch die schräge Mikroverzahnung am Rohling 1 mit einem Winkel von 45° ausgebildet.
Bezugszeichenliste

1: Rohling
2: Kathode
3: Kathodenschaft
4: Aufnahme des Kathodenschaftes
5: Rotationsführung
6: Ausnehmung
7: Führungsstift
8: Passstift
9: Axiale Verlagerungsachse
10: Erste Lageranordnung
11: Sicherungsstift
12: Erste Passbohrung
13: Zweite Passbohrung
14: Bodenplatte
15: Deckplatte
16: Erste Verzahnungsgeometrie
17: Zweite Verzahnungsgeometrie
18: Längsachse des Rohlings
19: Rotationsachse der Kathode
20: Werkzeug
21: Zweite Lageranordnung
22: Dritte Passbohrung
23: Vierte Passbohrung
24: Vorschubrichtung
25: Arbeitsspalt

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102004058445 A1 [0002]

Claims

Vorrichtung zur Herstellung einer Mikroverzahnung, umfassend einen gegenüber einer ortsfesten Rotationsführung (5) drehbar und axial verlagerbar angeordneten Kathodenschaft (3), wobei am Kathodenschaft (3) eine Kathode (2) mit einer ersten Verzahnungsgeometrie (16) mit einer positiven Verzahnungsform befestigt ist, die dazu eingerichtet ist, eine Senkerosion an einem Rohling (1) auszuführen, wobei durch pulsende Oszillation der Kathode (2) in Richtung des Rohlings (1) ein Materialabtrag am Rohling (1) zur Herstellung einer zweiten Verzahnungsgeometrie (17) mit einer negativen Verzahnungsform erfolgt, wobei die Rotationsführung (5) dazu ausgebildet ist, eine Rotationsbewegung sowie eine Axialbewegung des Kathodenschaftes (3) relativ zum Rohling (1) zu führen.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Rotationsführung (5) wenigstens eine Ausnehmung (6) aufweist, in der jeweils ein fest mit dem Kathodenschaft (3) verbundener Führungsstift (7) geführt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die jeweilige Ausnehmung (6) ein Langloch ist, die mit einem Winkel größer als 0° zur axialen Verlagerungsachse (9) des Kathodenschaftes (3) angeordnet ist, um eine schräge Mikroverzahnung am Rohling (1) auszubilden.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kathodenschaft (3) über wenigstens eine Lageranordnung (10) relativ zu einer Aufnahme (4) drehbar gelagert ist.
Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Kathodenschaft (3) über einen Sicherungsstift (11) gegenüber der Aufnahme (4) positioniert ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass am Kathodenschaft (3) sowie an der Kathode (2) eine fluchtende Passbohrung (12, 13) ausgebildet ist, in die zur Verdrehsicherung ein Passstift (8) aufgenommen ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kathode (2) zwischen einer Bodenplatte (14) und einer Deckplatte (15) axial eingespannt ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Rotationsführung (5) aus einem nicht leitenden Material ausgebildet ist.
Verfahren zur Herstellung einer Mikroverzahnung, umfassend die Verfahrensschritte: a) Bereitstellen eines Rohlings (1), der in einer Vorrichtung zur Herstellung von Mikroverzahnungen eines Zahnrades ortsfest angeordnet wird, umfassend einen gegenüber einer ortsfesten Rotationsführung (5) drehbar und axial verlagerbar angeordneten Kathodenschaft (3) mit einer Kathode (2), wobei die Rotationsführung (5) dazu ausgebildet ist, eine Rotationsbewegung sowie eine Axialbewegung des Kathodenschaftes (3) relativ zum Rohling (1) zu führen; b) Positionieren der Kathode (2) in einer Ausgangsposition, wobei die Kathode (2) eine erste Verzahnungsgeometrie (16) mit einer positiven Verzahnungsform aufweist und axial zum Rohling (1) beweglich angeordnet wird, wobei eine Längsachse (18) des Rohlings (1) parallel zu einer Rotationsachse (19) der Kathode (2) relativ zum Rohling (1) angeordnet ist; c) Durchführen einer Senkerosion am Rohling (1), wobei durch pulsende Oszillation der in ihrer Rotationsbewegung sowie in ihrer Axialbewegung geführten Kathode (2) in Richtung des Rohlings (1) ein Materialabtrag am Rohling (1) erfolgt, bis eine zweite Verzahnungsgeometrie (17) am Rohling (1) mit einer, bezogen auf die positive Verzahnungsform der ersten Verzahnungsgeometrie (16), negativen Verzahnungsform ausgebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die durch die Rotationsführung (5) in ihrer Rotationsbewegung sowie in ihrer Axialbewegung geführte Kathode (2) derart pulsend oszilliert, dass eine schräge Mikroverzahnung am Rohling (1) ausgebildet wird.