-
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Herstellung einer Stirnverzahnung an einem Werkstück.
-
Stirnverzahnungen werden für axial wirkende Kopplungen zwischen zwei rotierenden Bauteilen wie Wellen oder dergleichen eingesetzt. Stirnverzahnungen werden auch als Hirth-Verzahnungen bezeichnet. Derartige Stirnverzahnungen weisen üblicherweise einen um eine Rotationsachse verlaufenden Zahnkranz auf, die einen im Optimalfall spielfreien Eingriff in eine der Stirnverzahnung zugewandte Gegenverzahnung realisiert. Stirnverzahnungen werden in der Regel spanend, beispielsweise gefräst, oder durch Umformen, beispielsweise durch Taumelnieten, hergestellt. Gattungsgemäße Stirnverzahnungen kommen beispielsweise an Radlagern zur Übertragung von Drehbewegungen zwischen der Antriebswelle und dem jeweiligen damit wirkverbundenen Rad zum Einsatz.
-
Zur Ausführung des Taumelnietverfahrens ist ein zu einem drehenden Antrieb um eine Antriebsachse vorgesehener Werkzeugkopf vorgesehen, der in einem Winkel zur Antriebsachse eines Werkzeughalters angeordnet ist. Die Längsachse des Werkzeugkopfes und die Antriebsachse des Werkzeughalters schneiden sich in einem Schnittpunkt, dem sogenannten Taumelpunkt. Die Schrägstellung des Werkzeugkopfes ist derart ausgeführt, dass eine auf das zu bearbeitende Werkstück wirkende Gegenlauffläche des Werkzeugkopfes in diesem Schnittpunkt auf der Antriebsachse liegt. Bei sich drehendem Antrieb des Werkzeughalters um seine Antriebsachse führt der schrägstehende Werkzeugkopf eine Taumelbewegung um den Taumelpunkt aus, bei der die Längsachse des Werkzeugkopfes auf einer kegelförmigen Bahn geführt wird. Ein beliebiger, mit Abstand zum Schnittpunkt auf der Längsachse liegender Achsenpunkt des Werkzeugkopfes beschreibt eine Kreisbahn um die Werkstückachse, während die im Achsenschnittpunkt liegende Gegenlauffläche ortsfest verbleibt und lediglich im Schnittpunkt bzw. im Taumelpunkt eine taumelnde Schwenkbewegung ausführt.
-
Durch eine axiale Zustellung des Werkzeughalters auf das zu bearbeitende Werkstück gerät die taumelnde Gegenlauffläche des Werkzeugkopfes in Kontakt mit dem Werkstück. Durch eine weitere gleichmäßige oder pulsierende axiale Zustellung formt die taumelnde Gegenlauffläche die Stirnfläche des Werkstücks aus. Der Werkstoff des Werkstücks beginnt zu fließen und wird kaltverformt. Beim Taumelnieten beschreibt das Werkzeug eine taumelnde Bewegung auf einer kreisförmigen Bahn.
-
Die Gegenlauffläche des Werkzeugkopfes kann beispielsweise als Gegenverzahnung ausgeführt sein, wobei durch die Taumelbewegung eine Stirnverzahnung an der Stirnfläche des Werkstücks ausgeformt wird. Hierbei berührt die Gegenlauffläche die Stirnfläche des Werkstücks entlang einer Linie, deren Länge dem halben Durchmesser der Gegenlauffläche entspricht. Für ein sauberes Nietergebnis ist es erforderlich, dass die Gegenlauffläche bzw. die Gegenverzahnung des Werkzeugs möglichst exakt im Schnittpunkt der Längsachse des Werkzeugkopfes und der Antriebsachse des Werkzeughalters liegen. Im Fall einer Gegenverzahnung am Werkzeugkopf liegt der Taumelpunkt üblicherweise in einer Zahnbasisebene der Gegenverzahnung. Unter der Zahnbasisebene wird eine zur Längsachse des Werkzeugkopfes radial angeordnete Ebene verstanden, die die Zähne der als Stirnverzahnung ausgebildeten Gegenverzahnung im Wesentlichen mittig teilt. Liegt der Taumelpunkt in der Zahnbasisebene, wird mittels der Gegenverzahnung am Werkzeugkopf eine Verzahnung am Werkstück mit einer identischen Zähnezahl erzeugt.
-
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine verbesserte Vorrichtung sowie ein verbessertes Verfahren zur Herstellung einer Stirnverzahnung vorzuschlagen. Insbesondere sollen Prozesskräfte bei der Herstellung der Stirnverzahnung reduziert werden. Die Aufgabe wird gelöst durch den Gegenstand des Patentanspruchs 1. Bevorzugte Ausführungsformen sind den abhängigen Ansprüchen, der Beschreibung und den Figuren zu entnehmen.
-
Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Herstellung einer Stirnverzahnung umfasst einen Werkzeughalter mit einem daran angeordneten Werkzeug, wobei das Werkzeug stirnseitig eine Gegenverzahnung zur Ausbildung einer Stirnverzahnung an einem Werkstück aufweist, wobei der Werkzeughalter zum drehenden Antrieb um eine Antriebsachse sowie zur Längsverlagerung eingerichtet ist, wobei eine Längsachse des Werkzeugs in einem Winkel zur Antriebsachse des Werkzeughalters angeordnet ist, derart, dass die Längsachse des Werkzeugs die Antriebsachse des Werkzeughalters in einem Taumelpunkt trifft, wobei der Taumelpunkt bezogen auf eine Zahnbasisebene der Gegenverzahnung des Werkzeugs entlang der Antriebsachse vor oder hinter der Zahnbasisebene derart versetzt liegt, dass sich durch Drehantrieb und Längsverlagerung des Werkzeughalters mit damit einhergehendem taumelndem Abwälzen des Werkzeugs am Werkstück eine Verzahnung mit einer Zähnezahl am Werkstück einstellt, die ungleich der Zähnezahl der Gegenverzahnung des Werkzeugs ist.
-
Mit anderen Worten ist die Längsachse des Werkzeugs derart in einem Winkel zur Antriebsachse des Werkzeughalters angeordnet, dass der Mittelpunkt der die Gegenverzahnung bildenden Stirnfläche des Werkzeugs auf der Zahnbasisebene, der Antriebsachse des Werkzeughalters sowie im Taumelpunkt liegt. Am Beispiel einer im Wesentlichen vertikal ausgerichteten Antriebsachse, auf der der Werkzeughalter im Wesentlichen senkrecht beweglich ist, um die Stirnverzahnung herzustellen, ist das Werkzeug derart schräg bzw. geneigt am Werkzeughalter angeordnet, dass sich der Taumelpunkt bezogen auf die Längsachse des Werkzeughalters bezogen auf eine Schwerkraftachse entweder oberhalb oder unterhalb der Zahnbasisebene befindet.
-
Der Werkzeughalter ist dazu eingerichtet, das Werkzeug zur Herstellung der Stirnverzahnung aufzunehmen. Untern einer Stirnverzahnung ist insbesondere eine Hirth-Verzahnung zu verstehen. Der Werkzeughalter weist dazu eine Aufnahme auf, die derart ausgebildet ist, dass das Werkzeug ausgewechselt werden kann.
-
Die Schrägstellung des Werkzeugs relativ zum Werkzeughalter ist derart ausgeführt, dass die auf das zu bearbeitende Werkstück wirkende Gegenverzahnung des Werkzeugs in dem Taumelpunkt auf der Antriebsachse liegt. Die Rotation des Werkzeughalters führt die taumelnde Schwenkbewegung des Werkzeugs aus, bei der sich die Längsachse des Werkstücks auf einer kegelförmigen Bahn bewegt. Die Gegenverzahnung ist in Abhängigkeit des Taumelpunkts derart ausgewählt, dass die Verzahnung am Werkstück ausgebildet werden kann. Durch das Abwälzen der Gegenverzahnung am Werkstück beginnt das Material des Werkstücks zu fließen, sodass durch plastische Verformung die Verzahnung am Werkstück gebildet wird.
-
Die axiale Richtung sowie die radiale Richtung sind entweder in Bezug auf die stirnseitige Gegenverzahnung am Werkzeug oder in Bezug auf die Antriebsachse des Werkzeughalters zu verstehen. Im Bezug auf den Werkzeughalter bedeutet das, dass sich die axiale Richtung des Werkzeughalters entlang einer Mittel- oder Rotationsachse des Werkzeughalters erstreckt und sich die radiale Richtung entlang eines Radius des Werkzeughalters erstreckt. Die Antriebsachse ist vorteilhafterweise fluchtend zu einer Längsachse des Werkstücks, insbesondere fluchtend zu einem Mittelpunkt der am Werkstück gebildeten Verzahnung angeordnet. In Bezug auf das um einen Winkel zur Antriebsachse geneigte Werkzeug bedeutet das, dass sich die axiale Richtung entlang einer Mittel- oder Rotationsachse der stirnseitigen Gegenverzahnung erstreckt und sich die radiale Richtung entlang eines Radius der Gegenverzahnung erstreckt.
-
Durch den Versatz des Taumelpunkts relativ zur Zahnbasisebene lässt sich ein veränderter Abwälzdurchmesser sowie ein veränderter Abwälzumfang am Werkstück generieren. Wird das Werkzeug beispielsweise mit 30 Zähnen auf einem kleineren Umfang des Werkstücks mit Platz für lediglich 29 Zähne abgewälzt, so überspringt das Werkzeug pro Umdrehung einen Zahn. Anders gesagt wird der jeweilige Zahn der Gegenverzahnung mit jeder Umdrehung des Werkzeugs in die in Umfangsrichtung jeweils benachbarte Zahnlücke der Verzahnung am Werkstück geführt. Mithin wälzt das Werkzeug am Umfang einen Zahn weniger ab, wobei der Werkzeugzahn nach einer Döpperumdrehung einen Zahn weiter wandert.
-
Nach einem Ausführungsbeispiel liegt der Taumelpunkt bezogen auf die Zahnbasisebene der Gegenverzahnung des Werkzeugs entlang der Antriebsachse in Richtung des Werkzeughalters versetzt, sodass beim taumelndem Abwälzen der Gegenverzahnung am Werkstück eine Verzahnung mit einer Zähnezahl am Werkstück einstellt, die kleiner ist als die Zähnezahl der Gegenverzahnung des Werkzeugs. Der Taumelpunkt ist dabei vorzugsweise so weit entlang der Antriebsachse in Richtung des Werkzeughalters, also weiter entfernt vom Werkstück, versetzt zur Zahnbasisebene angeordnet, dass das Werkstück genau einen Zahn und genau eine Zahnlücke weniger aufweist als die Gegenverzahnung des Werkzeugs. Ein Abwälzdurchmesser sowie ein Abwälzumfang des Werkzeugs am Werkstück sind in diesem Fall kleiner als ein Abwälzdurchmesser bzw. Abwälzumfang, der durch die Gegenverzahnung erzeugbar ist, wenn der Taumelpunkt in der Zahnbasisebene liegt.
-
Alternativ liegt der Taumelpunkt bezogen auf die Zahnbasisebene der Gegenverzahnung des Werkzeugs entlang der Antriebsachse in eine zum Werkzeughalter entgegengesetzte Richtung versetzt, sodass beim taumelnden Abwälzen der Gegenverzahnung am Werkstück eine Verzahnung mit einer Zähnezahl am Werkstück einstellt, die größer ist als die Zähnezahl der Gegenverzahnung des Werkzeugs. Der Taumelpunkt ist dabei vorzugsweise so weit entlang der Antriebsachse in Richtung des Werkstücks, also weiter entfernt vom Werkzeughalter, versetzt zur Zahnbasisebene angeordnet, dass das Werkstück genau einen Zahn und genau eine Zahnlücke mehr aufweist als die Gegenverzahnung des Werkzeugs. Ein Abwälzdurchmesser sowie ein Abwälzumfang des Werkzeugs am Werkstück sind in diesem Fall größer als ein Abwälzdurchmesser bzw. Abwälzumfang, der durch die Gegenverzahnung erzeugbar ist, wenn der Taumelpunkt in der Zahnbasisebene liegt.
-
Die Erfindung schließt die technische Lehre ein, dass die Gegenverzahnung mehrere Zähne aufweist, die in Umfangsrichtung benachbart zueinander angeordnet sind und die sich in radialer Richtung erstrecken, wobei je zwei zueinander benachbart angeordnete Zähne jeweils durch eine Zahnlücke zueinander beabstandet sind. So Wechseln sich stirnseitig über den Umfang Zähne und Zahnlücken ab. Die geometrischen Linien der Stirnverzahnung treffen zentral in einem gemeinsamen Punkt auf der Rotationsachse zusammen und die Zähne erstrecken sich somit in radiale Richtung auf die Längsachse des Werkzeugs zu.
-
Nach einem Ausführungsbeispiel umfassen die Zähne der Gegenverzahnung mehrere Prägezähne sowie mehrere Führungszähne umfassen. Somit ist eine erste Anzahl aller Zähne der Gegenverzahnung als Prägezähne ausgebildet und eine zweite Anzahl aller Zähne der Gegenverzahnung als Führungszähne ausgebildet. Mithin erfüllen die Zähne der Gegenverzahnung teilweise unterschiedliche Funktionen. Insbesondere soll durch unterschiedlich ausgebildete Zähne an der Gegenverzahnung des Werkzeugs erreicht werden, dass die axiale Beanspruchung des Werkzeugs und die Belastung der Vorrichtung zur Herstellung der Stirnverzahnung reduziert werden.
-
Die Prägezähne sind zur Formgebung der Verzahnung am Werkstück ausgebildet. Sie bilden somit die Negativform für die beim Taumelnieten gebildete Verzahnung am Werkstück. Die Führungszähne sind demgegenüber dazu vorgesehen, insbesondere zu Beginn des Taumelnietens, eine Vorformgebung der Zähne am Werkstück auszuführen, sowie das Werkzeug bei der taumelnden Schwenkbewegung entlang der bereits wenigstens teilweise ausgeformten Zähne bzw. Zahnflanken zu führen. Die Führungszähne tragen somit zur Maßgenauigkeit des Werkstücks bei. Zum Ende der Herstellung der Stirnverzahnung am Werkstück, insbesondere zum Ende des axialen Zustellweges des Werkzeughalter, muss das Werkzeug so oft getaumelt sein, dass die Gegenverzahnung des Werkzeugs jeden Zahn bzw. jede Zahnlücke am Werkstück vollständig ausgeprägt hat. Mit anderen Worten muss zum Ende des Herstellungsprozesses jeder Zahn bzw. jede Zahnlücke der Verzahnung am Werkstück wenigstens einmal von einem Prägezahn geprägt worden sein.
-
In diesem Sinn sind jeweils zumindest zwei Prägezähne in Umfangsrichtung der Gegenverzahnung benachbart zueinander angeordnet und durch eine jeweilige Zahnlücke zueinander beabstandet. Da die Gegenverzahnung die Negativform der Verzahnung am Werkstück ist, sind zwei benachbarte Prägezähne erforderlich, um einen Zahn mit in Umfangsrichtung beidseits angrenzenden Zahnlücken am Werkstück auszuformen bzw. zu prägen. Unter Prägen ist also ein lokales plastisches Verformen des Werkstücks zur Ausbildung des jeweiligen Zahnes unter Druck zu verstehen. Das Prägen bewirkt einen Materialfluss des Werkstückmaterials. Denkbar ist, dass auch mehr als zwei Prägezähne in Umfangsrichtung benachbart und durch jeweils eine Zahnlücke beabstandet zueinander angeordnet sind.
-
Vorzugsweise sind in Umfangsrichtung der Gegenverzahnung abwechselnd jeweils zumindest zwei Prägezähne und mindestens ein Führungszahn angeordnet. Anders gesagt sind über den Umfang verteilt abwechselnd Führungszähne und Prägezähne angeordnet, wobei stets mindestens zwei Prägezähne benachbart und durch jeweils eine Zahnlücke beabstandet zueinander angeordnet sind. Beispielsweise können in Umfangsrichtung zwei Prägezähne, daran in Umfangsrichtung angrenzend ein Führungszahn, vorzugsweise zwei oder drei Führungszähne, daran in Umfangsrichtung angrenzend wiederum zwei Prägezähne, und so weiter, angeordnet sein, wobei die in Umfangsrichtung benachbarten Zähne, unabhängig ihrer Ausbildungsart bzw. Funktion durch eine Zahnlücke beabstandet zueinander angeordnet sind.
-
Um die unterschiedlichen Funktionen der Prägezähne im Vergleich zu den Führungszähne realisieren, weisen die Prägezähne jeweils einen in axialer Richtung des Werkzeugs höheren Zahnkopf auf als die Führungszähne. Die Führungszähne weisen entsprechend einen in axialer Richtung des Werkzeugs kürzeren Zahnkopf auf. Der Zahnfuß der Führungszähne und Prägezähne sind jeweils identisch ausgebildet, wobei die Führungszähne lediglich am Zahnkopf gekappt sind. Durch den identischen Zahnfuß kann die Führung der Gegenverzahnung während der Taumelbewegung sichergestellt werden.
-
Alternativ oder ergänzend sind Zahnlücken zwischen je zwei in Umfangsrichtung der Gegenverzahnung benachbart zueinander angeordneten Führungszähnen und/oder zwischen einem Führungszahn und einem in Umfangsrichtung der Gegenverzahnung dazu benachbart angeordneten Prägezahn in axialer Richtung des Werkzeugs tiefer ausgebildet als Zahnlücken zwischen zwei Prägezahnen. Mit anderen Worten ist der tiefste Punkt einer Zahnlücke zwischen je zwei in Umfangsrichtung der Gegenverzahnung benachbart zueinander angeordneten Führungszähnen bzw. zwischen einem Führungszahn und einem in Umfangsrichtung der Gegenverzahnung dazu benachbart angeordneten Prägezahn im Vergleich zu einer Zahnlücke zwischen zwei Prägezähnen in axialer Richtung des Werkzeugs nach hinten versetzt, sodass die Zahnlücke als Aussparung wirkt, die nicht zur endgültigen Formgebung des jeweiligen Zahnes an der Verzahnung des Werkstücks dient. Dabei kann beim Abwälzen der Gegenverzahnung am Werkstück Material in die tiefere Zahnlücke fließen, wobei dieses im Vergleich zur finalen Geometrie der Verzahnung am Werkstück überstehende Material in die endgültige Form gebracht wird, wenn eine Zahnlücke zwischen zwei Prägezähnen auf diesen vorgeformten Zahn trifft. Die Prägezähne sowie die zwischen den jeweils zwei Prägezähnen ausgebildete Zahnlücke führen letztlich die finale Formgebung des jeweiligen Zahnes der Verzahnung am Werkstück aus. Dadurch lassen sich die Prägekräfte auf die Prägezähne konzentrieren, wobei der Wegfall der Prägekräfte an den Führungszähnen insgesamt einen geringeren Kraftaufwand für die Verformung ergibt.
-
In einem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung einer Stirnverzahnung, wobei eine Vorrichtung zur Herstellung der Stirnverzahnung einen Werkzeughalter mit einem daran angeordneten Werkzeug umfasst, wobei das Werkzeug stirnseitig eine Gegenverzahnung zur Ausbildung der Stirnverzahnung an einem Werkstück aufweist, wobei der Werkzeughalter zum drehenden Antrieb um eine Antriebsachse sowie zur Längsverlagerung eingerichtet ist, wobei eine Längsachse des Werkzeugs in einem Winkel zur Antriebsachse des Werkzeughalters angeordnet ist, derart, dass die Längsachse des Werkzeugs die Antriebsachse des Werkzeughalters in einem Taumelpunkt trifft, wobei der Taumelpunkt bezogen auf eine Zahnbasisebene der Gegenverzahnung des Werkzeugs entlang der Antriebsachse vor oder hinter der Zahnbasisebene versetzt liegt, wobei der Werkzeughalter in Richtung des Werkstücks axial verlagert und um seine Antriebsachse drehangetrieben wird, sodass das Werkzeug auf einer zu bearbeitenden Fläche des Werkstücks taumelnd abwälzt, derart, dass am Werkstück eine Verzahnung mit einer Zähnezahl ausgebildet wird, die ungleich der Zähnezahl der Gegenverzahnung des Werkzeugs ist.
-
Die vorhergehenden Beschreibungsabschnitte mit Beispielen und Definitionen zu technischen Effekten, Vorteilen und Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Herstellung der Stirnverzahnung an einem Werkstück gelten sinngemäß ebenfalls für das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung der Stirnverzahnung.
-
Die Stirnverzahnung wird insbesondere für Radlageranordnungen mit angetriebenen Radlagern, beispielsweise für eine Kopplung eines Radlagers an eine Antriebswelle bzw. eine Gelenkglocke eingesetzt. Mithin ist die Stirnverzahnung vorzugsweise zur drehfesten Verbindung einer Radlagernabe mit einer Gelenkglocke verwendbar. Stirnverzahnungen in Radlageranordnungen sind insbesondere hohen Belastungen ausgesetzt.
-
Weitere die Erfindung verbessernde Maßnahmen werden nachstehend gemeinsam mit der Beschreibung von drei bevorzugten Ausführungsbeispielen der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt, wobei gleiche oder ähnliche Bauteile mit dem gleichen Bezugszeichen versehen sind. Dabei zeigt
- 1 eine stark schematische Ansicht einer Vorrichtung zur Herstellung einer Stirnverzahnung an einem Werkstück gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel,
- 2 eine stark schematische Ansicht der Vorrichtung zur Herstellung einer Stirnverzahnung an einem Werkstück gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel,
- 3 eine schematische Perspektivdarstellung eines Werkzeugs der erfindungsgemäßen Vorrichtung gemäß 1 und Figure 2,
- 4 eine schematische Stirnansicht einer Gegenverzahnung des Werkzeugs gemäß 3,
- 5 eine schematische perspektivische Längsschnittdarstellung des Werkzeugs gemäß den 3 und 4, und
- 6 eine stark schematische Darstellung einer Abwicklung der Gegenverzahnung des Werkzeugs gemäß den 3 bis 5 zur Veranschaulichung des Verzahnungsprofils.
-
Gemäß den 1 und 2 ist jeweils eine Vorrichtung 1 zur Herstellung einer Stirnverzahnung an einem Werkstück 5 gemäß zwei unterschiedlichen Ausführungsbeispielen dargestellt. Die Vorrichtung 1 umfasst einen Werkzeughalter 3 und ein daran angeordnetes Werkzeug 2. Das Werkzeug 2 weist stirnseitig, also zum Werkstück 5 zugewandt, eine Gegenverzahnung 4 zur Ausbildung einer Stirnverzahnung am Werkstück 5 auf. Der Werkzeughalter 3 ist zum drehenden Antrieb um eine Antriebsachse 6 sowie zur Längsverlagerung entlang der Antriebsachse 6 in einer Längsverlagerungsrichtung 15 eingerichtet.
-
Eine Längsachse 7 des Werkzeugs 2 ist in einem Winkel 10 zur Antriebsachse 6 des Werkzeughalters 3 angeordnet, und zwar derart, dass die Längsachse 7 die Antriebsachse 6 in einem Taumelpunkt 8 trifft. Der Mittelpunkt der als Stirnverzahnung ausgebildeten Gegenverzahnung 4 liegt hier exakt auf der Längsachse 7 des Werkzeugs 2. Somit liegt der Mittelpunkt der Gegenverzahnung 4 auch auf der Antriebsachse 6 des Werkzeughalters 3.
-
Im ersten Ausführungsbeispiel nach 1 ist der Taumelpunkt 8 bezogen auf eine Zahnbasisebene 9 der Gegenverzahnung 4 des Werkzeugs 2 entlang der Antriebsachse 6 vor der Zahnbasisebene 9 versetzt angeordnet. In der vorliegenden Darstellung ist der Taumelpunkt 8 somit unterhalb der Zahnbasisebene 9 angeordnet. Anders gesagt liegt der Taumelpunkt 8 bezogen auf die Zahnbasisebene 9 der Gegenverzahnung 4 des Werkzeugs 2 entlang der Antriebsachse 6 in eine zum Werkzeughalter 3 entgegengesetzte Richtung bzw. in Richtung des Werkstücks 5 versetzt.
-
Wird der Werkzeughalter 3 in eine Drehbewegung um die Antriebsachse 6 versetzt kommt es zu einer Taumelbewegung des schräg zur Antriebsachse 6 angeordneten Werkzeugs 2. Wird der Werkzeughalter 3 zusammen mit dem Werkzeug 2 gleichzeitig in Richtung des Werkstücks 5 längsverlagert bzw. axial zugestellt, wälzt die Gegenverzahnung 4 des Werkzeugs 2 an einer Stirnseite 18 des Werkstücks 5 taumelnd ab und erzeugt so eine - hier nicht näher gezeigte - Verzahnung mit einer Zähnezahl am Werkstück 5 durch plastische Verformung des Werkstückmaterials. Die Zähnezahl am Werkstück 5 ist abhängig von der Lage des Taumelpunkts 8 bezogen auf die Zahnbasisebene 9 sowie die Schrägstellung des Werkzeugs 2.
-
In dem ersten Ausführungsbeispiel nach 1 liegt der Taumelpunkt 8 derart beabstandet zur Zahnbasisebene 9 auf der Antriebsachse 6, dass im Taumelnietprozess eine Zähnezahl am Werkstück 5 eingestellt wird, die größer ist als die Zähnezahl der Gegenverzahnung 4 des Werkzeugs 2, vorliegend um genau einen Zahn. Damit weist die Verzahnung am Werkstück 5 genau einen Zahn und eine Zahnlücke mehr auf als die Gegenverzahnung 4 des Werkzeugs 2. Indem das Werkzeug 2 derart zur Antriebsachse 6 positioniert wird, dass der Taumelpunkt 8 in Richtung des Werkstücks 5 vor der Zahnbasisebene 9 liegt, wird am Werkstück 5 ein Abwälzdurchmesser und ein Abwälzumfang erzeugt, die größer sind als ein Außendurchmesser bzw. ein Umfang der Gegenverzahnung 4 am Werkzeug 2.
-
Im zweiten Ausführungsbeispiel nach 2 ist der Taumelpunkt 8 bezogen auf eine Zahnbasisebene 9 der Gegenverzahnung 4 des Werkzeugs 2 entlang der Antriebsachse 6 hinter der Zahnbasisebene 9 versetzt angeordnet. In der vorliegenden Darstellung ist der Taumelpunkt 8 somit oberhalb der Zahnbasisebene 9 angeordnet. Anders gesagt liegt der Taumelpunkt 8 bezogen auf die Zahnbasisebene 9 der Gegenverzahnung 4 des Werkzeugs 2 entlang der Antriebsachse 6 in Richtung des Werkzeughalters 3 bzw. auf einer dem Werkstück 5 gegenüberliegenden Seite der Zahnbasisebene 9.
-
In dem zweiten Ausführungsbeispiel nach 2 liegt der Taumelpunkt 8 derart beabstandet zur Zahnbasisebene 9 auf der Antriebsachse 6, dass durch Abwälzen des Werkzeugs 2 am Werkstück 5 eine Zähnezahl erzeugt wird, die kleiner ist als die Zähnezahl der Gegenverzahnung 4, vorliegend um genau einen Zahn. Damit weist die Verzahnung am Werkstück 5 genau einen Zahn und eine Zahnlücke weniger auf als die Gegenverzahnung 4 des Werkzeugs 2. Indem das Werkzeug 2 derart zur Antriebsachse 6 positioniert wird, dass der Taumelpunkt 8 in Richtung des Werkzeughalters 3 hinter der Zahnbasisebene 9 liegt, wird am Werkstück 5 ein Abwälzdurchmesser und ein Abwälzumfang erzeugt, die kleiner sind als der Außendurchmesser bzw. der Umfang der Gegenverzahnung 4 am Werkzeug 2.
-
Bei der Herstellung der Stirnverzahnung am Werkstück 5 greift ein Zahn der Gegenverzahnung 4 somit mit jeder Umdrehung des Werkzeughalters 3 nicht direkt in die gleiche Zahnlücke am Werkstück 5 zur Ausformung derselben ein. Vielmehr wird der jeweilige Zahn der Gegenverzahnung 4 je nach Anordnung des Taumelpunkts 8 vor bzw. hinter der Zahnbasisebene 9 in die vorherige oder die nachfolgende Zahnlücke geführt. So wird zum Ende des Herstellungsprozesses die gesamte Verzahnung am Werkstück 5 maßgenau ausgeformt.
-
3 und 5 zeigen das Werkzeug 2 extrahiert. Das Werkzeug 2 weist einen Schaft 16 auf, der zur Anbindung des Werkzeugs 2 an den Werkzeughalter 3 ausgebildet ist. An einem Ende des Schaftes 16 ist ein radial aufgeweiteter Bereich 17 ausgebildet, an dessen freier Stirnseite die Gegenverzahnung 4 ausgebildet ist. Koaxial zur Längsachse 7 des Werkzeugs 2 ist eine Bohrung 19 vorgesehen, die im Wesentlichen dazu eingerichtet ist, eine Entlüftung bei der Montage des Werkzeugs 2 am Werkzeughalter 3 zu realisieren.
-
Die Gegenverzahnung 4 weist nach 3 bis 5 mehrere Zähne 11 a, 11b, 12 auf, die in Umfangsrichtung benachbart zueinander angeordnet sind und die sich in radialer Richtung erstrecken. Je zwei zueinander benachbart angeordnete Zähne 11 a, 11b, 12 sind jeweils durch eine Zahnlücke 13, 14 zueinander beabstandet. Die Zähne 11 a, 11b, 12 sind derart ausgerichtet, dass sie in einer gedachten Verlängerung die Längsachse 7 des Werkzeugs 2 treffen und sich bezogen auf die Längsachse 7 in radialer Richtung erstrecken. Die Ausbildung und Funktion der Zähne 11 a, 11b, 12 und der Zahnlücken 13, 14 der Gegenverzahnung 4 ist nachfolgend näher beschrieben.
-
6 zeigt stark schematisch eine Abwicklung der Gegenverzahnung 4 in der Ansicht. Zu sehen sind hier die in Umfangsrichtung U benachbarten Zähne 11 a, 11b, 12, wobei zwischen jeweils zwei Zähnen 11a, 11b, 12 eine jeweilige Zahnlücke 13, 14 angeordnet ist, die die Zähne 11 a, 11b, 12 voneinander beabstandet.
-
Vorliegend ist die Gegenverzahnung 4 derart ausgebildet, dass die Zähne 11a, 11b, 12 unterschiedlich ausgebildet sind, um unterschiedliche Funktionen zu erfüllen. So umfasst die Gegenverzahnung 4 mehrere Prägezähne 11 a, 11b und mehrere Führungszähne 12. Die Prägezähne 11 weisen jeweils einen in axialer Richtung des Werkzeugs 2 höheren Zahnkopf auf als die Führungszähne 12, denn die Prägezähne 11 a, 11b führen die plastische Verformung zur Formgebung der Verzahnung am Werkstück 5 aus, wohingegen durch die Führungszähne 12 eine Führung des Werkzeugs 2 während der Taumelbewegung sowie, insbesondere zu Beginn des Herstellungsprozesses, eine Vorformgebung der Verzahnung am Werkstück 5 erfolgt.
-
In Umfangsrichtung U der Gegenverzahnung 4 sind jeweils zwei Prägezähne 11a, 11b benachbart zueinander angeordnet und durch eine jeweilige Zahnlücke 13 zueinander beabstandet. Durch zwei nebeneinander angeordnete Prägezähne 11 a, 11b mit der dazwischen angeordneten ersten Zahnlücke 13 wird je ein Zahn in Endkontur am Werkstück 5 ausgeformt. Vorliegend sind in Umfangsrichtung U abwechselnd jeweils zwei Prägezähne 11 a, 11b und zwei Führungszähne 12 angeordnet. Die Anzahl der Führungszähne 12 und Prägezähne 11 a, 11b kann beliebig gewählt werden, jedenfalls müssen mindestens zwei Prägezähne 11a, 11b benachbart zueinander sein. Zwischen je zwei in Umfangsrichtung U benachbarten Führungszähnen 12 ist eine zweite Zahnlücke 14 ausgeformt, die in axialer Richtung des Werkzeugs 2 tiefer ausgebildet ist als die Zahnlücken 13 zwischen je zwei Prägezahnen 11 a, 11b. Damit wird beim Abwälzen die Vorformgebung realisiert, die im Vergleich zur direkten Endformgebung mittels der Prägezähne 11a, 11b geringere axiale Kräfte erfordert. Eine zweite Zahnlücke 14 zur Vorformgebung eines Zahnes am Werkstück 5 kann beispielsweise in Umfangsrichtung der Gegenverzahnung 4 zwischen zwei benachbart zueinander angeordneten Führungszähnen 12 und/oder zwischen einem Führungszahn 12 und einem in Umfangsrichtung der Gegenverzahnung 4 dazu benachbart angeordneten Prägezahn 11 a, 11b angeordnet sein. Vorliegend ist zwischen einem Führungszahn 12 und einem in Umfangsrichtung der Gegenverzahnung 4 dazu benachbart angeordneten Prägezahn 11 a, 11b eine Zahnlücke 13 ausgebildet, die im Wesentlichen die gleiche Form wie eine Zahnlücke 13 zwischen zwei Prägezähnen 11 a, 11b aufweist.
-
Somit werden durch die unterschiedliche Ausgestaltung der Zähne 11 a, 11b, 12 der Gegenverzahnung 4 axiale Prozesskräfte reduziert, wodurch die Lebensdauer der Vorrichtung 1, insbesondere des Werkzeugs 2, verbessert wird. Wichtig ist lediglich, dass zum Ende der Herstellung der Stirnverzahnung, insbesondere zum Ende des axialen Zustellweges des Werkzeughalters 3, das Werkzeug 2 so oft getaumelt ist, dass die Gegenverzahnung 4 des Werkzeugs 2 jeden Zahn bzw. jede Zahnlücke am Werkstück 5 vollständig ausgeprägt hat. Mit anderen Worten muss jeder Zahn am Werkstück 5 zumindest einmal durch ein Prägezahnpaar 11a, 11b und einer dazwischen angeordneten Zahnlücke 13 durch taumelndes Abwälzen umgeformt worden sein.
-
Des Weiteren sei hier angemerkt, dass die Zahnfüße aller Zähne 11a, 11b, 11c im Wesentlichen identisch ausgebildet sind. Die Führungszähne 12 sind im Vergleich zu den Prägezähnen 11 a, 11b lediglich am Zahnkopf gekappt, sodass sie in axialer Richtung des Werkzeugs 2 kürzer ausgebildet sind. Die tiefer liegenden Zahnlücken 14 fungieren als Materialausnehmungen, in die das Material des Werkstücks 5 zur Vorformgebung fließen kann, wobei dieses Material dann, wenn es auf eine Zahnlücke 13 zwischen zwei Prägezähnen 11 a, 11b oder zwischen einem Prägezahn 11 a, 11b und einem Führungszahn 12 trifft in eine endformnahe oder in die endgültige Form gebracht wird. Die Endform des jeweiligen Zahnes am Werkstück 5 wird vorliegend dann erzeugt, wenn das Material des Werkstücks 5 durch ein Prägezahnpaar 11a, 11b mit einer entsprechenden Zahnlücke 13 plastisch in die gewünschte Endform verformt wird.
-
Bezugszeichenliste
-
- 1
- Vorrichtung
- 2
- Werkzeug
- 3
- Werkzeughalter
- 4
- Gegenverzahnung am Werkzeug
- 5
- Werkstück
- 6
- Antriebsachse
- 7
- Längsachse des Werkzeugs
- 8
- Taumelpunkt
- 9
- Zahnbasisebene
- 10
- Winkel
- 11a, 11b
- Prägezahn
- 12
- Führungszahn
- 13
- Zahnlücke
- 14
- Zahnlücke
- 15
- Längsverlagerungsrichtung des Werkzeughalters
- 16
- Schaft
- 17
- Radial aufgeweiteter Bereich des Werkzeugs
- 18
- Stirnseite des Werkstücks
- 19
- Bohrung
- U
- Umfangsrichtung
