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Stand der Technik
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bearbeitung einer Kugelnabe für ein Kugelgleichlaufgelenk, die auf ihrem Außenumfang Bahnpaare von bezüglich einer Mittelachse einander radial gegenüberliegenden Kugelbahnen mit einem Kugelbahnprofil aufweist, die jeweils für jedes Bahnpaar parallel zu einer zur Mittelachse parallelen Bahnebene mit einem Kugelbahnradius um eine Kugelbahnachse verlaufen, wobei die Kugelbahnen mittels einer mindestens ein Werkzeug aufweisenden Werkzeuganordnung einer Bearbeitungsvorrichtung mechanisch bearbeitet werden. Eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens ist ebenfalls Gegenstand der Erfindung.
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Gleichlaufgelenke vom Typ Rzeppa weisen ein Gelenkinnenteil in Form einer Kugelnabe auf, die in einem Gelenkaußenteil angeordnet ist. Zwischen außen an der Kugelnabe über den Umfang verteilt angeordneten Kugelbahnen und diesen radial gegenüberliegend innen in dem Gelenkaußenteil angeordneten korrespondierenden Kugelbahnen sind drehmomentübertragende Kugeln angeordnet.
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Jeweils zwei ein Bahnpaar bildende Kugelbahnen sind einander bezüglich der Mittelachse, die identisch ist mit der Achse eines mit der Kugelnabe verbundenen Wellenteils, radial paarweise gegenüberliegend außen an der Kugelnabe ausgebildet. In der gattungsgemäßen Bauform sind mehrere, beispielsweise drei Bahnpaare gleichmäßig über den Umfang verteilt angeordnet. Die Kugelbahnen eines jeden Bahnpaars erstrecken sich dabei um eine Kugelbahnachse bogenförmig parallel zu einer entlang der Mittelachse orientierten Bahnebene. Die Kugelbahnachse jedes Bahnpaars steht damit senkrecht zu der zugeordneten Bahnebene, und schneidet die Mittelachse senkrecht in einem Mittelpunkt.
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Die Kugelbahnen sind nutförmig ausgebildet mit einem konkaven, radial von außen in die Kugelnabe eingeformtem Nutquerschnitt, der den offenen Kugelbahnquerschnitt bildet, der gleichbedeutend als positives Kugelbahnprofil bezeichnet wird. Das Kugelbahnprofil ist zum Abrollen der Kugel angepasst, beispielsweise als kreisbogenförmiges oder gotisches Profil. Der Kugelbahnquerschnitt erstreckt sich somit abschnittweise toroidal um die Kugelbahnachse.
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Zur maßgenauen Ausbildung der Kugelbahnen ist im Stand der Technik eine spanabhebende mechanische Bearbeitung der Kugelnabe bekannt, wie beispielsweise in der
DE 11 2004 001 175 B1 oder der
WO 2018/072835 A1 beschrieben ist. Dabei wird die Kugelnabe in einer Aufnahme räumlich orientiert aufgenommen und fixiert, und mittels Werkzeugen einer Werkzeuganordnung werden die Kugelbahnen bearbeitet. Um die Kugelbahnen zu erzeugen bzw. auf Maß zu bearbeiten, wird das Werkzeug, beispielsweise ein rotierender Schleifkopf, relativ zur Kugelnabe dem bogenförmigen Verlauf der jeweiligen Kugelbahn folgend entlangbewegt. In der
WO 2018/072835 A1 wird beispielsweise vorgeschlagen, die Kugelnabe bezüglich Drehung um die Mittelachse mittels eines ersten Werkzeugs zu fixieren, und mittels eines relativ dazu bogenförmig im Raum geführten zweiten Werkzeugs, welches einen rotierenden Fräs- oder Schleifkopf aufweist, jeweils eine Kugelbahn zu bearbeiten.
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Die bei den bekannten Verfahren dem räumlichen Bahnverlauf der Kugelbahnen folgend geführten Werkzeuge ermöglichen zwar prinzipiell eine hinreichend genaue Bearbeitung der Kugelbahnen, der erforderliche Aufwand zur Führung des Werkzeugs und der relativen Orientierung der Kugelnabe mit den geforderten engen Maßtoleranzen ist jedoch relativ hoch.
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Angesichts der vorangehend erläuterten Problematik ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren anzugeben, welches einen verringerten Fertigungsaufwand ermöglicht.
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Darstellung der Erfindung
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch das Lenksystem mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Bei einem Verfahren zur Bearbeitung einer Kugelnabe für ein Kugelgleichlaufgelenk, die auf ihrem Außenumfang Bahnpaare von bezüglich einer Mittelachse einander radial gegenüberliegenden Kugelbahnen mit einem Kugelbahnprofil aufweist, die jeweils für jedes Bahnpaar parallel zu einer zur Mittelachse parallelen Bahnebene mit einem Kugelbahnradius um eine Kugelbahnachse verlaufen, wobei die Kugelbahnen mittels einer mindestens ein Werkzeug aufweisenden Werkzeuganordnung einer Bearbeitungsvorrichtung mechanisch bearbeitet werden, sind erfindungsgemäß die nachfolgenden Schritte vorgesehen:
- - Rotieren der Kugelnabe um eine Rotationsachse relativ zur Werkzeuganordnung, wobei die Mittelachse senkrecht zur Rotationsachse ausgerichtet ist, und eine Kugelbahnachse entlang der Rotationsachse ausgerichtet ist,
- - Vorschieben des bezüglich der Rotation des Halters feststehenden Werkzeugs radial in Richtung auf die Rotationsachse zu, und Bearbeiten der Kugelbahnen bis ein vorgegebener Kugelbahnradius erreicht ist.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird von einer vorgefertigten Kugelnabe ausgegangen. Dabei handelt es sich um ein teilweise bearbeitetes Vorprodukt, beispielsweise ein weich kalibriertes Umformteil, beispielsweise ein bevorzugt aus Stahl gefertigtes Fließpressteil, oder auch ein spanend vorbearbeitetes Frästeil oder dergleichen. Dabei haben die Kugelbahnen Übermaß, d.h. die Maße liegen außerhalb der zulässigen Toleranzbereiche, und die Bahnoberfläche ist als Wälzbahn für die Kugeln nicht nutzbar. Gegebenenfalls kann die vorgefertigte Kugelnabe auch durch thermische Verfahren gehärtet sein, zumindest im Bereich der Kugelbahnen, beispielsweise durch Einsatzhärten. Auch beim Härten können Maßabweichungen und Beeinträchtigungen der Oberflächen auftreten, welche eine Nach- oder Feinbearbeitung erforderlich machen.
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Mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens kann eine Nach- oder Feinbearbeitung der Kugelbahnen erfolgen, um die erforderliche Maßhaltigkeit und Oberflächeneigenschaften zu erzeugen.
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Die Bearbeitung durch das erfindungsgemäße Verfahren sieht vor, dass die vorgefertigte Kugelnabe jeweils um eine mit einem Bahnpaar korrelierte Kugelbahnachse rotiert wird, die dadurch identisch ist mit einer Rotationsachse der Bearbeitung. Dadurch kreisen die beiden Kugelbahnen des Bahnpaars auf einer Umlaufbahn im Kugelbahnradius um die Kugelbahnachse, wobei das Kugelbahnprofil entlang einer die Kugelbahnachse umschließenden toroidalen Fläche umläuft, wobei die Flächen der beiden Kugelbahnen des Bahnpaars durch Umfangsabschnitte dieser toroidalen Fläche gebildet werden. Wird ein Werkzeug bezüglich der Rotation der Kugelnabe durch radialen Vorschub von außen der Rotationsachse radial angenähert, kommt es bei jeder ganzen Umdrehung der Kugelnabe nacheinander mit den beiden Kugelbahnen des Bahnpaars in mechanischen Kontakt. Dabei kann durch die Umfangsgeschwindigkeit der Kugelbahnflächen durch das relativ dazu feststehende Werkzeug eine mechanische, vorzugsweise eine spanende Bearbeitung der konkaven Kugelbahnflächen in Umfangsrichtung erfolgen.
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Das Werkzeug kann mit einer Vorschubbewegung, bevorzugt mit einer linearen Bewegung radial in Richtung auf die Rotationsachse zugestellt, d.h. vorgeschoben werden, wobei durch die mechanische Bearbeitung im Bereich beider Kugelbahnen des Bahnpaars mechanisch, bevorzugt spanend Material abgetragen wird, bis die beiden Kugelbahnen bei der fertig bearbeiteten Kugelnabe das für den Kugelbahnradius vorgegebene Endmaß erreicht haben.
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Ein Vorteil der paarweisen Bearbeitung gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren ist, dass in einem Arbeitsgang beide Kugelbahnen auf Maß bearbeitet werden können. Die Kugelnabe muss dazu nur einmal aufgespannt werden, und es ist nur ein Werkzeug erforderlich, welches zur Bearbeitung relativ zur Kugelnabe positioniert werden muss. Durch diese quasi gleichzeitige oder parallele Bearbeitung beider Kugelbahnen eines Kugelbahnpaars wird der Fertigungsaufwand reduziert, verglichen mit dem Stand der Technik, bei dem immer nur eine einzige Kugelbahn im Bearbeitungseingriff ist. Ein weiterer wesentlicher Vorteil ist, dass das Werkzeug im Bearbeitungseingriff durch die Ausrichtung zur Rotationsachse praktisch identisch zu den beiden darum umkreisenden Kugelbahnen ausgerichtet ist. Dadurch erhalten die beiden Kugelbahnen des Kugelbahnpaars das identische Endmaß innerhalb geringster Toleranzen. Die Einhaltung derartig enger Toleranzvorgaben wäre bei der einzelnen Bearbeitung im Stand der Technik nur mit einem deutlich höheren Aufwand erreichbar.
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Zur Umsetzung des Verfahrens kann vorgesehen sein, dass die Kugelnabe in einem um die Rotationsachse drehend antreibbaren Halter aufgenommen wird, wobei die Mittelachse senkrecht zur Rotationsachse ausgerichtet wird, und eine Kugelbahnachse entlang der Rotationsachse ausgerichtet wird, und der Halter zum Rotieren der Kugelnabe um die Rotationachse rotiert wird. Der Halter weist eine Aufnahme- oder Spannvorrichtung auf, in der die Kugelnabe zur Bearbeitung relativ zum Werkzeug ausgerichtet lösbar fixierbar ist. Dabei kann die Kugelnabe zur Bearbeitung sämtlicher Bahnpaare relativ zum Halter verstellt werden, so dass in aufeinander folgenden Bearbeitungsschritten die Kugelbahnachsen jedes Bahnpaars mit der Rotationsachse ausgerichtet werden können. Der Halter ist bevorzugt mit einer motorischen Antriebsvorrichtung eines Rotationsantriebs verbunden und von dieser um die Rotationsachse drehend antreibbar. Für eine rationelle Bearbeitung ist es vorteilhaft, dass eine einfache, präzise und sichere Aufnahme der Kugelnabe an dem Halter erfolgen kann, was mit im Prinzip mit einfach aufgebauten Spannvorrichtungen realisierbar ist. Zur mechanischen Bearbeitung ist lediglich ein rotierender Antrieb des Halters erforderlich, der mit hoher Rundlaufgenauigkeit mit geringem maschinellen Aufwand realisierbar ist, so dass die geforderte Genauigkeit der Bahnpaare problemlos gewährleistet werden kann.
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Der Rotationsantrieb weist bevorzugt einen steuerbaren elektrischen Antrieb auf, der eine Einstellung der Rotationsgeschwindigkeit ermöglicht, um die Umfangsgeschwindigkeit der kreisenden Kugelbahnflächen optimal an die mechanische Bearbeitung anpassen zu können, beispielsweise an die Schleif- oder Schnittgeschwindigkeit des eingesetzten Werkzeugs.
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Zur mechanischen Bearbeitung kann der Halter in einer die Rotationsachse umgebenden Werkzeuganordnung positioniert werden, die mindestens ein Werkzeug aufweist, das radial gegen Rotationsachse gerichtet ist. In dem bevorzugt rotationssymmetrisch zur Rotationsachse ausgebildeten Werkzeuganordnung kann das Werkzeug in mechanischen Bearbeitungskontakt mit den rotierenden Kugelbahnen gebracht werden. Mindestens radial nach innen gegen die Rotationsachse ausgerichtetes Werkzeug ist dabei mit seiner Bearbeitungsseite radial von außen gegen die Kugelbahnen des Bahnpaars gerichtet, dessen Kugelbahnachse identisch mit der Rotationsachse ausgerichtet ist.
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Vorzugsweise kann das Werkzeug auf seiner gegen die Kugelbahnen gerichteten Bearbeitungsseite ein negatives Kugelbahnprofil haben. Das negative Kugelbahnprofil ist als Werkzeugprofil ausgebildet, welches eine quer zur Umfangsrichtung stehende Bearbeitungskontur aufweist, die an den Kugelbahnquerschnitt, also das positive Kugelbahnprofil angepasst ist. Entsprechend der umlaufenden konkaven Nutform dieses positiven Kugelbahnprofils hat das Werkzeugprofil ein radial gegen die Rotationsachse vorstehendes konvexes negatives Kugelbahnprofil, also eine konvexe Bearbeitungskontur. Diese kann eine konvexe Schneidenanordnung aufweisen, die bevorzugt durch einen Schleifkörper realisiert sein kann, der entsprechend dem negativen Kugelbahnprofil konvex geformt ist. Ein Werkzeug mit einem bevorzugt an das gesamte Kugelbahnprofil angepassten Werkzeugprofil ermöglicht die Bearbeitung der gesamten Kugelbahnflächen eines Bahnpaars in einem Arbeitsgang, wobei das Werkzeug relativ zur Kugelnabe ausschließlich in radialer Richtung geführt werden muss. Dadurch ist in vorteilhafter Weise mit geringerem Aufwand eine höhere Genauigkeit realisierbar als mit den im Stand der Technik entlang von Bahnkurven bewegten Werkzeugen.
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Das Werkzeug kann bevorzugt dem vorgegebenen Kugelbahnprofil angepasst kreis- oder kreissegmentförmig ausgebildet sein, oder ein gotisches oder anders geformtes Werkzeugprofil haben. Derartig unterschiedliche Werkzeugprofile können mit relativ geringem Aufwand zur Verfügung gestellt werden und ermöglichen eine flexible und rationelle Fertigung.
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Insbesondere mittels eines Schleifkörpers kann eine hohe Genauigkeit und geringe Oberflächenrauigkeit mit relativ geringem Fertigungsaufwand realisiert werden.
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Nach dem Positionieren relativ zur Werkzeuganordnung erfolgt bevorzugt das Ausrichten der Kugelbahnen des Bahnpaars relativ zum Werkzeug. Dabei wird die senkrecht zur Rotationsachse stehende Bahnebene des jeweilig zur Bearbeitung vorgesehenen Bahnpaars derart zum Werkzeug positioniert, dass das konvexe Werkzeugprofil allein durch radialen Vorschub deckungsgleich mit dem vorgegebenen konkaven Kugelbahnquerschnitt einstellbar ist. Dies kann gemäß der Erfindung durch Positionierung der Kugelnabe und des Werkzeugs in derselben Bahnebene erreicht werden.
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Zum mechanischen kann das Werkzeug - bevorzugt nach dem Ausrichten - bevorzugt mit einem linearen Vorschub mit seinem konvexen Werkzeugprofil voraus in einer Vorschubrichtung radial nach innen bewegt werden, bis es in Bearbeitungseingriff mit den Kugelbahnen kommt. Der Vorschub in Vorschubrichtung wird fortgesetzt, bis das geforderte Endmaß erreicht ist.
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Vorzugsweise erfolgt das Verschieben des Werkzeugs mittels einer motorischen Vorschubeinrichtung, auch als Zustellvorrichtung bezeichnet, die einen zum Verschieben des Werkzeugs ausgebildeten Vorschubantrieb aufweist. Die Vorschubeinrichtung kann bevorzugt automatisiert gesteuert sein, so dass das Werkzeug automatisiert bis zum Erreichen des vorgegebenen Endmaßes in Vorschubrichtung vorgeschoben wird.
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Es ist vorteilhaft, dass die Rotationsgeschwindigkeit an die Vorschubgeschwindigkeit des Vorschubs angepasst wird. Dadurch kann eine optimale Bearbeitung gewährleistet werden. Bevorzugt können dazu der Rotationsantrieb und die Vorschubeinrichtung an eine Steuereinrichtung angeschlossen sein, welche eine automatisierte Ansteuerung zur Einhaltung vorgegebener Bearbeitungsparameter ermöglicht.
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Nachdem das vorgegebene Endmaß erreicht ist, ist die Bearbeitung eines Bahnpaars abgeschlossen. Anschließend erfolgt ein Stoppen der Rotation des Halters, und ein Zurückfahren des Werkzeugs radial in Richtung von der Rotationsachse weg, also entgegen der Vorschubrichtung, um die Kugelnabe freizugeben.
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Falls nach der abgeschlossenen Bearbeitung eines Bahnpaars noch nicht sämtliche Kugelbahnen der Kugelnabe mittels des Werkzeugs bearbeitet sind, erfolgt ein Verdrehen der Kugelnabe um ihre Mittelachse relativ zum Halter, bis die Kugelbahnachse eines bis dahin noch nicht bearbeiteten Bahnpaars in der vorangehend beschriebenen Weise relativ zum Werkzeug ausgerichtet wird. Anschließend erfolgt die mechanische Bearbeitung in der oben beschriebenen Weise.
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Falls sämtliche Kugelbahnen der Kugelnabe mittels des Werkzeugs bearbeitet sind, wird die Bearbeitung der Kugelnabe nach dem erfindungsgemäßen Verfahren beendet. Es erfolgt ein Entnehmen des Halters aus dem Werkzeug und ein Entnehmen der fertig bearbeiteten Kugelnabe aus dem Halter.
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Bevorzugt ist vorgesehen, dass sich das Werkzeug über einen Umfangsabschnitt erstreckt. Das Werkzeug weist ein Werkzeugsegment auf, welches sich über einen den Umfangsabschnitt entsprechenden Winkelabschnitt um die Rotationsachse herum erstreckt. Dadurch wird erreicht, dass beim Bearbeiten, wenn das Werkzeug radial bis in den Bearbeitungseingriff mit den Kugelbahnen vorgeschoben ist, der Bearbeitungseingriff über einen vergrößerten Umfangsabschnitt erfolgt, über den sich die Kugelbahn bei der mechanischen Bearbeitung relativ zum Werkzeug entlangbewegt. Das Werkzeug kann bevorzugt einen segmentförmigen toroidalen Schleifkörper aufweisen, der sich mit seiner negativen, konvexen Werkzeugkontur segmentförmig über einen definierten Umfangs- bzw. Winkelabschnitt erstreckt. Dadurch, dass die mechanische Bearbeitung, beispielsweise durch den Schleifkontakt mit dem Schleifkörper, über eine relativ lange Bahnstrecke entsprechend der Bahnlänge des Werkzeugsegments erfolgen kann, kann mit Vorteil ein relativ schneller Materialabtrag und eine hohe Bearbeitungsgenauigkeit realisiert werden.
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Um die eine effektivere Bearbeitung zu ermöglichen, kann bevorzugt vorgesehen sein, dass sich diei Werkzeuganordnung über einen überwiegenden Umfangsabschnitt erstreckt, d.h. mehr als 50% des Umfangs einschließt.
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In einer besonders bevorzugten Weiterbildung kann vorgesehen sein, dass das Werkzeug die Rotationsachse im Wesentlichen vollständig umschließend ausgestaltet ist, d.h. geschlossen ringförmig ausgebildet ist uns sich über 100% des Umfangs erstreckt, oder über wenigstens 85% des Umfangs. Der Begriff im Wesentlichen vollständig soll hier den Bereich von 85% bis 100% umfassen. Hierzu kann das Werkzeug bevorzugt einen umlaufenden toroidalen Schleifkörper umfassen. Vorteile eines ringförmig vollständig geschlossenen Werkzeugs sind eine hohe Bearbeitungsgeschwindigkeit, eine hohe Genauigkeit des Endmaßes der Kugelbahnen und eine hohe Standzeit des Werkzeugs durch die relativ große Bearbeitungskontaktfläche mit den Kugelbahnen.
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Eine bevorzugte Ausführung der Erfindung kann vorsehen, dass die Werkzeuganordnung mindestens zwei über den Umfang verteilt angeordnete Werkzeuge aufweist. Diese Werkzeuge, die gleichbedeutend auch als Teilwerkzeuge, Werkzeugelemente oder Werkzeugsegmente bezeichnet werden, bilden zusammen das Werkzeug, und umfassen beispielsweise zwei oder mehrere segmentförmige, toroidale Schleifkörper, die sich in ihrer Gesamtheit über einen die Rotationsachse Umfangsabschnitt erstrecken, bevorzugt über einen überwiegenden Umfangsabschnitt von > 50%, und besonders bevorzugt ringförmig geschlossen werden können zur Umschließung von 100% des vollen Umfangs, zumindest von 85%.
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Bevorzugt sind die Werkzeuge symmetrisch um die Rotationsachse herum verteilt angeordnet. Es können beispielsweise zwei Werkzeuge vorgesehen sein, die bezüglich der Rotationsachse radial gegenüberliegend angeordnet sind, und sich bevorzugt über jeweils etwa 50% des Umfangs erstrecken, so dass sie praktisch spiegelsymmetrisch zur Rotationsachse angeordnete Werkzeughälften bilden, die jeweils eine über 50% des Umfangs durchgehende toroidale konvexe Werkzeugkontur aufweisen. Die Werkzeughälften können im Wesentlichen identisch ausgebildet sein. Alternativ können auch drei oder mehr toroidale, symmetrisch zur Rotationsachse angeordnete Werkzeugsegmente vorgesehen sein.
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Dadurch, dass die Werkzeughälften oder -segmente aufeinander zu bewegt werden, kann eine ringförmig geschlossene Werkzeuganordnung ausgebildet werden. Dabei greifen die negativen, konvexen Werkzeugkonturen radial derart in die Kugelbahnen ein, dass die Kugelnabe ohne weitere Maßnahmen optimal relativ zum Werkzeug ausgerichtet wird. Zur Entnahme der Kugelnabe werden die Werkzeugsegmente entgegen der Vorschubrichtung radial nach außen auseinander gefahren.
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Beim erfindungsgemäßen Verfahren werden die Werkzeuge beim Vorschieben des Werkzeugs bezüglich der Rotationsachse aufeinander zu bewegt, bevorzugt in Vorschubrichtung symmetrisch radial auf die Rotationsachse hin vorgeschoben. Dadurch kommen die einzelnen Werkzeugteile symmetrisch und im Wesentlichen gleichzeitig mit den Kugelbahnen eines Bahnpaars in Bearbeitungskontakt. Die bei der Bearbeitung auftretenden Kräfte können durch die symmetrische Anordnung sicher aufgenommen werden, wodurch die Bearbeitungsgenauigkeit ohne zusätzlichen Aufwand nochmals erhöht werden kann.
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Bevorzugt werden das oder die Werkzeuge von einer motorisierten Vorschubeinrichtung in Vorschubrichtung vorgeschoben, und zur Freigabe der fertig bearbeiteten Kugelnabe zurückgezogen.
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Bevorzugt kann vorgesehen sein, dass die Werkzeuge gegeneinander kontaktierbare, korrespondierende Anschlagflächen aufweisen. Diese sind derart angeordnet, dass sin gegeneinander in Anschlag kommen, wenn die zwei oder mehr Werkzeuge die dem Endmaß entsprechende Endposition des Vorschubs erreichen. Das erfindungsgemäße Verfahren kann dann vorsehen, dass das Vorschieben so weit erfolgt, bis korrespondierende Anschlagflächen an den Werkzeugen in der Vorschubrichtung miteinander in Kontakt kommen. Die Anschlagflächen können bevorzugt parallel zu Rotationsachse angeordnet sein, so dass sie einen Anschlag in Vorschubrichtung zur Verfügung stellen. Die Bearbeitung mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens kann dadurch massiv vereinfacht werden, dass die Werkzeuge einfach aufeinander zu vorgeschoben werden, bis sie gegeneinander anschlagen. Dann kann das Endmaß der Kugelbahnen ohne aufwendige Steuerung oder Überwachung sicher erzeugt werden, und die Reproduktionsgenauigkeit ist für eine Vielzahl von Kugelbahnen besonders hoch.
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Bevorzugt ist vorgesehen, dass das Bearbeiten durch Schleifen erfolgt. Alternativ kann aber auch eine Fräsoperation oder eine Kombination aus Schleifen und Fräsen erfolgen. Dabei sind auch mehrere Schritte denkbar, wobei unterschiedliche Bearbeitungsverfahren eingesetzt werden können.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren kann vorgesehen sein, dass die Bearbeitung mindestens zweimal mit unterschiedlichen Werkzeugen durchgeführt wird. Hierzu kann die bevorzugt wie vorangehend beschrieben in einem Halter rotierende Kugelnabe nacheinander in Bearbeitungskontakt mit zwei unterschiedlich konzipierten Werkzeugen gebracht werden, die sich beispielsweise hinsichtlich der erreichbaren Genauigkeit und Oberflächengüte unterscheiden können. So können beispielsweise Schleifkörper mit unterschiedlicher Körnung eingesetzt werden, um mit gröberer Körnung zunächst in einer Feinbearbeitung die vorgegebene Maßhaltigkeit zu erzeugen, und anschließend mit feinerer Körnung eine Schlicht- oder Feinstbearbeitung zur Erzeugung höchster Oberflächengüten durchzuführen.
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Bei einer Vorrichtung zur Bearbeitung einer Kugelnabe für ein Kugelgleichlaufgelenk, die auf ihrem Außenumfang Bahnpaare von bezüglich einer Mittelachse einander radial gegenüberliegenden Kugelbahnen aufweist, die jeweils für jedes Bahnpaar parallel zu einer zur Mittelachse parallelen Bahnebene mit einem Kugelbahnradius um eine Kugelbahnachse verlaufen, umfassend einen Halter für die Kugelnabe und eine Werkzeuganordnung mit mindestens einem relativ zu dem Halter bewegbaren Werkzeug, ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass der Halter von einem Rotationsantrieb um eine Rotationsachse drehend antreibbar ist, wobei die Kugelnabe in dem Halter mit ihrer Mittelachse senkrecht zur Rotationsachse und mit einer Kugelbahnachse entlang der Rotationsachse ausgerichtet aufnehmbar ist, und die Werkzeuganordnung mindestens bezüglich der Rotation des Halters feststehendes Werkzeug aufweist.
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In der Vorrichtung kann das erfindungsgemäße Verfahren wie oben beschrieben durchgeführt werden. Dabei können sämtliche im Zusammenhang mit dem Verfahren erläuterten Merkmale konstruktiv mit der Vorrichtung realisiert werden.
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Der Halter ist bevorzugt mit einem elektromotorischen Rotationsantrieb verbunden, der Bestandteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist, zum drehenden Antrieb um die Rotationsachse.
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Das Werkzeug ist bevorzugt mit einer elektromotorischen Vorschubeinrichtung verbunden sein. Mittels der Vorschubeinrichtung, die Bestandteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist, kann das Werkzeug gesteuert zur Bearbeitung in Vorschubrichtung radial nach innen gegen die Kugelbahnen vorgeschoben werden, und in umgekehrter Richtung, um die Kugelnabe freizugeben.
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Vorzugsweise können der Rotationsantrieb und/oder die Vorschubeinrichtung an eine elektrische Steuereinrichtung angeschlossen sein. Dadurch können die Rotationsgeschwindigkeit, der Vorschubweg und/oder die Vorschubgeschwindigkeit vorgegeben werden, und gegebenenfalls automatisiert aufeinander abgestimmt werden.
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Bevorzugt kann vorgesehen sein, dass sich die Werkzeuganordnung bezüglich der Rotationsachse über einen Umfangsabschnitt erstreckt. Bevorzugt beträgt der Umfangsabschnitt mehr als 50%, besonders bevorzugt 90-100%, wobei die Werkzeuganordnung bevorzugt ringförmig geschlossen um die Rotationsachse ausgebildet sein kann.
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Die Werkzeuganordnung kann wie oben beschrieben toroidal ausgebildet sein. Das Werkzeugprofil kann einen zumindest abschnittweise kreisrunden Bearbeitungsquerschnitt aufweisen, beispielsweise einen konvex nach innen vorstehendenden halbrunden Querschnitt. Alternativ kann ein von einer kreisrunden Form abweichender Querschnitt realisiert sein, beispielsweise ein gotisch-spitzbogenförmiger, parabelförmiger oder sonstiger Querschnitt. Der Querschnitt kann symmetrisch ausgebildet sein bezüglich einer zur Kugelbahnachse senkrechten Spiegelebene, oder auch unsymmetrisch.
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Bevorzugt kann vorgesehen sein, dass die Werkzeuganordnung mindestens zwei über den Umfang verteilt angeordnete Werkzeuge aufweist. Die Teilsegmente können wie oben beschrieben als Werkzeugelemente oder -segmente ausgebildet sein, die bevorzugt symmetrisch zur Rotationsachse angeordnet sind.
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Prinzipiell ist es auch denkbar und möglich, ein Werkzeug aus mehreren Teilsegmenten vorzusehen, die entsprechend aus mehreren Richtungen für die Bearbeitung zur Mitte hin verschoben werden.
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Es kann vorteilhaft sein, dass die Werkzeuge, oder die Teilsegmente des Werkzeugs, gegeneinander kontaktierbare, korrespondierende Anschlagflächen aufweisen.
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Es kann bevorzugt vorgesehen sein, dass eine Kugelnabe in dem Halter um die Mittelachse drehend verstellbar ist. Durch Verdrehung um die Mittelachse kann jeweils eine einem Bahnpaar entsprechende Kugelbahnachse identisch auf der Rotationsachse ausgerichtet werden. Vorzugsweise ist die Kugelnabe in der ausgerichteten Orientierung an dem Halter lösbar fixierbar, beispielsweise mittels einer Rast- oder Spanneinrichtung.
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Bevorzugt kann der Halter einen Spannzapfen aufweisen, der sich quer zur Rotationsachse erstreckt, und auf dem die Kugelnabe aufspannbar ist.
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Die Kugelnabe weist bevorzugt eine zentrale, zur Mittelachse koaxiale Befestigungsöffnung auf. Diese Befestigungsöffnung ist ausgebildet zur drehfesten Anbringung der Kugelnabe an einer Gelenkwelle, konkret einem mit der Kugelnabe verbundenen Wellenteil einer Lenkwelle. Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann die Kugelnabe bevorzugt mit der Befestigungsöffnung an dem Halter zur Bearbeitung aufgespannt werden. Beispielsweise kann der Halter hierzu einen in der Befestigungsöffnung lösbar verspannbaren Spannzapfen aufweisen.
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Bevorzug kann der Halter eine Verstellvorrichtung aufweisen, die ausgebildet ist, um eine aufgenommene Kugelnabe um ihre Mittelachse zu drehen. Die Verstellvorrichtung ermöglich eine drehende Verstellung der Kugelnabe, so dass jeweils eine Kugelbahnachse mit der Rotationsachse des Halters ausgerichtet werden kann, um die zugehörigen Kugelbahnen zu bearbeiten. Die Verstellvorrichtung kann motorisch ausgebildet sein, um die Kugelnabe nach der fertigen Bearbeitung eines Bahnpaars zur Bearbeitung des nächsten noch zu bearbeitenden Bahnpaars zu verstellen.
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Figurenliste
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Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung werden im Folgenden anhand der Zeichnungen näher erläutert. Im Einzelnen zeigen:
- 1 eine erfindungsgemäße Kugelnabe in einer schematischen perspektivischen Darstellung,
- 2 ein Rohteil oder Ausgangsteil einer erfindungsgemäße Kugelnabe in einer schematischen perspektivischen Darstellung,
- 3 einen Halter einer erfindungsgemäßen Vorrichtung einer schematischen perspektivischen Darstellung,
- 4 den Halter gemäß 3 mit einem darin aufgenommenen Rohteil einer Kugelnabe gemäß 2,
- 5 eine Werkzeuganordnung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung in einer schematischen perspektivischen Darstellung,
- 6 eine erfindungsgemäße Vorrichtung umfassend die Werkzeuganordnung gemäß 4 zusammen mit dem Halter und einem darin aufgenommenen Rohteil einer Kugelnabe gemäß 4 in einem ersten Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens,
- 7 die erfindungsgemäße Vorrichtung gemäß 6 in einem zweiten Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens,
- 8 die erfindungsgemäße Vorrichtung gemäß 7 in einem dritten Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens,
- 9 die erfindungsgemäße Vorrichtung gemäß 8 in einem vierten Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens,
- 10 die erfindungsgemäße Vorrichtung gemäß 9 in einem fünften Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens,
- 11 die erfindungsgemäße Vorrichtung gemäß 10 in einem sechsten Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens,
- 12 die erfindungsgemäße Vorrichtung gemäß 11 in einem siebten Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens,
- 13 die erfindungsgemäße Vorrichtung gemäß 12 in einem achten Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens,
- 14 die erfindungsgemäße Vorrichtung gemäß 11 in einem neunten Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens,
- 15 eine gemäß dem Verfahren gemäß der Schritte in 6 bis 14 bearbeitete Kugelnabe in einer schematischen perspektivischen Darstellung,
- 16 einen Längsschnitt durch die Vorrichtung samt Kugelnabe gemäß 7 in einem ersten Rotationszustand des Halters,
- 17 einen Längsschnitt durch die Vorrichtung wie in 16 in einem zweiten Rotationszustand des Halters,
- 18 einen Querschnitt durch die Vorrichtung gemäß 16,
- 19 einen Längsschnitt durch ein Werkzeug gemäß einer der 5 bis 14 in einer Längsschnittansicht wie in 16,
- 20 einen Längsschnitt durch ein Werkzeug in einer weiteren Ausführung.
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Ausführungsformen der Erfindung
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In den verschiedenen Figuren sind gleiche Teile stets mit den gleichen Bezugszeichen versehen und werden daher in der Regel auch jeweils nur einmal benannt bzw. erwähnt.
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1 zeigt eine erfindungsgemäße Kugelnabe 1. Diese weist eine koaxial zu ihrer Mittelachse M durchgehende Öffnung 11 auf, welche eine Befestigungsöffnung zur drehfesten Anbringung an einem nicht dargestellten Wellenteil bildet. Über den Umfang verteilt sind Kugelbahnen 12a, 12b, 13a, 13b, 14a, 14b angeordnet, die ein radial von außen konkav eingebrachtes, bogenförmig gerundetes Kugelbahnprofil haben. Jeweils zwei Kugelbahnen 12a und 12b, sowie 13a und 13b, sowie 14a und 14b liegen einander bezüglich der Mittelachse M radial paarweise gegenüber, und bilden jeweils das Bahnpaar 12a/b, gebildet aus Kugelbahnen 12a und 12b, sowie das Bahnpaar 13a/b, gebildet aus Kugelbahnen 13a und 13b, sowie das Bahnpaar 14a/b, gebildet aus Kugelbahnen 14a und 14b. Auf dem Umfang benachbarte Kugelbahnen 12a, 12b, 13a, 13b, 14a, 14b sind jeweils bezüglich der Mittelachse M um einen Winkel α gegeneinander versetzt, also bei den drei Bahnpaaren der gezeigten Ausführung jeweils um 60°.
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Jedes der Bahnpaare 12a/b, 13a/b, 14a/b weist eine Kugelbahnachse 12K, 13K, 14K auf. Die Kugelbahnen 12a, 12b, 13a, 13b, 14a, 14b verlaufen in einem definiert vorgegebenen Kugelbahnradius Kr toroidal paarweise für jedes Bahnpaar 12a/b, 13a/b, 14a/b um die zugeordnete Kugelbahnachse 12K, 13K, 14K herum, die jeweils senkrecht zur Mittelachse M stehen. Der Kugelbahnradius Kr bezeichnet dabei den radialen Abstand von der Mittelachse M, beispielsweise zum tiefsten Punkt des konkaven Kugelbahnprofils gemessen.
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In den 6 bis 14 ist eine erfindungsgemäße Vorrichtung 2 in verschiedenen Ansichten gezeigt. Diese weist einen Halter 3 und eine Werkzeuganordnung 4 mit zwei Werkzeugen 41, 42 (Teilwerkzeuge) auf.
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In 2 ist ein Ausgangsteil 100 oder Rohteil einer Kugelnabe 1 vor der Bearbeitung entsprechend der vorgelegten Erfindung dargestellt. Derartige Rohteile können kaltgeschmiedet werden oder auch warmgeschmiedet werden. Die Öffnung 11 kann bereits fertig bearbeitet sein, beispielsweise bereits im Schmiedeverfahren.
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Der Halter 3 ist in 3 einzeln separat dargestellt. Er weist eine Rotationsachse R auf, um die er von einem nicht dargestellten motorischen Rotationsantrieb drehend antreibbar ist.
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Der Halter 3 weist eine gabelförmige Aufnahme 31 auf, in der eine Kugelnabe 1 oder das Ausgangsteil 100 aufnehmbar ist, so dass die Mittelachse M senkrecht zur Rotationsachse R steht und jeweils eine der Kugelbahnachsen 12K, 13K, oder 14K identisch, koaxial mit der Rotationsachse R ausgerichtet sind, wie dies in 4 exemplarisch für die Kugelbahnachse 12K des Bahnpaars 12a/b dargestellt ist. In der jeweils ausgerichteten Position kann die Kugelnabe 1 in der Aufnahme 31 lösbar mit dem Halter 3 verspannt sein.
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Die in 5 gezeigte Werkzeuganordnung 4 weist zwei Werkzeuge 41 und 42 auf, die auch als Teilwerkzeuge bezeichnet werden und symmetrisch zur Rotationsachse R angeordnet sind. Jedes der Werkzeuge 41, 42 weist eine toroidale, im Querschnitt konvex radial nach innen vorstehende Werkzeugkontur 43 auf, die auch als Bearbeitungskontur 43 bezeichnet wird. Die Werkzeugkontur 43 kann eine konvexe Schneidenanordnung aufweisen, die bevorzugt durch einen Schleifkörper realisiert sein kann, der entsprechend dem negativen Kugelbahnprofil konvex geformt ist und für beide Werkzeuge 41 und 42 gleich ausgebildet sein kann.
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Im gezeigten Beispiel bilden die Werkzeuge 41, 42 jeweils Werkzeughälften, die jeweils eine über im Wesentlichen 50%, d.h. die Hälfte des Umfangs durchgehende konvexe Werkzeugkontur 43 aufweisen. Unter im Wesentlichen ist hier ein Winkelbereich von 165 Winkelgrad bis 180 Winkelgrad des Umfangs zu verstehen. Die Werkzeuge 41, 42 weisen korrespondierende, bezüglich einer zur Rotationsachse R parallelen Teilungsebene einander gegenüberliegende Anschlagflächen 44 auf. Während in 4 der geöffnete Zustand des Werkzeuganordnung 4 gezeigt ist, in der die Anschlagflächen 44 Abstand voneinander haben, können die Werkzeuge 41, 42 zur Einstellung der Bearbeitungsposition mittels einer nicht dargestellten, bevorzugt motorischen Vorschubeinrichtung aufeinander zu bewegt werden, wie in 7 mit den Pfeilen angedeutet, bis die Teilwerkzeuge 41, 42 auf einen Abstand zueinander gebracht sind, der die Werkzeugkonturen 43 auf den gewünschten Durchmesser für die jeweiligen Bahnpaare 12a/b, 13a/b, 14a/b zustellt. Beispielsweise können hierzu die Anschlagflächen 44 dienen, die gegeneinander zur Anlage gebracht werden. In dieser geschlossenen Bearbeitungsposition, die in den nachfolgenden 7, 10 und 13, sowie in den 16 und 18 eingenommen ist, umschließen die beiden Bearbeitungskonturen 43 die Rotationsachse R im Wesentlichen vollständig, erstrecken sich also über deren, bevorzugt gesamten, Umfang.
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Die Bearbeitungskonturen 43 sind symmetrisch bezüglich eines auf der Rotationsachse R liegenden Zentralpunkts C angeordnet. Dieser Zentralpunkt C liegt definitionsgemäß auf Höhe des Scheitelpunkts des konvexen Werkzeugprofils 43.
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In einem ersten Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der Halter 3 mit einer darin wie in 4 gezeigt aufgenommenen Ausgangsteil 100 der Kugelnabe zwischen die im geöffneten Zustand gemäß 4 befindlichen Werkzeugen 41, 42 eingebracht, wie in 6 gezeigt ist. Dabei ist die dem Bahnpaar 12,a/b zugeordnete Kugelbahnachse 12K identisch mit der Rotationsachse R ausgerichtet, und die Mittelachse M verläuft senkrecht durch den Zentralpunkt C. Dadurch sind die Bearbeitungskonturen 43 mit den Kugelbahnen 12a und 12b des Bahnpaars 12a/b zur Bearbeitung ausgerichtet.
Im nächsten Schritt wird, wie in 7 mit dem gebogenen Pfeil angedeutet, der Halter 3 um die Rotationsachse R in Rotation versetzt, und die beiden Werkzeuge 41 und 42 werden senkrecht zur Rotationsachse R in einer Vorschubrichtung aufeinander zu bewegt, wie in 6 mit den geraden Pfeilen angedeutet, bis zu einer definierten Zustellposition, die dem gewünschten Durchmesser für die Kugelbahnen entspricht, zusammengefahren. Ein Verfahrweg, maximal bis die Werkezuge 41 und 42 mit den Anschlagflächen 44 gegeneinander in Kontakt kommen, d.h. gegeneinander anschlagen. Dadurch wird das Werkzeug 4 geschlossen, und die Kugelbahnen 12a und 12b werden bei der über den Halter 3 erzeugten Rotation der Kugelnabe 1 in Umfangsrichtung im Bearbeitungskontakt über den Umfang umlaufend an den Werkzeugkonturen 43 umlaufend entlangbewegt.
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Im Bereich des Werkzeugprofils 43 weisen die Werkzeuge 41 und 42 bevorzugt Schleifkörper 45 auf. Alternativ wäre es denkbar und möglich, eine Verzahnung für eine Fräsoperation, wie Fräszähne oder derartige Schneidwerkzeuge, anzubringen. So könnten in einem ersten Schritt, mit einem Werkzeug mit Fräszähnen, grobe Bearbeitungen durchgeführt werden und in einem zweiten Schritt mit einem Werkzeug mit Schleifkörpern die Finishbearbeitung durchgeführt werden.
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Dabei werden beide Kugelbahnen 12a und 12b des Bahnpaars 12a/b über den gesamten Umfang bearbeitet, und beim Kontakt der Anschlagflächen 44 haben beide Kugelbahnen 12a und 12b innerhalb von geringsten Toleranzen den identischen, durch den Innendurchmesser der negativen toroidalen Form des Werkzeugprofils 43 vorgegebenen Kugelbahnradius Kr.
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Im nächsten Schritt werden, wie in 8 dargestellt, die Rotation des Halters 3 gestoppt, und die Werkzeuge 41 und 42 entgegen der Vorschubrichtung, wie durch die beiden Pfeile angedeutet, auseinandergefahren, so dass das Werkzeug 4 geöffnet ist.
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Anschließend wird das teilweise bearbeitete Ausgangsteil 100 der Kugelnabe mittels einer Verstellvorrichtung 5 um ihre Mittelachse M relativ zum Halter 3 verdreht, und zwar um einen Winkel a, entsprechend dem Winkelversatz zwischen den benachbarten Kugelbahnen 12a und 13a beziehungsweise 12b und 13b. Dadurch werden die fertig bearbeiteten Kugelbahnen 12a und 12b aus dem Bearbeitungseingriff des Werkzeugprofils 43 herausgeschwenkt, und die Kugelbahnen 13a und 13b werden so ausgerichtet, dass die diesen zugeordnete Kugelbahnachse 13K identisch mit der Rotationsachse R ausgerichtet ist. Dadurch ist nun das Kugelbahnpaar 13a/b relativ zu dem Werkzeugprofil 43 ausgerichtet, wie vorher in den 6 und 7 das Kugelbahnpaar 12a/b.
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Nach erfolgter Ausrichtung kann, wie in 9 angedeutet, die Verstellvorrichtung 5 entgegen der Verstellrichtung von 8 zurückgezogen werden, wie dies durch den Pfeil angedeutet ist.
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Im nächsten Schritt, der in 10 veranschaulicht ist, wird der Halter 3 analog zu dem zu 7 beschriebenen Vorgehen um die Rotationsachse R rotiert, und die beiden Werkzeuge 41 und 42 werden in der Vorschubrichtung gegeneinander bewegt, bis die vorbestimmte Position erreicht ist, um den gewünschten Durchmesser darzustellen, maximal bis die Anschlagflächen 44 gegeneinander anschlagen. Dabei werden die Kugelbahnen 13a und 13b wie vorangehend die Kugelbahnen 12a und 12b auf Maß bearbeitet.
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Wie in den 11, 12 und 13 dargestellt ist, werden die in den 8, 9 und 10 gezeigten Schritte anschließend noch einmal wiederholt, um das Ausgangsteil 100 der Kugelnabe relativ zum Halter 3 weiter zu verdrehen, um die verbleibenden Kugelbahnen 14a und 14b wie zuvor die Kugelbahnen 12a, 12b, 13a, 13b zu bearbeiten.
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Nach der finalen Bearbeitung der Kugelbahnen 14a und 14b werden die Werkzeuge 41 und 41 wie in 14 auseinander bewegt und dadurch das Werkzeug 4 geöffnet. Der Halter 3 wird aus dem Werkzeug 4 entnommen, und die in 15 dargestellte Kugelnabe 1 mit den fertig bearbeiteten Kugelbahnen 12a, 12b, 13a, 13b, 14a, 14b wird aus dem Halter 3 entnommen.
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16 zeigt einen Längsschnitt entlang der Rotationsachse R während der Bearbeitung gemäß 7. Es ist erkennbar, wie sich die Werkzeugprofile 43 beider Werkzeuge 41 und 42 in Bearbeitungseingriff mit den Kugelbahnen 12a und 12b des Bahnpaars12a/b befinden.
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Die Werkzeugprofile 43 sind an den kreuzschraffiert eingezeichneten Schleifkörpern 45 ausgebildet. Diese können einen kreisförmigen bzw. halbkreisförmigen Querschnitt haben, wie in der in 19 dargestellten Ausführung. Alternativ kann auch - wie bei der in 20 gezeigten Ausführung, ein von der Kreisform abweichender Querschnitt realisiert sein, beispielsweise parabel- oder gotisch-spitzbogenförmig.
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In 16 ist gut erkennbar, dass die Werkzeugprofile 43 in ihrem radial nach innen weisenden Scheitelpunkt radial im Kugelbahnradius Kr von der Rotationsachse R beabstandet sind, und damit von der eingestellten Kugelbahnachse 12K des eingestellten Bahnpaars 12a/b.
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17 zeigt in derselben Ansicht wie in 16 den Halter 3 in einer um 90° weiter rotierten Drehposition.
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18 zeigt einen Querschnitt durch die Vorrichtung 2 in Höhe des Zentralpunkts C, Es sind die die Kugelnabe 1 über den gesamten Umfang bezüglich der Rotationsachse R umschließenden Werkzeugprofile 43 erkennbar.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Kugelnabe
- 11
- Öffnung (Befestigungsöffnung)
- 12a, 12b, 13a, 13b, 14a, 14b
- Kugelbahn
- 12a/b, 13a/b, 14a/b
- Bahnpaar
- 12K, 13K, 14K
- Kugelbahnachse
- 100
- Rohteil Kugelnabe in verschiedenen Fertigungsstufen
- 2
- Vorrichtung
- 3
- Halter
- 31
- Aufnahme
- 4
- Werkzeuganordnung
- 41, 42
- Werkzeug (Teilwerkzeug)
- 43
- Werkzeugprofil
- 44
- Anschlagfläche
- 45
- Schleifkörper
- 5
- Verstellvorrichtung
- M
- Mittelachse
- R
- Rotationsachse
- C
- Zentralpunkt (Zentrum)
- Kr
- Kugelbahnradius
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 112004001175 B1 [0005]
- WO 2018/072835 A1 [0005]
