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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Entgraten von Kegelradverzahnungen, mit den Verfahrensschritten: Bereitstellen und Spannen eines Kegelrads an einer Werkstückspindel einer Werkzeugmaschine, Spanabhebende Bearbeitung des Kegelrads, wobei Zähne des Kegelrads fersenseitige Stirnkanten und zehenseitige Stirnkanten aufweisen und Entgraten des Kegelrads mittels mindestens eines Entgratwerkzeugs.
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Durch die Weichbearbeitung und/oder die Hartfeinbearbeitung von Verzahnungen entstehen an die Zahnflanken angrenzende Grate bzw. Kanten, die durch Entgraten entfernt bzw. definiert bearbeitet werden können. Beispielsweise können Kopfkanten oder Stirnkanten einer Verzahnung angefast oder verrundet werden.
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Das Entgraten dient dazu, Grate zuverlässig zu entfernen, da im Betrieb einer Verzahnung abbrechende Grate zu einer Beschädigung der miteinander abwälzenden Zahnflanken führen können. Weiter können Grate zu Eingriffsstörungen im Wälzkontakt und zu Verunreinigungen von Vakuumhärteanlagen führen.
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Das Entgraten dient zudem dazu, die betreffende Verzahnung robuster gegenüber unvorhergesehenen Verlagerungen und/oder Lastfällen zu gestalten, in denen es zu einem Tragen von an die Zahnflanken angrenzenden Stirnkanten oder Kopfkanten kommen kann - dem sogenannten Kantentragen. Sofern es zum Kantentragen kommt, hat sich das Tragbild der Verzahnung bis hin zu den Stirn- und/oder Kopfkanten der Verzahnung verlagert und/oder erweitert, so dass die Stirn- und/oder Kopfkanten der Verzahnung an der Leistungsübertragung beteiligt sind und im Wälzkontakt mit abwälzen.
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Zwar wird im Rahmen der Verzahnungsauslegung jede Verzahnung üblicherweise derart dimensioniert, dass es unter den zu erwartenden Betriebslasten und den vorgesehenen Toleranzen nicht zu einem Kantentragen kommt. Jedoch kann es im Betrieb der Verzahnung z.B. durch Lastspitzen, Materialermüdung oder Schäden der Lager, Temperatureffekte und dergleichen dazu kommen, dass dennoch ein Kantentragen auftritt. Durch die definierte Bearbeitung der Kopfkanten und/oder Stirnkanten soll für den Fall des Kantentragens die Gefahr von Ausbrüchen, z.B. im Bereich des Zahnkopfs, oder die Gefahr einer Beschädigung der Gegenflanke zumindest reduziert werden.
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Das Entgraten von Kegelradverzahnungen stellt aufgrund der komplexen Kegelradgeometrie und der eingeschränkten Zugänglichkeit der zu entgratenden Bereiche eine besondere Herausforderung dar. Zunächst müssen Grate kollisionsfrei entfernt werden bzw. Kanten kollisionsfrei bearbeitet werden, so dass es nicht zu Kollisionen eines Entgratwerkzeugs mit angrenzenden Maschinenkomponenten oder zu einer Beschädigung der an die zu entgratenden Bereiche angrenzenden Zahnflanken kommt. Weiter müssen Grate reproduzierbar und effizient entfernt werden, d.h. mit der erforderlichen Genauigkeit und mit möglichst kurzer Prozesszeit.
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Vor diesem Hintergrund liegt der Erfindung die technische Problemstellung zugrunde, ein verbessertes Verfahren zum Entgraten von Kegelradverzahnungen anzugeben. Die technische Problemstellung wird durch ein Verfahren nach Anspruch 1 gelöst. Weitere Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen und der nachstehenden Beschreibung.
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Gemäß einem ersten Aspekt betrifft die Erfindung ein Verfahren, mit den Verfahrensschritten: Bereitstellen und Spannen eines Kegelrads an einer Werkstückspindel einer Werkzeugmaschine, Spanabhebende Bearbeitung des Kegelrads, wobei Zähne des Kegelrads Kopfkanten, fersenseitige Stirnkanten und zehenseitige Stirnkanten aufweisen, und Entgraten des Kegelrads mittels mindestens eines Entgratwerkzeugs. Das Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass die Kopfkanten entgratet werden, dass die fersenseitigen Stirnkanten und/oder zehenseitigen Stirnkanten entgratet werden und dass das Entgraten des Kegelrads in derselben Aufspannung auf der Werkstückspindel erfolgt, in der die spanabhebende Bearbeitung durchgeführt worden ist.
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Durch das Entgraten in derselben Aufspannung kann ein zuverlässiges und effizientes Entgraten ermöglicht werden, da vor dem Entgraten kein Umrüsten bzw. Umspannen des Kegelrads erforderlich ist.
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Wenn vorliegend von „Entgraten“ gesprochen wird, so umfasst dies insbesondere auch ein Anfasen oder Verrunden. Insbesondere können eine definierte Fase oder eine definierte Verrundung erzeugt werden.
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Wenn vorliegend davon gesprochen wird, dass das Entgraten in „derselben Aufspannung erfolgt“, so bedeutet dies insbesondere, dass zwischen der spanabhebenden Bearbeitung und dem Entgraten kein Umspannen des Kegelrads und kein Lösen des Kegelrads von der Werkstückspindel erfolgt. Vielmehr verbleibt das Kegelrad dauerhaft im gespannten Zustand auf der Werkstückspindel, bis sowohl die spanabhebende Bearbeitung als auch das Entgraten abgeschlossen sind.
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Wenn vorliegend von einem „Kegelrad“ gesprochen wird so handelt es sich dabei insbesondere um ein Ritzel oder ein Tellerrad einer Kegelrad-Laufverzahnung, die dazu eingerichtet ist, Drehzahlen und Drehmomente im fertig montierten Zustand zwischen zwei Wellen unter einem Achskreuzwinkel zu übertragen.
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Gemäß einer Ausgestaltung des Verfahrens kann vorgesehen sein, dass die spanabhebende Bearbeitung des Kegelrads mittels eines an einer ersten Werkzeugspindel der Werkzeugmaschine gehaltenen und drehangetriebenen Kegelradwerkzeugs erfolgt, dass die Kopfkanten der Zähne des Kegelrads mittels eines an einer zweiten Werkzeugspindel der Werkzeugmaschine gehaltenen und drehangetriebenen ersten Entgratwerkzeugs entgratet werden und dass die fersenseitigen und/oder zehenseitigen Stirnkanten der Zähne des Kegelrads mittels eines an einer Entgratspindel gehaltenen zweiten Entgratwerkzeugs entgratet werden.
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Das Kegelrad kann in derselben Aufspannung mit drei separaten Werkzeugen, die an drei separaten Werkzeugspindeln gehalten und drehangetrieben sind, bearbeitet werden.
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Es kann vorgesehen sein, dass das Kegelradwerkzeug ein Schleifwerkzeug ist, wie eine Topfschleifscheibe oder dergleichen, wobei das Kegelrad im Rahmen der spanabhebenden Bearbeitung einzelteilend bearbeitet wird. Die Topfschleifscheibe ist insbesondere ein abrichtbares Schleifwerkzeug. Gemäß alternativer Ausgestaltungen kann die Topfschleifscheibe ein nicht abrichtbares Schleifwerkzeug sein. Das Kegelrad kann vor der spanabhebenden Bearbeitung gehärtet worden sein, so dass die spanabhebende Bearbeitung eine Hartfeinbearbeitung sein kann.
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Gemäß alternativer Ausgestaltungen kann das Kegelradwerkzeug ein Stabmesserkopf sein. Der Stabmesserkopf weist insbesondere einen Grundkörper mit Messerschächten auf, wobei Stabmesser mit geometrisch definierter Schneide lösbar in den Messerschächten gehalten sind.
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Gemäß einer Ausgestaltung des Verfahrens kann vorgesehen sein, dass das erste Entgratwerkzeug einen im Vergleich zum Kegelradwerkzeug vergrößerten Flankenwinkel aufweist, insbesondere einen Flankenwinkel aufweist, der größer ist als ein Flankenwinkel des Kegelradwerkzeugs und kleiner oder gleich 45° ist.
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Es kann vorgesehen sein, dass das erste Entgratwerkzeug ein Schleifwerkzeug ist. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass das erste Entgratwerkzeug eine Topfschleifscheibe ist. Die Topfschleifscheibe ist insbesondere ein abrichtbares Schleifwerkzeug. Gemäß alternativer Ausgestaltungen kann die Topfschleifscheibe ein nicht abrichtbares Schleifwerkzeug sein.
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Der Durchmesser des ersten Entgratwerkzeugs kann dem Durchmesser des Kegelradwerkzeugs entsprechen.
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Das Entgraten kann kontinuierlich teilend oder einzelteilend erfolgen.
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Gemäß einer Ausgestaltung des Verfahrens kann vorgesehen sein, dass das zweite Entgratwerkzeug ein Entgratmesserkopf oder eine Entgratbürste ist. Das Entgraten der fersenseitigen und der zehenseitigen Stirnkanten kann einzelteilend oder kontinuierlich teilend erfolgen. Der Entgratmesserkopf weist insbesondere einen Grundkörper mit Messerschächten auf, wobei Stabmesser mit geometrisch definierter Schneide lösbar in den Messerschächten gehalten sind. Die Entgratbürste kann austauschbare oder nicht austauschbare Bürstenbüschel enthalten.
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„Einzelteilend“ bedeutet, dass die Stirnkanten sequenziell entgratet werden, d.h. jede Stirnkante in einer Zustellung jeweils separat entgratet wird, und nach dem Entgraten einer jeweiligen Stirnkante, das Entgratwerkzeug zurückgezogen, das Kegelrad um eine Zahnteilung rotiert wird, um in einer darauffolgenden Zustellung des Entgratwerkzeugs die nächste Stirnkante zu entgraten. Der Begriff „einzelteilend“ wird vorliegend bezüglich des Entgratens daher identisch zu den bekannten einzelteilenden Kegelradverzahnverfahren verwendet.
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„Kontinuierlich teilend“ bedeutet, dass eine gekoppelte Bewegung zwischen dem Entgratwerkzeug und dem Kegelrad ausgeführt wird, so dass die fersenseitigen Stirnkanten in einer Zustellung entgratet werden und dass die zehenseitigen Stirnkanten in einer Zustellung entgratet werden. Dabei greifen aufeinander folgende Stabmesser oder Bürsten das kontinuierlich rotierenden Entgratwerkzeugs in aufeinander folgende Lücken des kontinuierlich rotierenden Kegelrads ein. Alternativ greifen aufeinander folgende Stabmessergruppen oder Bürstengruppen das kontinuierlich rotierenden Entgratwerkzeugs in aufeinanderfolgende Lücken des kontinuierlich rotierenden Kegelrads ein. Der Begriff „kontinuierlich teilend“ wird vorliegend bezüglich des Entgratens daher identisch zu den bekannten kontinuierlich teilenden Kegelradverzahnverfahren verwendet.
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Es kann vorgesehen sein, dass das zweite Entgratwerkzeug ein Doppelentgrater ist, der eine Doppelspindel ausbildet, wobei an einem ersten Endabschnitt der Doppelspindel ein erster Entgratmesserkopf gehalten ist und wobei an einem dem ersten Endabschnitt abgewandten zweiten Endabschnitt der Doppelspindel ein zweiter Entgratmesserkopf gehalten ist. Es kann vorgesehen, sein, dass der erste und zweite Entgratmesserkopf über einen gemeinsamen Antrieb drehantreibbar sind, wobei der erste Entgratmesserkopf und der zweite Entgratmesserkopf über ein gemeinsames Getriebe, insbesondere ein Winkelgetriebe, mit dem Antrieb gekoppelt sind. Der erste Entgratmesserkopf kann einen größeren Durchmesser aufweisen als der zweite Entgratmesserkopf.
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Es kann vorgesehen sein, dass die dritte Spindel eine Doppelspindel ist, wobei an einem ersten Endabschnitt der dritten Spindel ein Entgratmesserkopf gehalten ist, wobei an einem dem ersten Endabschnitt abgewandten zweiten Endabschnitt der dritten Spindel eine Entgratbürste gehalten ist, wobei der Entgratmesserkopf und/oder die Entgratbürste als zweites Entgratwerkzeug oder als ein drittes Entgratwerkzeug zum Entgraten der fersenseitigen und zehenseitigen Stirnkanten der Zähne des Kegelrads verwendet werden.
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Es kann vorgesehen sein, dass die spanabhebende Bearbeitung ein Schleifen im Completing-Verfahren ist, wobei einander zugewandte konkave und konvexe Flanken im Zweiflankenschnitt einzelteilend gleichzeitig hergestellt werden.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand einer Ausführungsbeispiele darstellenden Zeichnung näher beschrieben. Es zeigen jeweils schematisch:
- 1 eine Werkzeugmaschine zur Kegelradherstellung;
- 2A ein Tellerrad;
- 2B eine vergrößerte Darstellung des Tellerrads;
- 3 einen Messerkopf zur Kegelradherstellung;
- 4 ein als Entgratwerkzeug ausgebildetes Schleifwerkzeug, in einem Querschnitt in schematischer, stark vereinfachter Darstellung;
- 5 einen Entgratmesserkopf;
- 6 einen Doppelentgrater;
- 7 eine spanabhebende Bearbeitung;
- 8 ein Entgraten der Kopfkanten;
- 9 ein Entgraten von Stirnkanten.
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1 zeigt eine Werkzeugmaschine 2 zum Bearbeiten von Kegelradverzahnungen.
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Die Werkzeugmaschine 2 weist eine Werkstückspindel 4 auf, wobei ein zu bearbeitendes Kegelrad 6 an der Werkstückspindel 4 gehalten ist.
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Die Werkzeugmaschine 2 weist eine erste Werkzeugspindel 8 auf, an der ein Kegelradwerkzeug 10 gehalten ist.
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Die Werkzeugmaschine 2 weist eine zweite Werkzeugspindel 12 auf, an der ein erstes Entgratwerkzeug 14 gehalten ist.
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Die Werkzeugmaschine 2 weist eine Entgratspindel 16 auf, an der ein zweites Entgratwerkzeug 18 gehalten ist.
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Die Werkzeugmaschine weist Maschinenachsen X1, X2, Y, Z, A1, A2, B, C, Q1 und Q2 auf, um die Bearbeitung des Kegelrads 6 mittels der Werkzeuge 10, 14, 18 zu steuern.
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Die Achsen X1, X2, Y, Z und Q1 sind Linearachsen, um lineare Bewegungen auszuführen. Die Achsen X1, Y und Z sind nach Art eines kartesischen Koordinatensystems orthogonal zueinander angeordnet. Die Achsen X2, Y und Z sind nach Art eines kartesischen Koordinatensystems orthogonal zueinander angeordnet. Die Achsen Q1, Y und Z sind nach Art eines kartesischen Koordinatensystems orthogonal zueinander angeordnet.
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Das Kegelradwerkzeug 10 ist mittels der Achsen X1, Y und Z in drei Raumrichtungen translatorisch verschiebbar. Die Achsen X1, Y und Z sind Linearachsen. Das Kegelradwerkzeug 10 ist rotatorisch um die Achse X1 drehantreibbar. Die Achse A1 entspricht einem Drehantrieb des Kegelradwerkzeugs 10 um die Achse X1.
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Das erste Entgratwerkzeug 14 ist mittels der Achsen X2, Y und Z in drei Raumrichtungen translatorisch verschiebbar. Die Achsen X2, Y und Z sind Linearachsen. Das erste Entgratwerkzeug 14 ist rotatorisch um die Achse X2 drehantreibbar. Die Achse A2 entspricht einem Drehantrieb des ersten Entgratwerkzeugs 14 um die Achse X2.
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Das zweite Entgratwerkzeug 18 ist mittels der Achsen Q1, Y und Z in drei Raumrichtungen translatorisch verschiebbar. Die Achsen Q1, Y und Z sind Linearachsen. Das zweite Entgratwerkzeug 18 ist drehantreibbar. Die Achse Q2 entspricht einem Drehantrieb des zweiten Entgratwerkzeugs 18.
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Die C-Achse ermöglicht eine Schwenkbewegung des Kegelrads 6 um die Z-Achse. Die B-Achse entspricht einem Drehantrieb des Kegelrads 6 um seine eigene Achse.
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Die Maschinenachsen X1, X2, Y, Z, A1, A2, B, C, Q1 und Q2 bezeichnen daher sowohl Antriebe der Werkzeugmaschine 2, um Relativbewegungen zwischen den Werkzeugen 10, 14, 18 und dem zu bearbeitenden Kegelrad 6 zu erzeugen, als auch die Richtungen bzw. Orientierungen dieser rotatorischen und translatorischen Relativbewegungen.
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2A zeigt das zu bearbeitende Kegelrad 6 in einer perspektivischen Ansicht. Nachfolgend werden einige bereits aus der Literatur bekannte Bezeichnungen für bestimmte Bereiche der Zähne 20 des Kegelrads 6 exemplarisch anhand eines Zahns 20 des Kegelrads 6 beschrieben, wobei diese Bezeichnungen für alle Zähne 20 des Kegelrads 6 gelten (2B).
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Der Zahn 20 des Kegelrads 6 hat eine konkave Kopfkante 22, die an eine konkave Flanke 24 des Zahns 20 angrenzt, und eine konvexe Kopfkante 26, die an eine konvexe Flanke 28 des Zahns 20 angrenzt. Die Kopfkanten 22, 26 sind durch gestrichelte Linien hervorgehoben. Weiter hat der Zahn 20 eine fersenseitige Stirnkante 30 und eine zehenseitige Stirnkante 32. Die Stirnkanten 30, 32 des Zahns 20 sind durch verstärkte, durchgezogene Linien hervorgehoben.
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Das Kegelradwerkzeug 10 kann ein 3 dargestellter Messerkopf 10 sein. Gemäß alternativer Ausführungsbeispiele kann das Kegelradwerkzeug 10 eine Topfschleifscheibe sein.
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Das erste Entgratwerkzeug 14 kann eine in 4 vereinfacht im Schnitt dargestellte Topfschleifscheibe 14 sein.
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Das zweite Entgratwerkzeug 18 kann ein in 5 dargestellter Entgratmesserkopf 18 sein, der als Stabmesserkopf ausgeführt ist. Gemäß alternativer Ausführungsbeispiele kann das zweite Entgratwerkzeug 18 ein in 6 dargestellter Doppelentgrater sein, der zwei Entgratmesserköpfe unterschiedlichen Durchmessers aufweist.
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In einem ersten Verfahrensschritt des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt zunächst ein Bereitstellen und Spannen des Kegelrads 6 an der Werkstückspindel 4 der Werkzeugmaschine 2.
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In einem zweiten Verfahrensschritt erfolgt eine spanabhebende Bearbeitung des Kegelrads 6, wobei Zähne 20 des Kegelrads 6 Kopfkanten 22, 26, fersenseitige Stirnkanten 30 und zehenseitige Stirnkanten 32 aufweisen. Die spanabhebende Bearbeitung erfolgt mittels des Kegelradwerkzeugs 10 (7). Die spanabhebende Bearbeitung kann gemäß alternativer Ausgestaltungen des Verfahrens ein Schleifen im Completing-Verfahren sein, wobei einander zugewandte konkave und konvexe Flanken im Zweiflankenschnitt einzelteilend gleichzeitig hergestellt werden, beispielsweise mit einem Schleifwerkzeug, das dem Schleifwerkzeug 14 gemäß 4 vergleichbar ist.
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Das Kegelrad 6 kann vor der spanabhebenden Bearbeitung und vor dem Bereitstellen und Spannen gehärtet worden sein.
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In einem dritten Verfahrensschritt erfolgt ein Entgraten des Kegelrads 6 mittels des ersten Entgratwerkzeugs 14 (8), wobei die Kopfkanten 22, 26 mit separaten Maschineneinstellungen mittels des Entgratwerkzeugs 14 entgratet werden. Das Entgraten der Kopfkanten 22, 26 erfolgt einzelteilend.
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In einem vierten Verfahrensschritt erfolgt ein Entgraten des Kegelrads 6 mittels des zweiten Entgratwerkzeugs 18 wobei die fersenseitigen Stirnkanten 30 und zehenseitigen Stirnkanten 32 entgratet werden. Das Entgraten der fersenseitigen Stirnkanten 30 und zehenseitigen Stirnkanten 32 erfolgt in zwei separaten Zustellungen. Das Entgraten der fersenseitigen Stirnkanten 30 kann einzelteilend oder kontinuierlich teilend erfolgen. Das Entgraten der zehenseitigen Stirnkanten 32 kann einzelteilend oder kontinuierlich teilend erfolgen.
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Alle vorgenannten Entgratvorgänge der Kopfkanten 22, 26, sowie der fersenseitigen Stirnkanten 30 und zehenseitigen Stirnkanten 32 des Kegelrads 6 erfolgen in derselben Aufspannung auf der Werkstückspindel 4, in der die spanabhebende Bearbeitung an dem Kegelrad 6 durchgeführt worden ist. D.h. zwischen der spanabhebenden Bearbeitung und dem Entgraten erfolgt kein Umspannen oder Lösen des Kegelrads 6 von der Werkstückspindel 4, sondern das Kegelrad 6 verbleibt dauerhaft im gespannten Zustand an der Werkstückspindel 4, bis sowohl die spanabhebende Bearbeitung als auch das Entgraten abgeschlossen sind.
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Die Reihenfolge des Entgratens kann abweichend von der vorgenannten Reigenfolge frei gewählt werden. D.h. die Kopfkanten 22, 26, die fersenseitigen Stirnkanten 30 und zehenseitigen Stirnkanten 32 können in beliebiger Reihenfolge entgratet werden.
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Das erste Entgratwerkzeug 14 weist einen im Vergleich zum Kegelradwerkzeug 10 vergrößerten Flankenwinkel auf. Der Durchmesser des ersten Entgratwerkzeugs 14 entspricht dem Durchmesser des Kegelradwerkzeug 10.
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BEZUGSZEICHEN
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- 2
- Werkzeugmaschine
- 4
- Werkstückspindel
- 6
- Kegelrad
- 8
- erste Werkzeugspindel
- 10
- Kegelradwerkzeug
- 12
- zweite Werkzeugspindel
- 14
- erstes Entgratwerkzeug
- 16
- Entgratspindel
- 18
- zweites Entgratwerkzeug
- 20
- Zahn des Kegelrads 6
- 22
- konkave Kopfkante
- 24
- konkave Zahnflanke
- 26
- konvexe Kopfkante
- 28
- konvexe Zahnflanke
- 30
- fersenseitige Stirnkante
- 32
- zehenseitige Stirnkante
