DE10242109A1

DE10242109A1 - Bearbeitungswerkzeug für Zahnräder und Verfahren zur Herstellung derselben

Info

Publication number: DE10242109A1
Application number: DE10242109A
Authority: DE
Inventors: Joseph Bradfield; Robert Sullivan
Original assignee: Dana Inc
Current assignee: Dana Automotive Systems Group LLC
Priority date: 2001-09-12
Filing date: 2002-09-11
Publication date: 2003-06-18
Also published as: JP4160802B2; JP2003094246A; US20030049084A1; US6536999B1

Abstract

Es wird ein Schneidmesser zum Einsatz in einer Zahnabwälzfräsanlage zur Herstellung der Zähne von Spiralkegelzahnrädern und Hypoidzahnrädern mittels eines kontinuierlichen Indexplanabwälzverfahrens bereitgestellt, wobei das Schneidmesser einen Schneidmesserschaft aufweist, welcher ein Schneidteil hat, welches an einem Ende vorgesehen ist. Das Schneidteil umfaßt eine Zahnseitenschneidkante mit einem gegebenen Axialdruckwinkel und eine Zahnkopfflächen-Schneidkante. Die Zahnkopfflächen-Schneidkante des Schneidteils bildet eine Kopffläche des Zahns des Zahnradteils aus, wenn der Zahn durch die Zahnseitenschneidkante des Schneidteils spanabhebend bearbeitet wird.

Description

Die Erfindung befaßt sich mit Bearbeitungswerkzeugen und insbesondere Schneidmessern für die Herstellung von Zahnrädern sowie hauptsächlich mit Schneidmessern für das Abwälzplanfräsen von Spiralkegelrädern oder Hypoidzahnrädern mit paralleler Tiefe.
Spiralkegelzahnräder und Hypoidzahnräder werden paarweise üblicherweise unter Einsatz entweder des intermittierenden Indexplanfräsverfahrens oder eines kontinuierlichen Indexplanabwälzfräsverfahrens hergestellt. Während die meisten Hersteller von Zahnradsätzen häufig das Planfräsverfahren einsetzen, wurde vor kurzem das Abwälzplanfräsverfahren bei einigen Herstellern versucht einzuführen, und zwar insbesondere bei jenen Herstellern, die Zahnradsätze für das Anwendungsgebiet bei Fahrzeugen herstellen. Bei einer Planabwälzfräsmaschine wird ein Drehschneider bei einer Kreisplanabwälzfräsmaschine eingesetzt, welcher eine Mehrzahl von Schneidmessern trägt, welche in Gruppen angeordnet sind, und ein Werkstück (Zahnradrohling) und die Schneideinrichtung führen kontinuierlich unter zeitlicher Abstimmung eine Drehbewegung aus, bis das gesamte Werkstück bearbeitet ist. Während des spanabhebenden Bearbeitungsvorganges wird das Werkstück in Drehrichtung derart weitergeschaltet, daß die jeweiligen aufeinanderfolgenden Schneidmessergruppen in Eingriff mit aufeinanderfolgenden Planschlitzen kommen, wenn das Zahnrad oder das Antriebsteil spanabhebend bearbeitet wird. Beim Planabwälzfräsverfahren erhält man in vorteilhafter Weise Zähne mit gleichmäßiger Tiefe, und die Teile werden aus einem massiven Ausgangsteil in einem Arbeitsgang erstellt. Das Planabwälzfräsverfahren macht auch weniger Herstellungsschritte und geringere Herstellungszeiten als das Planfräsverfahren erforderlich.
In einem gesonderten Arbeitsgang und meist vor der spanabhebenden Bearbeitung zur Erzeugung des Zahns wird eine Kopffläche des Zahnrads maschinell bearbeitet, während bei der Bearbeitung eines Hohlrads oder eines Rohlings für ein Antriebszahnrad die Bearbeitung vor der spanabhebenden Bearbeitung der Zahnradzähne erfolgt. Wie an sich auf diesem Fachgebiet bekannt, ist dieser zusätzliche Bearbeitungsschritt im allgemeinen im Hinblick auf die Kosten, den Arbeitsaufwand, die Qualitätssicherung und die Flexibilität hinsichtlich der Herstellung nachteilig.
Nach der Erfindung wird ein Zahnradschneidmesser zum Einsatz bei einem Abwälzplanfrässchneider zur Herstellung der Zähne eines Spiralkegelzahnrades und von Hypoidzahnrädern mittels eines kontinuierlichen Indexplanabwälzfräsverfahrens bereitgestellt. Das Zahnradschneidmesser weist einen Schneidmesserschaft auf, welcher derart beschaffen und ausgelegt ist, daß er an einem drehbaren Schneiderkörper angebracht werden kann, und ein Schneidteil ist an einem Ende des Schneidmesserschafts vorgesehen. Das Schneidteil umfaßt eine Zahnseitenschneidkante, welche einen gegebenen axialen Druckwinkel hat, und eine Kopfflächen-Schneidkante, welche an die Zahnseitenschneidkante anschließt. Die Kopfflächen-Schneidkante des Schneidteils bildet gleichzeitig eine Kopffläche des Zahnes des Zahnradteils bei der Schneidbearbeitung einer Zahnseitenfläche durch die Zahnseitenschneidkante des Schneidteils aus.
Die maschinelle Bearbeitung der Kopffläche gleichzeitig mit der spanabhebenden Bearbeitung der Zahnseitenfläche vermindert die Notwendigkeit einer abschließenden Bearbeitung der Kopfflächen bei Hohlrädern oder Antriebsrädern und vermeidet diese sogar vollständig. Die Vermeidung einer anschließenden Herstellungsbearbeitung verbessert die Konsistenz und die Genauigkeit hinsichtlich der gesamten Tiefe des Zahnradzahns und trägt zur Qualitätssicherung bei. Ferner lassen sich hierdurch die Herstellungskosten senken. Zusätzlich ermöglicht das Zahnradschneidmesser nach der Erfindung eine größere Herstellungsflexibilität, da sich die Schneidkantenabmessungen auf einfache Weise modifizieren lassen, und diese Vorgehensweise ermöglicht eine maschinelle Bearbeitung von nahezu geschmiedeten Teilen, ohne daß eine genaue Durchführung der maschinellen Bearbeitung der Kopflächenbereiche bei einer unterbrochenen spanabhebenden Bearbeitung während eines Formgebungsvorganges erforderlich ist.
Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachstehenden Beschreibung unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung. Darin gilt:
Fig. 1 ist eine Draufsicht auf eine Vorderfläche eines Zahnradschneidmessers gemäß einer bevorzugten Ausführungsform nach der Erfindung und auf einen Abschnitt eines Zahnradteils, an welchem die Bearbeitung mittels des Schneidmessers erfolgt;
Fig. 2 ist eine perspektivische Ausschnittsansicht eines Hohlrads;
Fig. 3 ist eine Ansicht des Schneidmessers nach Fig. 1 zur Verdeutlichung der Geometrie einer Schneidkante nach der erfindungsgemäßen Ausgestaltung;
Fig. 4 verdeutlicht die Anordnung aus einem Werkstück (ein Hohlrad) und einer Schneideinrichtung bei einer Planabwälzfräsbearbeitung nach der Erfindung; und
Fig. 5 ist eine Draufsicht auf eine Vorderseite eines Zahnradschneidmessers gemäß einer alternativen bevorzugten Ausführungsform nach der Erfindung, welches derart ausgelegt ist, daß eine gesamte Kopffläche eines Zahnradzahns des Zahnradteils spanabhebend bearbeitet wird.
Unter Bezugnahme auf die Zeichnung wird nachstehend eine bevorzugte Ausführungsform nach der Erfindung näher erläutert.
Unter Bezugnahme auf die Fig. 1 und 3 ist mit 10 ein Zahnradschneidmesser nach der Erfindung bezeichnet, und mit 12 ist ein Abschnitt eines Hohlradteils 12 bezeichnet, welches eine Mehrzahl von Zahnradzähnen 14 hat, welche mittels des Zahnradschneidmessers 10 bei einer Planabwälzfräsbearbeitung bearbeitet werden. Jeder Zahnradzahn 14 umfaßt gegenüberliegende Seitenflächen 16 und eine Kopffläche 18. Mit dem Bezugszeichen A ist eine gesamte Tiefe der Zahnradzähne 14 bezeichnet. Das Zahnradteil 12 ist detailliert in Fig. 2 gesondert dargestellt.
Eine Mehrzahl von Schneidmessern 10 ist in einem gewünschten Radius und einer gewünschten Tiefe an einem drehbaren, kreisförmigen Schneidkopf 2 einer Zahnradschneidanordnung 1 angebracht, welche ein Teil einer Planabwälzfräsanlage bildet, wie dies in Fig. 4 dargestellt ist. Beispiele derartiger Anlagen sind Tri-Ac®, Pent® und Spiron®. Während einer Planabwälzfräsbearbeitung drehen sich das Zahnradteil 12 (Werkstück), welches an einem Werkstückhalter (nicht gezeigt) angebracht ist, und der Schneidkopf 2 kontinuierlich, wobei aufeinanderfolgende Schneidmesser 10 aufeinanderfolgend mit den Zahnschlitzen bei der spanabhebenden Bearbeitung des Zahnradteils 12 zusammenarbeiten. Fig. 4 zeigt auch das Planabwälzfräsverfahren und das relative Zusammenwirken mit dem Zahnradteil 12 (Werkstück). Bei diesem Beispiel handelt es sich um Hohlrad, wenn die Zahnradzähne 14 sukzessiv mittels den Schneidmessern 10spanabhebend bearbeitet werden, welche an dem Schneidkopf 2 angebracht sind. Das Zahnradteil 12 und der Schneidkopf 2 drehen sich jeweils in Richtung der angegebenen Pfeile.
Die Schneidmesser 10 sind im allgemeinen an dem Schneidkopf 2 der Zahnradschneidanordnung in Gruppen angeordnet. Bei den beispielsweise von "The Gleason Works" angebotenen Anlagen sind die Schneidmesser am Schneidkopf in Gruppen umfassend zwei Schneidmesser angeordnet, wobei jedes Schneidmesserpaar eine Bearbeitung an unterschiedlichen Zahnzwischenräumen vornimmt. Bei anderen Anlagen können die Schneidmesser am Schneidkopf in Gruppen von drei Schneidmessern beispielsweise angeordnet sein. Bei diesen Anlagen sind ein inneres, ein äußeres und ein groberes Schneidmesser vorhanden, welche die Seiten- und Bodenbereiche des jeweiligen Zahnzwischenraums spanabhebend bearbeiten. Das grobere Schneidmesser ist im allgemeinen sowohl mit dem inneren als auch mit den äußeren Schneidkanten versehen. Das Schneidmesser 10, welches in der Zeichnung dargestellt ist, ist eines der Seitenschneidmesser, welches entweder zum Einsatz bei einer Gruppe von zwei Schneidmessern oder einer Gruppe von drei Schneidmessern geeignet ist.
Obgleich in den Fig. 1 und 2 ein Hohlradteil 12 dargestellt ist, läßt sich das Zahnradschneidmesser nach der Erfindung auch bei der Planabwälzfräsbearbeitung von Antriebsrädern eines Zahnradsatzes einsetzen.
Die Planabwälzfräsanlagen setzen im allgemeinen Schneidmesser ein, die an der Herstellungsstätte aus gleichmäßigen Rohlingen profilgeschliffen sind, um eine Vielzahl von unterschiedlichen Ausgestaltungsformen zu erhalten. Wie in den Fig. 1 und 3 gezeigt ist, umfaßt das Schneidmesser 10 einen Schaft 20 und ein Schneidteil 22, welches an einem distalen Ende 21 hiervon vorgesehen ist. Eine Vorderfläche des Schneidteils 22 jedes Schneidmessers 10 ist im allgemeinen nur auf einer Seite mit einer Schneidkante 24 versehen. Die Schneidkante 24 weist einen ersten Abschnitt 26 zur spanabhebenden Bearbeitung der Seitenfläche 16 der Zahnradzähne 14, und einen zweiten Abschnitt 28 zur spanabhebenden Bearbeitung der Kopffläche 18 der Zahnradzähne 14 auf. Der erste Abschnitt 26 bildet somit eine Zahnseitenschneidkante und der zweite Abschnitt 28 bildet somit eine Kopfflächenschneidkante.
Der erste Abschnitt 26 der Schneidkante 24 erstreckt sich von einer Spitze 30 des Schneidteils 22 um einen vorbestimmten axialen Druckwinkel B. Der axiale Druckwinkel B des ersten Abschnitts 26 der Schneidkante 24 hängt offensichtlich von dem Winkel ab, welcher für die Seiten der Zahnradzähne gewünscht wird. Der hier angegebene "axiale Druckwinkel" ist als der Winkel zwischen dem ersten Abschnitt 26 und der Schneidkante 24 (oder dem Zahnprofil) und einer Mittelachse 11 der Schneidachse 10 bezeichnet.
Der zweite Abschnitt 28 der Schneidkante 24 ist eine im wesentlichen gerade Linie senkrecht zu der Mittelachse 11 des Schneidmessers 10 und zeichnet sich durch eine Weite W aus, wie dies in Fig. 3 verdeutlicht ist.
Ein Abstand C von der Spitze 30 des Schneidteils 22 zu einer Schnittstelle an dem ersten Abschnitt 26 und dem zweiten Abschnitt 28 der Schneidkante 24 ist eine Höhe des ersten Abschnitts 26 der Schneidkante 24 des Schneidteils 22. Der Abstand C ist im wesentlichen gleich der gesamten Tiefe A der Zahnradzähne 14.
Durch Modifikationen der spezifischen Messerschleifparameter zur Ausbildung des Schneidmessers 10 aus einem Rohling lassen sich die Schneidkanten 24 mit der gewünschten Gestalt einschließlich des zweiten Abschnitts 28 erstellen.
Das Zahnradschneidmesser 10 nach der Erfindung bearbeitet somit die Seitenfläche 16 des Zahnradzahns 14 spanabhebend mit Hilfe des ersten Abschnitts 26 der Schneidkante 24, und zugleich wird ein wesentlicher Teil der Kopffläche 18 des Zahnradzahns 14 mit Hilfe des zweiten Abschnitts 28 der Schneidkante 24 ausgebildet. Alternativ kann der zweite Abschnitt 28 der Schneidkante 24 derart dimensioniert sein, daß eine gesamte Kopffläche 18 des Zahnradzahns 14 spanabhebend bearbeitet werden kann, wie dies in Fig. 6 verdeutlicht ist.
Die Schneidmesser 10 nach der Erfindung sind fest an dem kreisförmigen Schneidkopf 2 auf übliche Weise angebracht, und die Planabwälzfräsanlage arbeitet auf dieselbe Weise wie beim Einsatz von üblichen Schneidmessern. Während einer Planabwälzfräsbearbeitung nach der Erfindung jedoch dreht sich der Schneidkopf 2 kontinuierlich, die aufeinanderfolgenden Schneidmesser 10 bearbeiten die Seitenflächen 16 der Zahnradzähne 14 mit Hilfe des ersten Abschnitts 26 der Schneidkante 24 spanabhebend, und zugleich wird wenigstens ein wesentlicher Teil der Kopffläche 18 des Zahnradzahns 14 mit Hilfe des zweiten Abschnittes 28 der Schneidkante 24 spanabhebend bearbeitet.
Mit dem Zahnradschneidmesser 10 nach der Erfindung wird daher die Kopffläche auf den Zähnen des Zahnrads oder eines Antriebszahnrades gleichzeitig mit der spanabhebenden Bearbeitung der Zahnseite maschinell bearbeitet. Hierdurch läßt sich die Abschlußbearbeitung der Kopfflächen der Hohlräder oder Antriebszahnräder reduzieren oder gänzlich vermeiden. Ferner verbessert die Vermeidung der anschließenden Bearbeitung die Konsistenz und die Genauigkeit hinsichtlich der Gesamttiefe des Zahnradzahns und trägt auch zur Qualitätssicherung sowie zur Reduzierung der Herstellungskosten bei. Zusätzlich ermöglicht das Zahnradschneidmesser nach der Erfindung eine größere Herstellungsflexibilität, da sich die Schneidkantenabmessungen auf einfache Weise modifizieren lassen, und ferner kann man durch die maschinelle Bearbeitung bereits nahezu geschmiedete Teile erhalten, ohne daß man eine Präzisionsbearbeitung des Kopfbereichs mit einer unterbrechenden spanabhebenden Bearbeitung während eines Formgebungsvorgangs vornehmen muß.
Als Beispiel für einen Zahnradschneidmesser nach der Erfindung als spanabhebendes Zahnradbearbeitungswerkzeug sollen folgende Einzelheiten erwähnt werden:
Material: Hochgeschwindigkeitsstahl oder Karbid;
Axialdruckwinkel B: 5° bis 35°;
Abstand C: 3,81 mm bis über 25 400 mm
(0,150" bis über 1000");
Breite W: 0,762 mm bis 5,08 mm
(0,030" bis 0,200")
Obgleich voranstehend bevorzugte Ausführungsformen nach der Erfindung erläutert und beschrieben worden sind, ist die Erfindung natürlich nicht auf die dort beschriebenen und gezeigten Einzelheiten beschränkt, sondern es sind zahlreiche Abänderungen und Modifikationen möglich, die der Fachmann im Bedarfsfall treffen wird, ohne den Erfindungsgedanken zu verlassen.

Claims

1. Zahnradschneidmesser zur Herstellung eines Zahnradteils (12) mit einer Mehrzahl von Zahnradzähnen (14), welche jeweils ein Paar von gegenüberliegenden Seitenflächen und eine Kopffläche (18) haben, und eine gleichmäßige Tiefe der Zähne vorhanden ist, gekennzeichnet durch:
einen Schaft (20); und
einen Schneidteil (22), welches an einem distalen Ende des Schafts (20) ausgebildet ist,
der Schneidteil (22) eine Schneidkante (24) hat, welche einen ersten Abschnitt (26) umfaßt, welcher sich von dem distalen Ende des Schafts (20) unter einem gegebenen Axialdruckwinkel (B) ersteckt und derart bemessen ist, daß wenigstens eine der Seitenflächen des Zahnradzahns (14) des Zahnradteils (12) spanabhebend bearbeitet wird, und einen zweiten Abschnitt (28) umfaßt, welcher im wesentlichen senkrecht zu einer Mittelachse des Schneidmessers (10) und derart dimensioniert ist, daß wenigstens ein wesentlicher Teil der Kopffläche (18) des Zahnradzahns (14) spanabhebend bearbeitet wird.

2. Zahnradschneidmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Abschnitt (28) der Schneidkante (24) im wesentlichen geradlinig verläuft.

3. Zahnradschneidmesser nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein axialer Abstand (C) von einer Spitze (30) des Schneidteils (22) zur Schnittstelle an dem ersten Abschnitt (26) der Schneidkante (24) und dem zweiten Abschnitt (28) der Schneidkante (24) im wesentlichen gleich der gesamten Tiefe (W) der Zahnradzähne (14) ist.

4. Zahnradschneidmesser nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Abschnitt (28) derart ausgelegt ist, daß die gesamte Kopffläche (18) des Zahnradzahns (14) spanabhebend bearbeitet wird.

5. Kombination mit einem Zahnradteil (12), welches eine Mehrzahl von Zahnradzähnen (14) hat, die jeweils ein Paar von gegenüberliegenden Seitenflächen und eine Kopffläche (18) haben, und einem Zahnradschneidmesser (10) einer Planabwälzfräsanlage zur Herstellung des Zahnradteils (12) mit einer gleichmäßigen Zahntiefe (W) mittels eines kontinuierlichen Abwälzfräsverfahrens, wobei das Zahnradschneidmesser (10) folgendes aufweist:
einen Schaft (20);
eine Mittelachse; und
ein Schneidteil (22), welches an einem distalen Ende des Schafts (20) ausgebildet ist;
das Schneidteil (22) eine Spitze (30) und eine Schneidkante (24) hat, welche einen ersten Abschnitt umfaßt, welcher derart dimensioniert ist, daß wenigstens eine der Seitenflächen des Zahnradzahns (14) spanabhebend bearbeitet wird, und einen zweiten Abschnitt (28) umfaßt, welcher an den ersten Abschnitt (26) angrenzt und derart dimensioniert ist, daß wenigstens ein wesentlicher Teil einer Kopffläche (18) des Zahnradzahns (14) spanabhebend bearbeitet wird;
der erste Abschnitt (26) der Schneidkante (24) sich von dem distalen Ende des Schafts (20) unter einem gegebenen Axialdruckwinkel (B) erstreckt;
der zweite Abschnitt (28) der Schneidkante (24) im wesentlichen geradlinig verläuft und im wesentlichen senkrecht zu der Mittelachse des Schneidmessers (10) verläuft;
wobei ein axialer Abstand (C) von der Spitze (30) des Schneidteils (22) zu einer Schnittstelle von dem ersten Abschnitt (26) der Schneidkante (24) und dem zweiten Abschnitt (28) der Schneidkante (24) im wesentlichen gleich der gesamten Tiefe (W) der Zahnradzähne (14) ist.

6. Verfahren zum Herstellen eines Zahnradteils mittels eines kontinuierlichen Indexflächenabwälzfräsverfahrens, wobei das Zahnradteil eine Mehrzahl von Zähnen hat, welche jeweils gegenüberliegende Seitenflächen und eine Kopffläche aufweisen, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist:
Drehen eines kreisförmigen Planabwälzfräs-Schneidkopfs, welcher eine Mehrzahl von Zahnradschneidmessern trägt;
Drehen des Zahnradteils in einer zeitlichen Zuordnung zu dem Schneidkopf; und
Vorsehen einer relativen Zustellbewegung des Schneidkopfs und des Zahnradteils derart, daß aufeinanderfolgende Zahnradschneidmesser mit aufeinanderfolgenden Zahnschlitzen zusammen arbeiten, wenn das Zahnradteil spanabhebend bearbeitet wird, wobei jedes der Zahnradschneidmesser ein Schneidteil umfaßt, welches eine Schneidkante hat, die einen ersten Abschnitt umfaßt, welcher sich von dem distalen Ende des Schafts unter einem gegebenen Axialdruckwinkel erstreckt und derart dimensioniert ist, daß wenigstens eine der Seitenfläche des Zahnradzahns des Zahnradteils spanabhebend bearbeitet wird, und einen zweiten Abschnitt umfaßt, welcher im wesentlichen senkrecht zu einer Mittelachse des Schneidmessers und derart dimensioniert ist, daß wenigstens ein wesentlicher Teil der Kopffläche des Zahnradzahns spanabhebend bearbeitet wird, so daß der zweite Abschnitt gleichzeitig wenigstens einen wesentlichen Teil der Kopffläche des Zahns des Zahnradteils ausbildet, wenn der Zahn dieses ersten Abschnitts der Schneidkante des Schneidteils spanabhebend bearbeitet wird.

7. Verfahren zum Herstellen eines Zahnradteils nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Kopffläche im wesentlichen geradlinig ausgebildet ist.

8. Verfahren zum Herstellen eines Zahnradteils nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Abschnitt zur spanabhebenden Bearbeitung der gesamten Oberfläche des Zahnradzahnes vorgesehen ist.