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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zum Profilieren von verzahnten
Werkstükken,
insbesondere zum Erzeugen von Hinterlegungen oder dergleichen an
Zahnflanken innen- oder außenverzahnter
Werkräder,
durch spanende Bearbeitung des drehangetriebenen Werkstückes mittels
eines drehangetriebenen Schneidkantenwerkzeuges, dessen Schneidkante
mit der Verzahnung des Werkstückes
kämmt, wobei
die Schneidkante des um eine zur Werkstückachse parallelen Werkzeugachse
in einem im wesentlichen festen Drehzahlverhältnis zum Werkstück drehenden
Schneidkantenwerkzeuges zufolge einer der Drehbewegung überlagerten
Kombination von Variation des Achsabstandes und Variation der Phasenlage
oder der Neigung der Achslage auf einer der Profilform entsprechenden
Kurve verlagert wird, wobei die Schnittrichtung zum Zahngrund hin
erfolgt.
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Ein
derartiges Verfahren beschreibt die WO 02/45895 A1. Dort wird mittels
eines verzahnten Werkzeuges ein verzahntes Werkstück bearbeitet.
In die Zahnflanken der Zähne
des Werkstückes
werden Hinterlegungen eingefräst.
Dabei werden zunächst die
Hinterlegungen der einen, beispielsweise linken Zahnflanken aller
Zähne eingearbeitet.
Nach Umkehr der Drehrichtung von sowohl Werkstück als auch Werkzeug werden
die jeweils anderen Zahnflanken, beispielsweise die rechten Zahnflanken
von einer anderen Schneidkante bearbeitet.
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Das
gattungsgemäße Verfahren
ist ferner aus der
EP 0 625 399 bekannt.
Dort sollen die Hinterlegungen von einem Schlagmesser in die Zahnflanken
eingearbeitet werden. Wie auch bei der WO 02/45895 läuft die
Schneidkante auf einer offenen Hypozykloidenbahn.
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Die
EP 0 550 877 B1 beschreibt
ebenfalls ein Verfahren zum Erzeugen von Hinterlegungen, bei dem
die Schneidkante relativ zum Werkstück auf einer offenen Zykloidenbahn
verläuft.
Die Bearbeitung erfolgt hier stoßend, wobei die Zykloide derart
gewählt
ist, dass der jeweils in die zu bearbeitende Verzahnung eintauchende
Zykloidenast sich wenigstens angenähert mit dem Eingriffswinkel
der zu bearbeitenden Verzahnung deckt. Die Flugbahn der Schneidkante
soll bei diesem Vorschlag der Profilform der Hinterlegung angenähert werden.
Die Schnittzustellung soll durch relatives Verdrehen von Werkzeug
und Werkstück
vorgenommen werden. Durch den dann vom Zahnkopf zum Zahnfuß durchgehenden
Schnitt entstehen lange Späne.
Um den nötigen
Austauchraum für
die Schneidkante aus dem abzutragenden Material bereitzustellen,
müssen
die Zahnlücken
hinterschnittene Protuberanzen aufweisen. Wegen der bei diesem Verfahren
nicht zu vermeidenden Gratbildung und der langen Späne ist eine
Trockenbearbeitung nicht möglich.
Die für
dieses Verfahren erforderliche Vorgabe des Zykloidenverlaufs hat
den Nachteil, dass die Schneidwerkzeuge eine sehr filigrane Gestalt
besitzt und somit nur eine geringe Zeit standhalten.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein gattungsgemäßes Verfahren
derart weiterzubilden, dass bei gleichbleibender oder sogar höherer Schneidleistung
die Standzeit des Schneidwerkzeuges erhöht wird.
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Gelöst wird
die Aufgabe durch die in den Ansprüchen angegebene Erfindung.
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Der
Anspruch 1 sieht zunächst
und im wesentlichen vor, dass die durch den Achsabstand, den Flugkreis
der Schneidkante und das Übersetzungsverhältnis definierte
zykloidische Bewegungsbahn der Schneidkante gegenüber dem
Werkstück
so gewählt
ist, dass der zulaufende Ast einer Zykloidenschleife den rücklaufenden
Ast derselben Zykloidenschleife schneidet. Anders als beim Stand
der Technik erfolgt die Bearbeitung mit einer geschlossenen bzw.
verschlungenen Zykloide. Die Bewegungsbahn der Schneidkante im Bereich
ihres Schnittes kann in erheblichem Maße von der Profilform der Hinterlegung
abweichen. Der Vorschub wird so gesteuert, dass das herzustellende
Profil mit mehreren Hüllschnitten
nachgefahren wird. Diese Hüllschnitten verlaufen
auf einer Hüllkurve.
Bei diesem Verfahren ergeben sich bei einer entsprechenden Abweichung der
Schnittlinie von der Profilform kurze Späne, die in Verbindung mit der
hohen Schnittgeschwindigkeit und der günstigen Zerspangeometrie an
der Schneide eine Trockenbearbeitung erst ermöglichen. Es ist ferner von
Vorteil, wenn der Vorschub der Schnittrichtung entgegengerichtet
ist. Die Schneidkante läuft dann
aus einer bereits geschnittenen Schnittfläche aus. Zufolge dieser Parameterwahl
ist es in einfacher Weise möglich,
sicherzustellen, dass der Umkehrpunkt der Zykloidenbahn erst nach
Austritt aus dem zu zerspanenden Material erreicht wird. So erlaubt diese
Verfahrensweise ferner, dass der Spanwinkel während des gesamten Verlaufes
des Schnittes positiv ist. Es ist allerdings auch zulässig, wenn
der im Verlaufe des Schnittes abnehmende Spanwinkel nur unmittelbar
vor der Beendigung des Schnittes einen kleinen negativen Wert annimmt.
Dies ist dann unschädlich,
wenn die Schneidkante nahezu tangential aus der bereits geschnittenen
Fläche
austaucht. Das Werkzeug zur Bearbeitung der Zahnflanken weist bevorzugt
zwei Wendeplatten auf. Jede der beiden Wendeplatten besitzt eine
Schneidkante, die entweder in der einen Drehrichtung des Werkzeuges
oder in der anderen Drehrichtung des Werkzeuges schneidet. Mit der
einen Schneidkante werden die linken Zahnflanken und mit der anderen
Schneidkante die rechten Zahnflanken (DIN 3960) geschnitten. Eine gedachte,
durch die beiden Schneidkanten gehende Verbindungslinie verläuft derart
versetzt zur Werkzeugachse, dass bei einer Zahnflankenbearbeitung mit
der einen Wendeschneidplatte die Schneidkante der jeweils anderen
frei durch die Zahnlücke
taucht. Im Detail ist das achssymmetrische Werkzeug so gestaltet,
dass, bezogen auf eine quer zur Symmetrieachse verlaufende Diametrale,
die Schneidkanten winkelversetzt dazu liegen. Auch bei dem erfindungsgemäßen Verfahren
ist vorgesehen, dass in einer ersten Drehrichtung erst die eine
Zahnflanke aller Zähne
und nach Umkehr der Dreh richtung mit der anderen Spankante die andere
Zahnflanke aller Zähne bearbeitet
wird. Das Übersetzungsverhältnis ist
dabei so gewählt,
dass sich die Bearbeitung der Zahnflanke eines Zahnes erst dann
wiederholt, wenn die (jeweils linken oder jeweils rechten) Zahnflanken
aller anderen Zähne
bearbeitet worden sind. In einer Alternative ist vorgesehen, dass
das Werkzeug zur Bearbeitung einer Zahnflanke mehrere Schneidkanten
besitzt. Das Werkzeug kann grundsätzlich so ausgestaltet sein,
wie es die WO 02/45895 beschreibt.
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Von
eigenständiger
Bedeutung ist die Variante, dass bei innenverzahnten Werkrädern zumindest ein
Schnitt auf der Profilform entsprechenden Kurve erfolgt. Es handelt
sich dabei bevorzugt um einen letzten Schlichtschnitt. Dies wird
durch eine Variation der Zykloidenform beispielsweise durch Variation
des Achsabstandes und/oder durch Variation der Phasenlage erreicht.
Die Variation erfolgt dabei innerhalb von Millisekunden, nämlich im
Verlauf eines jeden Schnittes. Die Schneide verläuft dabei im zulaufenden Ast
auf der zu erzeugenden Profilform, bei der es sich um eine Evolvente
handeln kann. Diese aktive echtzeitmäßige Manipulation findet unter
den vorgenannten Rahmenbedingungen einer geschlossenen Zykloide
statt. Die entsprechende Regelung kann elektronisch oder mechanisch
erfolgen. Mit Hilfe dieser schnellen, hochdynamischen Regelung ist
es auch möglich,
die Phasenlage bzw. den Achsabstand so zu variieren, dass die nicht
bearbeitende Schneide weiterhin frei durch die Zahnlücken hindurchtauchen kann.
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Die
Erfindung betrifft darüber
hinaus auch ein Schneidwerkzeug zur Durchführung des Verfahrens. Das Schneidwerkzeug
besitzt zwei auswechselbar in Aufnahmetaschen eines Tragkopfes einliegende,
je eine radial vorstehende Schneidkante aufweisende Wendeschneidplatten.
Je nach Drehrichtung bearbeitet entweder die eine oder die andere Schneidkante
die ihr zugeordnete Zahnflanke. Wesentlich ist, dass eine gedachte,
durch die beiden Schneidkanten gehende Verbindungslinie derart versetzt
zur Werkzeugachse verläuft,
dass bei einer Zahnflankenbearbeitung mit der einen Wendeschneidplatte
die Schneidkante der jeweils anderen frei durch die Zahnlücke taucht.
Die Stirnseite des Werkzeuges besitzt eine achssymmetrische Gestalt. Die
Symmetrieachse verläuft
durch den Mittelpunkt, also die Drehachse. Quer zur Symmetrieachse
verlaufenden, ebenfalls den Mittelpunkt schneidenden Geraden (Diametralen)
liegen die Schneidkanten jeweils in entgegengesetzter Richtung um
einen Winkel η winkelversetzt.
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Die
Wendeschneidplatten können
im Grundriss einem gleichseitigen Dreieck entsprechen. Es sind aber
auch andere Formen, beispielsweise quadratische oder rechteckige
Wendeschneidplatten möglich.
Wesentlich für
die Erhöhung
der Standzeit ist, dass die Materialstärke der Wendeschneidplatten dem
Schneidkantenbereich, ausgehend von der Schneidkante in Radialrichtung
stetig zunimmt. Die Taschen können
eine achssymmetrische Gestalt zu einer Symmetrieachse aufweisen.
Die Taschen haben vorzugsweise zwei Taschenwände. An jede der Taschenwand
liegt eine Seite der Wendeschneidplatte an. In einer bevorzugten
Ausgestaltung besitzt das Schneidwerkzeug jeweils zwei axial hintereinander angeordnete
Wendeschneidplatten. Die Schneidkanten der beiden axial hintereinander
angeordneten Wendeschneidplatten können miteinanderfluchten. Mit
einem derartigen Werkzeug können
zwei in Achsrichtung versetzt liegende Hinterlegungen gleichzeitig
in eine Zahnflanke eingearbeitet werden.
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Die
Erfindung betrifft darüber
hinaus eine Werkzeugmaschine zum Durchführen des Verfahrens.
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung werden nachfolgend anhand beigefügter Zeichnungen erläutert. Es
zeigen:
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1 die Draufsicht auf den
Tragkopf eines Werkzeuges mit jeweils in einer Tasche einliegenden zwei
Wendeschneidplatten,
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2 das Werkzeug gemäß 1 in einer Seitenansicht,
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3 das in den 1 und 2 dargestellte Werkzeug beim Bearbeiten
einer linken Zahnflanke eines innenverzahnten Werkstückes,
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3a eine vergrößerte Darstellung
eines Ausschnittes gemäß 3,
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4 eine Darstellung gemäß 3 bei der Bearbeitung einer
rechten Zahnflanke des innenverzahnten Werkstückes,
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4a eine Ausschnittsvergrößerung eines Bereichs
der 4,
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5 ein Schnitt gemäß der Linie
V in 4,
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6 eine vergrößerte Darstellung
der Schneidkante 2 beim Eintritt und beim Austritt aus der zu bearbeitenden
Zahnflanke,
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7 die Flugkreisbahn der
geschlossenen Zykloide im Bereich einer Schleife,
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8 die Flugkreisbahn 21 der
geschlossenen Zykloide bei einem innenverzahnten Werkstück,
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9 eine Darstellung gemäß 8 bei einem außenverzahnten
Werkstück,
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10 eine schematische Darstellung
eines Verfahrens, bei dem der Vorschub von der Zahnspitze zum Zahngrund
erfolgt,
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11 eine Darstellung gemäß 10, wobei der Vorschub vom
Zahngrund zur Zahnspitze erfolgt,
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12 eine Darstellung gemäß 5 eines alternativen Verfahrens
Das Werkzeug besteht aus einem Tragkopf 1, welcher auf
seiner Stirnseite zwei Taschen 6, 7 aufweist.
Die Tasche 6 besitzt zwei Taschenwände 8, 9.
Die Tasche 7 ist betreffend einer durch den Mittelpunkt
M gehenden Symmetrieachse 13 spiegelsymmetrisch zur Tasche 6 angeordnet
und besitzt ebenfalls Taschenwände 10, 11.
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In
der Tasche 6 liegt eine im wesentlichen dreieckige Wendeschneidplatte 2 ein,
die mittels einer Befestigungshaube 12 am Tragkopf 1 befestigt ist.
Eine Schneidkante 3 ragt über die äußere Peripherie des Tragkopfes 1 hinaus.
Mit der Schneidkante 3 können linke Zahnflanken im Sinne
der DIN 3960 bearbeitet werden. Mit der in der Tasche 7 einliegenden,
ebenfalls dreieckigen, jedoch spiegelverkehrt dazu angeordneten
Wendeschneidplatte 4 können rechte
Zahnflanken bearbeitet werden. Hierzu ragt eine Schneidkante 5 über die äußere Peripherie
des Tragkopfes 1. Der Flugkreis F der beiden Schneidkanten 3, 5 ist
derselbe.
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Wie
aus der 1 zu entnehmen
ist, sind die beiden Schneidkanten 3, 5 jeweils
um einen Winkel η winkelversetzt
zu einer durch den Mittelpunkt M gehenden, die Symmetrieachse 13 rechtwinklig
schneidenden Diametralen 14. Dies bedeutet, dass eine gedachte,
durch die beiden Schneidkanten 3, 5 gezogene Verbindungslinie
um einen Abstand vom Mittelpunkt M bzw. von der Diametralen 14 beabstandet ist.
Die gedachte Verbindungslinie V verläuft parallel zur Diametralen 14.
Die Drehrichtung des Werkzeuges zur Bearbeitung der jeweils linken
oder jeweils rechten Zahnflanken ist mit Pfeilen angegeben.
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Die
Achse AS des Werkstückes 15 liegt
von der Achse AZ des Werkzeuges um einen Abstand A versetzt. Die
Verbindungslinie zwischen den beiden Achsen AS und AZ ist um einen
Winkel φ zur
Y-Achse geneigt.
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Aus
der 3 geht hervor, dass
die Achse AS des in Pfeilrichtung drehangetriebenen Werkstücks 15 versetzt
liegt zur Achse AZ des gleichsinnig drehangetriebenen Werkzeuges,
dessen Schneidkante 3 die linke Zahnflanken 17 jedes
Zahnes 16 schneidet.
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Das Übersetzungsverhältnis von
Werkstück und
Werkzeug ist so gewählt,
dass die Schneidkante 3 eine linke Zahnflanke 17 eines
bestimmten Zahnes 16 erst dann wieder schneidet, wenn zuvor
die linken Zahnflanken 17 aller übrigen Zähne 16 bearbeitet wurden.
Der Vorschub erfolgt durch Variation des Achsabstandes A und gleichzeitiger
Variation der Phasenlage von Drehung des Werkstückes 15 und des Trägerkopfes 1.
Alternativ dazu ist es auch möglich,
den Achsabstand A der Achsen AZ und AS und gleichzeitig die Neigungslage φ der die
beiden Achsen miteinander verbindenden gedachten Linie A zu variieren.
Dies entspricht einer Verlagerung der Werkzeugachse AZ in der Drehebene
X/Y-Ebene der beiden parallel zu einander verlaufenden Achsen AZ und
AS. Auf diese Weise erfolgen die Schnitte mit der Schneidkante 3 entlang
einer Hüllkurve,
die in der 6 mit der
Bezugsziffer 19 bezeichnet ist, und die der Profilform
der Hinterlegung entspricht.
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Die 3 und 3a stellen die Bearbeitung einer linken
Zahnflanke dar. Durch Umkehrung der Drehrichtung sowohl des Werkzeuges 1 als
auch des Werkstückes 15 und Änderung
der Phasenlage der beiden Drehbewegungen bzw. des Neigungswinkels φ oder des
Seitenversatzes Δx
können
die rechten Zahnflanken 18 aller Zähne 16 wie in den 4 und 4a dargestellt bearbeitet werden.
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Die 5 zeigt den achsparallelen
Eingriff des Werkzeuges zur Werkstückachse.
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In
der 6 ist mit der Bezugsziffer
I der Eintauchpunkt einer Schneidkante 3 in eine linke
Zahnflanke 17 dargestellt, um einen Schnitt zu vollziehen, mit
dem ein Teilbereich des abzutragenden Materials 20 entfernt
werden soll. Mit der Bezugsziffer 22 ist eine durch den
Punkt 1 gehende Tangentiale zur Flugbahn 21 bezeichnet.
Mit α ist
der Freiwinkel und mit γ der
Spanwinkel bezeichnet. β bezeichnet
den Keilwinkel. Im Ausführungsbeispiel
beträgt
der Keilwinkel β etwa
70°. Im
Eintauchpunkt I ist der Spanwinkel γ positiv. Während des Schnitts, bei der
Verlagerung entlang der Flugbahn 21 von Punkt I zu Punkt II
verändern
sich Freiwinkel α und
Spanwinkel γ.
Der Spanwinkel γ wird
kleiner und erreicht im Austrittspunkt II, durch welche die Tangente 22' verläuft, einen
Wert 0. Der Umkehrpunkt 23 des Zykloidenastes 21 liegt
dabei außerhalb
des Schnittweges. Wegen der konkaven Form des Zykloidenastes 21 braucht das
Werkstück
keine hinterschnittenen Protuberanzen zu besitzen. Geradeverlaufende
Protuberanzen 28 sind völlig
ausreichend.
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Die
Bearbeitung der rechten Zahnflanke 18 (siehe 4 und 4a) erfolgt in spiegelsymmetrischer Weise
mit in umgekehrter Drehrichtung angetriebenem Werkzeug und Werkstück.
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Voraussetzung
für das
stark gekrümmte Austauchen
der Schneidkante 3 auf dem letzten Abschnitt der Flugbahn 21 vor
dem Umkehrpunkt 23 und der stark konvex gekrümmte Verlauf
der Flugbahn 21 ist die Wahl der Zykloidenparameter derart, dass
die Zykloide geschlossen ist. Die Zykloide ist derart geschlossen
bzw. verschlungen, dass der in 7 mit 21' dargestellte
zulaufende Zykloidenast am Schnittpunkt 21''' den rücklaufenden
Zykloidenast 21'' schneidet.
Der Schnittpunkt 21''' liegt dabei bei innenverzahnten
Werkstücken vorzugsweise zwischen
dem Zentrum des Werkstückes
und dem zu bearbeitenden Zahn 16.
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Aus
den in der 7 dargestellten
Lagen der Schneidkante 3 während der verschiedenen Bewegungsphasen
beim Durchlaufen der Zykloidenschleife ist zu erkennen, dass der
Freiwinkel α zum
Zykloidenast 21' zunächst abnimmt,
bis die Schneidkante 3 in die ihr zugeordnete Zahnflanke 17 eintaucht.
Dann vergrößert sich
der Freiwinkel wieder geringfügig.
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Das
Verfahren kann – wie
in der 9 dargestellt – auch an
außenverzahnten
Werkstücken 15 angewandt
werden. Dann ist die Drehrichtung von Werkstück 15 und Werkzeug 1 entgegengerichtet.
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Bei
allen Ausführungsbeispielen
verläuft
die Schnittrichtung vom Zahnkopf zum Zahngrund. Bei dem in 10 dargestellten Ausführungsbeispiel
erfolgt der Vorschub V im wesentlichen in Schnittrichtung. Zunächst erfolgt
eine Zustellung bis zu dem mit 0 dargestellten Punkt. Der Vorschub
erfolgt dann schrittweise oder kontinuierlich über die Punkte 1, 2, 3 bis
zum Punkt 5 derartig, dass die Hüllkurve der Zykloidenäste 21 im
wesentlichen der Profilform entspricht. Nach Erreichen des Punktes 5 taucht
der Zykloidenast 21 in Drehrichtung zum Punkt 6 hin
aus. Dabei ist die Strecke zwischen den Punkten 5 und 6 so
bemessen, dass die frei durch die Zahnlücke schwenkende Schneidkante 5 der
anderen Wendeplatte 4 in keine Kollision zu einer der Zahnflanken 17, 18 tritt.
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Bei
dem in 11 dargestellten
Ausführungsbeispiel,
welches bevorzugt ist, erfolgt der Vorschub V entgegen der Schnittrichtung,
die vom Zahnkopf zum Zahngrund hin erfolgt. Auch hier erfolgt eine
Zustellung bis zum Punkt 0. Durch eine im wesentlichen reine Veränderung
des Achsabstandes wird dann der Zykloidenast 21 in die
Position 1 gebracht. Durch eine Änderung der Pha senlage bzw. der
Neigung erfolgt dann eine Verschwenkung des Zykloidenastes 21 hin
zum Punkt 2. Während
dieser Verschwenkung hebt die entlang des Zykloidenastes 21 verlaufende
Schneidkante 3 Späne
aus der Zahnflanke 17 ab, die derart kurz sind, dass eine
Trockenbearbeitung möglich
ist. Wenn der Punkt 2 erreicht ist, wird der Zykloidenast 21 über die
Punkte 3, 4, 5 hin zum Punkt 6 derart
verlagert, dass die Hüllkurve dem
zu zerspanenden Profil entspricht.
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Der
erste Schnitt entlang der Zykloide ist im Verhältnis lang. Eine Trockenbearbeitung
ist aber dennoch möglich,
da die Schnittgeschwindigkeit größer als
50 m/min. ist, eine Hartmetallwendeplatte verwendet wird und die
Zerspangeometrie an der Schneide günstig ist.
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Bei
dem in 12 dargestellten
Ausführungsbeispiel
ist mit der Bezugsziffer 25 eine originale Zykloidenschleife
dargestellt, die dadurch entsteht, dass Werkrad und Werkstück mit gleichbleibender Drehzahl
drehen. Auch hier schneiden sich zulaufender Zykloidenast 25' und rücklaufender
Zykloidenast in einem Punkt 25'''.
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Bei
dem hier dargestellten Verfahren wird aber der Achsabstand bzw.
die Phasenlage von Werkstück
und Werkzeug derart hochdynamisch und schnell geregelt, dass die
Schneidkante auf einer asymmetrischen Zykloidenschleife 26 verläuft. Relevant
ist dabei der Abschnitt des zulaufenden Zykloidenastes 26' im Bereich
der mit der Bezugsziffer 27 bezeichneten Strecke, die der
Länge des
zu bearbeitenden Profils der Zahnflanke 17 entspricht.
Hier verläuft
der Zykloidenast 26' entlang
der Profilkurve 19.
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Der
ablaufende Zykloidenast 26'' entspricht dabei
dem der Originalzykloidenschleife. Jeder zulaufende Zykloidenast 26' ist modifiziert.
Dies hat zur Folge, dass der Schnittpunkt 26''' des modifizierten zulaufenden
Zykloidenastes 26' versetzt
liegt zum Schnittpunkt 25''' des zulaufenden Astes 25' der Originalzykloidenschleife
mit dem jeweils ablaufenden Zykloidenast 26''.
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Mit
dem in der 12 dargestellten
Verfahren kann insbesondere bei innenverzahnten Werkstücken ein
letzter Schlichtschnitt über
die bearbeitete Hinterlegung gezogen werden, um geringfügige Ungenauigkeiten
zu beseitigen.
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Alle
offenbarten Merkmale sind (für
sich) erfindungswesentlich. In die Offenbarung der Anmeldung wird
hiermit auch der Offenbarungsinhalt der zugehörigen/beigefügten Prioritätsunterlagen
(Abschrift der Voranmeldung) vollinhaltlich mit einbezogen, auch
zu dem Zweck, Merkmale dieser Unterlagen in Ansprüche vorliegender
Anmeldung mit aufzunehmen.