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Verfahren und Einrichtung zum Wälzfräsen von balli,gen Verzahnungen
an Stirnrädern Ballige Verzahnungen an Stirnrädern lassen sich auf Wälzfräsmaschinen
herstellen, indem das Werkstück im Laufe des Fräsvorganges mit Axialvorschub zusätzlich
mit Hilfe des Werkstückschlittens in Richtung von und zum Wälzfräser hin bewegt
wird.
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Bei bekannten Verfahren dieser Art wird die Bewegung des Werkstückschlittens
entweder auf mechanischem Wege unter Ausschaltung der Radialvorschubspindel mit
Gelenkstangen oder Leitkurven zwangläufig in Abhängigkeit von der Werkzeugschlittenbewegung
gesteuert, oder die Form der Leitkurve wird mit einem Fühler abgetastet, der entsprechend
der Abweichung vom Sollwert Steuerimpulse auf ein Stellglied überträgt, das unmittelbar
die Verschiebeeinrichtung des Werkstückschlittens betätigt.
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Der mechanischen Steuerung haften insofern Nachteile an, als sich
jedes Spiel in den Übertragungselementen und auch die in der Wirkungsrichtung unterschiedlichen
Reibungskräfte des zu bewegenden Werkstückschlittens bei der Bewegung von und zum
Wälzfräser hin ungünstig auf die Genauigkeit der erzeugten Balligkeit auswirkt.
Auch ist die Herstellung der Leitkurve, die der Form der gewünschten Balligkeit
entsprechen muß, besonders bei kleinen Balligkeiten, d. h. großen Krümmungsradien,
mit der notwendigen Genauigkeit außerordentlich schwierig.
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Die zuletzt genannte Schwierigkeit besteht auch für eine Fühlersteuerung
mit Leitkurve. Bei bekannten Verfahren dieser Art wirkt sich hier jeder Steuerimpuls
über eine gewisse Zeitspanne aus, so daß die Zustellung des Werkstückschlittens
schrittweise erfolgt; die ballige Form der gefrästen Verzahnung ergibt sich also
in Form einer Treppenkurve. Da der Stellmotor mit konstanter Drehzahl umläuft, kann
es vorkommen, daß der Werkzeugschlitten seine jeweilige Sollstellung, verursacht
durch die ihm innewohnende Bewegungsenergie und durch die Schaltzeit der benötigten
Relais, überfährt. Dadurch wird sofort ein Steuerimpuls in entgegengesetzter Richtung
gegeben mit der möglichen Folge, daß das Regelsystem zum Pendeln kommt.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die aufgezeigten Nachteile
der bekannten Einrichtungen zur Herstellung von in Längsrichtung der Zähne balligen
Verzahnungen an Stirnrädern zu vermeiden und die Herstellung solcher Zahnräder besonders
wirtschaftlich und mit größtmöglicher Verzahnungsgenauigkeit zu ermöglichen.
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Gemäß der Erfindung wird das gesetzte Ziel dadurch erreicht, daß die
zur Herstellung der Balligkeit benötigte Zusatzbewegung in Richtung des Werkstückradius
- bei gleichmäßigem Vorschub des Werkzeuges in Achsenrichtung des Werkstückes -
in Abhängigkeit vom Abstand des Werkzeuges vom Scheitelpunkt der Balligkeit beschleunigt
wird. Dabei ist die Radialvorschubspindel zum Verschieben des Rundtisches der Wälzfräsmaschine
mit dem Werkstück mit der Abtriebswelle eines Differentialgetriebes gekoppelt, dessen
eine Antriebswelle mit gleichbleibender Drehzahl angetrieben wird, während die andere
Antriebswelle von einem Regelmotor mit veränderlicher Drehzahl angetrieben wird
und dadurch die Drehzahl der Abtriebswelle regelt. Die Veränderung der Drehzahl
des Regelmotors wird mittels eines Steuergliedes in Form eines mit dem Werkzeugschlitten
bewegbaren, zu dessen Führungen unter einem Winkel verlaufenden geraden Leitlineals,
das einen feststehenden Taster als Weggeber verschiebt, über einen elektronischen
Steuerkreis bewirkt.
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Die Hauptvorteile der erfindungsgemäßen Einrichtung gegenüber dem
bisher Bekannten bestehen darin, daß das verwendete Leitlineal gerade und nicht
als gekrümmte Kurve ausgebildet sein kann. Die Herstellung ist einfach und mit großer
Genauigkeit möglich. Die Zustellung des Werkstückschlittens erfolgt nicht schrittweise,
sondern stetig, die Form der Balligkeit ergibt sich also als kontinuierliche Kurve.
Der zum Antrieb des Schneckenrades verwendete Regelmotor kann für einen Drehzahlbereich
ausgelegt werden, in dem sich die günstigste Regelmöglichkeit ergibt.
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Der Motor braucht nicht umgepolt zu werden. Die Drehrichtungsänderung
ergibt sich durch das Differential bei Überschreiten oder Unterschreiten einer bestimmten
Drehzahl des Regelmotors. Die veränderlichen Größen: Werkstückzähnezahl, Fräserdrehzahl
und Axialvorschub (in mm je Werkstückumdrehung) übertragen sich durch die Werkzeugschlittengeschwindigkeit
über das Leitlineal auf den Geber. Dadurch ist die Nachfolgegeschwindigkeit des
Werkstückschlittens auf einfache Weise diesen drei Größen- stets automatisch angepaßt.
Weitere
Vorteile ergeben sich dadurch, daß diese Einrichtung beispielsweise auch zum Fräsen
von Ovalzahnrädern oder Exzenterrädern verwendet werden kann. Der Geber tastet dann
nicht das Leitlineal des Werkzeugschlittens ab, sondern eine Exzenterscheibe, die
mit dem Werkstück umläuft. Ein in den Steuerkreis eingeschaltetes Rechengerät muß
dann entsprechend der gewünschten Radform ausgelegt sein. Ebenso lassen sich leichtkegelige
Räder mit und ohne Balligkeit verzahnen.
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Es ist denkbar, daß sich die Erfindung auch zur spangebenden Formung
nach mathematisch erfaßbaren Funktionen an anderen Werkzeugmaschinenarten verwenden
läßt.
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In den Abbildungen sind verschiedene Ausführungsbeispiele der Erfindung
dargestellt. Es zeigt Bild 1 die Anordnung von Differential 2, Antriebsmotor 3 und
Regelmotor 6 zur Radialvorschubspindel 1, Bild 2 eine detaillierte Darstellung des
Differentials 2 mit Anordnung des Antriebsmotors 3 und des Regelmotors 6, Bild 3
eine Gesamtansicht einer Wälzfräsmaschine mit Anordnung von Leitlineal 13, Weggeber
12, Radialvorschubspindel 1, Differential 2, Antriebsmotor 3 und Regelmotor 6, Bild
4 ein schematisches Schaltbild mit Geber 12, Verstärker 11 und Regelmotor 6, Bild
5 die Annäherung des Krümmungsradius einer Parabel an einen Kreisbogen, Bild 6 die
Darstellung der Funktion
Bild 7 die Ausführungsform des Antriebs der Radialvorschubspindel 1 durch Differential
2, Antriebsmotor 3 und Regelmotor 6 über die Handverstellspindel 15, Bild $ die
Erzeugung der Differentialwirkung durch Antrieb der Radialvorschubspindel1 durch
Antriebsmotor 3 und Einleitung der veränderlichen Drehzahl von Regelmotor 6 über
die Handverstellspindel 15, Bild 9 die Einführung eines Rechengerätes 16 in den
Steuerkreis nach Bild 4, Bild 10 den Fehlerausgleich durch Rückführung der Werkstückschlittenbewegung
über Geber 12.
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Wie aus Bild 1 zu erkennen ist, wird die Radialvorschubspindel 1 über
ein Differentialgetriebe mit einem mit konstanter Drehzahl umlaufenden Getriebezug
der Wälzfräsmaschine oder mit einem ebenfalls mit konstanter Drehzahl umlaufenden,
gesonderten Antriebsmotor 3 über Welle 4 gekoppelt. Das Differentialgetriebe kann
nach allen üblichen Bauarten gestaltet sein. Auf die zweite Antriebswelle 5 des
Differentials 2 treibt z. B. ein regelbarer Gleichstrommotor 6. Seine mittlere Drehzahl
ist so ausgelegt, daß die Radialvorschubspindel die Drehzahl Null hat. Wird beispielsweise
ein Differentialgetriebe nach Bild 2 verwendet und beträgt dabei die konstante Drehzahl
des Antriebsmotors 3 : 1500 U/min, so würde sich die Radialvorschubspindel1 mit
derselben Drehzahl -nur in entgegengesetzter Drehrichtung - drehen, wenn die Drehzahl
des Regelmotors 6 gleich Null ist. Dreht sich der Regelmotor 6 j edoch mit einer
Drehzahl von 750 U/min, also der halben Drehzahl des Antriebsmotors 3, so ergibt
sich an der Radialvorschubspindel die Drehzahl Null. Wird die Drehzahl des Regelmotors
erhöht, dann wird sich die Radialvorschubspindel in der einen Richtung drehen, wird
sie erniedrigt, wird sie sich in der anderen Richtung drehen.
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Die Drehzahl Null der Radialvorschubspindel muß vorhanden sein, wenn
der Wälzfräser im Laufe seines Axialvorschubweges den Scheitelpunkt der Balligkeit
erreicht hat (Bild 3). Vorher mußte das Werkstück 7 über den Tischschlitten 8, von
der Anfangsstellung ausgehend, allmählich vom Wälzfräser 9 weggezogen werden, nachher
muß es allmählich wieder herangeführt werden. Das heißt, vorher muß der die zweite
Antriebswelle 5 des Differentials 2 treibende Regelmotor 6 in seiner Drehzahl in
Abhängigkeit vom Axialvorschubweg des den Wälzfräser tragenden Werkzeugschlittens
10 so geregelt werden, daß die Radialvorschubspindel 1 bis zur Drehzahl Null in
der einen Richtung und nachher von der Drehzahl Null in der anderen Richtung gedreht
wird.
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Zur Lösung dieser Aufgabe wird gemäß der Erfindung dem die zweite
Antriebswelle 5 des Differentials 2 treibenden Regelmotor 6 in Abhängigkeit von
der Axialvorschubbewegung des Werkzeugschlittens 10 eine fortlaufende Spannungsänderung
erteilt (Bild 4). Dies geschieht aus einem Verstärkerglied 11 bekannter Bauart (Magnetverstärker
oder elektronischer Verstärker), das wiederum von einem Weggeber 12 von ebenfalls
bekannter Bauart (induktiver Wegaufnehmer, Differentialtransformator oder Differentialkondensator
od. ä.) gesteuert wird. Die Bewegung des Werkzeugschlittens 10 wird über ein an
ihm angebrachtes Sinuslineal13 auf den am Ständei 14 der Wälzfräsmaschine befestigten
Weggeber 12 übertragen. Das Sinuslineal 13 ist in bekannter Art wie ein Schaltnocken
in der Höhe je nach Aufspannhöhe des zu fräsenden Werkstückes 7 einstellbar. Durch
Schwenken des Sinuslineals ist die Größe der gewünschten Balligkeit, also der Krümmunsradius,
erzielbar.
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Beim Einrichten der Maschine sind Sinuslineal 13 und Weggeber 12 so
einzustellen, daß in der Stellung des Werkzeugschlittens 10, bei der der
Wälzfräser 9 den Scheitelpunkt der Balligkeit erreicht hat (Bild 3), der Weggeber
12 den Verstärker 11 so steuert, daß dieser dem die zweite Antriebswelle 5 des Differentials
2 treibenden Regelmotor 6 eine Spannung zuteilt, der eine Drehzahl dieses Motors
entspricht, bei der die Radialvorschubspindel1 sich nicht dreht, also die Drehzahl
Null aufweist.
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Nimmt man an, daß die gewünschte Kreisform der Balligkeit in einem
ausreichenden Bereich durch die Scheitelkrümmung einer entsprechenden Parabel nach
Gleichung:
(worin: s, = Radialvorschub, s" = Axialvorschub, y = Scheitelkrümmung) ersetzt werden
kann (Bild 5), so ergibt sich durch Differentiation:
d. h., die Radialvorschub-Geschwindigkeitsänderung ist verhältnisgleich der Stellung
des Fräskopfes in bezug auf den Scheitelpunkt (Bild 6) der Balligkeit am Werkstück;
d. h., je weiter sich der Wälzfräser vom Scheitelpunkt der Balligkeit entfernt befindet,
um so größer muß die Geschwindigkeitsänderung sein. Da sich andererseits die Drehzahl
z. B. eines Gleichstrommotors in proportionaler Abhängigkeit von der zugeführten
Spannung ergibt, kann in der vorgeschlagenen Weise durch laufende Spannungserhöhung
oderlaufende Spannungserniedrigung entsprechend der Gleichung (4) in Abhängigkeit
von der gleichförnügen Lageänderung des Werkzeugschlittens 10
über
Sinuslineal 13, Weggeber 12, Verstärker 11, Regelmotor 6, Differential 2 und Radialvorschubspindel
1 dem Werkstückschlitten 8 die der gewünschten Balligkeit entsprechende Bewegung
erteilt werden.
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In einer anderen Ausführungsform der Erfindung (Bild 7) kann die Abtriebswelle
des Differentials auch auf die Handverstellspindel 15 für die Radialvorschubspindel
l treiben. Dabei dreht sich dann die Vorschubspindel selbst nicht.
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Die Differentialwirkung kann auch dadurch erzeugt werden, daß die
Radialvorschubspindel 1 mit konstanter Drehzahl durch den Motor 3 angetrieben wird
(Bild 8) und der Regelmotor 6 auf die Handverstellspindel 15 mit veränderlicher
Drehzahl treibt.
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Eine Verfeinerung der Einrichtung läßt sich dadurch erzielen, daß
ein Rechengerät 16 in den Steuerkreis eingeschaltet wird (Bild 9). Das Lineal 13
wird dadurch zu einem Leitlineal mit gleichbleibender Neigung, das eine dem Hub
des Weggebers 12 angepaßte Steigung hat. Die vom Krümmungsradius unabhängige Geberspannung
wird in dem Rechengerät 16 durch eine Rechenschaltung in die Steuergröße umgeformt.
Die gewünschte Balligkeit ist z. B. durch Veränderung eines Spannungsteilers einstellbar.
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Außerdem kann noch ein Fehlerausgleich vorgesehen werden (Bild 10),
der jede Abweichung von dem durch Geber 12 und Rechengerät 16 erzeugten Sollwert
ausgleicht. Dazu wird mit Hilfe eines zweiten Gebers 17 die Bewegung des Werkstückschlittens
abgetastet. Die Geberspannung ist bei fehlerfreier Werkstückschlittenbewegung proportional
oder gleich der Ausgangsspannung des Rechengeräts 16. Zum Fehlerausgleich werden
diese beiden Spannungen in einer Schaltung miteinander verglichen und bei einer
eventuellen Abweichung eine entsprechende Drehzahländerung des Regelmotors 6 vorgenommen.