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Maschine zum Formwalzen der Verzahnung eines Kegelrades mit nach der
Mitte sich verjüngenden, geraden Zähnen Die Erfindung bezieht sich auf eine zum
Formwalzen der Verzahnung eines nach der Mitte sich verjüngenden, gerade Zähne aufweisenden
Kegelrades dienende Maschine mit einem das Werkstück schrittweise von Zahnlücke
zu Zahnlücke um seine Achse drehenden Werkstückträger, mindestens einem auf einem
Werkzeugträger drehbar gelagerten, eine Planetenbahn durchlaufenden profilierten
Walzwerkzeug und einem Synchronantrieb für die Zustellung des Werkzeuges oder des
Werkstückes in Axialrichtung des Werkstückes.
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Das Kaltwalzen von Zahnrädern ist an sich bekannt und hat den Vorzug,
daß der Werkstoff aus dem Zahnlückengrund heraus in die Flanken verdrängt wird und
daß sich dabei gleichzeitig eine Verformung des Werkstoffes ergibt, die zu erheblich
besseren Eigenschaften des fertigen Werkstückes führt, als sie Werkstücke aufweisen,
bei denen das Zahnrad durch spanabhebende Bearbeitung geformt wird.
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Bei bekannten Maschinen wird bisher mit Abschnitten des Umfanges eines
das Walzwerkzeug darstellenden rotationssymmetrischen Körpers auf das Werkstück
eingewirkt. Das schließt jedoch das Walzen der Verzahnung von Kegelrädern aus, weil
Kegelräder Zähne besitzen, die an ihrem radial inneren Ende flacher sind als an
ihrem radial äußeren Ende. Die bekannten Maschinen sind daher nur zum Profilieren
von im wesentlichen zylindrischen Rädern bestimmt und geeignet.
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Der Erfindung liegt als technische Aufgabe die Schaffung einer Maschine
zugrunde, die das Walzen von nach der Mitte sich verjüngenden geraden Zähnen aufweisenden
Kegelrädern ermöglicht.
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Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß das oder
die Walzwerkzeuge eine wirksame Arbeitsfläche, die ein entsprechend der Bewegungsbahn
der Planetenbewegung gekrümmtes Negativ einer Zahnlücke des Werkstückes darstellt,
aufweisen und mit diesen Flächen einen im wesentlichen rechtwinklig zum Zahnlückengrund
des Werkstückes stehenden Formdruck erzeugen.
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Bei einer solchen Maschine kann jeder Zahn eines Kegelrades mit der
erforderlichen abnehmenden Tiefe vom radial äußeren bis zum radial inneren Ende
des Zahnes mit Hilfe einer im wesentlichen geradlinig verlaufenden Walzbewegung
geformt werden, wobei das Walzwerkzeug die Form eines Sektors einer profilierten
Walze aufweist.
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Die Tiefenzustellung erfolgt dann in Richtung des Formdruckes, also
rechtwinklig zum Zahnlückengrund. Das erfolgt bei einer praktischen Ausführungsform
der neuen Maschine mittels einer Kupplung, die wahlweise nach schrittweiser Drehung
des Werkstückes um einen Teilschnitt oder nach einer vollen Umdrehung des Werkstückes
für eine einstellbare Zeitdauer eingreifen, um derart das absolute Maß der Tiefenzustellung
zu bestimmen.
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Es empfiehlt sich ferner, die Walzfläche des Werkzeuges länger als
die zu bearbeitende Länge der Zahnlücken des Werkstückes zu machen und im übrigen
eine radiale Verstellbarkeit gegenüber dem Werkstück vorzusehen.
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Zweckmäßig ist es schließlich, das Maß der Tiefenzustellung in Abhängigkeit
von Walztiefe zu verändern.
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Zum besseren Verständnis wird die Erfindung nachfolgend an Hand mehrerer
Ausführungsbeispiele näher erläutert.
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F i g. 1 ist eine Stirnansicht, teilweise im Schnitt und teilweise
weggebrochen, einer ersten Ausführungsform einer Maschine zur Durchführung des Verfahrens
gemäß der Erfindung; F i g. 2 ist ein Schnitt gemäß Linie 2-2 der F i g. 1; F i
g. 3 zeigt in vergrößerter Ansicht den Werkzeugträger der Maschine; F i g. 4, 5
und 6 veranschaulichen in schematischer Darstellung den Verlauf des Walzvorganges.
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Bei der in F i g. 1 dargestellten Maschine zum Formwalzen eines Kegelrades
ist in einem Rahmen 10 ein ein Werkstück 50 bewegender Hilfsrahmen 12 in vertikalen
Führungsleisten 14 gelagert. Der Rahmen 10 trägt auf einer Achse 16 einen Werkzeugträger
18. Ein Motor 20 treibt über einen Riemen 22 die
Achse
16 an. Die Achse 16 treibt schlupffrei durch einen Kettentrieb 24 über Zahnräder
26 eine Welle 28.
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Auf der Welle 28 sitzt ein Treibdaumen 30 zum Antrieb eines Malteserkreuzes
32 (F i g. 2) auf einer Welle 34. Diese Welle 34 treibt ein Zahnrad 36, das zum
Anheben des Hilfsrahmens ein Zahnrad 38 dreht. Sie treibt ferner ein als Kegelrad
ausgebildetes Zahnrad 40, das mit einem zugeordneten Kegelrad 42 kämmt. Die Kegelräder
40, 42 lassen sich zur Einstellung ausgewählter Drehzahlen einer Welle 46 auswechseln.
Diese Welle 46 trägt auf ihrem Ende das zu bearbeitende Werkstück 50.
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Das zum Anheben des Hilfsrahmens dienende Zahnrad 38 treibt über eine
Welle 52 Kegelräder 54, 56, die ständig mit einem Kegelrad 58 kämmen. Ein mit der
Welle 52 drehender, jedoch auf ihr axial verschieblicher Kupplungsteil 60 verbindet
die Welle 52 mit dem Kegelrad 54 oder 56.
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Das Kegelrad 58 wirkt mit einer der axialen Zustellung des Werkstückes
dienenden Vorschubmutter 62 zusammen. In der Vorschubmutter läuft eine ortsfeste,
auf dem Rahmen 10 abgestützte Vorschubspindel 64. Je nach Drehrichtung der Vorschubmutter
62 wird der Hilfsrahmen angehoben oder abgesenkt.
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Die beschriebene Konstruktion stellt einen Synchronantrieb für das
Walzwerkzeug und die Werkstückzustellung und die Werkstückdrehung dar.
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Wie nachfolgend beschrieben werden wird, kann die vertikale Zustellbewegung
in zeitlicher Abhängigkeit von der Drehung der Welle 46 so abgestimmt werden, daß
eine Zustellung am Ende jeder Drehung der Welle 46 erfolgt. Hierdurch wird bei der
Herstellung der Verzahnung erreicht, daß sämtliche Zähne zwischen jeder Fortschaltung
der vertikalen Zustellung die gleiche Tiefe erhalten.
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In F i g. 3 ist im einzelnen dargestellt, daß der Werkzeugträger 18
vier eine Planetbahn unter dem Einfluß von Zahnrädern 74, 76 durchlaufende Walzwerkzeuge
80 aufweist, die um die Achse 16 herum angeordnet sind.
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Jedes Werkzeug 80 besteht aus einem auf eine ihn zugeordnete Spindel
84 aufgekeilten Körper, dessen Umfang auf einem Teilbereich zu einer gekrümmten
Wälzfläche 86 geformt ist, deren Querschnitt dem der zu formenden Zahnlücke, gerechnet
von der Mittellinie auf dem Zahnrücken bis zu der des folgenden Zahnes, entspricht.
Diese Wälzfläche 86 dreht sich beim Walzen des Werkstückes um ihre eigene Achse
und führt außerdem eine um die Achse 16 kreisende Bewegung aus. Der Mittelpunkt
ihrer Krümmung liegt zwischen der Achse 16 und der Achse ihrer Spindel 84. Da das
Werkstück ein Kegelrad ist, ergibt sich ein noch komplizierterer Umriß, weil die
Tiefe der Zahnlücken von dem einen Ende des Zahnes zum anderen zunimmt. Es wird
mit dem Walzen des tiefen Endes der Zahnlücke begonnen. Die Maschine führt eine
große Zahl vollständiger Umläufe aus, bevor das Werkzeug hinreichend weit in die
einzelnen Zahnlücken eingedrungen ist und entlang der ganzen Zahnlücke einwirken
kann. Das Walzen erfolgt dabei längs einer sich von dem einen Ende des zu formenden
Zahnes zu dem anderen Ende erstreckenden Geraden, die parallel zum Lückengrund des
fertigen Zahnes verläuft.
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Die Arbeitsweise der in den F i g. 1 bis 3 dargestellten Maschine
ist die folgende: Das Werkstück 50 wird auf das Ende der Welle 46 aufgesetzt. Der
Hauptantriebsmotor 20 dreht das Werkstück und verschiebt es nach eben, bis eines
der Walzwerkzeuge 80 erstmalig mit ihm in Kontakt gelangt. Dabei walzt das
erste Werkzeug zunächst lediglich das hohe Ende des Rohlings an der Stelle, an welcher
die Zahnlücke ihre größte Tiefe aufweist. Gemäß der dargestellten Ausführungsform
werden vier Werkzeuge verwendet. Deshalb ist die Malteserkreuzbewegung so gewählt,
daß bei jeder Drehung des Werkzeugkopfes die Welle 34 viermal geschaltet wird. Das
Fortschalten der Welle 34 erfolgt unmittelbar, nachdem ein Werkzeug 80 das Werkstück
gewalzt hat. Gleichzeitig erfolgt durch Drehung der Welle 52 und der Zustellmutter
62 eine geringfügige Aufwärtsbewegung des Werkstückes.
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Der Winkel, um den sich die Welle 34 dreht, entspricht einem Zahn
auf dem Zahnrad. Bei einem Zahnrad mit zwanzig Zähnen beträgt der Teilschnitt 18°.
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Nach dieser schrittweisen Drehung des Werkstückes um eine volle Umdrehung
greift für eine einstellbare Zeitdauer die Kupplung 60 ein. Dadurch bewegt die Zustellmutter
62 den Rahmen 12 und derart den Rohling 50 in Richtung auf die Werkzeuge
vor. Das Maß der jeweiligen Zustellung ist gering bemessen, so daß der sich am Ende
einer vollständigen Drehung des Rohlings (zwanzig Teilschaltbewegungen der Welle
46) insgesamt ergebende Aufwärtsvorschub hinreichend klein ist. Beispielsweise ist
ein Zustellweg von etwa 0,5 mm je Umdrehung ausreichend. Demzufolge erfolgt ein
zweiter Durchgang über einen gegebenen Zahn ungefähr 0,5 mm tiefer als bei der vorhergehenden
Umdrehung. Das Walzen wird so lange fortgesetzt, bis die vorgeschriebene Tiefe der
ersten Zahnlücke erreicht ist, worauf die Kupplung 60 ausgerückt und die
Zustellbewegung unterbrochen wird. Da die Welle 34 weiter umläuft, wird das Werkstück
weitergedreht, und es werden dabei sämtliche Zahnlücken bis auf die Tiefe der ersten
Zahnlücke fertiggewalzt.
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Wie hieraus ersichtlich ist, erreichen mit fortschreitender Zustellung
die Werkzeuge 80 schließlich die Eindringtiefe, in welcher die die Zahnlücke begrenzenden
Zahnflanken nahezu ausgeformt sind. Von dieser Stellung der Werkzeuge an schreitet
das Walzen bei jedem Durchgang eines Werkzeuges durch eine Zahnlücke in solcher
Weise fort, daß der Umfangsweg des Werkzeuges 80 eine gerade Linie tangiert,
die auf dem Zahnlückengrund verläuft und auf der es nacheinander in Kontakt mit
der gesamten Fläche der Zahnlücke steht. Bei der dargestellten Maschine dreht sich
das Werkzeug entgegen dem Uhrzeigersinn um etwa 70°, während sich sein Mittelpunkt
im Uhrzeigersinn während des Walzenumlaufs um 20° bewegt. Das ist .aus der schematischen
Darstellung der F i g. 4, 5 und 6 ersichtlich, die erkennen lassen, daß infolge
der Gestaltung des Umrisses der Fläche 86 und, weil die Planetenbewegung der Walze
das Werkzeug entgegen dem Uhrzeigersinn dreht, während der es tragende Körper in
entgegengesetzter Richtung umläuft, eine Berührung erreicht wird, die sich über
einen sehr großen Längenbereich erstreckt.
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Eine Berechnung der für die Fertigstellung eines üblichen Kegelrades
benötigten Zeit veranschaulicht die durch die Erfindung erzielten Vorteile. Wenn
das Zahnrad wenig Zähne erhalten soll, deren maximale Tiefe 7,6 mm beträgt, und
der in den Figuren dargestellte mit vier Werkzeugen bestückte Kopf verwendet wird,
so finden 600 Walzdurchgänge je Minute
bei einer Spindelumlaufgeschwindigkeit
von nur 150 U/min statt. Dadurch ergeben sich zehn Walzdurchgänge je Sekunde oder
2 Sekunden als die für jede Drehung des Rohlings 50 bzw. der Welle 46 benötigte
Zeit. Wenn der Tiefenvorschub auf 0,5 mm je Drehung eingestellt wird, so sind 15
Umdrehungen des Rohlings zur Erzielung der endgültigen Tiefe eines Zahnes erforderlich,
so daß die gesamte für die Fertigformung eines Zahnrades erforderliche Zeit nur
15mal 2 oder 30 Sekunden beträgt.
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Die Zustellbewegung des Rohlings in Richtung auf das Werkzeug kann
erwünschtenfalls auch nur einmal je Drehung des Rohlings erfolgen. Bei der in F
i g. 1. dargestellten Maschine erfolgt die stufenweise Zustellung jedesmal, wenn
der Rohling von einer Zahnlücke zur nächsten gedreht wird.
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Falls so gearbeitet werden soll, daß ein Vorschub lediglich einmal
bei jeder Drehung des Rohlings 50 erfolgt, so wird naturgemäß die Tiefe des Werkzeugangriffs
durch die Steigung der Vorschubschraube 64 und die Winkelerstreckung ihrer Bewegung
bestimmt.
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Im praktischen Betrieb wird der Rohling bei jeder Drehung lediglich
einige hundertstel Millimeter in Richtung auf das Werkzeug angehoben, so daß jeder
folgende Angriff des Werkzeuges auf einen beliebigen Teil des Rohlings lediglich
mit einer nur wenig größeren Tiefe als der vorhergehende Angriff erfolgt.
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Die erfindungsgemäße Maschine kann sich ferner von der in F i g. 1
dargestellten Maschine dadurch unterscheiden, daß sie mittels eines einzigen auf
dem Kopf 18 angebrachten Werkzeuges 80 wirkt. Das Werkzeug ist von
der gleichen Bauart wie das in den F i g. 4 bis 6 dargestellte und wird in derselben
Weise durch den gleichen oben beschriebenen Mechanismus bewegt. Der Kopf kann in
beliebiger Weise mittels Gegengewichte ausgeglichen sein.
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Wie festgestellt wurde, steigt die Dichte des Metalls im Zahnradrohling
50 im Bereich des Zahnfußes eines zu formenden Zahnes nach jedem Durchgang eines
Werkzeuges 80 an. Das ist darauf zurückzuführen, daß das Werkzeug das Metall nach
unten preßt und es hierdurch einerseits verdichtet, andererseits (wie beim Prägen)
einen Teil des Metalls nach oben in die Zähne verdrängt. Dadurch nimmt die Höhe
eines Zahnes während jedes Walzdurchganges des Werkzeuges einerseits durch Vertiefung
der Zahnlücke, andererseits infolge der Verdrängung von Metall nach oben zu. Deshalb
beträgt beim Formen von Zähnen mit einer Gesamthöhe von 10 mm die Gesamteindringtiefe
unter die Oberfläche, die ursprünglich den Rohling begrenzte, nur 8,7 mm. Das unterhalb
des Zahnfußes befindliche Metall wird nicht nur verdichtet, sondern das Werkstück
wird durch die Wirkung des Werkzeuges gleichzeitig gehärtet. Beispielsweise beträgt
in einem Fall die Brinellhärte des Rohlings vor dem Walzen 152 und nach dem
Walzen 310. Durch die Verdichtung des Metalls und seine größere Härte wird die Festigkeit
eines Zahnrades am Zahnfuß, d. h. gerade an den Stellen, an welchen die meisten
Mängel auftreten, gesteigert.
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Andererseits hat es sich, weil die Dicke des Metalls und seine Härte
mit dem tieferen Eindringen des Werkzeuges in den Zahnradrohling ansteigt, als zweckmäßig
herausgestellt, den Vorschubbetrag des Rohlings in Richtung auf die Werkzeugachse,
mit dem das Walzen begonnen wird, bei den folgenden Walzvorgängen über den Rohling
zu vermindern. Das kann durch Regelvorrichtungen herbeigeführt werden.
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Die Walzkante des Werkzeuges ist selbstverständlich einem dauernden
Verschleiß ausgesetzt und muß in entsprechenden Zeitabständen nachgeschliffen werden,
um seine ordnungsgemäße Konstruktion und Oberflächenbeschaffenheit zu sichern. Bei
jedem Nachschleifen des Werkzeuges nimmt die Dicke der Walzkante ab, obwohl Winkel
und Umriß des Keiles die gleichen bleiben. Da lediglich ein Teil des Werkzeuges
in Kontakt mit dem Rohling gelangt ist, kann die Abnahme der Dicke der Walzkante
dadurch ausgeglichen werden, daß ein anderer Teil der Walzkante an dem dicken Ende
in Kontakt mit dem Rohling gebracht wird. Dadurch, daß die Walzkante des Werkzeuges
lang im Vergleich zur Breite des Rohlings bemessen wird, kann so ein Werkzeug für
zahlreiche zusätzliche Arbeitsstunden verwendbar gemacht werden.