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Form- oder Abwälzfräser Die Erfindung bezieht sich auf einen frei$ächen,-geschärften,
scheibenförmigen oder abwälzenden Fräser zum Bearbeiten von Keilwellen oder Zahnrädern
mit einem Fräseraußendurchmesser im Bereich von 30 bis 100 mm und mit einer etwa
am innersten Schneidenpunkt durchgehenden Lücke.
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Bei den bekannten hinterarbeiteten Form- und Abwälzfräsern wird der
Freifiächenverschieiß durch Schleifen an der Spanfläche entfernt. Nur ausnahmsweise,
beispielsweise bei Beschädigungen, wird die Freifläche nachgeschliffen, wonach .dann
in der Folgezeit wieder an der Spanfiäche geschärft wird. Die Gesamtzahnlänge setzt
sich bei diesen Fräsern aus der nutzbaren, d. h. abschleifbaren Zahnlänge und der
restlichen, der Bruchsicherheit bei der letzten Verwendung entsprechenden Zahnlänge
zusammen. Die Zahnlücke ist somit im Neuzustand am kleinsten und im Hinblick auf
eine möglichst große Anzahl von Schärfungen oftmals für einen -wirtschaftlichen
Spananfall nicht ausreichend. .Die Lücke wird dann bei jeder Nachschärfung etwa
um den Spanfiächenabschliff größer. Nach der letzten Schärfung hat der Zahn dann
die »richtige« Länge, die Lücke ist aber vom Standpunkt der Wirtschaftlichkeit aus
gesehen viel größer als der Fräsvorgang erfordert.
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Es sind bereits Fräser bekannt, die im Kopierverfahren geschärft werden
und eine verhältnismäßig kleine Zahnteilung aufweisen. Es liegt in der Natur des
Kopierschleifens, daß die Schleifscheibe einen verhältnismäßig großen Durchmesser
aufweisen muß, der einen kleinen Freiwinkel nach sich zieht. Der kleine Freiwinkel
hat jedoch den Nachteil verhältnismäßig großer Schnittkräfte und des- Erregens von
Schwingungen, welche die Schneiden sehr stark verschleißen, so daß die an sich günstige
Wirkung der kleinen Zahnteilung in bezug auf die Wirtschaftlichkeit durch einen
kleinen Vorschub pro Zahn wieder aufgehoben wird.
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Der Zweck der Erfindung ist eine Erhöhung der Wirtschaftlichkeit beim
Fräsen, d. h. entweder die Standzeit oder - was .äquivalent ist - die Fräslänge
zwischen zwei Schärfungen zu vergrößern oder die zulässige Vorschubgeschwindigkeit
zu erhöhen.
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Es ist bereits ein Wälzfräser bekannt, der die Tendenz erkennen läßt,
.die Wirtschaftlichkeit durch eine Steigerung der Zähnezahl zu erhöhen; doch weist
dieser Fräser Abmessungen auf, die für die Zahnlänge der Zahnlücke keine optimalen
Verhältnisse ergeben (deutsches Gebrauchsmuster 1842 S93). -Eine ähnliche Richtung
ist vielleicht auch bei Gewindefräsern angedeutet, die aber nur für kleine Spanabnahmen
ausgelegt sind. Insbesondere sind deren Spanlücken nicht für große Spanvolumen geeignet.
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Es sind auch sogenannte.-spitzverzähnte Fräser bekannt, die an der
Freifläche geschliffen werden. Der Frei$ächenschliff erfolgt mit einem Vorschub
parallel zur Fräserachse, so daß diese Werkzeuggattung fier Wälzfräser nicht verwendbar
ist. Wird ein spitzverzahnter, scheibenförmiger Fräser verwendet, so weist er die
Nachteile auf, die im Zusammenhang mit dem im Kopierverfahren geschärften Fräser
beschrieben wurden (»Werkstattkniffe«, Folge 15, Carl-:Hanser-Verlag, München, 1952,
S.7'7).
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Grundsätzlich ist -bekannt, daß die Vorschub geschwindigkeit von der
Zahnteilung des Fräsers abhängt. Es ist s=sZ-1000v/t
| rnit s = Vorschubgeschwindigkeit in mm/min, |
| se = Vorschub in mm/Zahn, |
| t = Zahnteilung = d - nlz, |
| z -= Zähnezahl des Fräsers, |
| d = Durchmesserdes Fräsers in mm, |
| v = Schnittgeschwindigkeit in m/min. |
Die obige Gleichung sagt aus, daß der Vorschub um so größer sein kann, je kleiner
die Zahnteilung ist. -In der Praxis hat sich, wie später beschrieben wird, eine
kritische Zahnteilung herausgestellt, bei der ein Absinken der Fräslänge pro Schärfung
zu beobachten ist. Diese kritische Zahnteilung hat eine extreme Verkleinerung der
Fräserzahnteilung bisher verhindert. Die Erfindung überwindet das mit dem besagten
kritischen Punkt verbundene Vorurteil. Nach der Erfindung hat sich gezeigt, daß
durch eine Verkleinerung der Zahnteilung über den kritischen Punkt hinaus die Vorschubgeschwindigkeit
nicht nur wieder proportional der Zähnezahl ansteigt, sondern
daß
die Vorschubgeschwindigkeit progressiv gesteigert werden kann, oder, mit anderen
Worten, nach einem erfindungsgemäßen Durchschreiten des kritischen Punktes kann
die Fräslänge je Schärfung progressiv gesteigert werden.
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Demgemäß ist die Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß die Zahnlänge
in Umfangsrichtung am innersten Schneidenpunkt eine Bogenlänge von
und die entsprechende Lückenweite eine Bodenlänge von
hat, wobei y der radiale Unterschied zwischen dem innersten Schneidenpunkt und dem
Außendurchmesser des Fräsers ist. Die Merkmale der Erfindung sind auf den eingangs
angegebenen Bereich beschränkt. Auf andere Bereiche sind die Verhältnisse im Sinne
der Erfindung zu übertragen. Aus der Erfindung sind sogenannte Prismenfräser ausdrücklich
ausgenommen, weil die dort fehlende, durchgehende Spanlücke einem großen Spanvolumen,
wie es der Erfindung zur Aufgabe gestellt ist, nicht gerecht werden kann. -Mit den
Merkmalen der Erfindung ist ein Fräser gekennzeichnet, der abweichend von den bekannten
Werkzeugen trotz einer kleinen Zahnteilung eine große Fräslänge pro Schärfung bei
einem großen Spanvolumen gestattet. Bei konsequenter Weiterverfolgung der später
erläuterten Gedankengänge wird die Erfindung auf das Merkmal hingeführt, daß die
Zahnlänge in Umfangsrichtung bei gleichbleibender Lückenlänge am innersten Schneidenpunkt
eine Bogenlänge von
hat. Fräser mit den vorher beschriebenen Kennzeichen ergeben eine erhöhte Leistungsfähigkeit,
wenn der Freiwinkel im Stirnschnitt gleich oder größer als 8° bemessen wird; denn
dann werden mit Sicherheit Schwingungserscheinungen vermieden. Die Gestaltung der
Freifläche läßt einige zweckmäßige Abwandlungen zu. So ist es beispielsweise sehr
günstig, die Freifläche bezogen auf die Fräserachse als konkav gekrümmte Fläche
auszubilden. Hierbei kann die Freifläche über ihre ganze Länge gegebenenfalls je
Stirnschnitt einen konstanten Krümmungsradius aufweisen. Der Krümmungsradius kann
sich über die Zahnlänge aber auch ändern. Unter Stirnschnitt ist ein Schnitt in
einer Ebene zu verstehen, die bei Formfräsern senkrecht auf der Fräserachse steht
und bei Abwälzfräsern in Steigungsrichtung des Fräserzahns zur Fräserachse geneigt
ist.
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Nach einer anderen Ausgestaltung kann die Freifläche teils konvex
und teils konkav gekrümmt sein, wobei in diese Gedankengänge auch eine teilweise
gerade Freifläche als Grenzfall mit eingeschlossen sein soll. Die verschiedenen
Krümmungshalbmesser oder die verschiedenen Krümmungstendenzen können sich auf verschiedene
Längenabschnitte und auch auf verschiedene Stirnschnitte beziehen. In die Erfindung
mit einbezogen sind selbstverständlich auch Fräser mit ausschließlich gerader und
mit ausschließlich konvexer Freifläche, wobei auch hier gegebenen falls verschiedene
Krümmungshalbmesser vorhander sein können.
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Mit den F i g. 1 bis 3 ist die Erfindung erläutert F i g. 1 zeigt
als Diagramm die Fräslänge eine; Fräsers je Schärfung in Abhängigkeit von dem Verhältnis
des Zahnteilungswinkels zum Eingriffswinkel dabei ist: Zahnteilungswinkel = der
von äquivalenter Schneidenpunkten zweier benachbarter Zähne begrenzte Zentriwinkel,
Eingriffswinkel = der Zentriwinkel des im Schnitt befindlichen Fräseranteils: F
i g. 2 zeigt einen Fräser nach der Erfindung; F i g. 3 zeigt eine andere Ausführungsform
der Erfindung.
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Die Erfindung geht von einer neuen im Diagramm der F i g. 1 dargestellten
Betrachtung der Fräslänge je Nachschärfung (dargestellt durch die Ordinate b) in
Abhängigkeit von dem Verhältnis des Zahnteilungswinkels zum Eingriffswinkel (dargestellt
durch die Abszisse a) aus.
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b = Fräslänge/Schärfung, a = Zahnteilungswinkel/Eingriffswinkel. Hierbei
ist angenommen, daß der Vorschub pro Zahn, die Schnittgeschwindigkeit und der Fräserdurchmesser
konstant gehalten sind und daß die Vorschubgeschwindigkeit proportional der Zähnezahl
ist. Da außer diesen genannten Größen auch noch weitere nur schwer erfaßbare Einflüsse
mitsprechen, stellt sich die Funktion als Bereich e dar; der in F i g. 1 schraffiert
wurde. Die strichpunktierte Linie f bezeichnet etwa den Mittelwert dieses Bereiches.
Eine Untersuchung im Sinne der F i g. l ergab, daß sich die bekannten Fräser, deren
Bereich sich von rechts her bis zu einem Mindestwert a = 0,8 erstreckt (Grenzlinie
g), um einen Abschnitt h des Mittelwertverlaufs f gruppieren, der eine deutlich
fallende Tendenz zum kleiner werdenden a aufweist. Diese fallende Tendenz ist im
wesentlichen auf die gegenseitige Störung der Schneiden zurückzuführen, die durch
die Ein- und Austrittsstöße Schwingungen erregen. Theoretisch müßte der Minimalwert
bei a = 1 liegen, tatsächlich liegt er etwas darunter, was auf den dünnen Spanauslauf
der kommaförmigen Frässpäne zurückzuführen ist.
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Offensichtlich hat die fallende Tendenz des Abschnittes h dazu geführt,
daß mit den bekannten Fräsern die Grenze g nicht unterschritten wurde. Wie bereits
erwähnt, wurde eine Betrachtung gemäß F i g. 1 bisher noch nicht durchgeführt; praktisch
hat sich die geschilderte Tatsache aber dadurch bemerkbar gemacht, daß Fräser mit
kleinem a öfter nachgeschliffen werden mußten als solche mit großem a.
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Die Erfindung geht nun von dem Gedanken aus, daß die Abnutzung weitgehend
von Schwingungserscheinungen abhängt, und zieht daraus die Folge, daß die Abnutzung
erheblich zu vermindern sein muß, wenn für eine genügende gegenseitige Ab-Stützung
gesorgt wird. Versuche haben ergeben, daß die Fräslänge je Schärfung b von der Grenze
g ab in den Bereich d hinein mit progressiver Tendenz wächst, je kleiner man .das
Verhältnis a macht (vgl. Abschnitt i der Mittellinie f in F i g. 1).
Die Praxis hat erwiesen, daß beispielsweise ein Fräser mit a = 0,6 eine erheblich
bessere und deutlich hörbare Laufruhe als die bekannten Fräser aufweist.
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Abgesehen von der Tatsache, daß die Fräslänge, je Schärfung
b von 0,7 ab mit abnehmendem a radikal
ansteigt, ist
der Fräser auch auf Grund seiner großen und im wesentlichen durchgehenden Lücken
(diese sind auch im Neuzustand groß), die ein beträchtliches Spanvolumen aufnehmen
können, ein ausgesprochenes Hochleistungswerkzeug. Die Leistungsfähigkeit wird weiterhin
verstärkt durch einen großen Freiwinkel, der einen großen Vorschub pro Zahn zuläßt.
So läßt die Verbindung der großen Zahnlücke mit der kleinen Zahnteilung und dem
großen Freiwinkel einen leistungsfähigen und ratterfreien Schnitt bei außergewöhnlicher
Fräslänge je Schärfung zu.
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F i g. 2 zeigt einen Ausschnitt aus einem Fräser nach der Erfindung.
Sein Zahn 10 hat am innersten Schneidenpunkt 11 eine Bogenlänge 12 im Neuzustand,
die etwa der eines Zahns eines bekannten Fräsers im aufgebrachten Zustand entspricht.
Die Lücke 13 des Fräsers nach der Erfindung weist aber eine Länge 14 auf, die im
Verhältnis zu den bekannten Fräsern im Neuzustand groß und zum bekannten, aufgebrauchten
Fräser klein ist. Der Zahn des erfindungsgemäßen Fräsers wird allein nach dem Gesichtspunkt
der Festigkeit und Härtbarkeit bemessen, und die Lücke bleibt während der ganzen
Lebensdauer im wesentlichen konstant im Zustand der optimalen Wirtschaftlichkeit.
Der Freiwinkel 15 ist sehr groß gehalten, wodurch aus bereits geschilderten Gründen
die Leistungsfähigkeit der Fräser gesteigert wird. Besondere Beachtung verdient
die Gestaltung der Freifläche, die sich abweichend von den bekannten Fräsern aus
zwei Flächen mit verschiedener Krümmungstendenz zusammensetzt. Den Ubergang von
der einen Krümmungstendenz zur anderen gibt die Linie 16-16 an. Links der Linie
16-16 ist die Freifläche bezogen auf die Fräserachse konvex, rechts davon konkav
gekrümmt. Die Variierbarkeit der Freiflächenkrümmung ist ein besonders Kennzeichen
der Fräser nach der Erfindung. So kann die Form der Freifläche allen Anforderungen,
die von der Arbeitsaufgabe, von der Fräsergestaltung und vom Schärfvorgang an den
Fräser herantreten, angepaßt werden.
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F i g. 3 zeigt einen Fräser nach der Erfindung mit extrem kurzem Zahn
17, der ausschließlich nach der Festigkeit am Zahnfuß und unter Umständen nach der
Härtbarkeit bemessen ist. Inn F i g. 1 liegt dieser Fräser sehr weit links der Grenze
g im Bereich d, d. h. sehr weit oben auf dem ansteigenden Ast i. Mit anderen Worten,
der Fräser weist eine mehrfache Fräslänge je Schärfung auf als die bekannten Werkzeuge
rechts der Linie g. Der Fräser wird im wesentlichen nur an der Freifläche, d. h.
mit radialer Zustellung, geschärft.
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Ein oftmals geschärfter Fräser ist in F i g. 3 mit dem gestrichelten
Linienzug 18 dargestellt. Eine weitere Besonderheit des Fräsers der F i g. 3 ist
die bereits an der Spanfläche 19 ansetzende hohle. d. h. bezogen auf die Fräserachse,
konkave Freifläche 20. Diese Art der Freifläche gestattet ein Schärfen des Fräsers
im Eintauchverfahren, was zum wirtschaftlichen Einsatz wesentlich beiträgt. Die
hohle Freifläche ist der Spanabnahme förderlich.
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Die Längen von Zahn und Lücke ändern sich infolge des Schärfvorgangs
unwesentlich; weil die Spänfläche nur wenig und selten nachgeschliffen wird. Hierin
unterscheidet sich die Erfindung von den bekannten Fräsern, die im Neuzustand häufig
eine zu kleine Lücke aufweisen und im aufgebrauchten Zustand eine im Verhältnis
zum Späneanfall zu große. Eine weitere Besonderheit des erfindungsgemäßen Fräsers
ist, daß er bereits im Neuzustand eine Zahnlänge aufweist, die etwa der Zahnlänge
eines entsprechenden bekannten Fräsers im aufgebrauchten Zustand entspricht.