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Die
Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung entsprechend dem Oberbegriff
des Anspruchs 1.
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Zahnstangen,
die als Getriebeelemente zur Umsetzung einer über ein mit diesen im Eingriff
stehendes Zahnrad übertragenen
Rotationsbewegung in eine Translationsbewegung bestimmt sind, kommen
im gesamten Maschinenbau umfangreich zur Verwendung. Sie sind mit
unterschiedlichen Verzahnungsprofilen wie z. B. einer Geradverzahnung
oder auch einer Schrägverzahnung
bekannt, wobei sich die Form einer Bogenverzahnung, bei der die
Zahnflanke entlang der Zahnbreite – in einem Querschnitt gesehen – einen
gekrümmten
Verlauf aufweist, im Vergleich zu den herkömmlichen Profilformen bekanntlich
durch eine höhere
Tragfähigkeit
auszeichnet.
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Die
Herstellung des Verzahnungsprofils einer Zahnstange erfolgt ausgehend
von stangenartigen Werkstücken
mit Hinblick auf die erreichbare Teilungsgenauigkeit im Regelfall
in spangebenden Verfahren, und zwar entweder in Teilverfahren wie
z. B. Fräsen,
Stoßen,
Räumen,
Schleifen unter Einsatz eines entsprechenden Formwerkzeugs oder
in schrittweise oder auch kontinuierlich angelegten Wälzfräsverfahren.
Unbefriedigend an diesen bekannten Arten der Herstellung sind die
relativ hohen Investitionskosten beispielsweise von Fräs- oder
Schleifmaschinen. Hinzutritt der Umstand, dass sich die Herstellung
einer Zahnstange nach diesen Verfahren aufgrund beträchtlicher
Fertigungsnebenzeiten relativ zeit- und damit kostenaufwendig darstellt.
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Zur
Herstellung von gewinde- sowie wendelartigen Profilen ist ein Zerspanungsverfahren
in der Form des Gewindewirbelns bekannt. Bei diesem rotiert ein
ringartiger, innenseitig mit hartmetallbestückten Werkzeugen ausgerüsteter ringartiger
Wirbel kopf exzentrisch um das außenseitig im Oberflächenbereich
zu bearbeitende, mit einer geringeren Drehzahl gleich- oder gegenläufig rotierende
Werkstück.
Die Werkzeuge sind bezüglich
der Achse des Wirbelkopfes im wesentlichen in einer Ebene angeordnet
und es ist die Achse des Wirbelkopfes zur Darstellung der Steigung
des herzustellenden Werkstückprofils
gegenüber
der Achse des Werkstücks
geneigt angeordnet. Vergleichbare Techniken sind auch zur innenseitigen
Bearbeitung von rohrartigen Werkstücken bekannt.
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Es
ist vor diesem Hintergrund die Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung
der eingangs zitierten Gattung mit Hinblick auf eine rationellere
Fertigung von Zahnstangen mit Bogenverzahnungen zu konzipieren.
Gelöst
ist diese Aufgabe bei einer solchen Vorrichtung durch die Merkmale
des Anspruchs 1.
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Erfindungswesentlich
ist eine umfangsseitig zur Aufnahme zumindest eines langgestreckten Werkstücks eingerichtete,
drehend antreibbare Aufnahmewelle, die von einem bezüglich dieser
exzentrisch angeordneten, ebenfalls drehend antreibbaren, ringartigen,
innnenseitig mit Zerspanungswerkzeugen ausgerüsteten Werkzeugträger umgeben
ist. Die zerspanende Bearbeitung des Werkstücks somit nach der Art des
an sich Wirbelverfahrens angelegt, so dass im Vergleich zu einem
Fräsverfahren
mit einer dementsprechend höheren
Oberflächengüte gerechnet
werden kann. Der Werkzeugträger
kann in einem herkömmlichen
Wirbelgerät
gelagert sein, welches nach Maßgabe
des herzustellenden Verzahnungsprofils quer zu der Achse der Aufnahmewelle zustellbar
ist. Die Aufnahmewelle als solche ist in einem entsprechenden Maschinengestell
gelagert, auf welchem das Wirbelgerät zusätzlich entlang der Achse der
Aufnahmewelle zustellbar ist, so dass erforderliche Zustellbewegungen
insgesamt analog denjenigen des Wirbelverfahrens angelegt sind.
Als weiterer Vorteil ergibt sich eine hohe Bearbeitungsgeschwindigkeit.
Die Aufnahmewelle sowie der Werkzeugträger können gleich- oder auch gegenläufig angetrieben
werden. Es ergibt sich in jedem Fall ein Verzahnungsprofil in der
Form einer Bogenverzahnung, deren Parameter geometrisch durch die Durchmessermaße der Flugkreise
der Werkzeuge sowie der Aufnahmewelle konstruktiv festgelegt sind.
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Entsprechend
den Merkmalen des Anspruchs 2 ist der Werkzeugträger um eine sich quer zu der
Achse der Aufnahmewelle erstreckende Achse einstellbar angeordnet.
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Dies
dient in an sich bekannter Weise der Schwenkung der Umlaufebene
des Werkzeugs nach Maßgabe
einer vorgegebenen Steigung des herzustellenden Verzahnungsprofils
der Zahnstange.
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Entsprechend
den Merkmalen des Anspruchs 3 ist die Aufnahmewelle mit mehreren,
zur Aufnahme von Werkstücken
in gleichförmiger
Umfangsverteilung bestimmten Aufnahmen versehen. Dies bedeutet,
dass in einem Durchgang eine der Anzahl der Aufnahmen entsprechende
Anzahl an Zahnstangen gleichzeitig bearbeitet werden kann. Diese Ausgestaltung
eröffnet
Möglichkeiten
einer äußerst rationellen
Fertigung von Zahnstangen, da sich im Vergleich zu einer Einzelbearbeitung
insbesondere solche Fertigungsnebenzeiten vermindern, die durch ein
Maschineneinrichten sowie ein Einsetzen, Ausrichten und Entnehmen
von Werkstücken
bedingt sind.
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Die
Aufnahmewelle ist entsprechend den Merkmalen des Anspruchs 4 mit
Mitteln zur Fixierung des Werkstücks
in der jeweiligen Aufnahme ausgerüstet. Zur konstruktiven Darstellung
dieser Mittel bieten sich zahlreiche, dem Fachmann geläufige Möglichkeiten
an, so dass sich ein näheres
Eingehen hierauf erübrigt.
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Die
Merkmale des Anspruchs 6 sind auf eine Herstellung eines Verzahnungsprofils
nach Art einer Schrägverzahnung
gerichtet. Hierbei wird das gesamte Verzahnungsprofil der Zahnstange
in einem Durchgang kontinuierlich hergestellt, und zwar unter Schwenkung
der Umlaufebene der Werkzeuge in Abhängigkeit von dem herzustellenden
Steigungsmaß des
Verzahnungsprofils und unter kontinuierlichem Vorschub entlang der
Achse der Aufnahmewelle. Bei dieser Arbeitsweise liegt lediglich
eine Umlaufebene für
die Werkzeuge vor, so dass bei einer Umdrehung der Aufnahmewelle
lediglich ein Gewindegang bzw. bezogen auf die einzelne Zahnstange
das dieser Umlaufebene zugeordnete Teilprofil hergestellt werden..
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Die
Merkmale des Anspruchs 5 sind auf eine Herstellung eines Verzahnungsprofils
nach Art einer Geradverzahnung gerichtet. Die Arbeitsweise ist in diesem
Fall quasikontinuierlich angelegt, wobei Werkzeuge zum Einsatz kommen,
die zwecks Darstellung mehrerer, axial beabstandeter Umlaufebenen
auf der Innenseite des Werkzeugträgers angeordnet sind. Dies
bedeutet, dass entsprechend der Anzahl der Umlaufebenen mehrere
Gewindegänge bzw.
bezogen auf die einzelne Zahnstange mehrere Teilprofile gleichzeitig
bearbeitet werden, wobei während
dieser Bearbeitung das Werkstück
keinem axialen Vorschub unterliegt. Ist der diesen Teilprofilen entsprechende
Längenabschnitt
fertiggestellt, erfolgt ein diesem Abschnitt entsprechen-der Vorschub
des Werkzeugträgers
usw.
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Die
Merkmale des Anspruchs 7 sind auf eine zweckmäßige Ausgestaltung der Aufnahmewelle
gerichtet, durch welche eine besonders sichere, eine Gratbildung
weitgehend unterdrückende
Aufnahme des Werkstücks
erreichbar ist.
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Gemäß den Merkmalen
des Anspruchs 8 ist eine Zentriereinrichtung vorgesehen, welche
bei langen Aufnahmewellen aus Stabilitätsgründen, insbesondere zur Sicherung
der Maßhaltigkeit
der Verzahnungsprofile gegenüber
Verformungstendenzen der Aufnahmewelle sinnvoll ist.
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Die
Zahnstangen werden in jedem Fall in einem Durchgang nach Maßgabe der
Tiefe des Verzahnungsprofils bearbeitet. Von Vorteil ist auch, dass mit
dieser Vorrichtung eine Hartbearbeitung durch Einsatz von mit CBN
(kubisch kristallines Bornitrid) bestückten Schneidwerkzeugen möglich ist.
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Die
Erfindung wird im Folgenden unter Bezugnahme auf das in den beiliegenden
Zeichnungen vorgestellte Ausführungsbeispiel
näher erläutert werden.
Es zeigen:
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1 eine
Darstellung des Zusammenwirkens der Grundkomponenten der erfindungsgemäßen Vorrichtung;
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2 eine
Darstellung des in der Vorrichtung nach 1 für ein quasikontinuierliches
Verfahren eingesetzten Zerspanungswerkzeugs;
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3 eine
Darstellung des in der Vorrichtung nach 1 für ein kontinuierliches
Verfahren eingesetzten Zerspanungswerkzeugs;
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4 eine
Schnittansicht einer in der Vorrichtung nach 1 hergestellten
Zahnstange nebst zugeordnetem Zahnrad;
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5 eine
Prinzipdarstellung einer zur Einspannung und Zentrierung im Rahmen
der Vorrichtung gemäß 1 einsetzbaren
Einrichtung in einer Querschnittsansicht;
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6 eine
beispielhafte teilweise Querschnittsdarstellung einer erfindungsgemäßen Aufnahmewelle.
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Mit 1 ist
in 1 ein ringförmiger,
innenumfangsseitig mit Werkzeugen 2 bestückter, um
eine Achse 3 in Richtung des Pfeiles 3' drehend antreibbarer
Werkzeugträger,
auch Wirbelkreisel genannt, zeichnerisch angedeutet. Der Werkzeugträger 1 ist
in an sich bekannter Weise in einem zeichnerisch nicht dargestellten
Maschinengestell mit der Maßgabe
gelagert, dass die Umlaufbahn der Werkzeuge 2 um eine mittige
vertikale Achse 4 schwenkbar ist.
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Innerhalb
des Werkzeugträgers 1 erstreckt sich
eine Aufnahmewelle 6, deren Achse 6' um das Maß 5 exzentrisch zu
der Achse 3 des Werkzeugträgers 1 verläuft. Die
Aufnahmewelle 6 ist in ihrem Umfangsbereich in gleichförmiger Verteilung
mit sich parallel zu deren Achse 6' erstreckenden, untereinander gleichförmigen,
nutenartigen Aufnahmen 7 versehen, die jeweils zur Aufnahme
stangenartiger, im Querschnitt rechteckiger Werkstücke 8 eingerichtet sind.
Die Fixierung der Werkstücke 8 in
diesen Aufnahmen 7 kann in einer, dem Fachmann geläufigen Weise
geschehen, so dass sich weitere Ausführungen hierzu erübrigen.
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Die
Aufnahmewelle 6 ist um ihre Achse 6' in Richtung des Pfeiles 9,
somit gleichläufig
mit der Umlaufrichtung des Werkzeugträgers 1 antreibbar
gelagert. Die Drehzahl der Aufnahmewelle 6 ist jedoch niedriger
eingestellt als diejenige des Werkzeugträgers 1.
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Zur
technischen Darstellung dieses Konzepts kann die Aufnahmewelle 6 zwischen
dem Spindelstock und dem Reitstock einer Drehmaschine eingespannt
und somit durch deren Hauptantrieb um die Spindelachse angetrieben
werden. Der Werkzeugträger 1 kann
auf einem entlang der Spindelachse und in einer Horizontalebene
quer zu dieser zustellbaren Schlitten angeordnet sein, so dass die
Werkzeuge 2 die Aufnahmewelle 6 exzentrisch umkreisen und
das Maß 5 deren
Exzentrizität
einstellbar ist.
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Eine
dem Konzept der 1 entnehmbare Vorrichtung wird
nunmehr dazu benutzt, das Verzahnungsprofil von Zahnstangen ausgehend
von den Werkstücken 8 herzustellen,
und zwar mit der Maßgabe,
dass entsprechend der Anzahl von acht im Umfangsbereich der Aufnahmewelle 6 vorgesehenen
Aufnahmen 7 acht Werkstücke 8 bzw.
Zahnstangen gleichzeitig bearbeitet werden. Die vorzugsweise mit
Hartmetallschneidkörpern
bestückten
Werkzeuge 2 sind auf zwei radial voneinander beabstandeten Flugkreisen 10, 11 angeordnet
und dementsprechend zur Flanken- bzw.
zur Kopfprofilbearbeitung, letztere beispielsweise mittels Schälstählen bestimmt.
Entsprechend der herzustellenden Profilform können mit Hinblick auf die Erzielung
eines günstigen zwängungsfreien
Spanablaufs auch weitere, an das Profil angepasste Werkzeuge 2 eingesetzt
werden, die beispielsweise als Tiefenschneider, Profilschneider
usw. eingerichtet sind. Die Flugkreise 10, 11 sind axial,
nämlich
in Richtung der Achse 6' geringfügig versetzt
zueinander angeordnet.
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Das
auf diese Weise hergestellte Verzahnungsprofil der Werkstücke 8 ist
eine Bogenverzahnung 12, deren Krümmung durch die Radien der Flugkreise 10, 11 bestimmt
ist.
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Gegenüber dem
eingangs dargelegten Stand der Technik ergibt sich bei dieser Art
der Herstellung der Vorteil einer Einsparung von Fertigungssnebenzeiten,
da in einem Arbeitstakt acht Zahnstangen gleichzeitig bearbeitet
werden können.
Da die zerspanende Bearbeitung nach Art eines Wirbelverfahrens angelegt
ist, ergibt sich der weitere Vorteil, dass die Werkstücke 8 mit
einer im Vergleich zu einem Fräsverfahren
wesentlich höheren
Oberflächengüte ausbringbar
sind, die derjenigen einer Schleifbearbeitung zumindest nahekommt.
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Das
in 1 vorgestellte Maschinenkonzept kann zunächst einmal
zur Herstellung geradverzahnter Zahnstangen benutzt werden, deren
Zahnflanken in Ebenen senkrecht zu einer Zahnstangenlängsachse
verlaufen. Hierzu wird ergänzend
auf die Zeichnungsfigur 2 Bezug genommen.
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2 zeigt
in einem Ausschnitt ein langgestrecktes, zum Einsetzen in eine Aufnahme 7 bestimmtes
Werkstück 12,
in dessen einer Seite 13 ein solches Verzahnungsprofil
zu erstellen ist. Mit 14 ist ein in diesem Fall einzusetzendes
Werkzeug bezeich net, welches in dem gezeigten Ausführungsbeispiel
aus in axialer Richtung drei nach Maßgabe einer Teilkreisteilung
des Verzahnungsprofils voneinander beabstandeten Flankenprofilwerkzeugen 14' besteht, denen
jeweils ein axial versetzt angeordnetes Kopfprofilwerkzeug 14'' zugeordnet ist. Entsprechend dieser
Zweckbestimmungen sind diesen Profilwerkzeugen jeweils die Flugkreisdurchmesser 10' für das Flankenprofilwerkzeug 14' bzw. 11' für das Kopfprofilwerkzeug
zugeordnet.
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In
Umfangsrichtung des für
die Aufnahme derartiger mehrreihiger Werkzeuge 14 eingerichteten Werkzeugträgers sind
wiederum mehrere dieser Werkzeuge in gleichförmiger Verteilung vorgesehen, deren
Zusammenstellung mit Hinblick auf die Erzielung eines zwängungsfreien
Spanablaufs gewählt
ist.
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Der
Arbeitsablauf unter Verwendung von Werkzeugen 14 der in 2 gezeigten
Art ist diskontinuierlich dahingehend angelegt, dass aufeinanderfolgend
schrittweise jeweils drei Zahnflanken gleichzeitig bearbeitet werden,
wobei die Flugkreise 10, 11 der Werkzeuge 14 in
Ebenen senkrecht zur Längserstreckung
des Werkstücks 12 bzw.
den Achsen 3, 6' der
Aufnahmewelle und des Werkzeugträgers 1 positioniert
sind. Ein Vorschub des Werkzeugträgers 1 in der Richtung
der Achse 6' der
Aufnahmewelle 6 ist somit schrittweise angelegt, wobei
in Verbindung mit dem über
die Aufnahmewelle 6 darstellbaren Rundvorschub ein stetiger
Profilverlauf erreicht wird.
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Besonders
vorteilhaft ist das Maschinenkonzept gemäß 1 zur Herstellung
schrägverzahnter, sich
bekanntlich gegenüber
geradverzahnten Zahnstangen u. a. durch ein günstigeres Abwälzverhalten auszeichnender
Zahnstangen benutzbar und es wird hierzu Bezug genommen auf die
Zeichnungsfigur 3.
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Diese
zeigt in einem Ausschnitt ein in eine Aufnahme 7 (1)
eingesetztes Werkstück 15,
in dessen einer Seite 17 ein Verzahnungsprofil zu erstellen
ist, dessen Zahnflanken sich in solchen, zueinander parallelen Ebenen
erstrecken, die unter einem Winkel zu der Längserstreckung des Werkstücks 15 bzw.
den Achsen 3, 6' positioniert
sind.
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Ein
Werkzeug 16, und zwar ein Flankenprofilwerkzeug 16' und ein demgegenüber axial
geringfügig
versetzt angeordnetes Kopfprofilwerkzeug 16'' sind
in einem zeichnerisch nicht dargestellten Werkzeugträger gehalten,
dessen Umlaufebene nach Maßgabe
des Schrägungswinkels
des Verzahnungsprofils gegenüber
einer 90°-Position
für die
Herstellung geradverzahnter Zahnstangen verschwenkt ist.
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Die
Bearbeitung des Verzahnungsprofils erfolgt in diesem Fall in einem
kontinuierlichen Verfahren, wobei ein Axialvorschub des Werkzeugträgers in der
Richtung der Achse 6' der
Aufnahmewelle 6 nach Maßgabe der Teilkreisteilung
eingerichtet werden muß.
Eine gleichförmige
axiale Erstreckung der Verzahnungsprofile sämtlicher Werkstücke 15 kann durch
dementsprechende Positionierung derselben innerhalb der Aufnahmen 7 erreicht
werden, nämlich unter
Berücksichtigung
des Schrägungswinkels.
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Wie
die zeichnerische Darstellung gemäß 4 zeigt,
sind auf diesem Wege Zahnstangen 18 mit einer Bogenverzahnung 18' herstellbar,
und zwar in der Form einer Geradverzahnung oder einer Schrägverzahnung.
Ein für
einen Eingriff mit der mit der Zahnstange 18 bestimmtes
Zahnrad 19 kann in herkömmlicher
Weise mittels einer Abwälz-Schlagzahn-Fräsmaschine
hergestellt werden. Mit Hinblick auf den für die Schrägverzahnung im Vergleich zu
einer Geradverzahnung höheren Überdeckungsgrad sowie
die sich hieraus ergebende größere Laufruhe und
Tragfähigkeit
besteht ein besonderes Interesse an einer kostengünstigen
Herstellungsmöglichkeit dieser
Verzahnungsformen.
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5 zeigt
die Aufnahmewelle 6 mit einer an sich bekannten Zentriereinrichtung 19,
deren Verwendung in Abhängigkeit
von den absoluten Längenabmessungen
dieser Welle bzw. deren Steifigkeit mit Hinblick auf die Bearbeitungsgenauigkeit
zumindest zweckmäßig ist.
Die Zentriereinrichtung 19 besteht aus zwei, horizontal
sowie quer zu der Achse 6' auf
einem Maschinenbett 20 aufeinander zu sowie voneinander
fort verschiebbar angeordneten Spannbacken 21, 22,
durch welche die Aufnahmewelle 6 hinsichtlich ihrer Solllage
zentriert wird. Die Spannbacken 21, 22 bewirken
eine Zentrierung der Aufnahmewelle 6 in einer Solllage,
wobei die Aufnahmewelle 6 gegenüber disen Spannbacken drehbar
bleibt.
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Eine
jede der Spannbacken 21, 22 steht über eine
Spindelmutter 23, 24 mit einer zentral antreibbaren
Spindelwelle 25 im Eingriff, so dass in Verbindung mit
deren gegenläufigen
Gewindeabschnitten 25', 25'' die genannten Bewegungen der Spann backen 21, 22 darstellbar
sind. Die jeweiligen Elementenpaarungen Gewindeabschnitt 25', 25''/Spindelmutter 23, 24 sind
mit der Maßgabe
angelegt, dass diese Bewegungen symmetrisch bezüglich einer, die Achse 6' enthaltenden
Vertikalebene verlaufen.
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Ein
zentralisierter Antrieb der Zentriereinrichtung 19 ist über einen
Motor 26, dessen Abtriebswelle 27 und einem unmittelbar
mit der Spindelwelle 25 in Verbindung stehenden Getriebe 28 gegeben.
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6 zeigt
eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung der Aufnahmewelle 6.
Diese weist im Ausgangszustand, dass heißt vor der ersten Nutzung ein Durchmessermaß 29 auf
und ist wie vorstehend beschrieben mit achsparallelen Aufnahmen 7 versehen, die
in gleichförmiger
Umfangsverteilung vorliegen. Dieses Durchmessermaß 29 entspricht
gleichzeitig dem Durchmesser zwischen den einander gegenüberliegenden
Scheitelpunkten 30 zweier fertig bearbeiteter, sich in
den entsprechenden Aufnahmen 7 befindlicher Werkstücke 8.
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Ein
erstmaliges zerspanendes Bearbeiten nach Maßgabe einer Zahnhöhe 31 führt somit
zur Ausbildung eines sich gleichförmig über den Umfang der Aufnahmewelle 6 und
entlang des bearbeiteten Bereichs erstreckenden Verzahnungsprofils,
welches somit gleichförmig
den Werkstoff der Aufnahmewelle 6 und denjenigen der Werkstücke 8 in
einer der Zahnhöhe 31 entsprechenden
Tiefe durchdringt.
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Die
auf diese Weise eingerichtete Aufnahmewelle 6 ist somit
durch Aufnahmen 7 gekennzeichnet, die an ein bestimmtes
Werkstück 8 und
an ein bestimmtes Verzahnungsprofil angepasst sind, wobei die äußere Oberfläche zwischen
den Aufnahmen 7 ebenfalls dieses Verzahnungsprofil aufweist.
In Verbindung mit einer NC-gesteuerten Führung des Werkzeugträgers 1,
insbesondere einem definierten und reproduzierbaren Anfangspunkt
eines Zerspanungseingriffs kommt es bereits bei einer zweiten Nutzung
einer solchen Aufnahmewelle 6 nicht mehr zu einem zerspanenden
Eingriff mit dieser. Die zu bearbeitenden Werkstücke 8 hingegen erfahren
eine gute Stützwirkung
und es kann insbesondere einer Gratbildung auf diese Weise optimal
begegnet werden.
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Man
erkennt anhand der vorstehenden Ausführungen, dass mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung
ein Arbeitsmittel zur Verfügung
gestellt ist, welches eine äußerst rationelle
Herstellung von Zahnstangen mit einem Bogenprofil ermöglicht,
und zwar in einem Durchgang mit einer für das Wirbelverfahren charakteristischen
hohen Oberflächengüte.