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Die Erfindung betrifft ein Schneidwerkzeug für Wälzstoßmaschinen
nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Werkzeuge für das Stoßen oder Ziehen in kontinuierlichen
Wälz- oder
Teilwälzverfahren
zur Herstellung von Profilen, z. B. von Stirn- und Planverzahnungen,
werden grundsätzlich
mit sogenannten Freiwinkeln ausgeführt. Die Werkzeug-Freiwinkel
ermöglichen
ein kollisionsfreies Profilieren während der kontinuierlichen
radialen Zustellung und/oder Wälzbewegung
im Arbeitshub, besonders im nicht-spanenden Rückhub.
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Die verwendeten Frei- und Spanwinkel
bei nachschärfbaren
Werkzeugen haben jedoch einen negativen Einfluss auf das zu erzeugende
Profil. Während
der Werkzeugabnutzung treten zwischen dem Neu- und Abschärfzustand
(Nutzhöhe),
abhängig
von der Werkzeuggeometrie, unterschiedliche Profilabweichungen auf.
Lediglich in der Werkzeug-Konstruktionsebene, welche meist in der
Mitte der Nutzhöhe
liegt, kann das Profil korrekt erzeugt werden. Die geforderten Werkstücktoleranzen
begrenzen daher vorrangig die Werkzeugnutzhöhe. Für hochgenaue Profile mit sehr
geringen Toleranzen werden oftmals „Einwegwerkzeuge", wie WAFER und SOLID
WAFER mit keiner oder nur sehr geringer Nutzhöhe, eingesetzt.
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Die begrenzte Werkzeugabnutzung führt jedoch
zu relativ hohen Werkzeugkosten pro Werkstück.
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Ein weiteres Problem stellt die Profilherstellung
an sehr langen wellenförmigen
Werkstücken
mit gleichfalls großen
Hüllkreisdurchmessern
dar. Als Beispiel kann hier die Bearbeitung von Rollenkettenprofilen
an Kurbelwellen aufgeführt
werden. Die sich ergebenden Bearbeitungssituationen erfordern durchweg
drastische Einschränkungen
der Zerspanungsparameter für
die Wälzstoßmaschine
und führen
damit zu hohen Fertigungskosten.
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Die Ursache ist in erster Linie die
weitgehend parallele Anordnung der Werkstück- und Werkzeugachse. Um Kollisionen von
Werkstück-
und/oder Werkzeug mit angrenzenden Maschinenelementen, wie Stoßkopf, Gegenhalter,
Spannvorrichtung und anderem zu vermeiden, sind entsprechende Abstände einzuhalten.
Unter Bezugnahme auf die 1,
in der eine Anordnung gemäß dem Stand
der Technik gezeigt ist, sind hier besonders der Achsabstand A zwischen
der Werkstück-
und Werkzeugachse, sowie der Abstand B zwischen der Stoßkopfunterkante
und der Werkzeugspanfläche
genannt, die hier maßgebend
sind. Beide Abmessungen führen
in der Regel zu sehr großen
Werkzeugdurchmessern und langen Schneidradhaltern. Diese verursachen
erhebliche Steifigkeits- und Qualitätsverluste, wobei die zwangsläufig größeren Massenträgheitsmomente
zu hohen dynamischen Belastungen des oszillierenden Hubantriebes
führen.
Reduzierungen der Zerspanleistung und der Hubgeschwindigkeit sind
notwendig, wobei sich erhebliche Produktivitätsverluste ergeben.
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Das zur Herstellung der Rollenkettenverzahnung
gemäß 1 verwendete Werkzeug ist
profilgeschliffen und kann, analog zu den obigen Ausführungen,
das korrekte Profil lediglich in der Konstruktionsebene fertigen.
Entsprechende Begrenzungen der Nutzhöhe, gegebenenfalls Ausweichlösungen für das zu
erzeugende Profil (wie z. B. durch teilweisen Ersatz der Radien
durch Evolventen) sind notwendig.
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Wie anhand der vorgenannten Ausführungen
gezeigt, ist einerseits bei hohen Genauigkeitsanforderungen die
Arbeit mit nachschärfbaren
Werkzeugen gemäß Stand
der Technik problematisch. Andererseits ergibt sich bei weitgehend
paralleler Anordnung von Werkstück
und Werkzeug für
das Werkzeug eine relativ große
Abmessung.
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Um das zweite der vorgenannten Probleme zu
lösen,
wurde bereits die geometrische Zuordnung zwischen Werkstück und Werkzeug
verändert.
Hierzu wurde einerseits das Werkstück mittels eines Schwenktisches
geneigt und/oder das Werkzeug mittels eines Schwenkständers. Durch
den entstehenden gemeinsamen Achsenwinkel sind kleinere Abmessungen
des Werkzeuges und des Werkzeughalters möglich. Der entstehende Achsenwinkel
kann durch eine entsprechende Kopplung der das Werkzeug tragenden
Stoßspindel
mit einem Abhebenocken ausgeglichen werden, wobei über den
Abhebenocken der Stoßspindel
eine entsprechende Ausgleichsbewegung aufgeprägt wird.
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Aufgabe der Erfindung ist es, ein
Schneidwerkzeug für
Wälzstoßmaschinen
an die Hand zu geben, das einen geometrisch einfachen Aufbau aufweist
und kostengünstig
herstellbar sowie nachbearbeitbar ist, ohne Qualitätseinbußen am Werkstück hervorzurufen.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die
Kombination der Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
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Gemäß Anspruch 1 weist ein Schneidwerkzeug
für Wälzstoßmaschinen,
in denen die Werkzeugachse und die Werkstückachse zueinander geneigt
sind und in denen die das Werkzeug tragende Stoßspindel derart mit einem Abhebenocken
gekoppelt ist, dass der Achsen- oder Achsendifferenzwinkel während der
Stoßbewegung kompensierbar
ist, eine einfache Stirnradgeometrie mit annähernd gleicher Zahndicke über die
gesamte Profilbreite auf.
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Erfindungsgemäß wird also auf die Profilfreiwinkel,
d. h. die Freiwinkel am Zahnkopf und den Flanken verzichtet. Unabhängig von
seiner Bauform, beispielsweise als Scheiben-, Schaft-, Glocken-
oder Hohlwerkzeug erhält
das Schneidwerkzeug damit eine einfache Stirnradgeometrie mit annähernd gleicher
Zahndicke über
die gesamte Profilbreite. Die Breite des Profils kann analog der
Werkzeugnutzhöhe
theoretisch beliebig groß gewählt werden,
da die sonst üblichen
konstruktiven Einschränkungen
infolge der Freiwinkel gänzlich
entfallen.
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Das Werkzeug kann konventionell eine
einfache Spanfläche
aufweisen. Aufgrund der einfachen Stirnradgeometrie mit gleicher
Zahndicke kann es aber auch auf der Rückseite eine weitere Spanfläche aufweisen.
Bei der Werkzeugausführung
mit doppelter Spanfläche
ist nach dem gemeinsamen Schärfen lediglich
eine gemeinsame Hartstoff-Wiederbeschichtung notwendig. Hieraus
ergeben sich weitere Reduzierungen der Werkzeugkosten pro Werkstück.
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Weitere vorteilhafte Ausführungsformen
der Erfindung ergeben sich aus den weitern Unteransprüchen.
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Weitere Einzelheiten und Merkmale
der Erfindung ergeben sich aus den in der beigefügten Zeichnung dargestellten
Ausführungsbeispielen.
Es zeigen:
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1:
eine schematische Darstellung einer Wälzstoßmaschine nach dem Stand der
Technik, in welchem Werkzeugachse und Werkstückachse parallel zueinander
ausgerichtet sind,
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2.
eine schematische Darstellung einer Wälzstoßmaschine nach einer bevorzugten
Ausgestaltung der Erfindung, in welcher Werkzeugachse und Werkstückachse
zueinander geneigt sind,
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3:
eine schematische Darstellung der Wälzstoßmaschine gemäß 2 zur Erläuterung
der geometrischen Verhältnisse,
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4:
einen Teilschnitt durch ein Schneidwerkzeug nach dem Stand der Technik,
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5:
eine Detaildarstellung eines Schneidwerkzeugs gemäß einer
ersten Ausführungsvariante der
vorliegenden Erfindung,
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6 – 9: weitere Darstellungen
erfindungsgemäßer Schneidwerkzeuge.
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Sowohl in der 1 gemäß dem Stand
der Technik wie auch in 2 nach
der vorliegenden Ausführungsvariante
ist ein Schneidwerkzeug 10 dargestellt, welches in einem
Werkzeughalter 12 eingespannt ist. Der Werkzeughalter ist
am unteren Ende der Stoßspindel 34 befestigt.
Im hier dargestellten Ausführungsbeispiel
ist in einer Spannvorrichtung 16 mit Gegenhalter 18 ein
Werkstück 20 eingespannt,
das hier aus einem Rollenkettenprofil 22 an einer Kurbelwelle
besteht.
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In der Wälzstoßmaschine gemäß 1 ist die Werkzeugachse 24 parallel
zur Werkstückachse 26 ausgerichtet.
Hierdurch ist ein vergleichsweise großer Abstand A, d. h. ein Achsabstand
zwischen der Werkzeugachse 24 und der Werkstückachse 26, bedingt.
Auch der Abstand B, d. h. die Länge
des Werkzeughalters ist recht groß. In der Wälzstoßmaschine gemäß 2 ist die Werkzeugachse 24 gegenüber der
Werkstückachse 26 geneigt.
Hierdurch kann der Achsabstand A einerseits und der Abstand B, d.
h. die Länge
des Werkzeughalters 12 erheblich reduziert werden. Entscheidend
ist es aber, dass in der Anordnung gemäß 2 das erfindungsgemäße Schneidwerkzeug 10,
wie es sich aus den später noch
zu beschreibenden 5 – 9 beispielhaft ergibt, einsetzbar
ist.
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Anhand der 3 werden die geometrischen Verhältnisse
der Wälzstoßmaschine
gemäß 2 näher erläutert. Mit 5 ist dort
der Aufhängepunkt
des Stoßkopfes
bezeichnet. Ein schematisch dargestellter Abhebenocken, der hier
mehrteilig darge stellt ist und insgesamt mit dem Bezugszeichen 32 bezeichnet
ist, wirkt mit einer Stoßspindel 34 zusammen,
die die überlagerte
Stoßbewegung
auf das Werkzeug 10 überträgt. Mit 22 ist
das zu bearbeitende Werkstück
bezeichnet, das hier in zwei verschiedenen Ausführungsformen gezeigt ist, nämlich in
der linken vergrößerten Darstellung
als Werkstück 22 mit achsparallelem
Längsprofil
und alternativ dazu dargestelltes Werkstück 22' mit konischem Längsprofil. Mit
Bw ist die Verzahn- oder Profilbreite des
Werkstückes
bezeichnet. L1 gibt den Abstand zwischen Stoßkopfaufhängepunkt 5 und der
Abhebenockenebene an. L2 bezeichnet den Abstand vom Stoßkopf-Aufhängepunkt 5 bis
zur Mitte der Werkstück-Verzahn- oder
Profilbreite. Xp bezeichnet den Kompensationsbetrag
bei achsparallelem Längsprofil
während
XK den Kompensationsbetrag bei konischem
Längsprofil zeigt.
X' bezeichnet den
Kompensationsbetrag bezogen auf die Abhebenockenebene. Mit Σ ist der
Konizitätswinkel
im Zahn- oder Profilgrund benannt. φ bezeichnet den Achswinkel
zwischen Werkzeug- und Werdstückachse. φK ist der Differenzwinkel aus Achsenwinkel φ und Konizitätswinkel Σ bei konischem Längsprofil.
Der Kompensationsbetrag in der Abhebenockenebene errechnet sich
für die
beiden hier dargestellten Beispiele wie folgt.
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1. für das achsparallele Längsprofil: X'= tan φ * B * L1/L2
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2. für das konische Längsprofil: X'= tan (φ – Σ) * B * L1/L2.
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Anhand der 4 wird eine Schneidwerkzeuggeometrie
nach dem Stand der Technik gezeigt. Das Schneidwerkzeug 10' zeigt hier
einen Kopftreiwinkel υ und
einen Flankenfreiwinkel ζ und
einen Spanwinkel am Zahnkopf η am
Werkzeug auf.
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In 5 ist
ein erfindungsgemäßes Schneidwerkzeug 10 gezeigt,
aus dem die einfache Stirnradgeometrie deutlich wird, da hier über die
gesamte Profilbreite BC die gleiche Zahndicke
ausgebildet ist. Die Werkzeugfreistellung ergibt sich durch den
verfahrensbedingten Kopffreiwinkel φ, der aufgrund der Neigung
der Werkzeugachse 24 zur Werkstückachse 26 bedingt
ist (vgl. 2). Mit ζφ ist
der Flankenfreiwinkel bezeichnet.
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In 6 ist
ein erfindungsgemäßes Schneidwerkzeug
mit einfacher Spanfläche
gezeigt, wobei die Spanfläche 40 hier
als kegelförmige
Spanfläche ausgebildet
ist. Bei der Bearbeitung achsparalleler gerader Längsprofile
ergibt sich ein wirksamer Spanwinkel η' von ca. 5 Grad + φ. Bei Herstellung eines konisch
geraden Längsprofils
ergibt sich ein Spanwinkel von η' = ca. 5 Grad + φK.
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In 7 ist
ein erfindungsgemäßes Werkzeug 10 mit
doppelter kegelförmiger
Spanfläche 40 und 42 dargestellt.
Hier ist also die kegelförmige Spanfläche 40,
wie sie anhand der 6 gezeigt wurde,
auch auf der gegenüberliegenden
Seite des Werkzeuges angeordnet. Die Werkzeuge 10 gemäß der 6 und 7 dienen zur Herstellung gerader Längsprofile.
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Setzt man ein Werkzeug 10 bei
der Herstellung von schrägen
achsparallelen oder konischen Längsprofilen
ein, wird der oszillierenden Hubbewegung eine definierte Drallbewegung,
mittels entsprechender Maschineneinrichtungen, überlagert. Für die notwendige
Kompensation mittels Abhebenocken gelten die gleichen Beziehungen
wie bei den geraden Längsprofilen.
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In den 8 und 9 sind Werkzeugausführungen
für schräge Längsprofile
gezeigt, wobei 8 wiederum
eine einfache Spanfläche 44 und
die 9 eine Ausführungsvariante
mit einer doppelten Spanfläche 44 und 46 zeigt.
Die Beziehung für
den Spanwinkel η' entsprechen denjenigen
gemäß der 6 und 7. Hinzu treten die Winkel τ für die Spanflächen 48 bzw. 48 und 50.
In den Darstellungen ist jeweils auch der Schrägungswinkel ß gezeigt.
Hier gilt, dass üblicherweise
der Spanflächenwinkel τ ≤ dem Schrägungswinkel ß ist.