DE2313212B2 - Walzverfahren zur Herstellung von Kunststoff zahnrädern - Google Patents

Description

bei hoher Temperatur des heißen Werkzeuges Zahnräder erzeugt werden können, bei denen der Zahnkopf walzenförmig ausgebildet ist und der Zahnfuß etwa der Unterseite eines Schiffes gleicht Auch hier ist die Zahnform nicht korrekt, obwohl 5 sie etwas besser als beim Kaltwalzverfahren ausgebildet ist Daher ist das bekannte Warmwa!zverfahren zur Herstellung von Kunststoffzahnrädern somit ebenfalls unzweckmäßig.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Walzverfahren zur Herstellung von Kunststoffzahnrädern zu schaffen, mit dem eine genaue Herstellung der Kunststoffzahnräder bei geringem Zeitaufwand möglich ist.

Diese Aufgabe wird bei einem Walzverfahren der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß auf diese Weise in einem Vorwalzvorgang eine der gewünschten Zahnform ähnliche Zahnform gewalzt und die exakte Zahnform durch einen anschließenden Fertigwalzvorgang erha'ten wird, bei dem ein Kaltwerkzeug eingesetzt wird, dessen Temperatur niedriger als die Betriebstemperatur des heißen Werkzeuges ist.

Das erfindungsgemäße Verfahren weist die folgenden Vorteile auf:

a) Die Oberfläche des Zahnrades ist besonders glatt und der Reibungskoeffizient minimal, so daß sich beim Einsatz des Zahnrades ein guter Wirkungsgrad ergibt;

b) die Zahnoberfläche kann als sehr glatte, gekrümmte Fläche ausgebildet werden;

c) die Faser ist an der Zahnoberfläche nicht unterbrachen und dies hat eine feste Struktur und eine erhöhte Festigkeit des Zahnrades zur Folge;

d) die Bearbeitung kann mittels einer kleinen und einfachen Walzmaschine durchgeführt werden;

e) die Arbeitszeit ist kurz;

f) es ein Kronrad hergestellt werden;

g) eine infolge Feuchtigkeit vergrößerte Zahnform kann berichtigt und gewalzt werden.

Das Vorerhitzen und das Erhitzen des Rohstoffes und die Auswahl und das zeitliche Auswechseln von zwei Werkzeugarten sollen geeignet aufeinander abgestimmt werden.

Das Verfahren kann nicht nur bei einem ritzelartigen Werkzeug angewendet werden, sondern auch bei anderen Formwerkzeugen wie Zahnstangen, innenverzahn- 4$ ten Rädern u. dgl.

Die Erfindung wird an Hand von 9 Figuren näher erläutert. Es zeigt

F i g. 1 einen Teilschnitt eines Nylon-Zahnrades mit einer Flankenansicht, das in bekannter Weise durch Walzen von kaltem Rohmaterial mit einem kalten Werkzeug hergestellt worden ist,

F i g. 2 eine Ansicht der Zahnform (Kontur) des Zahnrades gemäß F i g. 1,

Fig.3 einen Teilschnitt eines Nylon-Zahnrades mit einer Flankenansicht, das in bekannter Weise durch Walzen eines kalten Rohmaterials mit einem heißen Werkzeug hergestellt worden ist,

F i g. 4 eine Ansicht der Zahnform des Zahnrades gemäß F ig. 3,

F i g. 5 eine schematische Draufsicht, teilweise geschnitten, einer Vorrichtung zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens,

Fi g. 6 eine perspektivische Ansicht der Vorrichtung

gemäß F i g. 5,

Fig.7 einen Teilschnitt mit einer Flankenansicht eines Nylon-Zahnrades, das einem Fertigwalzvorgang entsprechend der Erfindung unterzogen worden ist,

Fig.8 einen Teilschnitt mit einer Flankenansicht eines Nylon-Zahnrades in einem Stadium, wo auf beiden Seiten der Grat weggeschnitten ist,

F i g. 9 eine Ansicht der Zahnform des Zahnrades gemäß F i g. 8.

Im folgenden wird die Walzfolge zur Herstellung von Kunststoffzahnrädern gemäß der Erfindung im einzelnen beschrieben.

Der Herstellvorgang umfaßt ein Vorwalzen, bei dem durch Druck mit einem heißen Werkzeug ein zylinderfönniges Rohmaterial in kurzer Zeit in eine dem fertigen Zahnrad ähnliche Form und Abmessung verformt wird, sowie ein darauffolgendes Fertigwalzen, bei dem das Zahnrad mittels eines kalten Werkzeuges auf genaue Form und Abmessung gebracht wird.

Gestützt auf die neue Theorie, daß Abmessungsfehler notwendigerweise auf Grund von Schwankungen der Entfernung zwischen den Achsen beim Eindrücken eines Werkzeuges in ein Rohmaterial während des Vorwalzens auftreten und auf das Versuchsergebnis, wonach mit Warmwalzen eine bessere Zahnform erzielt wird als mit Kaltwalzen, wird die entsprechende Zahnform in so kurzer Zeit wie möglich durch Erweichen oder Schmelzen der Oberfläche des Rohmaterials mit einem heißen Werkzeug erzeugt.

Es ist möglich, daß ein heißes, auf eine Temperatur, die höher ist als die Erweichungstemperatur des Rohmaterials, gebrachtes Werkzeug auf ein kaltes Rohmaterial gedrückt wird, jedoch vermindert ein Vorwärmen des Rohmaterials in einer Rohmaterial-Versorgungsanlage, wie sie weiter unten beschrieben wird, oder durch Strahlungsheizung oder durch eine Ölbadheizung um die Achse des Rohmaterials die Bearbeitungszeit, und es können besonders gute Ergebnisse erzielt werden.

Unter »heißes Werkzeug« soll im allgemeinen ein Werkzeug verstanden werden, das durch beliebige Mittel auf eine Temperatur oberhalb der Erweichungstemperatur des Rohmaterials (einschließlich Temperaturen höher als dei Schmelzpunkt) erhitzt worden ist, während unter »kaltes Werkzeug« im allgemeinen ein Werkzeug verstanden werden soll, das auf einer Temperatur gehalten wird, die niedriger ist als die des heißen Werkzeuges und auch die Raumtemperatur umfaßt.

Der einleitende Schritt des Fertigwalzvorganges »Korrektur von Form und Abmessung« wird in ziemlich kurzer Zeit durchgeführt, d. h. Fehler, die beim Vorwalzen gemacht wurden, werden noch im weichen oder geschmolzenen Zustand der Rohmaterialoberfläche verbessert.

Die »Korrektur von Form und Abmessung« ist der wichtigste Vorgang des Ganzen, weshalb je nach den Eigenschaften des Kunststoffrohmaterials ein heißes Werkzeug und ein kaltes Werkzeug in geeigneter Weise abwechselnd oder gleichzeitig benutzt werden müssen. In der Endstufe des Fertigwalzvorganges wird da: Rohmaterial in kurzer Zeit mit einem Kaltwerkzeug abgekühlt und gehärtet, um die Erhaltung der richtiger horm und Abmessung zu bewirken.

Die F i g. 5 und 6 zeigen ein Beispiel einer Vorrich tung, mit der das Walzverfahren nach der Erfindung durchführbar ist.

An einem Ende einer Rohmaterialwelle 1, die hori zontal durch (nicht dargestellte) Lager in einem Rah men 14, 15 gelagert ist, sind ein Antriebszahnrad 2 unc eine Riemenscheibe 13, die durch einen (nicht darge stellten) Antrieb angetrieben werden, angeordnet. Arr anderen Ende der Rohmaterialwelle 1 ist eine Rohma

terial-Halterung (nicht gezeigt) zum Befestigen des Rohmaterialstückes 11 vorgesehen.

Zu beiden Seiten der Rohmaterialwelle 1 sind angetriebene Wellen 16 und 17 in (nicht dargestellten) Lagern gelagert, wobei jeder der angetriebenen Wellen 16 und 17 ein Antriebszahnrad 3 bzw. 4 zugeordnet ist, das die Wellen ohne Spiel mit dem Antriebszahnrad 2 verbindet. Beide Wellen 16 und 17 sind mit zwei weiteren Wellen 18 und 19 durch Oldham-Kupplungen 5 bzw. 6 (Kupplungen, bei denen zwischen einer Antriebsscheibe und einer quer zur Drehachse verschieblichen Abtriebsscheibe eine Kupplungsscheibe rotiert) verbunden.

Die beiden Wellen 18 und 19 sind in Schlitten 9 und 10 gelagert, die senkrecht zu den Wellen bewegbar sind. Das ritzelartige heiße Werkzeug 7 sitzt auf der quer verschiebbaren Welle 18, während das ritzelartige kalte Werkzeug 8 auf der anderen verschiebbaren Welle 19 angeordnet ist, so daß die Wellen zusammen mit den Schlitten gegen das Rohmaterialstück 11 bewegt werden können.

Das heiße Werkzeug 7 ist gesondert oder gleichzeitig durch Hochfrequenzaufheizung, Strahlungsheizung mittels eines Heizgerätes 20, das um das heiße Werkzeug herum angeordnet ist, durch eine im Innern des heißen Werkzeuges angeordnete Heizung oder durch eine Ölbadheizung aufheizbar.

Mit der Zahl 12 ist eine Rohmaterialversorgungseinrichtung bezeichnet, die koaxial gegenüber der Rohmaterialwelle 11 angeordnet ist. In der Versorgungseinrichtung 12 ist in zylindrischer Form geschnittenes Kunststoffrohmaterial eingeschlossen, das, wenn notwendig, erhitzt werden kann. In diesem Fall wird die Versorgungseinrichtung 12 gedreht und dabei das Rohmaterial durch eine um die Versorgungseinrichtung 12 herum angeordnete Strahlungsheizung gleichmäßig erhitzt. Das Rohmaterial kann auch im ölbad erhitzt werden.

Ein in die Versorgungseinrichtung 12 eingeschlossenes Rohmaterialstück wird vorgewärmt und gedreht so daß die Materialoberfläche bis in eine vorausbestimmte Tiefe ausreichend erweicht wird. Das Rohmaterialstück 11, das von der Versorgungseinrichtung 12 an die Rohmaterialwelle 1 übergeben und dort gehalten wird, rotiert mit der Welle 1. Zur gleichen Zeit rotieren auch die Ritzelwerkzeuge 7 und 8 durch den Antrieb über die Zahnräder 3 und 4, die Antriebswelle 16 und 17, die Oldham-Kupplungen 5 und 6 und die verschiebbaren Wellen 18 und 19.

Sobald das Rohmaterialstück 11 auf der Welle 1 sitzt, wird dafür gesorgt, daß ein Abfall der Oberflächentemperatur vermieden wird und es wird die Erweichung, wenn notwendig, durch Strahlungsheizungen (nicht gezeigt) beschleunigt Das rotierende heiße Werkzeug 7 wird dann durch Vorwärtsbewegung des Schlittens in das Rohmaterial If bis in eine vorausbestimmte Hefe eingedrückt, um das Vorwalzen so früh wie möglich durchzuführen und danach wird der andere Schlitten 10 rargefahren, um das kalte Werkzeug zum Fertigwalzen in Berührung mit der Zahnform zu bringen.

Wenn das Zurücknehmen des heißen Werkzeuges 7 rüher erfolgt als die Berührung des kalten Werkzeuges i mit dem Werkstück, werden die beiden Werkzeuge ibwechselnd benutzt während beide Werkzeuge gleichzeitig zur Anwendung kommen, wenn das Zuücknehmen des heißen Werkzeuges 7 später als die ;enannte Berührung erfolgt

Beim Fertigwalzvorgang sind vorzugsweise bis zur Beendigung der Korrektur der Zahnform und Zahn oberfläche nahezu die gleichen Bedingungen einzuhalten wie beim Vorwalzen. Wegen der Notwendigkeil der Kühlung zum Fixieren der Zahnform und der Abmessungen endet danach das Fertigwalzen in einem Stadium, wo im Prinzip nur noch ein kaltes Werkzeug angewendet wird.

Auch beim Fertigwalzen kann entsprechend der im folgenden aufgeführten Möglichkeiten je nach den ίο Eigenschaften des Rohmaterials und der Art und Größe der zu korrigierenden Fehler ein wechselweiser oder gleichzeitiger Gebrauch von heißen und kalten Werkzeugen ratsam sein:

1. Das Vorwalzen endet mit einem heißen Werkzeug und das Fertigwalzen beginnt mit einem kalten;

2. das Vorwalzen endet mit einem heißen Werkzeug und der Fertigwalzvorgang wird in einem früheren Schritt mit einem heißen, in einem späteren Schritt mit einem kalten Werkzeug durchgeführt;

3. das Vorwalzen wird in einer früheren Stufe als Warmwalzen, in einer späteren Stufe mit einem kalten Werkzeug ausgeführt und der Fertigwalzschritt erfolgt mit einem kalten Werkzeug;

4. Heiß- und Kaltwerkzeuge werden gleichzeitig in J5 der Endstufe des Vorwalzens eingesetzt, während das Fertigwalzen mit einem kalten Werkzeug ausgeführt wird;

5. das Vorwalzen wird mit einem heißen Werkzeug beendet, während das Fertigwalzen gleichzeitig mit heißen und kalten Werkzeugen in einer früheren Stufe und mit einem Kaltwerkzeug in einer späteren Stufe durchgeführt wird;

6. heiße und kalte Werkzeuge werden gleichzeitig beim Endschritt des Vorwalzens und nacheinander auch bei einem früheren Schritt des Fertigwalzens und ein Kaltwerkzeug wird bei einem späteren Fertigwalzschritt angewendet
F i g. 7 zeigt einen Teilschnitt mit Flankenansicht eines Nylon-Zahnrades, das einem Fertigwalzvorgang nach dem erfindungsgemäßen Walzverfahren unterzogen wurde, wobei die Grate 50 und 51, die an beiden Enden entstanden sind, maschinell oder von Hand zu entfernen sind F i g. 8 zeigt die gleiche Ansicht des fertigen Zahnrades, bei dem die Grate entfernt sind und F i g. 9 die Zahnform dieses Rades.

Unter der Voraussetzung, daß als Rohmaterial Nylon 6 oder Acetalharz benutzt wird, kann das Rohmaterial mit oder ohne Vorerhitzung im Temperaturbereich zwischen etwa 220 und 280⁰C gewalzt werden. Ohne Vorerhitzung wird das beste Ergebnis bei etwa 260⁰C erzielt während bei zusätzlicher Vorheizung die günstigste Temperatur niedriger liegt

Im folgenden werden zwei praktisch ausgeführte Beispiele angegeben, die eine konkrete Vorstellung über den Ablauf des Verfahrens und die erzielbare Genauigkeit geben sollen.

Beispiel 1

Rohmaterial: Nylon 6
Außendurchmesser des Zahnradkörpers (ohne Zähne) 50mm

Breite des Zahnradkörpers

(ohne Zähne) 10mm

Bearbeitungsdrehzahl 30 U/min

Temperatur des heißen

Werkzeugs 220bis 300°C

₇ b

Vorschubgeschwindigkeit des

heißen Werkzeugs 0,065 mm/sec

Temperatur des kalten

Werkzeuges Raumtemperatur

Gesamtzeit der Berührung 60 see

Das nach diesem Verfahren gefertigte Nylon-Zahnrad wies eine ausgezeichnete Maßhaltigkeit auf.

Beispiel 2

Rohmaterial: Nylon und Acetalharz Außendurchmesser des Zahnradkörpers (ohne Zähne) 50 mm

Breite des Zahnradkörpers

(ohne Zähne) 10 mm

Vorheiztemperatur 60 bis 100° C

Bearbeitungsdrehzahl 30 U/min

Temperatur des heißen

Werkzeugs 250 bis 26O⁰C

13212

Radialer Vorschub des heißen

Werkzeugs 0,15 mm/sec

Temperatur des kalten

Werkzeugs Raumtemperatur

Gesamtzeit der Berührung 40 bis 50 see

Genauigkeit des gewalzten Nylon-Zahnrades

a) Fehler des Zahnprofils 12 μ

b) Teilungsfehler 9 μ

ίο Genauigkeit des gewalzten Acetalharz-Zahnrades

a) Fehler des Zahnprofils 8 μ

b) Teilungsfehler 7 μ

Wie die Beispiele zeigen, kann bei dem erfindungsge mäßen Verfahren mit einem geringen Aufwand und in nerhalb sehr kurzer Zeit ein Plastikzahnrad hoher Ge nauigkeit gewalzt werden.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

»9547

Claims (10)

Patentansprüche:

1. Walzverfahren zur Herstellung von Kunststoffzahnrädern, bei dem in ein Kunststoffrohmaterial mittels eines heißen Werkzeuges, dessen Tempera- S tür oberhalb der Erweichungstemperatur des Rohmaterials gehalten wird, die gewünschte Zahnform eingewalzt wird, dadurch gekennzeichnet, daß auf diese Weise in einem Vorwalzvorgang eine der gewünschten Zahnform ähnliche Zahnform ge- to walzt und die exakte Zahnform durch einen anschließenden Fertigwalzvorgang erhalten wird, bei dem ein Kaltwerkzeug eingesetzt wird, dessen Temperatur niedriger als die Betriebstemperatur des heißen Werkzeuges ist ¹S

2. Walzverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für den Vorwalzvorgang nur das heiße Werkzeug und für den Fertigwalzvorgang nur ein Kaltwerkzeug benutzt wird.

3. Walzverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in einem früheren Fertigungsschritt des Vorwalzvorgangs das heiße Werkzeug benutzt wird, in einem späteren Fertigungsschritt des Vorwalzvorgangs gleichzeitig Heiß- und Kaltwerkzeuge eingesetzt werden. ²S

4. Walzverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für den Vorwalzvorgang das heiße Werkzeug benutzt wird, während in einem früheren Fertigungsschritt des Fertigwalzvorganges gleichzeitige Heiß- und Kaltwerkzeuge eingesetzt werden und in einem späteren Fertigungsschritt des Fertigwalzvorganges das Kaltwerkzeug benutzt wird. *

5. Walzverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in einem früheren Fertigungsschritt des Vorwalzvorganges das heiße Werkzeug benutzt wird, in einem späteren Fertigungsschritt des Vorwalzvorgangs und in einem früheren Fertigungsschritt des Fertigwalzvorgangs gleichzeitig Heiß- und Kaltwerkzeuge eingesetzt werden und in einem späteren Fertigungsschritt des Fertigwalzvorganges das kalte Werkzeug benutzt wird.

6. Walzverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in einem früheren Fertigungsschritt des Vorwalzvorgangs das heiße Werkzeug und in einem späteren Verfahrensschritt des Vorwalzvorgangs und danach das kalte Werkzeug benutzt wird.

7. Walzverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das heiße Werkzeug bis zu einem $° früheren Fertigungsschritt des Fertigwalzvorgangs und dann das kalte Werkzeug bei einem späteren Fertigungsschritt des Fertigwalzvorgangs eingesetzt wird.

8. Walzverfahren nach dem Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß beim Austauschen der Werkzeuge das Heiß- und das Kaltwerkzeug gleichzeitig benutzt werden.

9. Walzverfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Walzvorgang bei Raumtemperatur des Rohmaterials beginnt.

10. Walzverfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Walzvorgang bei einer Temperatur des Rohmaterials beginnt, die oberhalb der Raumtemperatur liegt.

Die Erfindung bezieht sich auf ein Walzverfahren zur Herstellung von Kunststoffzahnrädern, bei dem in ein Kunststoffrohmaterial mittels eines heißen Werkzeuges, dessen Temperatur oberhalb der Erweichungstemperatur des Rohmaterials gehalten wird, die gewünschte Zahnform eingewalzt wird.

Im allgemeinen werden für die Herstellung von Zahnrädern aus thermoplastischen Harzen wie z. B. Nylon ein Spritzgußverfahren oder ein Zahnfräsverfahren benutzt

Gegenüber diesen Verfahren sind Verfahren, bei denen die Zahnräder spanlos bearbeitet werden, günstiger, da im allgemeinen eine höhere Festigkeit des Zahnrades, insbesondere des einzelnen Zahnes erreicht wird. So ist durch das DT-Gbm 66 07 913 eine Vorrichtung zum spanlosen Bearbeiten von Zahnrädern aus einer thermoplastischen Masse bekanntgeworden, mit der die Zahnräder bei einer Temperatur fertig-, d. h. feinverarbeitet werden können, bei der die Masse plastisch ist. Die Zahnräder selbst sind vorher als Rohlinge durch Fräsen oder im Spritzgußverfahren hergestellt worden und werden mit einem Werkzeug, welches auf einer Temperatur gehalten ist, die höher als die Erweichungstemperatur des Rohlings ist, fertig- bzw. feinbearbeitet. Das Verfahren, welches mit dieser Vorrichtung durchgeführt werden kann, ist eigentlich ein Polierverfahren, also ein Verfahren, bei dem ein Werkstück mit rauher Oberfläche durch Berührung mit einem Werkzeug mit glatter Oberfläche versehen wird.

Obwohl das Walzverfahren das vorteilhafteste und für Metallzahnräder weitgehend angewendete Verfahren ist, wurde das Walzen von Kunststoffzahnrädern bisher nicht ausgeführt, ja nicht einmal erforscht. Das hat folgenden Grund:

a) Beim Kaltwalzen wird genauso wie beim Rohmaterial Metall nur ein kaltes Walzwerkzeug (im folgenden als Kaltwerkzeug bezeichnet) mit einem kalten Rohmaterial aus Kunststoff in Berührung gebracht. Da bei Metall als Rohmaterial dieses vom Elastizitätsbereich eines ziemlich geringen Ausmaßes in den Plastizitätsbereich gelangt, ist die elastische Erholung beim Zurückgehen des Kaltwerkzeuges ziemlich gering, so daß leicht eine genaue Zahnform erzeugt werden kann. Dagegen haben bei Kunststoff Elastizitätsbereich und Plastizitätsbereich etwa das gleiche Ausmaß, und nahezu die halbe Verformung bildet sich beim Zurückgehen des Kaltwerkzeuges infolge der elastischer Erholung zurück. Eine genaue Zahnform kann des halb naturgemäß nicht erzeugt und selbst eine ahn liehe Zahnform praktisch nicht erreicht werden Das heißt, ein Kaltwalzverfahren zur Herstellung von Kunststoffzahnrädern ist eine hoffnungslosf Sache.

b) Beim Warmwalzen gibt es die beiden folgender Varianten: Es wird wie beim Metall ein kalte; Werkzeug mit einem heißen Rohmaterial in Be rührung gebracht. Da bei Kunststoffrohmateria keine Hochfrequenzerhitzung angewendet werdei kann, müssen unpraktische Mittel, die viel Zeit ii Anspruch nehmen, wie z. B. Strahlungs-Heizuni mit Nickelchromdraht oder das Eintauchen in hei ßes Ölbad angewendet werden.

Eine andere Variante ist folgende: Ein heiße Werkzeug wird mit kaltem Rohmaterial in Beruh rung gebracht. Dieses Walzverfahren führt be niedriger Temperatur des heißen Werkzeuges zun gleichen Ergebnis wie das Kaltwalzen, wahrem