DE2429885A1

DE2429885A1 - Werkzeug zur herstellung von zahnprofilen auf der umfangsflaeche eines zylindrischen werkstuecks

Info

Publication number: DE2429885A1
Application number: DE2429885A
Authority: DE
Inventors: Louis Mauries Fisset; Robert Lewis Miller
Original assignee: Ex-Cell-O Corp
Current assignee: Ex-Cell-O Corp
Priority date: 1973-06-22
Filing date: 1974-06-21
Publication date: 1975-01-23
Also published as: FR2234063A1; CA1014377A; JPS5637012B2; FR2234063B1; GB1431142A; IT1019617B; JPS5033154A; US3857273A

Description

Werkzeug zur Herstellung von Zahnprofilen auf der Umfangsfläche eines zylindrischen Werkstücks

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Werkzeug zur Ausbildung von Zahnprofilen wie Keilzähne, Zahnradzähne, Schneckenzähne usw. auf der Umfangsflache eines zylindrischen Werkstücks durch plastische Formgebung unter Druck bei Umgebungsoder Raumtemperatur und ohne Materialabtragung.

Es sind bereits derartige Werkzeuge bekannt, mit deren Hilfe es gelingt, durch plastische Formgebung Keilzähne, Zahnrad-

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zähne, Schneckenzähne usw. unter den oben angegebenen Bedingungen ohne Materialabtragung auf der ümfangsfläche eines zylindrischen Werkstücks herzustellen. Beispiele für derartige Werkzeuge werden in den US-PSs 2 994 237 und 3 o15 243 beschrieben. Ihre Anwendung erfolgt z.B. in einer Maschine, wie sie in der US-PS 2 995 964 spezifiziert ist.

Gemäß vorliegender Erfindung wird nun ein Werkzeug zur Ausbildung von Zahnungen auf der Umfangs- bzw. Oberfläche eines zylindrischen Werkstücks durch plastische Formgebung geschaffen, das aus einer Eingriffsfläche mit eingearbeiteten Zahnprofilen und je einem Gleit- und einem Führungsende besteht. Dabei befindet sich zwischen dem Führungsende und dem Gleitende der Eingriffsfläche eine erste Gruppe von Zahnprofilen, deren Form mit derjenigen der zu bildenden Zahnungen vollkommen übereinstimmt und einen Teilkreis besitzt. Eine zweite , dritte und vierte Gruppe von Zahnprofilen ist zwischen der ersten Gruppe und dem Führungsende vorgesehen. Von diesen nehmen die Zahnhöhen, beginnend mit der zweiten Gruppe, fortlaufend ab, während gleichzeitig die Neigungen der Oberkanten der Zähne in Richtung zur ersten Gruppe von Zahnprofilen successive ansteigen.

In einer besonderen Ausfuhrungsform der Erfindung sind die Zahnköpfe der zweiten Gruppe im Winkel zu den Zahnköpfen der ersten Gruppe angeordnet und entsprechend die Zahnköpfe der dritten und vierten Gruppe im Winkel, jedoch mit größerer Gradzahl, zu den Zahnköpfen der zweiten Gruppe von Zahnprofilen ausgerichtet.

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Die Erfindung wird nachfolgend an Hand der zugehörigen Zeichnungen erläutert.

Es zeigen: Abb. 1 einen Seitenaufriß eines zahnstangenartigen Werkzeugs nach der Erfindung;

Abb. 2 eine Teilansicht einer Zahnradevolventen, die gemäß der Erfindung durch plastische Formgebung erzeugt wurde;

Abb. 3 eine diagrammatisch dargestellte, vergrößerte Seitenansicht der Werkzeugzähne nach Abb. 1; Abb. 4 einen Aufriß des linken Endes des Werkzeuges nach Abb. 1;

Abb. 5 eine Draufsicht zum Werkzeug nach Abb. 1 und Abb. 6 eine schematische, überlagerte Ansicht des Werkzeugs nach Abb. 1.

Unter Bezugnahme auf die Zeichnungen wird eine besondere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Werkzeugs in den Abbildungen 1, 3, 4, 5 und 6 dargestellt. Dabei handelt es sich um ein Werkzeug nach Zahnstangenart (1o), das in Form identischer Paare eingesetzt und zur Herstellung evolventer Keilzähne oder anderer Zahnarten auf der Oberfläche eine zylindrischen Werkstücks durch plastische Formgebung verwendet wird.

Eine geeignete Arbeitsmaschine, die besonders zur Anwendung derartiger Werkzeugpaare befähigt ist, wird, wie oben bereits gesagt, in der US-PS 2 995 964 beschrieben, obwohl selbstverständlich auch andere Werkzeugmaschinen eingesetzt werden können.

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Im allgemeinen befindet sich das Werkstück zwischen einem Paar identischer Werkzeuge (1o), wobei letztere reziprok zueinander stehen. Das Werkstück soll dabei derart gelagert sein, daß es leicht drehbar ist, sobald die Werkzeuge in Angriff kommen.

Die Werkzeuge (1o) haben in ihre Eingriffsflächen eingearbeitete Zahnprofile (24) die auf das Werkstück einwirken. Geeignete Vorrichtungen bewegen die Werkzeuge in Längsrichtung, jedoch entgegengesetzt zueinander. Der Abstand zwischen den Eingriffsflächen der Werkzeuge ist geringer als der Durchmesser des zu bearbeitenden Werkstücks, was zur Folge hat, daß sich die Struktur der Werkzeug-Eingriffsflächen in die Werkstückoberfläche einprägt.

Während des Arbeitsablaufs und Ausbildung der gewünschten Struktur auf" der Werkstückoberfläche, fließt das verdrängte Werkstückmaterial, vorzugsweise Normalstahl, entlang der Oberfläche in radialer und tangentialer Richtung ab, so daß Rillen gebildet werden, die einen kleineren Durchmesser aufweisen, als der ursprüngliche Durchmesser des (unbearbeiteten) Werkstücks .

Damit die endgültige Struktur des Werkstücks so exakt als möglich ausgebildet wird, muß das verdrängte Material bei der Festlegung des Anfangsdurchmessers des Werkstücks in Rechnung gezogen werden.

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,In Abb. 2 ist ein Querschnittausschnitt eines fertigen Werkstücks (14) dargestellt, daß eine Evolentenverzahnung aufweist (16) und mit Hilfe der erfindungsgemäßen Werkzeuge durch plastische Formgebung gewonnen wurde.

Da beim Kaltrollen bzw. beim kalten plastischen Verformen kein Material abgetragen wird, kann der ursprüngliche Durchmesser des Werkstücks weder mit dem endgültigen Aussendurchmesser (nach Beendigung des Arbeitsablaufs) noch mit dem Wurzel- bzw. Fußkreisdurchmesser übereinstimmen.

Der Wälzkreisdurchmesser (D₁) des Werkstücks (14) ist deshalb so gewählt, daß der Bereich (18) aus entferntem Material unterhalb des (D₁)-Umfangs, gleich ist einem äquivalenten Bereich (2o) von Zahnmaterial auf einem größeren Durchmesser als (D₁).

Der Durchmesser (D₁) kennzeichnet praktisch die Teilungslinie bzw. den Teilkreis der Zahnstangen-Werkzeuge (1ο).*

Wie nachfolgend noch gezeigt wird, entspricht der Druck- bzw. Neigungswinkel bestimmter Zahnungen auf den Werkzeugen (1o) einem Winkel, dessen (cos) gleich ist 0/D₁, multipliziert mit dem (cos) des Zahneingriffswinkels am Teilungsdurchmesser der Zähne (16)r wobei (D) für den Teilkreisdurchmesser des Werkstücks (14) steht. Die Grundteilung von Werkzeug und Werkstück stimmen miteinander überein.

Hierdurch bedingt, entspricht die lineare Teilung der Werkzeugzähne, gemessen an der Teilungslinie, der Zatinteilung auf

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dem Werkstück, gemessen an dem Kreis mit dem Durchmesser (D₁) des Werkstücks.

Mindestens einige Zahnungen auf den Werkzeugen (1ο) müssen daher in ihrer Gesamthöhe mit dem auszubildenden Zahnungen auf dem Werkstück (14) völlig übereinstimmen.

In der Praxis ist stets ein Paar von Werkzeugstangen (1o) im Betrieb. Dabei muß sich an einer bestimmten Stelle in der Nähe des Gleitendes der Einzelwerkzeuge ein Zwischenraum ausbilden, der dem Fußdurchmesser des Werkstücks (14) minus einiger Tausendstel eines (cm) für die Pufferung von Elastizitätsveränderungen und die Verdichtung von Ölfilmen unter.dem Wälzdruck entspricht. Im übrigen wird das Werkzeug in der Praxis nur einmal und ohne Umkehr bewegt.

Der Abstand zwischen den Arbeitsflächen der Werkzeuge ist so eingestellt, daß die Eindringtiefe im Werkstück gemäß einem vorbestimmten Grad mit fortschreitender Werkzeugbewegung zunimmt. Mit anderen Worten nähern sich die Arbeitsflächen der Werkzeuge mit zunehmender Arbeitsdauer bzw. mit zunehmender zurückgelegter Wegstrecke auf den Werkstück. Diese "Annäherung" der Arbeitsflächen der Werkzeuge kann als deren Vorschub in die Oberfläche des Werkstücks angesehen werden, solange sie sich relativ zum Werkstück bewegen.

Das Zusammenstreben der Werkzeugflächen erfolgt gleichzeitig und mit abgestufter Eindringtiefe der Werkzeugzahnungen aufeinander folgender Gruppen in die Werkstückoberfläche, wobei jedoch der Teilkreis aller Gruppen, beginnend beim Führungsende des Werk-

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zeugs Und einschließlich der Gruppe mit voll ausgebildeten Zahnungen konstant bleibt. Abweichend hiervon ist jedoch zwischen der voll ausgebildeten Gruppe von Zahnungen und dem Führungsende der Werkzeugteile eine divergierende Gruppe von Zahnungen vorgesehen, die zur Entlastung nach beendetem Arbeitablauf dient.

In den Abbildungen 1, 3, 4, 5, 6 wird ein Werkzeugteil (1o) im einzelnen beschrieben, wobei selbstverständlich das nicht dargestellte, im übrigen obligatorische zweite Werkzeugteil mit dem dargestellten völlig übereinstimmt.

Die Position (22) bedeutet eine theoretische Bezugslinie, die als oberste Fußlinie bzw. oberste Begrenzung aller Zahnungen gedacht ist. Würden sich die Köpfe aller Zahnungen an dieser Linie treffen, so könnte sich keine Abstandsänderung zwischen den Eingriffsflächen der beiden Werkzeugteile ausbilden wenn sich diese entlang bzw. über die Oberfläche des Werkstücks bewegen.

In der dargestellten Form sind die Zähne (24) des Werkzeugs beispielsweise in fünf Gruppen zusammengefasst und gemäß Abb. durch die vertikalen Begrenzungslinien (26), (28), (3o) und (32) sowie die Führungs- und Gleitenden (36), (34) voneinander getrennt.

Wie Abb. 3 erkennen läßt, verläuft der Teilkreis (38)aller Zähne (24) parallel zur theoretischen Bezugslinie (22) , beginnend beim Führungsende (36) bis zur Begrenzung (26), biegt jedoch dann nach unten ab (Abb. 1), sobald die Begrenzung (26) überschritten

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wird. Diese Neigung bleibt bis zum Gleitende (34) erhalten.

Die Zahnköpfe in den Gruppen zwischen der vertikalen Bezugslinie

(28) und dem Führungsende des Werkzeugs verjüngen sich nach unten in aufeinander folgenden Gruppen in Richtung zum Führungsende (36), während der Teilkreis der Zähne in den Gruppen zwischen der Begrenzung (26) und dem Führungsende parallel zur Bezugslinie (22) verbleibt.

In Übereinstimmung mit der Lehre aus der US-PS 3 o15 243 und wie auch bereits früher gesagt, stimmen Form und Größe der Zähne (24A) zwischen den vertikalen Begrenzungen (26) und (28) mit den auszubildenden Zahnungen auf dem Werkstück völlig überein, wobei der Zahneingriffswinkel bzw. der Neigungswinkel der Zähne (24A) gleich ist dem Winkel, dessen (cos)= 0/D₁, multipliziert mit dem (cos) des Zahneingriffswinkels am Teilkreisdurchmesser der zu bildenden Zähne auf der Werkstücksoberfläche. Dabei bedeutet (D) den Teilkreisdurchmesser der Zähne auf dem Werkstück.

Die Zähne (24A) zwischen den Begrenzungen (26) und (2 8) sind damit gleich den endgültigen Zähnen auf dem Werkstück. Auch die Zähne (24E) haben eine nach unten verlaufende Teillinie, also wegführend von der theoretischen Bezugslinie (22) . Außerdem sind die Zähne (24E) zwischen der Begrenzung (26) und dem Gleitende (34), obwohl in der Form voll ausgebildet, an den Flanken bzw. Seitenflächen abgeschwächt. Hierdurch werden Nahtlinien oder andere mögliche Fehlstellen, die auf den Zähnen des

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Werkstücks verbleiben könnten, vermieden. Solche würden bei normaler Zahnausbildung am Ende eines Arbeitsgangs durchaus auftreten können.

Der Teilkreis aller Zähne auf dem Werkzeug zwischen der Begrenzung (26) und dem Führungsende (36) wird durch den Durchmesser (D₁) des Werkstücks bestimmt, so daß - wie bereits früher abgeleitet - die lineare Teilung der Werkzeugzähne, gemessen an der Teilungslinie, mit der Kreisteilung der Werkstückzähne, gemessen an einem Kreis mit dem Durchmesser (D₁') des Werkstücks, übereinstimmt.

Der Neigungswinkel aller Werkzeugzähne zwischen der Begrenzung (26) und dem Führungsende (36) ist derjenige Winkel, dessen (cos) gleich ist 0/D₁, miltipliziert mit dem (cos) des Neigungswinkels am Teilkreisdurchmesser der Werkstückzähne, wobei D den konventionellen Teilkreisdurchmesser des Werkstücks bedeutet.

Die Grundteilung von Werkzeugen und Werkstück sind identisch. Bei einer derartigen Konstruktion entspricht die lineare Teilung der Werkzeugzahnungen, gemessen an deren Teilkreis, der Kreisteilung der Werkstückzahnungen, gemessen am Kreis mit dem Durchmesser (D₁) des Werkstücks.

Die Gesamttiefe der Zähne (24A) zwischen den Begrenzungen (26) und (28) ist bevorzugt gleich derjenigen der Werkstückzähne, so daß die Zähne (24A) mit denjenigen des Werkstücks völlig übereinstimmen.

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Die Kopfflächen der Zähne zwischen der Begrenzung (28) und dem Führungsende (36) des Werkstücks (1o) streben nach unten in Richtung zum Führungsende (36) der jeweiligen Zahnstange, während gleichzeitig der Teilkreis dieser Zähne parallel zur theoretischen Begrenzungslinie (22) verbleibt, wie oben bereits abgeleitet. Die Abschrägungen der Zähne werden z.B. durch Abschleifen usw. gemäß der theoretischen Neigung erreicht. Die Kopffläche des Führungszahns nahe beim Führungsende (36) der Stange kann dabei in die Höhe der Teilkreislinie (38) zu liegen kommen, oder sie kann auch beispielsweise Bruchteile von Zentimetern oder Millimetern oberhalb der Teilkreislinie (38) enden.

Diejenigen Zähne, die zwischen der Begrenzung (32) und dem Führungsende (36) liegen, sind relativ flach, relativ breit und haben scharfe Kanten an den Führungsflächen (Abb. 3). Dabei dienen die scharfen Kanten dazu, das Werkstück zu erfassen und die Drehung bzw. Rotation einzuleiten.

Die Länge der Zahngruppe (24D) zwischen den Begrenzungen (32) und dem Ende (36) ist bevorzugt groß, daß das Werkstück bei einmaliger Umdrehung vollkommen über diese Gruppe geführt wird. Die Kopfflächen der Zähne (24D) innerhalb der vorstehend genannten Begrenzung sind in Richtung zu den voll ausgebildeten Zähnen (24A) nach oben abgeschrägt, wie dies aus der Bezugslinie (4o) erkennbar ist. Der Steigungswinkel ist relativ steil, so daß etwa 2o bis 25 % der gewünschten Gesamteinprägung auf

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dem Werkstück in dieser Zone durch die Zähne (24D) während einer einzigen Umdrehung des Werkstücks erreicht wird. Dabei gilt als Gesamteinprägung der Abstand zwischen dem Durchmesser (D₁) des Werkstücks und dem Fußkreisdurchmesser der Werkzeugzähne. Die Länge der Zahngruppe (24C) zwischen der Begrenzung (3o) und (32) ist etwa derart, daß zwei oder mehr vollkommene Umdrehungen des Werkstücks in dieser Zone möglich sind. Die Kopfflächen der Zähne der Gruppe (24C) sind ebenfalls in Richtung zu den voll ausgebildeten Zähnen (24A) nach oben abgeschrägt, wie dies aus der Bezugslinie (42) hervorgeht. Der Winkel dieser Abschrägung ist jedoch kleiner als derjenige der Kopfflächen der Zähne (24D). Innerhalb der Gruppe (24C) werden weitere 45 % der gewünschten Gesamteinprägung erreicht. Dies bedeutet also, daß die Zahngruppen (24D) und (24C) bzw. die in diesen Gruppen enthaltenen Werkzeugzähne zwischen etwa und etwa 7o % der gesamten gewünschten Einprägungstiefe auf der Werkstückoberfläche erzielen.

Die Länge der Zahngruppe (24B) zwischen den Begrenzungen (28) und (3o) ist ebenfalls so groß ausgebildet, daß zwei oder mehr vollkommene Umdrehungen des Werkstücks innerhalb dieser Gruppen ablaufen. Auch die Kopfflächen dieser Zähne sind in Richtung zu den Zähnen (24A) nach oben abgeschrägt. Diese Abschrägung wird durch die Bezugslinie (44) verdeutlicht. Der zugehörige Neigungswinkel ist wiederum kleiner als derjenige der Zähne (24C). In dieser Zahngruppe (24B) werden schließlich die restlichen 3o bis 35% der Gesamteinprägung erreicht.

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Die Länge der Gruppe (24A) zwischen den Begrenzungen (26) und (28) schließlich entspricht einer anderthalbfachen Werkstückumdrehung. Die Kopfflächen dieser Zähne sind plan-parallel ausgebildet und verlaufen in diesem Sinne zur Bezugslinie (22). Die mit den auszubildenden Zahnprofilen auf dem Werkstück vollkommen identischen Werkzeugzähne (24A) geben den Werkstückzähnen die endgültige Form.

Zusammenfassend wird somit eine Eindringtiefe von 2o - 25% der Gesamtprägung durch die Zähne (24D) während einer Werkstückumdrehung erreicht,

es folgt eine Eindringtiefe von weiteren rund 45 % der Gesamtprägung durch die Zähne (24C) in zwei oder mehreren Werkstückumdrehungen ,

sowie die restliche Eindringtiefe von 3o - 35 % der Gesamtprägung durch die Zähne (24B) im Verlauf von zwei oder mehr weiteren Werkstückumdrehungen.

Durch diese Konstruktion und Arbeitsweise wird die Lebensdauer des Werkzeugs wesentlich erhöht, die Fließeigenschaften des Werkzeugmaterials während der Ausbildung der Zahnprofile auf dem Werkstück erheblich verbessert, die Qualität und Exaktheit der gebildeten Zahnprofile gesteigert und im allgemeinen auch die Kosten für die Ausbildung der Zahnprofile gesenkt.

Selbstverständlich ist die Erfindung als Ganzes nur beispielshaft beschrieben und dargestellt. So können selbstverständlich mehr als drei Zahngruppen mit geneigter Zahnkopffläche vorgesehen sein; auch können die Neigungswinkel verschiedene Grade aufweisen.

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Sofern erwünscht, können die Führungs- bzw. Gleitkanten der Zähne in den Gruppen (24B), (24C) und (24D) verschiedene Radien aufweisen, wie dies z.B. in der US-PS 2 994 237 beschrieben ist. Auch können eine oder beide Ecken der Werkzeuge eine Schrägkante aufweisen oder einen Radius besitzen, um die Notwendigkeit einer Hinterschneidung zu eliminieren, (vergl. Abb. 4)

Abb. 5 zeigt eine Draufsicht auf die Zähne (24), wenn diese zur Ausbildung von Geradzahnungen auf einer Werkstückoberfläche verwendet werden. Die Zähne (24) stehen lotrecht zu den Seiten des Werkzeugs, d.h., lotrecht zur Bewegungsrichtung des Werkzeugs, doch sollen in gleicher Weise Schrägzahnungen gebildet werden, so sind die Werkzeugzähne schräg zu den Werkzeugseiten angeordnet bzw. schräg zur Bewegungsrichtung des Werkzeugs.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der Zahnstangenkörper (46) mit Nasen (48) und durchgehenden öffnungen (5o) versehen, die der Einführung und Befestigung der Werkzeuge in entsprechende Maschinen, wie etwa in der US-PS 2 995 964 beschrieben, oder in ähnliche Geräte, dienen.

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MJWerkzeug zur Herstellung von Zahnungen auf der Oberfläche ^-"^ eines zylindrischen Werkstücks durch plastische Formgebung unter Druck bei Umgebungs- bzw. Raumtemperatur und ohne Materialabtragung, bestehend aus der eigentlichen Eingriffsfläche mit eingearbeiteten Zahnprofilen und je einem Gleit- und einem Führungsende, wobei eine erste Gruppe von Zahnprofilen, deren Form und Größe mit derjenigen der zu bildenden Zahnungen identisch ist, zwischen den beiden genannten Enden der Eingriffsfläche angeordnet ist und einen Teilungskreis

besitzt,

dadurch gekennzeichnet, daß zweite, dritte und vierte Gruppen von Zahnprofilen (24B), (24C) und (24D) zwischen der ersten Gruppe (24A) und dem "Führungsende (36) der Eingriff sflache des Werkzeugs (1o) vorhanden sind, die Höhen der Zahnungen von der zweiten zur dritten Gruppe und von der dritten zur vierten Gruppe fortlaufend abnehmen und gleichzeitig die Neigungen der Kopfflächen der Zahnungen in Richtung zur ersten Gruppe (24A) fortlaufend ansteigen.
2. Werkzeug nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet, daß die Kopfflächen der Zahnungen der zweiten Gruppe (24B) im Winkel zu den Kopfflächen der Zahnungen der ersten Gruppe (24A) und die Kopfflächen der

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Zahnungen der dritten und vierten Gruppe (24C), (24D) in jeweils größerem Winkel zu' den Kopfflächen der Zahnungen der zweiten Gruppe (24B) stehen.
3. Werkzeug nach einem der Ansprüche 1 oder 2,

dadurch gekennzeichnet, daß die Längen der zweiten und dritten Gruppe von Zahnungen (24B), (24C), größer ist als die Länge der vierten Gruppe von Zahnungen (24D).
4. Werkzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Längen der zweiten und dritten Gruppe von Zahnungen (24B), (24C)," größer ist als die Länge der ersten Gruppe von Zahnungen (24A).
5. Werkzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch* gekennzeichnet, daß die Dicke aller Zahnungen in den Gruppen (24A), (24B)¹, (24C) und (24D), gemessen an ihrem Teilkreis (38), von Gruppe zu Gruppe sowie von der ersten Gruppe (24A) bis zum Gleitende (36) konstant ist.
6. Werkzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß alle Zahnungen einen gemeinsamen Teilkreis (38) aufweisen.
7. Werkzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche,

dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand zwischen den Zahnungen aufeinander folgender Gruppen, gemessen am Teilkreis,

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vom Führungsende bis zu ersten Gruppe von Zahnungen konstant ist.
8. Werkzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , daß die lineare Teilung aller Zähne in allen Gruppen konstant ist.
9. Werkzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß benachbart zum Gleitende (34) eine fünfte Gruppe von Zahnungen (24E) vorhanden ist, deren Kopfflächen in Richtung zum Gleitende abfallen.

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