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Titel: Wälzfräser mit Zähnen für Kopf- und Flankenspäne
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Beschreibung Die Erfindung betrifft einen Wälzfräser zum Schruppen
und Schlichten einer Radverzahnung, mit durch tiefe Spannuten voneinander getrennten
Zahnstollen, die jeweils einen Flankenzahn und dahinter einen Kopfzahn mit einem
gegenüber dem Flankenzahn-Rükken vorragenden Kopf aufweisen, wobei die Kopfschneide
des Kopfzahnes in der Breite nicht kleiner als die Kopfschneide des Flankenzahnes
ist, der radiale Abstand der Kopfschneide des Kopfzahnes von der Mittelachse des
Wälzfräsers nicht kleiner als der radiale Abstand der Kopfschneide des Flankenzahnes
von der Mittelachse ist und die beiden Flanken des vorragenden Kopfes des Kopfzahnes
jeweils mit einer Radiallinie des Wälzfräsers einen Kopfflankenwinkel bilden.
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Die Zerspanungsarbeit eines im Einsatz befindlichen Wälzfräsers, bei
dem jeder Zahn sowohl mit der Kopfschneide als auch mit der Flankenschneide wirkt,
ist nicht nur vom Abstand von der Radmitte abhängig sondern auch an den verschiedenen
Stellen eines Fräserzahnes
unterschiedlich. Die Zahnkopfschneiden
müssen z.B.
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eine vielfach höhere Zerspanungsarbeit leisten als die Flankenschneiden.
Das bedeutet, daß insbesondere an den Übergängen der Kopfschneiden in die Flankenschneiden
die größten Verschleißmarken auftreten, wobei diese Verschleißmarken die Lebensdauer
eines solchen Wälzfräsers bestimmen. Da nicht nur der Materialanteil sondern auch
die Herstellungskosten solcher Wälzfräser sehr hoch sind, gehen alle Bestrebungen
dahin, durch Konstruktionsmaßnahmen die Zerspanungsleistung zu verbessern und die
Herstellung zu vereinachen und damit das Werkzeug billiger zu machen. Die Erfindung
befaßt sich mit der speziellen Verbesserung bzw. Aufteilung der anfallenden Zerspanungsarbeit
vorwiegend am zylindrischen Teil des Wälzfräsers. Normale Wälzfräserzähne, die mit
Kopf- und Flankenschneiden wirken, erzeugen sogenannte Dreiflankenspäne, auch Schmetterlingsspäne
genannt.
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Diese Späne setzen sich aus den Spanteilen der einzelnen Schneidenteile
zusammen und bilden eine steife, schwer verformbare Einheit. Solche Späne können
nicht abrollen. In der engen Zahnlücke kollidieren sie mit der Werkstückflanke und
hinterlassen sichtbare Reibspuren. Hierdurch wird aber nicht nur die Oberfläche
der Radzähne verschlechtert sondern erleiden die Zähne des Wälzfräsers auch eine
hohethermische und mechanische Belastung. An den Ecken, den Übergängen der Kopf-Flankenschneiden
entstehen große Verschleißmarken, die die Standzeit des Wälzfräsers bestimmen.
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Ein bekannter (DE-PS 876 027) Wälzfräser besitzt zwei Gruppen von
jeweils durch tiefe Spannuten voneinander getrennten Zähnen.
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Die erste Zahnreihe hat normale Zahnhöhe und positiven Spanwinkel.
Durch die positiven Spanwinkel sind die Flankenschneiden zurückgesetzt. Die zweite
Zahnreihe hat eine geringere Kopfhöhe und Spanwinkel 00. Die erste höhere Zahnreihe
schneidet nur den Zahngrund und die Kopfspäne rollen ungehemmt sauber ab. Die zweite
Zahnreihe mit der kleineren Kopfhöhe bearbeitet nur die Flanken der Radverzahnung.
Auch hier entstehen nur gut ablaufende Späne. Dieser Wälzfräser ist jedoch insofern
von Nachteil, als für die große Zerspanungsarbeit im Zahngrund und für die Formgestaltung
der Evolventenflanken jeweils nur die halbe Zähnezahl im Eingriff ist. Bei Erhöhung
der vollen Gesamtzahnreihen am Wälzfräser würde dessen Außendurchmesser zu groß,
die dadurch bedingte Fräszeit zu lang und die Herstellung des Wälzfräsers zu teuer.
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Die Erfindung betrifft daher einen Wälzfräser der anfangs genannten
Art, bei dem jeder der durch tiefe Spannuten voneinander getrennten Zahnstollen
einen Kopfzahn und einen Flankenzahn aufweist. Bei einem bekannten (DL-PS 112 617,
Fig.10) Wälzfräser dieser Art ist der Kopfflankenwinkel zwar verschieden vom Flankenwinkel
des Zahnstollens, jedoch größer als Null. Der Kopfzahn vergrößert also, ausgehend
von der Kopfschneide, seine Breite in radialer Richtung zur Mittelachse hin. Bei
diesem Wälzfräser ist der vom Kopfzahn erzeugte Span kein reiner Kopfspan, da der
Kopfzahn nahe der Kopfschneide auch noch mit den Flankenschneiden arbeitet; der
vom Kopfzahn erzeugte Span hat also auch noch beiderends einen Flankenspanteil.
Es liegt ein
"schmetterlingsförmiger" Span vor, dessen Beseitigung
und Verformbarkeit Schwierigkeiten bereitet.
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Aufgabe der Erfindung ist es, einen Wälzfräser der anfangs genannten
Art zu schaffen, bei dem durch geeignete Gestaltung der Kopf- und Flankenzähne ein
reiner Kopfspan anfällt, der leichter abrollt bzw. zu beseitigen ist. Der erfindungsgemäße
Wälzfräser ist hierzu dadurch gekennzeichnet, daß der Kopfflankenwinkel gleich oder
vorzugsweise kleiner als Null ist.
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Aufgrund des erfindungsgemäß gewählten Kopfflankenwinkels ist die
Flankenschneide des Kopfzahnes auch nahe der Kopfschneide gehindert zu arbeiten,
so daß der Kopfzahn tatsächlich einen reinen Kopfspan erzeugt. Durch den gewählten
Kopfflankenwinkel ergibt sich bei gleichbleibender Breite der Kopfschneide eine
Verstärkung der Krümmung zwischen Kopfschneide des Kopfzahnes und dessen Flankenschneide.
Aufgrund des erfindungsgemäßen Kopfflankenwinkels ist es ohne weiteres möglich,
die Breite der Kopfschneide des Kopfzahnes größer als oder vorzugsweise ebenso groß
wie die Breite der Kopfschneide des Flankenzahnes zu gestalten.
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Grundsätzlich kann der Kopfzahn und/oder der Flankenzahn in den Zahnstollen
nachstellbar eingesetzt sein oder können in den Zahnstollen Schneidplatten eingesetzt
sein, welche die Schneiden bilden. Besonders zweckmäßig und vorteilhaft ist es jedoch,
wenn in an sich bekannter Weise die Zahnstollen den Kopfzahn und den Flankenzahn
jeweils einstückig moden und der Ubergang von
der Flanke des vorragenden
Kopfes des Kopfzahnes zu der zugeordneten Flanke des Zahnstollens als Knicklinie
ausgebildet ist.
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Diese an sich bekannte Gestaltung erbringt in Verbindung mit dem erfindungsgemäß
gewählten Kopfflankenwinkel einen überraschenden Vorteil.
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Jede Flanke des Zahnstollens, d.h. die auf gleicher Seite liegenden
Flanken von Kopfzahn und Flankenzahn lassen sich nun mit ein und demselben Werkzeug
in nur einem Arbeitsgang bearbeiten. Es ist also nicht mehr nötig, zunächst die
Flanke des Zehnstollens bis zur Knicklinie, dann die Flanke des Flankenzahnes oberhalb
der Knicklinie und schließlich die Flanke des Kopfzahnes oberhalb der Knicklinie
zu bearbeiten. Im Vergleich mit dem bekannten (DL-PS 112 617) Wälzfräser ist die
einstückige Ausführungsform der Erfindung bei gleicher Leistung und gleicher Standzeit
weit wirtschaftlicher herstellbar.
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Obzwar wegen der Entlastung der Schneidenübergänge der radiale Abstand
der Kopfschneide des Kopfzahnes von der Mittelachse des Wälzfräsers vorzugsweise
größer als der radiale Abstand der Kopfschneide des Flankenzahnes von der Mittelachse
ist, ist es jedoch unter bestimmten Umständen auch besonders zweckmäßig und vorteilhaft,
wenn der radiale Abstand der Kopfschneide des Kopfzahnes von der Mittelachse ebenso
groß wie der des Flankenzahnes sowie die Breite der Kopfschneide des Kopfzahnes
größer als die des Flankenzahnes ist. Hierbei sind ebenfalls die Flankenscheiden
des Kopfzahnes von jeder Arbeit entlastet; es arbeitet aber die Kopfschneide der
Flankenzähne mit.
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Durch die doppelte Anzahl Kopfschneiden, die die größte Zerspanungsarbeit
leisten, und durch den jeweils rechtwinkelig zur Kopf- und Flankenschneide getrennt
abrollenden Span sind die Leistung und die Standzeit wesentlich erhöht. Die Spanteilung
ist erreicht, weil der Zahn mit dem vollen Bezugsprofil im mittleren Bereich der
Kopfschneide etwas schmaler ausgeführt ist als der nachfolgende Zahn, der nur mit
der Kopfschneide am Außendurchmesser arbeitet.
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Bei einem Wälzfräser mit einstückigen Kopf- und Flankenzähnen steigt
der Rücken des Flankenzahnes von der Brust des Kopfzahnes weg unter einem Winkel
zu einer Radiallinie an, die rechtwinkelig zur Mittelachse des Wälzfräsers verläuft.
Besonders zweckmäßig und vorteilhaft ist es nun, wenn der Rücken-Anstiegswinkel
von der Brust des Kopfzahnes an größer als 400, vorzugsweise größer als 60° ist.
Am Fuße der Brust des Kopfzahnes ist also keine ausgeprägte Nut vorhanden.
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Bei der einstückigen Ausführungsform der Erfindung ist eine tiefere
Nut vor dem Kopf zahn nicht mehr zwecks Ausbildung und Nachschärfbarkeit des Flankenanteiles
des Kopfzahnes erforderlich. Wegen des Fehlens der Nut vor dem Kopfzahn kann der
Flankenzahn öfter bzw. länger von der Brust her nachgeschliffen werden. Da wegen
des Fehlens der Nut die Zahnbrusthöhe des Kopfzahnes kürzer ist, ist der Kopf stärker
belastbar und somit weiter abschleifbar. Es wird höchstens eine ganz flache Nut
vorgesehen, um den Kantenbruch des Flankenzahnes zu ermöglichen.
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Durch das Fehlen einer ausgeprägten Nut ist die Ausnutzbarkeit des
Wälzfräsers gesteigert, wobei die Nut so gehalten wird, daß
der
Span noch abrollen kann.
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Bei einem erfindungsgemäßen Wälzfräser ist es auch besonders zweckmäßig
und vorteilhaft, wenn die Knicklinie in Fortsetzung des Rückens des Flankenzahnes
verläuft. Diese Gestaltung ergibt sich bei der einfachsten Art der Flankenbearbeitung
in nur einem Arbeitsgang mit demselben Werkzeug, das z.B. ein Formmeißel oder eine
Schleiferscheibe ist.
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Der erfindungsgemäß gewählte Kopfflankenwinkel ist auch von Vorteil,
wenn der Kopfzahn von einem in den Zahnstdlen gesteckten Stift gebildet ist. Die
Ausnutzbarkeit des Wälzfräsers ist dann verlängert, weil der nur mit der Kopfschneide
arbeitende Zahn im hinteren Bereich des Zahnstollens abwechselnd an der Brust und
der Freifläche bzw. dem Rücken geschärft werden kann, wogegen der Verschleiß der
vollen Zähne durch Abschleifen an der Brust behoben wird.
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Um eine nähere Vorstellung von den hier erörterten Größen zu geben,
werden einige Angaben beispielhaft gemacht. Die Tiefe der Nut hinter dem Kopfzahn
beträgt in Relation zum Auslauf des Rückens des Flankenzahnes z.B. bei 11 oder 10
maximal ca. 0,5 mm. Die Brusthöhe des Kopfzahnes beträgt etwa en Drittel des Hinterarbeitungshubes
des Werkzeuges beider Herstellung plus Tiefe der Nut. Die Kopfschneide des Kopfzahnes
soll gegenüber der Kopfschneide des Flankenzahnes in radialer Richtung maximal ca.
0,25 mm vorstehen. Die Breite der Kopfschneide des Kopfzahnes soll maximal ca. 1
mm größer sein als die Breite der Kopfschneide des Flankenzahnes. Der
Spanwinkel
des Flankenzahnes kann Null oder positiv sein; für den Kopfzahn ist ein Spanwinkel
von ca.8-l40bevorzugt.
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In der Zeichnung sind bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung dargestellt
und zeigt Fig.1 eine Seitenansicht eines Wälzfräsers mit Zähnen für Kopf-und Flankenspäne,
Fig.2 eine Brustansicht eines Flankenzahnes gemäß Linie II-II in Fig.1, Fig.3 eine
Brustansicht eines Kopfzahnes gemäß Linie III-III in Fig.1, Fig.4 eine Anordnung
eines Formmeißels bei der Erzeugung eines Kopfzahnes, Fig.5 die Anordnung des Formmeißels
gemäß Fig.4 bei der Erzeugung des dem Kopfzahn zugeordneten Flankenzahnes, Fig.6
eine Seitenansicht eines weiteren Wälzfräsers mit Zähnen für Kopf- und Flankenspäne,
Fig.7 eine Brustansicht eines Kopfzahnes gemäß Linie VII-VII in Fig.6, Fig.8 eine
Brustansicht eines Flankenzahnes gemäß Linie VIII-VIII in Fig.6, Fig.9 die zur Deckung
gebrachten Umrißlinien eines Kopfzahnes und eines Flankenzahnes des Wälzfräsers
gemäß Fig.6 und Fig.1O eine Seitenansicht eines dritten Wälzfräsers mit Zähnen für
Kopf- und Flankenspäne.
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Der Wälzfräser gemäß Fig.1 bis 3 besitzt einen Grundkörper 1 mit einer
Mittelachse 2. Der Grundkörper 1 ist rund um seinen
Umfang herum
mit Zahnstollen 3 versehen, die einstückig mit dem Grundkörper sind. In Umfangsrichtung
gesehen sind ie zwei Zahnstollen 3 durch eine tiefe Spannut 4 voneinander getrennt.
Jeder Zahnstollen 3 bildet mit seinem, in Drehrichtung gemäß Pfeil 5 gesehen, vorderen
Bereich einen Flankenzahn 6 und mit seinem hinteren Bereich einen Kopfzahn 7.
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Die die Spannut 4 einerseits begrenzende Brust 8 des Flankenzahnes
6 bildet im Beispiel einen Spanwinkel 0, d.h. sie liegt in einer zur Mittelachse
2 rechtwinkeligen Radiallinie. Der Spanwinkel kann auch größer als Null sein. Der
Flankenzahn 6 besitzt am oberen Ende der Brust 8 eine Kopfschneide 9, die nach hinten
in einen Rücken 10 übergeht. Beiderseits des Rükkens 10 bildet der Flankenzahn jeweils
eine Flanke 11, die in Richtung zur Mittelachse 2 schräg abfällt. Der Ubergang von
Flanke 11 und Brust 8 bildet eine Flankenschneide 12.
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Der Kopfzahn 7 besitzt vorne eine Brust 13, die unten in den Rücken
10 des Flankenzahnes 6 übergeht und oben eine Kopfschneide 14 bildt. Die Brust 13
bildet mit einer Radiallinie einen negativen Spanwinkel. Von der Kopfschneide 14
erstreckt sich nach hinten ein Rücken 15 bis zu einer Spannut 4. Der den Rücken
10 des Flankenzahnes 6 überragende Bereich des Kopfzahnes 7 bildet einen Kopf 16,
der beiderseits des Rückens eine Flanke 17 bildet, die über eine Knicklinie 18 in
die zugeordnete Flanke 19 des Zahnstollens 3 übergeht. Diese Flanke 19 und die Flanke
11 des Flankenzahnes 6 gehen ineinander uber.
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Der Übergang der Flanke 17 des Kopfes zur Brust 13 bildet eine
Flankenschneide
20 des Kopfzahnes.
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Die Flanken 11 des Flankenzahnes 6 und auch die Flanke 19 des Zahnstollens
im Bereich des Kopfzahnes bildet mit einer Radiallinie einen positiven Flankenwinkel,
wogegen die Flanke 17 des Kopfes 16 mit einer Radiallinie 21 einen Kopfflankenwinkel
22 bildet, der kleiner als Null ist. Die Kopf schneide 9 des Flankenzahnes 6 besitzt
einen geringeren Abstand von der Mittelachse 2 als die Kopfschneide 14 des Kopfzahnes
7. Die in Richtung der Mittelachse 2 gemessene Breite des Zahnstollens 3 verringert
sich von vorne nach hinten, was auch durch Fig.2 und 3 verdeutlicht wird.
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Die Breite der Kopfschneide eines Zahnes wird angegeben durch den
Abstand der beiden Schnittpunkte der Verlängerung der Kopfschneide mit der Verlängerung
der Flankenschneide. Unter Berücksichtigung dieser Definition ist die Breite der
Kopfschneiden von Flankenzahn 6 und Kopf zahn 7 bei der Ausführungsform gemäß Fig.1
bis 3 gleich groß. Der Rücken 10 des Flankenzahnes 6 bildet auch nahe der Brust
73 des Kopf zahnes 7 mit einer Radiallinie 27 einen Rücken-Anstiegswinkel 28, der
größer als 400 ist.
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Gemäß Figr4 werden mit ein und demselben Formmeißel 23 in einem Arbeitsgang
gleichzeitig die Flanke des Zahnstollens im Bereich des Kopfzahnes sowie die Flanke
des- Kopfes bearbeitet. Dieser Formmeißel wird dann gemäß Fig05 auch zur Bearbeitung
der Flanke des Flankenzahnes verwendet, da die Neigung bzw. Schräge der
Flanke
des Flankenzahnes gleich der Neigung bzw. Schräge der Flanke des Zahnstollens im
Bereich des Kopfzahnes ist. Die Gestaltung des Formmeißels ergibt sich im einzelnen
aus Fig.4 und 5. Fig.4 und 5 verdeutlichen auch, daß der Abstand des Rükkens des
Flankenzahnes vom Fuß des Flankenzahnes gleich dem Abstand der Knicklinie des Kopfzahnes
vom Fuß des Kopfzahnes ist bzw. daß die Knicklinie in Fortsetzung des Rückens des
Flankenzahnes verläuft, wobei der Fuß des Zahnes am unteren, schmalen Ende des Formmeißels
liegt. Aufgrund der äußerst niedrigen Nut hinter dem Kopfzahn liegt die Knicklinie
nur wenige Zehntel mm, z.B. 1/10 mm höher als der Grund der Nut, wie Fig.4 verdeutlicht.
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Die Ausführungsform gemäß Fig.6 bis 9 stimmt weitgehend mit der gemäß
Fig.1 bis 3 überein. Jedoch ist der Abstand der Kopfschneide 9 des Flankenzahnes
6 von der Mittelachse 2 gleich dem Abstand der Kopfschneide 14 des Kopfzahnes 14
von der Mittelachse. Auch ist die Breite der Kopfschneide des Kopfzahnes größer
als die Breite der Kopfschneide des Flankenzahnes wie Fig.
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9 verdeutlicht. Fig.9 zeigt auch, daß der Krümmungsradius 24 des Uberganges
zur Kopfschneide des Kopfzahnes weit enger bzw.
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kleiner als der Radius 25 des Uberganges zur Kopfschneide des Flankenzahnes
ist.
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Die Ausführungsform gemäß Fig.10 unterscheidet sich von der gemäß
Fig.1, indem die Zahnstollen 3 in den Grundkörper 1 ein gesetzt und an diesem in
nicht näher gezeigter Weise befestigt sind. Auch ist der Kopf 16 des Kopfzahnes
7 von einem Stift 24
gebildet, der il eine Ausnehmung des Zahnstollens
3 eingesetzt ist. Unten in der Ausnehmung befindet sich der Kopf einer eingeschraubten
Anschlagschraube 25, die in radialer Richtung verstellbar ist. Der Stift 24 besitzt
einen Fuß 26, der von einer in den Zahnstollen 3 geschraubten Madenschraube 27 gegen
den Kopf der Anschlagschraube gepreßt wird, um den Stift in der Ausnehmung bzw.
im Zahnstollen zu halten.