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Verfahren zur Herstellung von radialer Schaltkeilverzahnung
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Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung einer
radialen Schaltkeilverzahnung, insbesondere einer Hirthschen Stirnverzahnung mit
einer universalen spanabhebenden Werkzeugmaschine oder mit einer Einzweckmaschine.
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Unter dem Begriff "Schaltkeilverzahnung" wird eine Verzahnung verstanden,
die in Kupplungen, z.B. in Kraftfahrzeugen bei der Ausgleichs sperre des Ausgleichsgetriebes,
angewendet wird. Solche Keilverzahnungen können an den EndflQchen von zwei Wellen
ausgebildet werden, wobei die Endflächen zueinander parallel ausgerichtet sind und
zu der Längsachse der Wellen senkrecht stehen.
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Diese Wellen können an der Keilverzahnung miteinander verbunden werden,
wodurch die Drehbeweung der einen Welle auf die andere Welle übertragen wird.
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Die radiale Keilverzahnung ist eine Verzahnungsart, die nur sehr schwer
hergestellt werden kann. Jedoch sind mehrere Herstellungsverfahren nach dem Stand
der Technik bekannt. Die verbreitetsten Verfahren zur Herstellung von radialen Schaltkeilverzahnungen
können in folgende Gruppen zusammengefaßt werden: - Hobeln mit einer Kegelzahnhobelmaschine
mit Hobeleisen, detailliert beschrieben z.B. in einem Buch des sowjetischen Autors
G.V. Hoperskow ; - Stoßen mit einer Wälzstoßmaschine mit einem Abwälzwerkzeug, beschrieben
in "Tool and Manufacturing Engineersl Handbook" von Slc.Graw-Hill Book Company ;
- Fräsen mit einer Abwälzfräsmaschine mit - einem Schlagmesser, beschrieben in einem
russischen Buch von G.N. Rajhman und V.J. Iwanow, oder - einem die Anschnittzähne
eines imaginären mehrgänzigen Schneckenfräsers verkörpernden Scheibenfräser, beschrieben
in einem Buch von G.N. Rajhman ; Diese Verfahren sind in der sowjetischen Patentschrift
Nr. 249 904 beschrieben - Fräsen mit Universalfräsmaschine mit einem zweiseitigen
Winkelfräser, beschrieben in ''Machineryl'Handbook'' von Industrial Press Inc.
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Unter diesen Verfahren ist das Fräsen auf Universalfräsmaschinen mit
einem zweiseitigen symmetrischen Winkelfräser das am meisten angewandte Verfahren,
da keine spezielle Werkzeugmaschine benötigt wird. Universalfrasmaschinen sind in
allen Maschinenfabriken vorhanden. Der Preis dieser Maschinen ist verhältnismäßig
niedrig (vier- bis sechsmal niedriger als der einer Wälzstoßmaschine oder einer
Abwälzfräsmaschine
). Dieses Verfahren wird n?c.; dem technologischen
Vorgang wie folgt ausgeführt: Das zu verzahnende Werkstück wird in dem auf dem Maschinentisch
montierten Teilapparat eingespannt. Die Achse des Werkstückes wird dem Neigungswinkel
der Zahnlückenkante entsprechend verschwenkt. Der Winkelfräser wird durch das Berühren
mit der Spitze der Schneidkante des verschwenkten Werkstückes in die Mitte des Werk
stückes gestellt und eine Zahnlücke wird mit den folgenden Schritten bearbeitet:
Arbeitsvorschub - schneller Rückzug des Werkstückes -schneller Rücklauf des Fräsers
- schnelle Näherung.
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Nach dem Teilen wird dieser Zyklus fortgesetzt, bis alle Zahnlücken
fertig bearbeitet sind.
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Dieses Verfahren hat wesentliche Nachteile. Bis zur Fertigbearbeitung
einer Zahn lücke muß der Maschinentisch viermal bewegt werden, und zwar einmal im
Arbeitsgang und dreimal im Leergang.
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Die Bearbeitungszeit, die aus -der maschinellen Hauptzeit und Nebenzeit
zusammengesetzt ist, ist wegen der ungünstigen relativen Anordnung des Werkstückes
zu dem Werkzeug zu lang. Die maschinelle Hauptzeit setzt sich aus der Dauer des
effektiven Fräsen, sowie der Zustellung und dem Rücklauf des Werkzeuges zusammen,
d.h. sie umfaßt die gesamte Dauer des Arbeitsvorgangs. Wesen der ungünstigen Anordnung
wird eine lange Zeit für die Zustellung des Werkstückes und fur den Rücklauf des
Werkzeuges benötigt. Die maschinelle Nebenzeit setzt sich aus der Dauer der Leerläufe
zusammen.
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Da für die Fertigbearbeitung einer Zahnlücke der Maschinentisch dreimal
im Leerlauf bewegt werden muß, ist auch diese
Zeitdauer zu lang.
Infolgedessen ist die Produktivität dieses Verfahrens sehr niedrig.
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Ein weiterer Nachteil besteht darin, daß die Beanspruchung der Fräsmaschine
bei diesem Verfahren sehr groß ist, so daß ihre Lebensdauer folglich kurz ist. Auch
sind die Ausfallzeiten höher. Die Größe der Beanspruchung zeigt zum Beispiel die
Bearbeitung eines Zahnrades mit der Zähnezahl 127.
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So muß der Maschinentisch 4 x 127 - 508-mal bewegt werden, d.h. gebremst,
gestoppt, in die andere Richtung gestartet und beschleunigt werden.
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Auch ist die Genauigkeit dieser Verfahrensweise sehr niedrig und der
geometirsche Fehler des zweiseitigen symmetrischen Fräsers wird auf das Profil der
Zahnlücke kopiert.
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Auch tritt eine erhebliche Schnittkraft wegen der Breite des Spanes
auf, welcher die Breite des Zahnlückenprofils aufweist.
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Nachteile anderer Art ergeben sich bei den vorbekannten Verfahren
hinsichtlich der Oberflachenausbildung. Der Literatur ist zu dieser Frage zu entnehmen,
daß alle Oberflächen durch Bewegung einer Erzeugungslinie entlang einer Leitlinie
gebildet werden. Die Oberfläche bildet somit die Spur oder Marke dieser Bewegung
der Erzeugungslinie.Zur Bildung der Erzeugungslinie und der Leitlinie sind Hilfsmittel
nötig, welche materielle Linien oder materielle Punkte oder beides sein können.
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Sofern das Hilfsmittel eine materielle Linie ist, können die Erzeugungslinie
und Leitlinie wie folgt gebildet werden:
- nach dem Verfahren des
Kopierens, wobei die Länge und Form der als Hilfsmittel dienenden materiellen Linie
mit der Länge und Form der zu bildenden geometrischen Linie gleich sind; - nach
dem Abwälzverfahren, wobei die Lange und Form der als Hilfsmittel dienenden materiellen
Linie mit der Länge und Form der zu bildenden geometrischen Linie gleich sind.
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Sofern das Hilfsmittel ein materieller Punkt ist, können die Erzeugungslinie
und die Leitlinie auch in zweifacher Weise gebildet werden: - nach dem Verfahren
der Spurlinie, wobei die zu bildende geometrische Linie eine Spur des bewegten Punktes
ist; - nach dem Verfahren der Berührung, wobei die zu bildende geometrische Linie
als Berührungslinie einer Vielzahl von geometrischen Hilfslinien nachgebildet ist,
wobei die Hilfslinien beim Bewegen des materiellen Punktes entstehen.
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Sowohl die Erzeugungslinie als auch die Leitlinie können nach einer
dem Verfahren des Kopierens, des Abwalzverfahrens, der Spurlinie oder der Berührung
gebildet werden.
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Im folgenden wird das Fräsen mit einem zweiseitigen symmetrischen
Winkelfräser näher beschrieben, da dieses Verfahren heute häufig angewandt wird.
In dieser Technologie ist die Erzeugungslinie die Kopie des Profils des zweiseitigen
symmetrischen Winkelfräsers. Die Erzeugungslinie
wird entlang einer
nach der Methode der Berührung hergestellten Leitlinie bewegt. In dieser Weise ist
die Erzeugungslinie zugleich die Berührungslinie der nacheinanderfolgenden Positionen
des zweiseitigen symmetrischen Winkelfräsers. Dies ist ein weiterer Grund für die
niedrige Produktivität des bekannten Verfahrens: Die Bewegungsgeschwindigkeit der
Erzeugungslinie ~~(ArEetsvorschub) ist langsam und die Leitlinie (die Zahnlückenskante)
ist zugleich lang.
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Aufgrund des oben Angeführten kann festgestellt werden, daß der Profilfehler
der Zahnlücken und die große Schnittkraft von der Oberflächenausbildung nach dem
Verfahren des Kopierens herrühren.
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Den vorbekannten Stand der Technik zusammenfassend kann festgestellt
werden, daß der technologische Standard der Verfahren zur Herstellung von radialen
Schaltkeilverzahnungen weit unter dem Niveau anderer Verfahren der maschinellen
Spanabhebung liegt.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, diese Schwierigkeiten zu
beseitigen und ein Verfahren zur Herstellung von radialen Schaltkeilverzahnungen
auf universalen spanabhebenden Werkzeuamaschinen oder auf speziellen Ein zweck-Werkzeugmaschinen
mit intermittierender Teilung zu schaffen, wobei in beiden Fällen eine große Erzeuaungseffektivität
und eine kleine Belastung der betreffenden Teile der Werkzeuges maschine gewährleistet
sein soll.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß ein materieller
Punkt eines Werkzeuges auf dem Mantel eines schiefwinkligen Kreiszylinders bewegt
wird, eine Grundplatte des schiefwinkligen Kreis zylinders in eine durch
Zahnlückenkanten
von zwei entgegengesetzten Zahnflanken bestimmte Eben" gelegt wird, die relative
Position des Werkzeuges und eines Werkstückes so eingestellt wird, daß eine das
Werkzeug haltende Hauptspindel zu der Ebene senkrecht steht, und eine Erzeugungslinie
und eine Leitlinie der entgegengesetzten Zahnflanken nach dem Spurlinieverfahren
hergestellt werden, wobei die entgegengesetzten Zahnflanken durch den schiefwinkligen
Zylinder entlang je einer Linie der entgegengesetzten Zahnflanken berührt werden.
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Der Grundgedanke der Erfindung besteht darin, daß die Oberfläche der
Zahnflanke mit einer kurzen Leitlinie, d.h. mit einer kurzen Zahnlückenkante ausgebildet
wird und daß bei dieser Oberflächenausbildung nicht das Verfahren des Kopierens,
sondern die Methode der Spurlinie angewendet wird.
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Durch die technischen Maßnahmen dieser Verfahrensschritte wird - wie
im folgenden noch ausführlicher erläutert werden wird - die Erfüllung der gestellten
Aufgabe sichergestellt und ermöglicht, daß universale Werkzeugmaschinen zur Herstellung
von Schaltkeilverzahnungen eingesetzt werden können, die Produktivität der Fertigung
erheblich erhöht wird und bessere, d.h. genauere Schaltkeilverzahnungen hergestellt
werden können.
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Weitere Einzelheiten der Erfindung werden anhand der beigefügten Zeichnung
im Zusammenhang mit einem Ausführungsbeispiel näher erläutert.
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Fig. 1 zeigt zwei Ansichten eines zweiseitigen Winkelfräsers, der
bei bekannten Verfahren angewandt wurde, Fig. 2 zeigt ein Zahnrad mit nach der Erfindung
hergestellter Schaltkeilverzahnung in Draufsicht und im Querschnitt, Fig. 3 zeigt
eine perspektivische Darstellung des prinzipiellen Grundgedankens der Erfindung,
Fig. 4 zeigt eine vertikale Fräsmaschine in zwei Ansichten, die bei einem Ausführungsbeispiel
der Erfindung angewendet wird, Fig. 5a bis 5d illustrieren einzelne Schritte eines
Ausführungsbeispieles der Erfindung, und Fig. 6 zeigt einen Querschnitt einer Zahnlücke,
der nach der Erfindung bearbeitet wurde.
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Zur Erleichterung des Verständnisses des Ausführungsbeispiels wird
einleitend die Terminologie der Erfindung im Zusammenhang mit Fig. 2 erläutert.
In Fig. 2 ist ein Zahnrad dargestellt, das nach der Erfindung verzahnt wurde.
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Bezugszeichen 2 bezeichnet eine Spitze des Zahnlückenkantenkegels
(Zahnkronenkantenkegel). Der Zahnlückenkantenkegel (Zahnkronenkantenkegel) ist durch
die Zahnlückenkanten (Zahnkronenkanten) als Mantellinien bestimmt.
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Die Zahnkronenkante ist mit Bezugszeichen 3 bezeichnet.
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Bezugszeichen 4 bezeichnet eine Zahngrundabrundung und 4a eine Grenze
der Zahngrundabrundung 4. Diese Linie (Grenze 4a) ist der Ort des Treffens der Zahngrundabrundung
3 und der Zahnflanke.
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Die Zahnlückenkanten sind mit 5 und 5a und die entgegengesetzten Zahnflanken
mit 6 und 6a bezeichnet.
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Der Neigungswinkel der Zahnlückenkante ist mit < angezeigt. Dieser
Neigungswinkel < wird durch die Zahnlückenkante 5 und durch eine an der Spitze
2 des Zahnlückenkantenkegels gelegte und zu einer Achse F-F des Werkstückes senkrechten
Ebene bestimmt.
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Ein Neigungswinkel ß der Zahnflanke ist durch die Zahnflanke 6 und
eine auf der Zahnlückenkante 5 und der Achse F-F gelegte Ebene bestimmt (in einer
zu der Zahnlückenkante 5 senkrechten Ebene gesehen), d bezeichnet den Innendurchmesser
der Schaltkeilverzahnung, D bezeichnet den Außendurchmesser der Verzahnung, B bezeichnet
die Breite des Zahnrückens bei einem Außendurchmesser D der Verzahnung, Z bezeichnet
die Zahl der Zähne der Verzahnung.
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Ein in einer auf der Spitze 2 des Zahnlückenkantenkegels und zu der
Achse F-F des Werkstückes senkrechten Ebene gesehener Winkel der benachbarten Zahnkronenkante
3 und der Zahnlückenkante 5 ist mit r bezeichnet, e=1800 ~ z @
In
Fig. 3 ist die prinzipielle Grundlage der Erfindung dargestellt. Ein schiefwinkliger
Kreiszylinder 7 ist mit einer gestrichelten Linie gezeichnet, deren Grundplatte
9 in einer durch die Zahnlückenkanten 5, 5a der entgegengesetzten Zahnflanken 6,
6a von zwei verschiedenen Zahnlücken bestimmten Ebene 10 gelegt ist. Diese entgegengesetzten
Zahnflanken 6, 6a werden durch Mantelteile des Kreiszylinders 7 ersetzt. Der schiefwinkelige
Kreiszylinder 7 berührt die Zahnflanke 6 entlang einer Linie 8 und die Zahnflanke
6a eintlang einer Linie 8a. Die die Rolle eines oberflächenbildenden materiellen
Punktes 11 einfüllende Spitze des Fräsers bewegt sich auf dem Mantel des Kreiszylinders
7, z.B. entlang einer Schraubenlinie 12 (unter dem Begriff "schiefwinkliger Kreiszylinder"
wird ein Kreiszylinder verstanden, dessen Achse zu seiner Grundfläche nicht senkrecht
verläuft).
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Im folgenden wird die praktische Verwirklichung des erfindungsgemäßen
Verfahrens mit einer vertikalen Fräsmaschine 14 beschrieben, die in Fig. 4 dargestellt
ist. Dabei wird auch auf die Fig. 5a bis 5d Bezug genommen, in denen die einzelnen
Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens veranschaulicht sind.
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a) Ein Fräserkörper 16 wird auf eine Hauptspindel 15 der Fräsmaschine
14 einachsig mit dieser Hauptspindel 15 montiert. Auf einen Maschinentisch 17 der
Fräsmaschine 14 wird ein verschwenkbarer Teilapparat 18 montiert.
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An dem Teilapparat 18 wird eine Spannvorrichtung 19 angeordnet und
in der Spannvorrichtung 19 wird ein Werkstück eingespannt.
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b) Der Maschinentisch 17 hat einen Arbeitsvorschub e.
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Die Hauptspindel 15 wird in Richtung dieses Arbeitsschubes
e
unter einem Winkel g verschwenkt. Das Werkstück 20 wird so eingestellt, daß zwischen
der Achse des Werkstückes 20 und der Achse der Hauptspindel 15 ein Neigungswinkel
zu gemessen wird. Der oberflächenbildende materielle Punkt 11 einer Schneidekante
22 einer Wendeplatte 21 des Fräserkörpers 16 wird durch Justierschrauben 23 und
23a derart eingestellt, daß zwischen dem Punkt 11 und der Achse des Fräserkörpers
16 sich eine Distanz R ergibt. Danach wird die Wendeplatte 21 in dem Fräserkörper
16 justiert. Die Zahl der Wendeplatten kann den Abmessungen des Fräserkörpers 16
entsprechend frei gewählt werden.
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Die Einstelldaten werden wie folgt berechnet: tan -.
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2 X = arc sin tan3cos C (zk 0,5) B v Darin ist: Zk die Zahl der Zähne
zwischen den beiden entgegengesetzten Zahnflanken 6, 6a, deren Wert frei gewählt
werden kann. Es muß aber beachtet werden, daß mit einem größeren Wert von zk der
maximale Abstand zwischen den entgegengesetzten Zahnflanken 6, 6a und dem Mantel
des schiefwinkligen Kreiszylinders 7 kleiner und damit die Genauigkeit der Bearbeitung
größer wird;
; = 9qo - arc. tan u worin
| tan ö sin /cp 2; cos oC |
| av -r----Y I |
| (sin /zk/ casa(-) |
| worin |
| tan gv tazif ar;sin (sin = -;1 |
| 1 + tan ain (sin MP;k / oosy |
| .1) + d sin (qX /Zk - 0,5/ ) |
| R = \Ii - (sin 4I------ |
| 5 in /t Zk / c080t)< |
Infolge dieser Einstellung verläuft die Hauptspindel 15 senkrecht zu der Ebene 10.
Der oberflächenbildende materielle Punkt 11 wird auf dem Mantel des Kreiszylinders
7 bewegt.
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Die senkrechte Position der Hauptspindel 15 zu der Ebene 10 wird
für die praktische Durchführung, d.-h.
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für die Möglichkeit des Folgens der Richtung der Zahnlückenkanten
5, 5a mit dem materiellen Punkt 11 benötigt.
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c) Die Drehbewegung der Hauptspindel 15 und der vertikale Arbeitsvorschub
e werden eingeschaltet. Die Kante des Werkstückes 20 wird an zwei Stellen berührt,
und der Abstand C der Berührungspunkte wird gemessen. Die Position des Maschinentisches
17 ist richtig eingestellt, wenn der Abstand C einen Wert aufweist, der mit der
folgenden Gleichung berechnet werden kann:
| » = D vk h, - 2R com% + 4R2 - F--) cos |
| oo - |
worin
| sro sin sein WC? /zk - 1/ 7 coi3+ z5 cosat 1800 |
Infolge dieser Einstellung berührt der Mantel des Kreiszylinders 7 die beiden entgegengesetzten
Zahnflanken 6, 6a entlang je einer Linie 8, bzw. 8a bei dem Mitteldurchmesser D
+ d der Schaltkeilver-2 zahnung.
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d) Der Maschinentisch 17 wird in vertikaler Richtung in Arbeitsvorschub
- schnellen Rückzug geschaltet, und der Weg des Arbeitsvorschubes e wird so eingestellt,
daß der auf der Wendeplatte 21 befindliche materielle Punkt 11 sich auf der bearbeiteten
Zahnflanke mindestens bis zur Grenze 4a der Zahngrundabrundung 4 bewegt und daß
auf der nicht bearbeiteten Zahnflanke eine Zugabe F verbleibt. Nach schnellem Rücklauf
wird geteilt. Dieser Zyklus wird der Zahl der Zähne entsprechend, d.h. Z-mal wiederholt.
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Diese Situation kann aus Fig. 6 entnommen werden.
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Aus dieser Figur ist auch der Spanquerschnitt ersichtlich. Die Schneidsicherheit
ist im linken letzten Streifen in der Figur veranschaulicht ( Die Schraffur verläuft
dort kreuz und quer). Von der als erstes bearbeiteten Zahnflanke werden die Spanquerschnitte
24
und 24a, von der als zweite bearbeiteten Zahnflanke die Spanquerschnitte 25 und
25a nacheinander entfernt.
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Das erfindungsgemäße Verfahren ist für die folgenden Bearbeitungsverfahren
geeignet: -- Fertigbearbeitung ohne Vorbearbeitung in einet Schritt mit Fräsen oder
Schleifen; - Vorbearbeitung vor dem Schleifen mit Fräsen; - Fertigbearbeitung einer
vorbearbeiteten Verzahnung mit Schleifen.
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Ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens wird im
folgenden beschrieben: - das Werkstück ist aus einem unlegierten Kohlenstoffstahl
ausgebildet, die Abmessungen sind: D = 92 mm, d = 81,8 mm, z = 48, B = 300; - die
Einstellungsdaten betragen: & = 37,560, 37 = 4,750, R = 47,996 mm, C = 66,102
mm; - die Maschinendaten betragen: vertikale Fräsmaschine wie in Fig. 4, n = 240
Umdrehungen pro Minute, e = 60 mm pro Minute; - als Fräskörper wird ein Messerkopf
mit drei Wendeplatten verwendet; Wendeplatten: Einsatz SANDVIK COROMAT Type TPUN
110304; - die maschinelle Haupt- und Nebenzeit beträgt: 3,0 Minuten ; bis zur Fertigbearbeitung
soll der Maschinentisch 96-mal bewegt werden; - der wahrscheinliche Fehler der Teilung
der Zähne beträgt: 0,04 mm.
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Die Werkzeugkosten sind wegen des moderrP, billigen, in Massenproduktion
hergestellten Werkzeugmaterials (Hartmetallschneide) niedriger.
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Zusammengefaßt kann festgestellt werden, daß das erfindungsgemäße
Verfahren zur Herstellung von radialen Schaltkeilverzahnungen ein grundliegend neues
Verfahren ist, das eine nicht zu erwartende Erhöhung der Produktivität sowie der
Qualität und der Wirtschaftlichkeit erbringt.
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