DE3689678T2

DE3689678T2 - Schneidwerkzeug mit Einwegschneidscheibe.

Info

Publication number: DE3689678T2
Application number: DE3689678T
Authority: DE
Inventors: Aaron Erisman; Erich Tlaker; Donald Whitney
Original assignee: Fellows Corp
Current assignee: Fellows Corp
Priority date: 1985-07-30
Filing date: 1986-07-23
Publication date: 1994-07-14
Anticipated expiration: 2006-07-24
Also published as: EP0212860B1; DE3689678D1; JPS6228118A; EP0212860A3; EP0212860A2; US4629377A; KR870000986A; KR940005907B1; BR8603760A

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich entsprechend dem Oberbegriff des Anspruchs 1 auf ein Metallschneidwerkzeug derjenigen Art, wie es zur spangebenden Herstellung von profilierten Werkstücken verwendet wird, und gemäß den Ansprüchen 7 und 10 auf ein Verfahren zur Fertigung von Schneidscheiben. Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf Stoß-/Schneidwerkzeuge (Schneidräder bzw. Stoßräder) mit Schneideinsätzen.
Schneidräder zur Bearbeitung von Zahnrädern oder ähnlichen profilierten Werkstücken haben über einen Zeitraum von Jahren eine Vielzahl von Formen angenommen, doch umfassen sie typischerweise einen konischen oder zylindrischen Werkzeugkörper, der eine Reihe von in Umfangsrichtung beabstandeter Zähne aufweist. Um das Schneiden mit den Vorderkanten der Schneidzähne zu ermöglichen, verlaufen die Umfangsflächen der Zähne schräg von diesen Vorderkanten weg, um einen Freiraum für die metallischen Hobel- oder Schneidspäne zu schaffen. Es hat sich herausgestellt, daß eine Beschichtung der Zähne mit Titannitrid oder ähnliche verschleißfeste Beschichtungen deren Schneidleistung und die Schneiden- Lebensdauer erhöht.
Es gibt eine Anzahl von praktischen Einwänden gegen diese Werkzeugkonstruktion des Standes der Technik, die sich auf die Notwendigkeit beziehen, die Zähne von Zeit zu Zeit nachschleifen zu müssen, um die gewünschte Schärfe aufrechtzuerhalten. Ein solches Nachschleifen beeinträchtigt die Präzision der Schneidprofile des Werkzeugs, erfordert Anpassungen bei der Zuordnung des Schneidgerätes rum Werkstück und entfernt die Oberflächenbeschichtung. Daher haben Forscher eine Anzahl von alternativen Lösungsansätzen erprobt, um ein wirtschaftliches, langlebiges Schneidwerkzeug zu entwerfen.
Eine Annäherung an die wirtschaftliche Auslegung von Schneidrädern und Abwälzfräsern ist der Typ mit eingesetzter Klinge, bei dem das Werkzeug eine Haltebzw. Stützkonstruktion mit einer Vielzahl von eingesetzten Zähnen umfaßt. Zu den beispielhaften Patenten zählen die US-Patente 2,498,721, 2,706,848, 3,520,044, 3,571,875, 3,688,368, 3,740,808, 4,102,583, 4,135,414, 4,170,161, 4,188,161, und 4,197,039. Einen weiteren Lösungsansatz hat es gegeben, um eine Vielzahl von gestapelten bzw. geschichteten Ringen mit Schneidkanten zu schaffen, die ein Verbund-Schneidprofil definieren. Diese Technik ist in den US-Patenten 3,303,554, 3,762,006, und 4,218,159 dargestellt.
EP-A 132,350, die den nächstkommenden Stand der Technik repräsentiert, offenbart ein Zahnrad-Schneidrad mit einem flexiblen Wafer, der zwischen einem Werkzeugkörper und einem Spannring eingespannt ist. Anders als beim Werkzeug der vorliegenden Erfindung, verwendet dieses Stoß-/Schneidwerkzeug eine konkave Befestigungsfläche des Werkzeugkörpers, gegen die der Wafer gebogen ist, um einen positiven Spanwinkel zu schaffen. Um die notwendigen Freiwinkel für die Schneidwaferzähne zu erhalten, wird der Wafer mit konischen bzw. verjüngten "Rückenwinkeln" geschliffen. Dieses Waferprofil macht die Umkehrung und Wiederverwendung des Schneidwafers unmöglich.
Dementsprechend besteht ein Hauptziel der Erfindung darin, verbesserte Entwürfe für Schneidräder (Stoß-/Schneidwerkzeuge) zu schaffen. Eine solche Konstruktion soll exzellente Schneideigenschaften aufweisen und zugleich die Wirtschaftlichkeit im Gebrauch verbessern.
Die vorliegende Erfindung schafft daher ein mit einem Schneidelement ausgestattetes Schneidwerkzeug zur Ausbildung von Verzahnungen und ähnlichen Profilen in Werkstücken, und umfaßt eine Schneidwerkzeugaufnahme mit einer konturierten Befestigungsfläche für das genannte Schneidelement und Rippen in einer kreisförmigen Anordnung, einen Halter mit einer Befestigungsfläche für das Schneidelement, wobei die Befestigungsfläche zur Befestigungsfläche der Schneidwerkzeugaufnahme komplementär ist, sowie Befestigungsmittel zum Einspannen des Schneidelements zwischen den Befestigungsflächen der Schneidwerkzeugaufnahme und des Halters, wobei das Schneidelement aus einer dünnen, ringförmigen Scheibe mit einer Reihe von Zähnen besteht, die derart in einem kreisförmigen Muster angeordnet sind, daß die Zähne mit den Rippen der Schneidwerkzeugaufnahme ausgerichtet sind zur Unterstützung wenn sie zwischen der Schneidwerkzeugaufnahme und dem Halter in Schneidposition eingespannt sind, und die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß die Zähne der Schneidscheibe an den gegenüberliegenden Seiten der Scheibe eine erste und eine zweite Schnittfläche aufweisen, die über die Rippen und den Halter unter einem wirksamen negativen Spannwinkel vorstehen, wenn die Scheibe in Schneidposition eingespannt worden ist, wobei die Schneidscheibe genügend flexibel ist, um im wesentlichen die Form der Befestigungsfläche der Schneidwerkzeugaufnahme anzunehmen, ohne daß der Schneidscheibe wesentlicher Schaden zugefügt wird, wenn diese zwischen der Schneidwerkzeugaufnahme und dem Halter eingespannt ist, wobei die Schneidscheibenzähne zwischen der Schneidwerkzeugaufnahme und dem Halter umkehrbar symmetrisch sind, so daß entweder die erste Schneidfläche oder die zweite Schneidfläche verwendet werden kann, um das Werkstück zu formen.
Vorzugsweise ist die Schneidscheibe flach in ihrem unbelasteten Zustand und flexibel genug, um einen negativen Spanwinkel von mindestens 5º ohne Beschädigung auszuhalten.
Zweckmäßigerweise ist die Schneidscheibe genügend flexibel, um einen negativen Spanwinkel von mindestens 5º ohne bleibende Verformung nach der Abnahme vom Schneidwerkzeug auszuhalten, wobei die Schneidscheibe aus einem Werkzeugstahl mit ausreichender Härte und Stärke ausgebildet ist, um Zahnradzähne in einem Zahnrad-Stoßverfahren zu schneiden.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform weisen die Scheibenzähne Schneiden auf, die sich am weitesten außenseits der Scheibenachse und senkrecht zu den einander gegenüberliegenden Seiten der Scheibe befinden.
Ein die Erfindung verkörperndes bevorzugtes Schneidwerkzeug umfaßt eine Schneidwerkzeugaufnahme mit einer konvexen Befestigungsfläche, einen Halter mit einer komplementären Befestigungsfläche und eine Schneidscheibe, die zwischen Schneidwerkzeugaufnahme und Halter eingespannt wird und sich dadurch wölbt, um einen negativen Stirnwinkel (Spanwinkel) auszubilden. Die Schneidscheibe umfaßt peripher angeordnete Zähne, die unverjüngte Außenflächen haben (normalerweise senkrecht zu den Scheibenflächen), wobei die Zähne über Stützabschnitte der Schneidwerkzeugaufnahme und des Halters hinausragen. Das Verbundschneidwerkzeug kann zum Beispiel als Schneidrad oder Schlichtschneider verwendet werden, wobei die Vorderkanten der Scheibe zum Schneiden verwendet werden. Wenn die Scheibe stumpf wird, kann sie bezeichnenderweise umgedreht und erneut verwendet werden.
Ein wirtschaftliches Verfahren zur Herstellung von Schneidscheiben der vorbeschriebenen Art ist entsprechend den Ansprüchen 7 beziehungsweise 10 ebenfalls in der Erfindung eingeschlossen. Zuerst erfordert ein die Erfindung verkörperndes bevorzugtes Verfahren die Bearbeitung eines Werkzeugstahl-Rohlings, um eine Anzahl von flachen, ringförmigen Scheiben der gewünschten Dicke zu erzeugen. Diese Scheiben werden zur Formgebung des Innen- und Außendurchmessers und für Schleifvorgänge in Serie auf Dorne geschichtet und im Wege der "Unterhärtung" wärmebehandelt. Dieses Verfahren kann nacheinander aus Schneid-, Walz- und Schleifstufen umfassen oder es kann modifiziert werden, um Schritte zu kombinieren. Wahlweise kann dieses Verfahren als letzten Schritt die Beschichtung der Schneidscheibe mit einem harten, abriebfesten Material wie zum Beispiel Titannitrid einschließen. Alternativ kann das Verfahren die grobe Bearbeitung und das Feinschleifen von rohrförmigem oder Stangenmaterial erfordern, gefolgt vom Zerteilen des fertigen Materials in ringförmige Scheiben.
Es werden eine Vielzahl von Schneidwerkzeug-Geometrien offenbart, einschließlich Schneidwerkzeuge mit Außen- und Innenverzahnung, sowie Stirnrad- und Schraubenrad-Schneidwerkzeuge. Alle Schneidwerkzeuge sind entsprechend vorliegender Erfindung gekennzeichnet durch den Einsatz einer ringförmigen Schneidscheibe, die geeigneterweise einen über ihre gesamte Breite unveränderlichen Querschnitt aufweist (einschließlich identischer Ober- und Unterflächen) und durch die Befestigung der Scheibe unter einem negativen Flächenneigungswinkel oder Spanwinkel.
Die vorstehenden und zusätzliche Aspekte der Erfindung sind in der nachfolgenden ausführlichen Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele in Verbindung mit den Zeichnungen dargestellt, in denen zeigen:
Fig. 1 einen Längsschnitt durch ein auf einer Stoßspindel angebrachtes Schneidwerkzeug einer ersten Ausführungsform der Erfindung,
Fig. 2 eine Seitenansicht des Schneidwerkzeugs aus Fig. 1,
Fig. 3 eine Explosionsdarstellung im Teilschnitt der Schneidwerkzeugaufnahme, der Schneidscheibe und des Halters des Schneidwerkzeug aus Fig. 1,
Fig. 4 eine Teildraufsicht auf die Schneidscheibe aus Fig. 1, die mehrere Zähne in ihrer Zuordnung zu den Befestigungsabschnitten der Schneidwerkzeugaufnahme und des Halters zeigt,
Fig. 5 ein Axialschnitt durch das an einer Stoßspindel befestigte Schneidwerkzeug in einer zweiten Ausführungsform der Erfindung,
Fig. 6 eine Teildraufsicht auf eine Schneidscheibe des in Fig. 5 abgebildeten Werkzeugs,
Fig. 7 eine Seitenansicht des Stoß/Schneidwerkzeugs aus Fig. 5,
Fig. 8 ein Axialschnitt durch eine dritten Typs eines Stoß-/Schneidwerkzeugs,
Fig. 9 eine im Schnitt wiedergebene Teil-Explosionsdarstellung einer Schneidwerkzeugaufnahme, einer Scheibe und eines Halters des Werkzeugs aus Fig. 8,
Fig. 10 eine Teilansicht auf die Schneidscheibe des in Fig. 8 gezeigten Werkzeugs,
Fig. 11 eine Seitenansicht einer vierten Art des Stoß-/Schneidwerkzeug,
Fig. 12 einen Teilschnitt durch das Werkzeugs aus Fig. 11,
Fig. 13 eine Teildraufsicht auf eine Schneidscheibe des Werkzeugs aus Fig. 11,
Fig. 14 einen fragmentarischen Teilschnitt durch die Schneidscheibe entlang der Linie 14-14 in Fig. 13,
Fig. 15A eine perspektivische Ansicht eines zylindrischen Werkzeugstahl-Rohlings,
Fig. 15B eine Seitenansicht eines zur Ausbildung der Stücke von Fig. 15C zerteilten und durchbohrten Rohlings aus Fig. 15A,
Fig. 15C eine perspektivische Ansicht einer Ringscheibe bzw. einer Zwischenstufe bei der Produktion der Schneidscheibe,
Fig. 16 eine perspektivische Explosionsdarstellung einer Spannvorrichtung zum Grobschneiden des Außendurchmessers eines Satzes von Scheiben aus Fig. 16,
Fig. 17 einen perspektivischer Teilanschnitt durch eine Innenschleif-Spannvorrichtung,
Fig. 18 einen perspektivischen Teilschnitt durch eine Spannvorrichtung zur Fertigbearbeitung des Außendurchmessers,
Fig. 19 einen Längsschnitt durch einen Zylinder mit fertiggeschliffener Verzahnung, der zum Abtrennen von Scheiben nach einem alternativen Fertigungsverfahren auf einem zylindrischen Dorn montiert ist.
Zur ausführlichen Beschreibung eines Einwegschneidscheiben-Werkzeugs anhand einer ersten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sei nun Bezug genommen auf die Fig. 1 bis 4. Bezugnehmend auf die Schnittdarstellung der Fig. 1 ist die Schneidvorrichtung 10 an einer Spindel 13 einer konventionellen Zahnrad-Stoß-/Schneidemaschine befestigt, welche die Spindel 13 und das Stoß-/Schneidwerkzeug 10 um die Mittelachse A-A dreht, während sie bezüglich des Werkstücks zum in Herstellung begriffenen Zahnrad) hin und her bewegt werden ("fräsender Hobel"). Während dieser hin- und hergehenden Längsbewegung wird die Schneidvorrichtung 10 in Schneideingriff mit dem Werkstück gebracht, und die gezahnte Schneidscheibe 20 schneidet Zähne in das Werkstück. Weitere Einzelheiten des Schneidvorgangs werden nachfolgend erläutert.
Die Hauptelemente der Schneid-/Stoßvorrichtung 10 sind, wie am besten aus Fig. 3 zu sehen ist, die flexible Schneidscheibe 20, die Schneidwerkzeugaufnahme 15 und der Halter 30. Bezugnehmend auf Fig. 1 ist die Schneidwerkzeugaufnahme an einem Spindeladapter 100 angebracht, der an der Spindel 13 befestigt ist (ein eingesetzter Abschnitt des Spindeladapters 100 ist gestrichelt dargestellt). Die Schneidwerkzeugaufnahme ist mit Hilfe einer Sicherungsmutter 115 am Schaft 110 des Spindeladapters 100 gehalten. Im ungebogenen Zustand (Fig. 3) nimmt die Schneidscheibe 20 die Form einer flachen Ringscheibe an; bei Gebrauch ist sie zwischen den einander gegenüberliegenden Befestigungsflächen 17 und 34 der Schneidwerkzeugaufnahme 15 bzw. des Halters 30 eingespannt. Die Flächen 17 und 34 sind jeweils ringförmige Abschnitte eines flachen Kegels, der seinen Scheitelpunkt auf der Mittelachse A hat, und beide haben negative Flächenneigungswinkel e beispielhaft im Bereich von 50 bis 100. Beim Einspannen der flexiblen Schneidscheibe 20 zwischen die Flächen 17 und 34 paßt sich diese somit diesem negativen Flächenneigungswinkel mit ähnlichem Profil an.
Wie in Fig. 2 zu sehen ist, sind die Schneidzähne 25 am Rand der Scheibe 20 zwischen korrespondierenden zahnähnlichen Rippen 17 und 33 jeweils an der Schneidwerkzeugaufnahme 15 und an dem Halter 30 gehalten (vergleiche den linken und rechten, einmal durch einen Zahn 25 und einmal durch eine Lücke zwischen zwei Zähnen geführten Schnitt in Fig. 1). Obgleich in der Ausführungsform der Fig. 1 bis 4 die Schneidwerkzeugaufnahme 15 aufgrund der zahnähnlichen Rippen 17 und dem konischen Profil der Schneidwerkzeugaufnahme eine ähnliche Form wie die eines konventionellen Stoß/Schneidwerkzeugs annimmt, ist keines dieser Merkmale für die vorliegende Erfindung von Bedeutung. Vergleiche die Ausführungsformen der Fig. 5 bis 7 (sich nicht verjüngendes Schneidwerkzeugaufnahmeprofil) und der Figuren 8 bis 10 (keine Stützrippen an der Schneidwerkzeugaufnahme). In ähnlicher Weise kann der Halter Stützrippen aufweisen oder nicht.
Das Einspannen der Scheibe 20 zwischen Schneidwerkzeugaufnahme 15 und Halter 30 wird durch einen Spannring 35 gesichert, wobei die erstgenannten Anordnungen (alle haben einen im wesentlichen kreisförmigen Querschnitt) in Umfangsrichtung mittels eines Positionierungsstiftes 37 ausgerichtet sind, der durch eine Öffnung in der Schneidwerkzeugaufnahme 15 und halbkreisförmige Kerben in der Scheibe 20 und in dem Halter 30 eingesetzt ist.
Wie nachfolgend anhand der Draufsicht von Fig. 4 zusehen ist, ragen die Zähne 25 der Schneidscheibe 20 über die Stützrippen 33 und 17 hinaus (die letztere ist gestrichelt dargestellt), wodurch angemessen freie Schneidkanten für den Schneid-/Stoßvorgang geschaffen werden. Die Zahnflanken 22 und 23 sind zusammen mit den Flächen 21 und den Flächen 24 konventionelle Evolventen-Zahnprofile, die als paarig zugeordnete Formen zu den zur Herstellung von Stirnrädern bzw. Stirnrädergetrieben im Werkstück zu erzeugenden Zähnen bemessen sind. Im flachen, unverformten Zustand der Scheibe 20 sind die Außenflächen der Zähne 25 (ob entlang den Zahnflanken 22, 23 oder an einer der beiden Flächen 21, 24 gemessen) unverjüngt und senkrecht zu den oberen und unteren Flächen 28, 29 der Scheibe 20. Die Scheibe 20 weist dementsprechend einen konstanten Querschnitt und gleichbleibende Abmessungen über ihre gesamte Breite auf, ein Merkmal, das bedeutende Vorteile bei der Herstellung und im Gebrauch bietet, wie dies nachstehend erörtert wird.
Wenn die Scheibe 20 zwischen der Aufnahme 15 und dem Halter 30 eingespannt ist, werden die hervorstehenden Zähne 25 während des Schneidvorgangs unter einem negativen Spanwinkel R gehalten, und die Umfangsflächen der Schneidzähne 25 werden nach innen zum Schneidwerkzeugaufnahme hin geneigt, um Spitzen-Freiwinkel R zu bilden (vgl. Fig. 1). Für Werte von R im Bereich von 5º bis 10º werden Seiten-Freiwinkel in der Größenordnung von 2º gebildet. Die Auslegung des Stoß/Schneidwerkzeugs der vorliegenden Erfindung (wie anhand der Ausführungsformen nach den Fig. 1 bis 4 sowie bei weiteren nachfolgenden Ausführungsformen beschrieben) weicht durch die Anordnung der Schneidscheibe 20 unter einem negativen Spanwinkel von den konventionellen Konstruktionsgrundsätzen ab. Positive Spanwinkel sind bei Stoß-/Schneidwerkzeugen des Standes der Technik bevorzugt worden, da angenommen wurde, daß diese die Belastung auf die Stoß-/Schneidvorrichtung reduzieren und die Abfuhr der Metallspanreste aus dem Schneid-/Stoßvorgang erleichtert. Die Anmelder haben jedoch festgestellt, daß die vorliegende Werkzeugkonfiguration vergleichbare Leistung bei hoher Schnittgeschwindigkeit erreicht, wenn ein geeigneter Hochgeschwindigkeits-Werkzeugstahl für die Schneidscheibe 20 verwendet wird und sie wie nachstehend beschrieben hergestellt ist, vorzugsweise mit einer Titannitrid- oder einer anderen verschleißfesten Beschichtung. Im Betrieb reduziert sich durch die Beschichtung die Reibung an den Schneidkanten und verbessert die Rate der Metallspanabfuhr bei geringeren Schneidkräften.
Die Parameter zur Erzeugung des Profils der Schneidscheibenzähne 25 sind invers zu den Parametern, die benötigt werden, um eine konventionelle, ungebogene Schneidscheibe mit einem entsprechenden in das Schneidwerkzeug eingearbeiteten positiven Spanwinkel herzustellen. Wenn der negative Flächenneigungswinkel, zu dem die Schneidscheibe gebogen wird, zum Beispiel 5º beträgt, sollten deren Evolventenzahnformen analog zu jenen für ein konventionelles Schneidwerkzeug mit einem negativen Spitzen-Spanwinkel von 5º sein. Die Schneidscheibe 20 wird somit in ihrem unverformten Zustand mit einem korrigierten Profil hergestellt, um nach der Biegung das gewünschte Schneidprofil zu erzeugen.
Die Schneidkanten der konventionellen Stoß/Schneidwerkzeuge werden mit der Zeit stumpf und machen ein Nachschärfen durch Schleifen der Vorderflanken des Werkzeugs (korrespondierend zur Fläche 17 der Schneidwerkzeugaufnahme 15) erforderlich. Ein solches Schleifen beeinträchtigt die Präzision der Schneidkanten und entfernt jegliche verschleißfeste Oberflächenbeschichtung. Verschiedene alternative Konstruktionen enthalten eine oder mehrere Schneideinsätze, die weggeworfen werden, wenn sie stumpf werden, doch erfordern solche Werkzeuge mit Schneideinsätzen nach Ablauf der Standzeit den Ersatz des Schneidwerkzeugs. Ein Hauptvorteil des vorliegenden Schneidwerkzeugentwurfs liegt darin, daß nachdem die Schneidkanten 29e der Schneidscheibe 20 stumpf geworden sind, die Schneidscheibe umgedreht und mit den gegenüberliegenden Kanten 28e zum Schneiden wiederverwendet werden kann (dies setzt voraus, daß die einzelnen Zähne der Schneidscheibe beidseits symmetrisch sind, gemessen an jeder der beiden Scheibenflächen - was nahezu immer bei kommerziellen Anwendungen zutrifft). Die Scheibenumkehrung wird durch den über ihre gesamte Breite konstanten Querschnitt der Schneidscheibe 20 ermöglicht - eine generelle Eigenschaft der vorliegenden Erfindung, wobei die Scheibe obere und untere Stirnflächen mit identischem Profil und Abmessungen hat. Während der Weiterverwendung stellen die Kanten 28e scharfe, beschichtete Schneidkanten zur Verfügung; das Werkzeug wird erst nach wiederholter Verwendung weggeworfen. Obgleich bei herkömmlicher Konstruktion die Stärke der Scheiben 20 mindestens dem Doppelten der maximal zugelassenen Abnutzung der Schneidkanten der Zähne 25 entspricht, haben wir festgestellt, daß im typischen Betrieb die Abnutzung an den Zahnhinterkanten zwei- bis dreimal so groß ist wie die Abnutzung an den Vorderkanten. Nach der Umkehrung des Werkzeugs zur erneuten Verwendung werden die Hinter- und Vorderkanten umgekehrt (z. B. wird die Hinterzahnflanke der Erstverwendung zur Vorderzahnflanke während der Wiederverwendung). Es ist daher bei Anwendungen zum Schneiden von Zahnrädern möglich, daß die Schneidscheibe so dünn ist - wie das 1,33- bis 1,5-fache der zulässigen Hinterkantenabnutzung.
Die Fig. 5 bis 7 zeigen ein zweites Schneidwerkzeug mit Einwegschneidscheibe gemäß vorliegender Erfindung. Das Stoß-/Schneidwerkzeug 40 mit der zwischen Schneidwerkzeugaufnahme 43 und Halter 50 eingespannten Schneidscheibe 45 weist eine ähnliche Konstruktion wie die des Werkzeugs 10 aus den Fig. 1 bis 4 auf (beide sind Schneidwerkzeuge mit Außenverzahnung zur Erzeugung von Stirnradverzahnungen). Jedoch ist das Werkzeug nach den Fig. 5 bis 7 so konstruiert, daß es eine feine Zahnteilung erzeugt, während das Werkzeug nach den Fig. 1 bis 4 eine grobe Zahnteilung aufweist. Der augenfälligste Unterschied ist die größere Anzahl und feinere Anordnung der Schneidwerkzeugaufnahme-Rippen 44 und der Schneidzähne 47 (Fig. 6, 7) verglichen mit den Rippen 17 und den Schneidzähnen 25 (Fig. 2, 4). Die Schneidwerkzeugaufnahme 43 besitzt einen sich nicht verjüngenden Außenumfang im Gegensatz zum konischen Außenumfang der Schneidwerkzeugaufnahme 15 (Fig. 2).
Aufgrund der negativen Stirnwinkel dieser Werkzeuge, müssen die Halter 30, 50 die Zähne der Schneidscheiben 20, 45 an einem der Mittelachse A-A entfernten Punkt fest gegen die Schneidwerkzeugaufnahme 15, 43 spannen. Da insoweit eine stärkere Unterstützung für größere Zähne 25 mit grober Teilung als für kleinere Zähne 47 erforderlich ist, umfaßt der Halter 30 Rippen 33, welche die Unterseite der Schneidscheibenzähne 25 einspannen, während der Halter 50 keine Stützrippen aufweist. Der Halter sollte genügend Freiraum für die Abfuhr von Metallspanrückständen vorsehen. Daher kann bei Schneidwerkzeugkonstruktionen, bei denen sich der Halter über den Teilkreis der Schneidzähne hinaus erstreckt, der Schneidvorgang modifiziert werden, indem mehrere Durchgänge ausgeführt werden, um die gewünschte Schneidleistung zu erzielen und dabei feinere Späne zu erzeugen. Die Oberflächenbeschichtung auf den Schneidscheibenzähnen verringert die Bildung von Rückständen und den Verschleiß bzw. Abrieb an den Schneidkanten.
Die Fig. 8 bis 10 verdeutlichen eine weitere Ausführungsform mit innenverzahntem Werkzeug. Die Schneidwerkzeugaufnahme 65, die wie bei den Ausführungsformen nach den Fig. 1 bis 7 am Spindeladapter 100 angebracht ist, umfaßt ein hutförmiges Glied mit einer inneren konvexen Befestigungsfläche 67. Es sei bemerkt, daß bei der vorliegenden Beschreibung der Befestigungsfläche der Schneidwerkzeugaufnahme die Bezeichnung "konvex" einen Winkel α größer als 90º zwischen der Befestigungsfläche und der Schneidwerkzeugachse A-A bezeichnet, gemessen an der ununterbrochenen Wand der Schneidwerkzeugaufnahme (z. B. Flächen 67 bzw. 66 in Fig. 9 oder Flächen 17 bzw. 16 in Fig.
3). Die biegsame Schneidscheibe 75 wird zwischen der Befestigungsfläche 67 und einer gegenüberliegenden Fläche 81 des Halters 80 eingespannt, wobei die letztere bei 83 hinterschnitten ist. Die Befestigungsflächen 67 und 81 sind wiederum kreisringförmige Abschnitte von flachen Kegeln mit kreisförmiger Grundfläche, welche die Schneidscheibe 70 einspannen und dieses Element verformen, um ein konisches Profil mit negativem Stirnwinkel auszubilden. Analog zu den vorbeschriebenen Ausführungsformen ist die Schneidscheibe 70 mit sich nicht verjüngenden Seitenflächen ihrer Zähne 76 (einschließlich Zahnflanken und den dazwischen befindlichen Flächen) gefertigt. Somit kann die Scheibe 70, nachdem die Schneidkanten der Zähne 76 (Fig. 10) stumpf geworden sind, umgedreht und wiederverwendet werden.
Die Fig. 11 bis 14 veranschaulichen noch einen weiteren Schneidwerkzeugtyp 120, der eine Einwegschneidscheibe zur Erzeugung von schraubenlinienförmigen Profilen umfaßt. Wie im Querschnitt der Fig. 11 gezeigt ist, enthält die Schneidvorrichtung 120 Komponenten, die identisch oder analog mit jenen der Schneidwerkzeuge für Stirnräder der Fig. 1 bis 7 sind. Die unterscheidenden Merkmale sind am besten aus Fig. 11 zu sehen, d. h. schraubenlinienförmige Profile die Schneidwerkzeugaufnahme-Rippen 133 und der Halter-Rippen 137, wobei diese Formen zusammenwirken, um die Zähne 145 einer schraubenlinienförmigen Schneidscheibe 140 einzuspannen. Wie bei den vorstehenden Ausführungsformen ist die Schneidscheibe 140 als eine flache, ringförmige Struktur hergestellt (vgl. Fig. 14), jedoch in eine flache, kegelförmige Konfiguration mit einem negativen Flächenneigungswinkel (und negativen Spanwinkeln der Schneidzähne 145) gebogen. Während schraubenförmige Stoß-/Schneidwerkzeuge des Standes der Technik für die Schneidfläche normalerweise ein gestuftes Profil aufweisen, ist die Schneidscheibe 140 eben geschliffen - eine Anordnung, die die Form und die Herstellung solcher Werkzeuge vereinfacht (man beachte, daß diese Schneidscheiben-Konstruktion, wie nachfolgend beschrieben, für den neuartigen Scheiben-Fertigungsprozeß der Erfindung zugänglich ist). Entsprechend sind die Spannflächen 133 und 137 der Schneidwerkzeugaufnahme 130 und des Halters 137 auch ebene kreisringförmige Abschnitte eines flachen Kegels.
Unter Bezugnahme auf Fig. 13, die einen Abschnitt der unteren Schneidfläche der Schneidscheibe 140 zeigt, beinhalten die Scheibenzähne 145 Einkerbungen entlang einer Kante und sind an den gegenüberliegenden Kanten 143 abgeschrägt. Wie im Schnitt der Fig. 14 entlang eines kreisförmigen Abschnitts zwischen den Füßen und den Köpfen der Zähne 145 zu sehen ist, erzeugen die abgeschrägten Kanten 143 Schnittflächen, die senkrecht zur Schraubenachse B-B stehen. Diese Anordnung bietet eine vergleichbare Schneidleistung wie sie von gestuften Schraubenschneidwerkzeugen erzielt wird, wobei aber eine einfachere und wirtschaftlichere Form verwendet wird. Obwohl die schraubenförmige Schneidscheibe 140 nicht die Eigenschaft der Ausführungsformen von Schneidwerkzeugen für Stirnräder teilt, nämlich daß die Zahnflanken senkrecht zu den Scheibenflächen sind (tatsächlich sind sie im Schrägungswinkel R geneigt), teilt die Scheibe 140 das generelle Merkmal der Erfindung, daß die Schneidscheibe einen Querschnitt gleichbleibender Größe über ihre gesamte Breite aufweist.
Bezug soll nun auf die Fig. 15A bis 18 genommen werden, die ein vorteilhaftes Verfahren zur Fertigung der Einweg-Schneidscheiben nach der Erfindung und der bei diesem Verfahren verwendeten Werkzeuge verdeutlicht. Zuerst wird ein zylindrisches Rohr 200 aus hochlegiertem Hochgeschwindigkeits-Werkzeugstahl vom Stangenmaterial abgeschnitten. Dieser Rohling 200 wird von einer Spannvorrichtung 201 fixiert und überdreht, um seinen Außendurchmesser 203 auf einen gewünschten Wert zu reduzieren; eine zentrale Bohrung 205 wird hindurch gebohrt, und das Rohr wird dann in zahlreiche Stücke 210 geschnitten, die etwas dicker sind als die gewünschte endgültige Scheibendicke (Fig. 15B). Die Stücke 210, nun in Form von kreisringförmigen Scheiben (Fig. 15C), werden auf die gewünschte Dicke und endgültige Ausführung geschliffen. Dieser erste Bearbeitungsschritt kann mit einem hohlen, rohrförmigen Stangenmaterial begonnen werden, wobei der Schritt zur Bohrung des zentralen Bohrlochs 205 ausgelassen werden kann.
Alternativ kann dieses Verfahren mit Plattenmaterial aus Werkzeugstahl begonnen werden, wobei die ringförmigen Stücke 210 vom Plattenmaterial unter Verwendung von irgendeinem aus der Vielzahl bekannter Präzisionsschneid- oder Stanzverfahren (z. B. Laserschneiden) geschnitten werden. Bei dieser Ausführungsform ist es vorteilhaft, daß der erste Schritt des Scheibenschneidens grobe Zahnformen erzeugen kann, wodurch der Grobschneide-Schritt, wie nachstehend beschrieben, ausgelassen werden kann.
Die ringförmigen Scheibenstücke 210 der Fig. 15C werden in eine Spannvorrichtung 230 geladen, die aus einem Hauptteil 232 mit Dorn 233, einem Abstandsring 235, einem Abschlußring 237, und Befestigungselemente 239 besteht. Die Stücke 210 werden auf den Dorn 233 geschichtet und unter Verwendung der Teile 235, 236 und 237 befestigt. Der Hauptteil 232 beinhaltet eine Vertiefung 234, und der Abstandsring 235 und der Abschlußring 237 weisen entsprechende Kerben 236 und 238 auf, wobei alle diese Öffnungen in einer Linie ausgerichtet sind. Diese Spannvorrichtung sieht einen Freiraum am Außendurchmesser der Scheiben 210 vor, um in diese unter Verwendung eines Schrupp-Stoß-/Schneidwerkzeugs oder Abwälzschneidwerkzeugs die Zähne einzuschneiden. Das Einschneiden der Zähne in die Scheiben 210 schneidet werden auch Zähne in den Außendurchmesser des Abstandsrings 235, der wiederverwendet werden kann. Die Öffnungen 234, 236 und 238 ermöglichen den Zugang zu den Scheiben 210, um eine fluchtende Nut 212 zu bohren, beispielhaft entlang der Mittellinie eines Zahns zu bohren.
Die Stücke 210 werden zur Wärmebehandlung aus der Spannvorrichtung 230 genommen. Im bevorzugten Fertigungsablauf wird bei diesem Schritt das "Unterhärteverfahren" angewandt, das ein wünschenswertes Gleichgewicht zwischen Härte und Zähigkeit schafft.
Die wärmebehandelten Stücke 210 werden dann in eine Innenschleif-Spannvorrichtung 250 geladen (in einem Schnittbild in Fig. 17 zu sehen), in der die Innenbohrung 205 auf einen gewünschten Innendurchmesser geschliffen wird. Die Innenschleif-Spannvorrichtung 250 umfaßt einen Hauptteil 251 mit einer Kammer 252 und einer Zugangsöffnung 253, einer Abstands-Lochscheibe 256 und einen Spannring 258. Die Scheiben 210 werden in der Kammer 252 durch die Elemente 256 und 258 gehalten, um das Schleifen des Innendurchmessers durch die Zugangsöffnung 253 zu ermöglichen. Die Scheiben 210 werden dann einer Spannvorrichtung 260 zur Feinbearbeitung zugeführt (Fig. 18), in der die Scheibenzähne 215 geschliffen werden, um die gewünschten Zahnformen (z. B. Evolventenprofile) zu erzeugen. Die Spannvorrichtung 260 schließt einen Hauptteil 262, einen Abstandsring 264 und einen Abschlußring 266 ein.
Weil diese Zahnformen Außenflächen bereitstellen, die senkrecht zu den Flächen der Scheibe 210 verlaufen, kann dieser Endbearbeitungsschritt bei einem Stapel von Scheiben 210 zugleich angewandt werden.
Das gemeinsame Einspannen mehrerer ringförmiger Rohlinge in geeignete Spannvorrichtungen in verschiedenen Stufen des Fertigungsprozesses bietet deutliche Vorzüge, einschließlich der Wirtschaftlichkeit bei der Herstellung und reduzierter Formveränderung während der Bearbeitungs- und Wärmebehandlungsvorgänge.
Zum Schluß können die Scheiben 210 mit einem dünnen, verschleißfesten Oberflächenfilm, wie zum Beispiel Titannitrid, behandelt werden, das mittels Aufdampfen im Hochvakuum (Hochvakuumbedampfung) aufgebracht werden kann. Andere geeignete Oberflächenbeschichtungen können aus Titancarbid, Titankarbontrid, Bornitrid oder Oxydbeschichtungen bestehen. Alternativ können geeignete Oberflächenbehandlungen mittels Ionenimplantation angewendet werden.
Ein weiteres alternatives Herstellungsverfahren, das teilweise in Fig. 19 dargestellt ist, schließt folgende Reihenfolge von Schritten ein:
(1) Zuschneiden des Stangen- oder Rohrmaterials auf die maximal für die Herstellung geeignete Länge;
(2) Grobe Bearbeitung der Außen- und Innenabmessungen und des Profils;
(3) Härten und Anlassen (Vergüten),
(4) Endbearbeitung zum gewünschten Profil; und
(5) Abschneiden von Scheiben in der gewünschten Dicke;
In einer betriebsmäßigen Ausführungsform von Schritt 5 dieser Herstellungstechnik wurde ein zylindrischer Dorn 285 in die Bohrung des fertigen, aus Schritt 4 erhaltenen Schneidscheibenmaterials 280 konzentrisch eingeführt und der Raum zwischen diesen mit einem Epoxid 290 gefüllt, das dann bei Raumtemperatur (Fig. 19) ausgehärtet wurde. Diese Struktur wurde dann langsam auf einer Drehbank (nicht abgebildet) gedreht, während eine Anordnung von teilweise gezeigten Funkenerosionsdrähten 295 durch die Wand des Materials 280 geführt wurde; die abgetrennten Stücke 282 verblieben auf dem Epoxid 290. Der Dorn 285 (mit einem Trennmittel beschichtet) und die Stücke 282 wurden dann vom Epoxid 290 entfernt.
Obwohl die in den Fig. 15A bis 19 dargestellten Scheibenfertigungsverfahren auf die Produktion von Scheiben mit Außenverzahnung zur Erzeugung von Stirnradprofilen ausgerichtet sind, kann dieses Verfahren entsprechend modifiziert werden, um Scheiben mit Innenverzahnung oder Scheiben mit schraubenförmigem Profil herzustellen. Geeignete erforderliche Modifikationen beim Werkzeug und an den Schrupp- und Schleifschritten, etc. werden den Fachleuten geläufig sein.
Während im Vorstehenden Bezug auf spezifische Ausführungsformen genommen wurde, wird es den Durchschnittsfachmann auf diesem Gebiet klar sein, daß verschiedene Modifizierungen und Änderungen hierzu durchgeführt werden können, ohne den Schutzbereich der Ansprüche zu verlassen. Die Erfindung kann auf eine Vielzahl von Anwendungen, die sich mit Werkzeugen zum Schneiden von Metall und ähnlichen Werkzeugmaterialien zum Profilieren von Zahnrädern und zahnradähnlichen Objekten befaßt, angewendet werden. Solche Werkzeuge können evolvente oder nicht-evolvente Profile erzeugen; der Ausdruck "Zähne" sollte dahingehend verstanden werden, daß er auch andere Profile als Getriebezähne und deren komplementäre Formen umfaßt.
In ähnlicher Weise gibt es zahllose Variationen des Fertigungsverfahrens nach der Erfindung, die vereinbar sind mit der Anforderung, daß die sich ergebende Schneidscheibe Ober- und Unterflächen identischer Abmessungen mit gleichbleibendem Querschnitt über ihre gesamte Breite aufweist. Es ist daher beabsichtigt, den Bereich dieser Erfindung mit Bezug auf die nachfolgenden Ansprüche festzulegen.

Claims

1. Mit einem Schneidelement ausgestattetes Schneidwerkzeug zur Ausbildung von Verzahnungen und ähnlichen Profilen in Werkstücken, wobei das Werkzeug eine Schneidwerkzeugaufnahme (15, 43, 130) mit einer konturierten Befestigungsfläche für das genannte Schneidelement und Rippen (17, 44, 133) in einer kreisförmigen Anordnung, einen Halter (30, 50, 137) mit einer Befestigungsfläche für das Schneidelement, wobei die Befestigungsfläche zur Befestigungsfläche der Schneidwerkzeugaufnahme komplementär ist, sowie Befestigungsmittel (35) zum Einspannen des Schneidelements zwischen den Befestigungsflächen der Schneidwerkzeugaufnahme und des Halters umfaßt, wobei das Schneidelement aus einer dünnen, ringförmigen Scheibe (20, 45, 140) mit einer Reihe von Zähnen (25, 47, 145) besteht, die derart in einem kreisförmigen Muster angeordnet sind, daß die Zähne mit den Rippen der Schneidwerkzeugaufnahme ausgerichtet sind zur Unterstützung wenn sie zwischen der Schneidwerkzeugaufnahme und dem Halter in Schneidposition eingespannt sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Zähne der Schneidscheibe an den gegenüberliegenden Seiten der Scheibe eine erste und eine zweite Schnittfläche aufweisen, die über die Rippen und den Halter unter einem wirksamen negativen Spannwinkel vorstehen, wenn die Scheibe in Schneidposition eingespannt worden ist, wobei die Schneidscheibe genügend flexibel ist, um im wesentlichen die Form der Befestigungsfläche der Schneidwerkzeugaufnahme anzunehmen, ohne daß der Schneidscheibe wesentlicher Schaden zugefügt wird, wenn diese zwischen der Schneidwerkzeugaufnahme und dem Halter eingespannt ist, wobei die Schneidscheibenzähne zwischen der Schneidwerkzeugaufnahme und dem Halter umkehrbar symmetrisch sind, so daß entweder die erste Schneidfläche oder die zweite Schneidfläche verwendet werden kann, um das Werkstück zu formen.

2. Schneidwerkzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schneidscheibe (20, 45, 140) in ihrem entspannten Zustand flach ist und genügend flexibel, um einen negativen Spannungswinkel von mindestens 50 ohne Schaden auszuhalten.

3. Schneidwerkzeug nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schneidscheibe (20, 45, 140) flexibel genug ist, um einen negativen Spanwinkel von mindestens 50 auszuhalten ohne bleibende Verformung nach dem Entfernen aus dem Schneidwerkzeug, und daß die Schneidscheibe (20, 45, 75, 140) aus einem Werkzeugstahl von ausreichender Härte und Stärke ausgebildet ist, um im Zahnrad-Stoßverfahren Verzahnungen zu schneiden.

4. Schneidwerkzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Scheibenzähne (25, 47, 145) Schneiden aufweisen, die von der Scheibenachse am weitesten entfernt und senkrecht zu den einander gegenüberliegenden Seiten der Scheibe angeordnet sind.

5. Schneidwerkzeug nach irgendeinem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Schneidscheibe (20, 45, 140) symmetrisch ist bezüglich einer zwischen ihren Seitenflächen gelegenen Ebene.

6. Schneidwerkzeug nach irgendeinem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Scheibenzähne (145) schraubenlinienförmige Schneidenprofile aufweisen.

7. Verfahren zum Herstellen einer Vielzahl von Einwegschneidscheiben (20, 45, 75, 140) zur Ausstattung des Schneidwerkzeugs nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet durch die Schritte in folgender Reihenfolge:

Bereitstellen eines zylindrischen Werkzeugstahl- Rohlings,

Schneiden grober Zahnformen in den Werkzeugstahl- Rohling, wobei die groben Zahnformen eine Längsausdehnung parallel zur Achse des Werkzeugstahls aufweisen,

Schleifen der groben Zahnformen zur Erzeugung der im wesentlichen fertigen Verzahnungen (280),

Schneiden des die im wesentlichen fertige Verzahnungen aufweisenden Werkzeugstahls in eine Vielzahl von flexiblen, ringförmigen Scheiben, wobei jede Scheibe ausreichend biegsam ist, um die Form der profilierten Befestigungsfläche der Schneidwerkzeugaufnahme anzunehmen, wenn sie zwischen der Schneidwerkzeugaufnahme und dem Halter in Schneidposition eingespannt ist.

8. Verfahren nach Anspruch 7, weiterhin gekennzeichnet durch die Schritte:

Bohren einer Axialborung in den Werkzeugstahl vor dem Schritt des Schneidens des Werkzeugstahls in Scheiben, Einführen eines Dorns (285) durch die Axialbohrung, wobei der Außendurchmesser des Dorns kleiner ist als der Durchmesser der Bohrung, und

Ausfüllen des Spalts zwischen dem Dorn und der Innenwand des Werkzeugstahls mit Epoxid (290) und Aushärten des Epoxids, sowie

Schneiden des Werkzeugstahls in Scheiben mittels Bearbeiten auf einer Drehbank.

9. Verfahren nach Anspruch 8, zusätzlich gekennzeichnet durch den Schritt, den Werkzeugstahl in eine Vielzahl von ringförmigen Scheiben zu schneiden, bestehend aus den Einzelschritten:

Drehen des Werkzeugstahls um seine Achse und Ineingriffbringen der Seitenwände des Werkzeugstahls mit einer Gruppe von Schneiddrähten (295), während der Werkzeugstahl gedreht wird, wobei die Schneiddrähte parallel zueinander gehalten werden in Ebenen, die senkrecht zur Achse des Werkzeugstahls verlaufen und voneinander in einem Abstand gehalten sind, der der Schnittstärke der ringförmigen Scheibe entspricht.

10. Verfahren zum Herstellen einer Vielzahl flexibler Schneidscheiben (20, 45, 75, 140) zur Anbringung am Schneidwerkzeug nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 6, wobei das Verfahren gekennzeichnet ist, gekennzeichnet ist durch die Schritte:

Bereitstellen einer Vielzahl flacher, ringförmiger Scheibenrohlinge (210), die aus Werkzeugstahl bestehen und auf eine Spannvorrichtung (230) geschichtet sind,

Schneiden von groben Zahn formen in den Stapel ringförmiger Scheibenrohlinge, während die Scheiben auf der Spannvorrichtung geschichtet sind,

Wärmebehandeln der Scheiben, und

Schleifen der groben Zahnformen der ringförmigen Scheiben zur Erzeugung von fertigen Zahnformen und Entfernen der Scheiben aus der Spannvorrichtung, um eine Vielzahl von Schneidscheiben zu erhalten, wobei jede Scheibe ausreichend flexibel ist, um die Form der profilierten Befestigungsfläche der Schneidwerkzeugaufnahme anzunehmen, wenn sie zwischen der Schneidwerkzeugaufnahme und der Spannvorrichtung in Schneidposition eingespannt ist.

11. Verfahren nach Anspruch 10, weiterhin gekennzeichnet durch den Schritt, die Scheibenrohlinge mittels ursprünglichen Schneidens eines zylindrischen Rohres (200) aus Werkzeugstahl in eine Vielzahl von flachen, ringförmigen Scheibenabschnitten (210) zu erzeugen.