DE4004246A1 - Hochleistungs-universalfraeskopf fuer cnc-zahnradfraesmaschinen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Hochleistungs- Universalfräskopf, der für CNC-Zahnradfräsmaschinen zur Herstellung von Stirn- und Schneckenrädern sowie sonstigen wälzfähigen Profilen einsetzbar ist, wobei am verschiebbaren Werkzeugständer ein parallel zur Werkstückachse verschiebbarer Schlitten mit Hauptantriebsmotor und Fräskopf, bestehend aus Drehteil und Tangentialschlitten, angeordnet ist.

Es sind CNC-Zahnradfräsmaschinen mit Normal- und Sonderfräsköpfen bekannt, deren Tangentialschlittenführung durch symmetrisch zur Drehachse angeordnete Führungsflächen bestimmt ist. Eine charakteristische Ausführungsform zeigt DE-OS 38 03 785 A1.

Merkmale dieser bekannten Fräsköpfe sind die Anordnung der Hintergriffe der Tangentialschlittenführung am Drehteil und die Spielbeseitigung in den Führungen durch Klemmelemente.

Für die Antriebskonzeption dieser Fräsköpfe sind zwei prinzipielle Lehren bekannt. Die erste Lehre ordnet den Hauptantriebsmotor auf dem Fräskopf an. Über einen kurzen Getriebezug wird die Werkzeugspindel angetrieben. Die zweite Lehre ordnet dagegen den Hauptantriebsmotor außerhalb des Arbeitsraumes an der Rückseite des verschiebbaren Schlittens, der den Fräskopf trägt, an. Über einen längeren Getriebezug mit Kegelradtrieb, Keilwelle- Schiebesitz und Ritzel-Bodenrad wird hierbei die Werkzeugspindel angetrieben.

Zur Spielkompensation, beim Schälwälzfräsen unbedingt erforderlich, sind im Antrieb der Werkzeugspindel in beiden Lehren Friktionselemente bzw. Differenzgetriebe zur Aufnahme der unterschiedlichen Schnittkraftkomponenten eingesetzt.

Diese genannten Lösungen besitzen noch wesentliche Nachteile. Mit den bekannten Anordnungsprinzipien sind prinzipiell keine optimierten Tangentialschlittenführungen realisierbar. Die geometrischen Verhältnisse im Arbeitsraum gestatten keine den Hochleistungsanforderungen gerecht werdende Dimensionierung und Gestaltung dieser Führungen, da die Kollisionsfreiheit im Arbeitsraum mit der Vergrößerung der Führungselemente grundsätzlich eingeschränkt wird. Die Einschränkung geht in einigen Konstruktionen (Prospekt ZFWZ 03/05, VEB Zahnschneidemaschinenfabrik Modul) soweit, daß sogar für Werkstücke mit Grenzparametern, aber im Arbeitsbereich der Maschine liegend, die angrenzenden Maschinentypen einzusetzen sind. Teilweise ist für spezielle Werkstücksortimente der Einsatz zusätzlicher Vorsatzspindeln erforderlich.

Diese Nachteile sind somit an den bekannten Fräskopfausführungen vorhanden und führen zu Einschränkung wichtiger Gebrauchswertparameter von CNC-Zahnradfräsmaschinen, wie Tangentialweg, maximaler Werkzeugdurchmesser, verfügbarer Arbeitsraum, statische und dynamische Steifigkeit. Weiterhin muß beim Tangentialfräsen ohne Klemmung und dadurch spielbehaftet gearbeitet werden. Hieraus ergeben sich Funktions- und Qualitätseinschränkungen bei wichtigen Verzahnungstechniken, z. B. Schneckenradfräsen im Tangentialverfahren und Stirnradfräsen mit kontinuierlicher Fräserverschiebung. Wird die erste Lehre zur Anordnung des Hauptantriebsmotors auf dem Fräskopf verwendet, dann ergeben sich weitere Einschränkungen im Arbeitsraum. Außerdem führt die Motorwärme trotz zusätzlicher, aufwendiger Kühlungsmaßnahmen zu thermischen Verformungen am Fräskopf und damit zu Qualitätsminderungen in der Bearbeitungsgenauigkeit. Diese Erwärmung wird durch Verwendung von Friktionselementen im Antrieb der Werkzeugspindel noch verstärkt. Weiterhin können nachteilige Schwingungsauswirkungen auf den Verzahnungsprozeß auch durch Einsatz von Hauptantriebsmotoren mit höchster dynamischer Schwinggüte nicht generell ausgeschlossen werden. Um diese Nachteile zu vermeiden, wird gemäß der zweiten Lehre der Hauptantriebsmotor auf dem axial verschiebbaren Schlitten angeordnet, so daß der Motor außerhalb des Arbeitsraumes ist. Als Nachteil verbleibt jedoch ein erhöhtes Spiel in den Antriebselementen der Werkzeugspindel. Es wird lediglich das Spiel zwischen Ritzel und Bodenrad auf dem Niveau des Werkzeugspindelmomentes ebenfalls durch Verspannung mittels Friktionselementen bzw. Differenzgetrieben kompensiert. Die dabei entstehende kleine, durch Reibung gedämpfte Relativbewegung gegenüber dem Bodenrad führt, wie oben genannt, zu Wärme, Verschleiß und zusätzlich zu mangelhafter dynamischer Wirkung. Weiterhin verursacht der auftretende Verschleiß eine Reduzierung des Verspannmomentes und erfordert zwangsläufig eine zyklische Wartung und Nachstellung. Die nächsten Spiele im Hauptantrieb werden durch konstruktiv-technische Maßnahmen lediglich minimiert und bleiben somit als Nachteil bestehen.

Weitere Nachteile aller bekannten Konstruktionen resultieren aus den kurzen Tangentialwegen. Die Häufigkeit des Fräsdornwechsels wird durch die Standzeit des eingesetzten Werkzeuges bestimmt. Soll diese Häufigkeit vermindert werden, dann sind teure Sonderwerkzeuge mit größerer Länge erforderlich. Der Einsatz mehrerer billigerer Standardwerkzeuge ist wegen fehlendem Tangentialweg nur eingeschränkt möglich. Auch beim Einsatz mehrerer unterschiedlicher Werkzeuge auf einem Fräsdorn treten diese Einschränkungen auf. Letztendlich ist noch nachteilig zu nennen, daß Automatisierungseinrichtungen für den Werkzeugwechsel wegen der beengten Platzverhältnisse an diesen Fräsköpfen sehr aufwendig sind.

Das Ziel der Erfindung ist es, durch einen Hochleistungs- Universalfräskopf die bisher üblichen Fräsköpfe für Stirn- und Schneckenradfräsen sowie Schälwälzfräsen abzulösen, wobei der Arbeits- und Einsatzbereich der CNC-Zahnradfräsmaschinen nicht eingeschränkt, die Produktivität und Qualität der herzustellenden Werkstücke verbessert sowie die Häufigkeit des Fräsdornwechsels vermindert wird. Außerdem soll dieser Fräskopf auch für Verfahrensintegration (z. B. lageorientierte Sonderfräsaufgaben, Herstellung von mehr als einer Verzahnung in einer Aufspannung) und automatischen Werkzeugwechsel einsetzbar sein.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Hochleistungs-Universalfräskopf für CNC-Zahnradfräsmaschinen zur Herstellung von Stirn- und Schneckenrädern sowie sonstigen wälzfähigen Profilen zu schaffen, dessen Tangentialschlittenführung spielfrei, ausreichend dimensioniert für Hochleistungsanforderungen und automatisierungsgerecht gestaltet ist, ohne den Einsatz- und Arbeitsbereich der Maschine einzuschränken und dessen Antriebselemente der Werkzeugspindel weitgehend spielfrei sind.

Erfidungsgemäß wird diese Aufgabe unter Anwendung eines am Werkzeugständer auf einen parallel zur Werkstückachse verschiebbaren Schlitten mit Hauptantriebsmotor und dem darauf angeordneten Drehteil mit Tangentialschlitten dadurch gelöst, daß oberhalb der Drehachse des Hochleistungs- Universalfräskopfes am Drehteil angeordnet sind ein hervorstehender prismatischer Führungsbalken mit einer axial und radial wirkenden vorgespannten Kompaktführung und unterhalb der Drehachse eine zurückgesetzte, vorgespannte Stütz- und Dämpfungsführung, wobei der Schnittpunkt der rechtwinklig zueinander liegenden Gleitführungen mit der Mitte der zurückgesetzten Stütz- und Dämpfungsführung eine Verbindungsstrecke bildet, die zur Drehachse um einen Winkel a geneigt ist.

In vorteilhafter Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Lösung beträgt der Winkel a zwischen der Verbindungsstrecke und der Drehachse 55 bis 65 Grad. Damit wird gezielt ein asymmetrischer Aufbau des Hochleistungs- Universalfräskopfes erreicht.

Mit diesem überraschend einfachen Teil der erfindungsgemäßen Lehre ist eine weitere Lösung kombiniert, indem parallel und unterhalb des Führungsbalkens an der rechtwinklig zur Drehachse liegenden zusammengesetzten Antriebswelle auf der Seite des Abtriebes eine federkraftbetätigte, zwischen Bodenrad und feststehender Antriebswelle wirkende Verspanneinrichtung angeordnet ist. Diese Verspanneinrichtung ist vorzugsweise so ausgestaltet, daß zwei Ritzel mit dem Bodenrad der Werkzeugspindel im Eingriff stehen, wobei das erste Ritzel fest mit der verschiebbaren Keilnabe verbunden antreibt, und das zweite Ritzel jedoch über vorzugsweise mindestens eine vorgespannte Torsionsfeder und eine zweite verschiebbare Verspannwelle mit der im Drehteil feststehenden Antriebswelle verbunden ist.

Diese erfindungsgemäße Kombination ermöglicht es, durch die Anordnung des hervorstehenden Führungsbalkens mit einer axial und radial wirkenden vorgespannten Kompaktführung am Drehteil oberhalb der Drehachse spielfrei und fast rechtwinklig alle Rückdruckkräfte aus dem Fräsprozeß in das stabile Drehteil einzuleiten. Gleichzeitig ermöglicht der Führungsbalken ein überdurchschnittlich großes Längen-Breiten-Verhältnis dieser Führung. Die untere Stütz- und Dämpfungsführung ist um einen Winkel a von 55 bis 65 Grad zurückgesetzt und beseitigt damit die Kollisionspunkte zum Werkstückantrieb im Arbeitsbereich. Weiterhin kann diese Führung Kippmomente spielfrei aufnehmen und ermöglicht die Optimierung der Dämpfungseigenschaft des Tangentialschlittens. Klemmeinrichtungen zur Beseitigung des Spiels sind in axialer und radialer Richtung nicht erforderlich. Bei der Dimensionierung der Führungsbahnen ist ausreichend Platz vorhanden, um den neuen Hochleistungsanforderungen zu entsprechen. Die Hintergriffe oberhalb der Drehachse sind prinzipiell am Tangentialschlitten angeordnet und hieraus resultierend ausreichend gegenüber der Werkzeugspindel zurückgesetzt. Die Kollisionspunkte zum Gegenlager werden damit ebenfalls vermieden. Der untere Hintergriff am Drehteil kann aus dem Bereich der Maschinenmitte herausgenommen werden. Durch das große Längen-Breiten-Verhältnis dieser Führung wird überraschenderweise erreicht, daß die Lage der Vorschubspindel nunmehr keine platzmäßige Beeinflussung der Werkzeugantriebselemente bewirkt. Damit wird in diesem beengten Bereich Platz für eine Vergrößerung des Tangentialweges und die Unterbringung einer Verspanneinrichtung auf der Antriebswelle. Das erforderliche Verspannmoment ist an diesem Ort um das Übersetzungsverhältnis zwischen Ritzel und Bodenrad kleiner als bei bekannten Differenzgetrieben auf der Frässpindel. Weiterhin ermöglicht der vorteilhafte Einsatz von Torsionsfedern eine Verspannung auf der Basis einer Energiespeicherung, d. h. theoretisch ohne Energieverlust. Die Nachteile bekannter Verspanneinrichtungen, wie Wärme und Verschleiß und damit thermische Verformungen, Nachstelungen sowie Wartung, werden prinzipiell beseitigt. Außerdem wird über eine verschiebbare Verspannwelle zusätzlich das Spiel im Keilwellen-Schiebesitz mit kompensiert.

Beim Einsatz von Hartmetallwerkzeugen wirkt diese Ausführung besonders vorteilhaft auf Produktivität, Qualität und Werkzeugstandzeit. Die stark zurückgesetzte, untere Führung ermöglicht weiterhin beim automatischen Werkzeugwechsel in senkrechter Position des Fräskopfes eine Manipulation des Werkzeuges ohne radiale Hubbewegung des Ständers.

Die Erfindung wird nachstehend an einem Ausführungsbeispiel erläutert. In den Zeichnungsschnitten zeigt

Fig. 1 den Seitenschnitt

Fig. 2 die Einzelheit 33

Fig. 3 den Längsschnitt A-A

Fig. 4 die Einzelheit 28
eines Hochleistungs-Universalfräskopfes.

Gemäß Fig. 1 ist auf einen am Ständer 39 verschiebbaren Schlitten 1 ein Hochleistungs-Universalfräskopf 2, bestehend aus Drehteil 3 und Tangentialschlitten 4, angeordnet. Dieser Universalfräskopf 2 ist mittels des Drehteils 3 um eine Drehachse 5 schwenkbar. Der im Drehteil 3 aufgenommene Tangentialschlitten 4 ist rechtwinklig zur Drehachse 5 verschiebbar. Oberhalb der Drehachse 5 des Hochleistungs-Universalfräskopfes 2 ist am Drehteil 3 ein hervorstehender prismatischer Führungsbalken 6 zur Aufnahme von zwei Wälzführungen 7, 8 und zwei Gleitführungen 10, 11. Der Schnittpunkt 9 der rechtwinklig zueinander liegenden Gleitführungen 10, 11 mit der Mitte 13 der unterhalb der Drehachse 5 zurückgesetzten Stütz- und Dämpfungsführung 12 bildet eine Verbindungsstrecke 14, die zur Drehachse 5 um einem Winkel a 15 geneigt ist. Dieser Winkel beträgt 60 Grad. Dabei kann der prismatische Führungsbalken 6 wie in Fig. 2 angeschraubt oder auch am Drehteil 3 angegossen sein. Die oberhalb der Drehachse 5 angeordneten oberen Hintergriffe 16 sind am Tangentialschlitten 4 angebracht und der unterhalb der Drehachse 5 angeordnete untere Hintergriff 17 ist am Drehteil 3 angeordnet, so daß dieser Hintergriff 17 außerhalb der Drehachse 5 eine vorteilhafte Auswirkung auf den kollisionsfreien Arbeitsbereich 35 bewirkt. Diese Kompaktführung 33 ermöglicht das spielfreie Führungssystem des Tangentialschlittens 4 und damit eine Voraussetzung für den Einsatz von Hartmetallwerkzeugen. Durch die Neigung der Führungsbahn um den Winkel a wird ein vorteilhafter Platzgewinn für die Tangentialspindel 34 und die Verspanneinrichtung 28 erreicht. Außerdem wird durch die gezielt asymmetrische Führungsbahn ein kollisionsfreier Arbeitsbereich 35 erreicht. Damit werden die bekannten Kollisionspunkte des Universalfräskopfes 36, 37, 38 mit dem Gegenlager 31 am Gegenständer 40, Werkstück 32 und Werkstückantrieb 30 in den drei Bewegungsrichtungen 41, 42 und 43 prinzipiell vermieden. Weiterhin ermöglicht diese asymmetrische Anordnung eine überdurchschnittliche Erhöhung der Steife des Drehteiles 3 und des Tangentialschlittens 4 über den gesamten Tangentialweg. Durch die stark zurückgesetzte untere Führung wird diese aus dem Kühlmittelfluß herausgenommen. Asymmetrische Erwärmungen werden damit prinzipiell vermieden.

Gemäß Fig. 3 sind in dem Längsschnitt A-A 27 durch den Hochleistungs-Universalfräskopf 2 die Antriebselemente für den Werkzeugantrieb dargestellt. Vom nicht dargestellten Hauptantrieb aus gelangt das Antriebsmoment über den im Drehteil 3 angeordneten Kegeltrieb 26 auf die feststehende Antriebswelle 25 und von da über die im Tangentialschlitten 4 befindliche Keilnabe 22 auf das erste Ritzel 18 und weiter über das Bodenrad 20 auf die Werkzeugspindel 21. Zur Aufnahme der ungleichförmigen Schnittkräfte im Hochleistungs-Universalfräskopf 2 ist ein zweites Antriebssystem zur Verspannung an der Abtriebsseite 29 der zusammengesetzten Antriebswelle 25, 22, 18 eingebaut. Das im Fräsprozeß störende Spiel zwischen der im Drehteil 3 feststehenden Antriebswelle 25 und dem Bodenrad 20 im Tangentialschlitten 4 ist kompensiert durch ein gegensinniges Verspannen über ein zweites Ritzel 19, welches mit 3 bis 5 stabförmigen Torsionsfedern 23 und einer zweiten mit dem Tangentialschlitten 4 verschiebbaren Verspannwelle 24 und mit der gemeinsamen Antriebswelle 25 verbunden ist. Die Aufnahme der Torsionsfeder 23 erlaubt die Einstellung eines Verspannmomentes, welches für die Optimierung der konkreten Einbaubedingungen erforderlich ist. In einer zweiten, aber nicht dargestellten Ausführungsvariante, sind die stabförmigen Torsionsfedern 23 ersetzt durch eine Spiralfeder. Damit das Verspannmoment in dieser Ausführungsvariante feinfühlig eingestellt werden kann, wird das zweite Ritzel 10 wälzgelagert auf dem ersten Ritzel 18 angebracht. Die Spiralfeder befindet sich in den Anbauteilen am Ende der Antriebswelle 25. Die Dimensionierung dieser Verspanneinrichtung 28 ermöglicht ein Verspannmoment in der Größenordnung von 5 bis 20% des Maximalmomentes auf der gemeinsamen Antriebswelle 25.

Im Fräsprozeß verhindert dieses Verspannmoment das Abheben der Zahnflanken des Ritzels 18 und des Keilwellen- Schiebesitzes der Antriebswelle 25 und ist damit eine weitere wesentliche Voraussetzung für den Einsatz von Hartmetallwerkzeugen bei der Hochgeschwindigkeitsbearbeitung mit dem Hochleistungs-Universalfräskopf 2.

Mit diesen dargestellten Ausführungsformen wird gleichzeitig angedeutet, daß der Einsatz technisch gleichwertiger Elemente analoge Wirkungen bringt. Die entsprechenden Änderungen und Varianten fallen damit in den Bereich der neuen erfinderischen technischen Lehre.

Aufstellung der verwendeten Bezugszeichen

1 verschiebbarer Schlitten
2 Hochleistungs-Universalfräskopf (Mittenschnitt)
3 Drehteil
4 Tangentialschlitten
5 Drehachse
6 prismatischer Führungsbalken
7 Wälzführung, axial verspannt
8 Wälzführung, radial verspannt
9 Schnittpunkt
10 Führungsfläche der Gleitführung, mit 7 kombiniert
11 Führungsfläche der Gleitführung, mit 8 kombiniert
12 Stütz- und Dämpfungsführung
13 Mitte der Stütz- und Dämpfungsführung
14 Verbindungsstrecke
15 Winkel a
16 Hintergriffe, oben
17 Hintergriff, unten
18 Ritzel, erstes
19 Ritzel, zweites
20 Bodenrad
21 Werkzeugspindel
22 Keilnabe
23 Torsionsfeder
24 Verspannwelle, verschiebbar
25 Antriebswelle, feststehend
26 Kegeltrieb
27 Längsschnitt A-A
28 Verspanneinrichtung
29 Abtriebsseite
30 Werkstückantrieb
31 Gegenlager
32 Werkstück
33 Kompaktführung
34 Tangentialspindel
35 Arbeitsbereich
36 Kollisionspunkt 1
37 Kollisionspunkt 2
38 Kollisionspunkt 3
39 Ständer
40 Gegenständer
41 Radialbewegung
42 Axialbewegung
43 Tangentialbohrung

Claims (5)

1. Hochleistungs-Universalfräskopf mit Spielkompensator für CNC-Zahnradfräsmaschinen zur Herstellung von Stirn- und Schneckenrädern sowie sonstigen wälzfähigen Profilen, der am Werkzeugständer auf einem parallel zur Werkstückachse verschiebbaren Schlitten mit Hauptantriebsmotor angeordnet ist und ein Drehteil mit Tangentialschlitten besitzt, gekennzeichnet dadurch, daß oberhalb der Drehachse (5) des Hochleistungs- Universalfräskopfes (2) am Drehteil (3) ein hervorstehender prismatischer Führungsbalken (6) mit einer axial und radial vorgespannten Kompaktführung (33) sowie unterhalb der Drehachse (5) eine zurückgesetzte, vorgespannte Stütz- und Dämpfungsführung (12) angeordnet ist, wobei der Schnittpunkt (9) der rechtwinklig zueinander liegenden Führungsflächen (10, 11) mit der Mitte (13) der zurückgesetzten Stütz- und Dämpfungsführung (12) eine Verbindungsstrecke (14) bildet, die zur Drehachse (5) um einen Winkel a (15) geneigt ist.

2. Hochleistungs-Universalfräskopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Winkel (a) (15) zwischen der Verbindungsstrecke (14) und der Drehachse (5) vorzugsweise 55 bis 65 Grad beträgt.

3. Hochleistungs-Universalfräskopf nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kompaktführung (33) am Führungsbalken (6) vorzugsweise durch zwei kombinierte Gleit-Wälzführungen (7, 8, 10, 11) gebildet wird, wobei die Fräskräfte durch die Gleitführungen (10, 11) und die Massekräfte durch die Wälzführungen (7, 8) aufgenommen werden.

4. Hochleistungs-Universalfräskopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß parallel und unterhalb des Führungsbalkens (6) an der rechtwinklig zur Drehachse (5) liegenden zusammengesetzten Antriebswelle (25, 22, 18) auf der Seite des Abtriebes (29) eine federkraftbetätigte, zwischen Bodenrad (20) und feststehender Antriebswelle (25) wirkende Verspanneinrichtung (28) angeordnet ist.

5. Hochleistungs-Universalfräskopf nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Ritzel (18, 19) mit dem Bodenrad (20) der Werkzeugspindel (21) im Eingriff stehen, wobei das erste Ritzel (18) fest mit der verschiebbaren Keilnabe (22) und das zweite Ritzel (19) über mindestens eine vorgespannte Torsionsfeder (23) und eine zweite verschiebbare Verspannwelle (24) mit der im Drehteil (3) feststehenden Antriebswelle (25) verbunden sind.