DE4029671A1 - Verfahren zur herstellung von runden werkstuecken mit stegfoermigen vorspruengen, insbesondere zur herstellung von zahnraedern - Google Patents
Verfahren zur herstellung von runden werkstuecken mit stegfoermigen vorspruengen, insbesondere zur herstellung von zahnraedernInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von
Werkstücken mit einer vorzugsweise kreisförmigen Grundform,
die mit stegförmigen Vorsprüngen versehen ist, insbesondere
zur Herstellung von Zahnrädern, bei dem wenigstens ein mit
wenigstens einer Schneide versehenes Werkzeug über die zu
bearbeitende Oberfläche im periodischen Eingriff geführt
wird und das Werkstück mit einer an die periodische Bewe
gung der Werkzeugschneide angepaßten Drehzahl um die Werk
stückachse rotiert.
Zur industriellen Herstellung von Zahnrädern ist zum einen
das kontinuierliche Wälzfräsen bekannt, bei dem das Werkzeug
aus einem schneckenförmigen Wälzfräser besteht. Durch Drehung
des Fräsers einerseits und daran angepaßter Drehung des Werk
stücks um seine Werkstückachse andererseits entsteht ein
in Fräsachsrichtung wanderndes Bezugsprofil. Bei der Erzeu
gung von Stirnrädern wird hierbei der Wälzfräser langsam
quer über die Werkstückbreite verschoben. Die Herstellung
und das Nachschärfen eines derartigen Wälzfräsers ist aufwen
dig, die Schnittgeschwindigkeiten können nicht so hoch ange
setzt werden, da für ein derartiges Werkzeug nur Werkzeug
stähle verwendbar sind.
In einem anderen Verfahren, dem sogenannten Wälzstoßen, wird
als Werkzeug eine Zahnstange oder ein Zahnrad eingesetzt,
dessen Stirnflächen als Schneiden ausgebildet sind. Werkzeug
und Werkstück wälzen wie ein Getriebe miteinander ab. Während
des Wälzens erfolgt die Schnittbewegung als Stoß- oder Hobel
bewegung in Richtung der Zahnlücken. Auch hier bestehen hin
sichtlich Herstellung und Wartung des Werkzeuges im wesent
lichen die gleichen Probleme wie sie beim Wälzfräsen vorhan
den sind. Des weiteren muß beim Wälzstoßen jeweils beim Rück
hub das Werkzeug vom Werkstück um ein geringes Maß abgesetzt
werden. Bei derart hergestellten Zahnrädern müssen bei beiden
Verfahren dann in weiteren Bearbeitungsschritten das Kopf
profil und die stirnseitigen Kanten der Zähne bearbeitet
werden.
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren
der eingangs bezeichneten Art zu schaffen, das eine Herstel
lung derartiger Werkstücke, und zwar nicht nur von Zahnrädern,
in einer Technik ähnlich des Drehens bzw. Schlagdrehfräsens
erlaubt, aber eine einfachere Werkzeuggestaltung und höhere
Bearbeitungsgeschwindigkeit erlaubt und eine weitgehende
Freiheit in der Gestaltung der Stegflanken ermöglicht.
Diese Aufgabe wird nach dem erfindungsgemäßen Verfahren da
durch gelöst, daß das Werkzeug mit seiner Schneide um eine
Zentralachse mit vorgegebener Winkelgeschwindigkeit umlaufend
auf einer Zykloidenbahn geführt wird und daß die Werkstück
achse einerseits und die Zentralachse des Werkzeuges anderer
seits unter einem Winkel und mit Abstand zueinander verlaufend
ausgerichtet sind und daß die zu erzeugende Querschnittskon
tur des Steges durch eine Überlagerung einer Zustellbewegung
des Werkzeugs gegen das Werkstück in wenigstens einer Zustell
achse und der Drehbewegung mit einer vorgebbaren Änderung
der Drehzahl des Werkstücks erzeugt wird. Da für die Bewegung
der Werkzeugschneide im Raum eine Zykloidenbahn vorgebbar
ist, bestehen nun große Variationsmöglichkeiten, da über
die Auswahl der in Schnittrichtung des Werkzeugs verlaufenden
Zykloidenbahn der Verlauf des zu erzeugenden stegförmigen
Vorsprungs in Verbindung mit der überlagerten Drehbewegung
festlegbar ist. In der einfachsten Arbeitsweise ist die Ände
rung der Drehzahl der Drehbewegung des Werkstücks gleich
Null, so daß eine durch das Schneidenprofil des Werkzeugs
einerseits und die Überlagerung der Bewegungen von Werkstück
und Werkzeug andererseits vorgegebene Nut eingearbeitet wird.
Der Vorteil gegenüber dem Abwälzstoßen besteht hierbei darin,
daß das Werkzeug auf einer in sich geschlossenen Bahnkurve
geführt wird und dabei nicht durch die zu erzeugende Nut
zurückgeführt werden muß bzw. vom Werkstück für den Rückholhub
abgesetzt werden muß. Bei entsprechender Bemessung des "Durch
messers" der Zykloidenbahn ist es mit diesem Verfahren ferner
möglich, auch mehrere Werkzeuge vorzusehen, die auf der glei
chen Zykloidenbahn umlaufend nacheinander am Werkstück zum
Eingriff kommen. So lassen sich beispielsweise durch die
Vorgabe einer ellipsenförmigen Zykloidenbahn einfach geformte
Schaufelräder für Axialturbinen herstellen oder an vorgefertig
ten Rohlingen nachbearbeiten. Dadurch, daß über eine entspre
chende Steuerung die Drehzahl des Werkstücks veränderbar
ist und darüber hinaus in Abhängigkeit von der Zustellbewegung
auch die Winkellage der Werkstückdrehachse einerseits zur
Zentralachse des Werkzeugs andererseits während des Betriebes
verstellt werden kann, ist es darüber hinaus möglich, auch
verwundene Schaufeln zu bearbeiten. Da das Verfahren auch
während des Betriebes eine unabhängige Veränderung der Dreh
zahlverhältnisse zueinander erlaubt, insbesondere eine Verän
derung der Drehzahl des Werkstücks bei konstanter Drehzahl
des Werkzeugs, lassen sich in weiten Bereichen beliebige
Querschnittskonturen des zu erzeugenden stegförmigen Vor
sprungs herstellen. Dies ist insbesondere für den Einsatz
des Verfahrens zur Herstellung von Zahnrädern von Bedeutung.
Mit einem entsprechend geformten, vorzugsweise trapezförmig
geformten Werkzeug kann zunächst, wie vorstehend bereits
angegeben, eine Nut eingestochen werden. Nach dem Einstechen
wird der Drehbewegung des Werkstücks eine leichte Drehzahl
veränderung überlagert. Diese sogenannte "Differentialdrehung"
bewirkt ein zusätzliches Abwälzen der Werkzeugschneide an
der Zahnflanke. Es entsteht ein Hüllschnitt, der über den
gesamten Verlauf der Zahnflanke die gewünschte Evolventenform
ergibt. Mit den heute üblichen Möglichkeiten einer CNC können
hier jedoch zusätzliche Korrekturen vorgenommen werden.
Wird z. B. für die Fertigbearbeitung eines wie bereits beschrie
ben vorbearbeiteten Zahnrades kein Formwerkzeug sondern ein
"normales Drehwerkzeug" eingesetzt, dann kann die Zahnflanken
kontur direkt über das NC-Programm mit fast beliebigen Werten
vorgegeben werden. Dieser Effekt wird durch eine in Abhängig
keit von der radialen Zustellung gesteuerte Differentialdre
hung des Werkstücks erreicht. Zahnflankenkorrekturen, wie
sie heute für hochbelastete Getriebe vorgenommen werden,
sind bisher nur durch Zahnflankenschleif- oder -schabmaschinen
herstellbar. Die Fertigungsmöglichkeiten sind nicht nur bei
der Herstellung von Zahnrädern anwendbar. Eine zusätzliche
Variationsmöglichkeit ist bei dem erfindungsgemäßen Verfahren
jedoch dadurch gegeben, daß der Verlauf des zur erzeugenden
stegförmigen Vorsprungs in Schnittrichtung des Werkzeugs
durch die Wahl der Zykloidenbahn vorgegeben wird. So können
bei dem vorerwähnten Beispiel von Turbinenschaufeln nicht
nur in bezug auf die Drehachse des Werkstücks geneigt verlau
fende Schaufeln sondern in Axialrichtung gesehen auch ge
krümmte Konturen hergestellt werden. Bei dem vorerwähnten
Beispiel zur Herstellung von Zahnrädern ist es ebenso möglich,
nicht nur in Schnittrichtung gerade verlaufende Zahnflanken
sondern auch leicht ballige Zahnflanken zu erzeugen, wie
sie heute für hochbelastete geräuscharme Getriebe eingesetzt
werden und in einem Arbeitsgang die Stirnseiten der Zähne
bzw. die Zahnkanten zu bearbeiten, beispielsweise abgerundete
oder angefaste Zahnkanten herzustellen und in einem Arbeits
gang die Stirnseiten der Zähne zu bearbeiten, beispielsweise
abgerundete Einlaufkanten herzustellen. Auch der Zahnkopf
läßt sich in einer Aufspannung durch entsprechende Verände
rungen bei der Zustellung und der Drehzahl bearbeiten.
Der besondere Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht
darin, daß für die Fertigbearbeitung anstelle eines Formwerk
zeugs lediglich ein Werkzeug nach Art eines Drehmeißels ein
gesetzt werden kann. Das Werkzeug kann entsprechend dem Ein
satzfall eine Profilschneide oder auch eine Spitzschneide
aufweisen. Das bedeutet aber auch, daß für das Werkzeug,
anders als bei den zum Stande der Technik gehörenden Wälzfrä
sern und Stoßwerkzeugen, hochfeste Schneidwerkstoffe, auch
in Form von Schneidplatten, eingesetzt werden können, bei
spielsweise Hartmetall oder Schneidkeramik, die wiederum
sehr hohe Schnittgeschwindigkeiten erlauben, so daß insgesamt
kürzere Herstellungszeiten möglich und die Kosten für Herstel
lung und Wartung der Werkzeuge reduziert sind. Ein weiterer
Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, daß
eine derartige Maschine in Verbindung mit einer entsprechen
den üblichen programmierbaren elektronischen Steuerung für
die Zustellung, die Drehzahleinstellung und Drehzahlverände
rung aber auch für die Beeinflussung der Zykloidenbahn, für
vielfältige Aufgaben einsetzbar ist und nicht auf die Her
stellung eines Werkstücktyps, beispielsweise die Herstellung
von Zahnrädern, beschränkt ist.
In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen,
daß die Zykloidenbahn dadurch erzeugt wird, daß das Werkzeug
auf einer Kreisbahn mit vorzugsweise konstanter Drehzahl ns
geführt wird, deren Drehachse um wenigstens eine weitere
Achse, vorzugsweise die Zentralachse, vorzugsweise mit kon
stanter Drehzahl ne rotiert, wobei die Drehrichtung beider
Kreisbahnen zueinander und das Verhältnis der Drehzahl ns
des Werkzeugs um seine Drehachse zur Drehzahl ne der Dreh
achse um die weitere Achse durch die vorgegebene Form der
Zykloidenbahn bestimmt ist. Das erfindungsgemäße Verfahren
erlaubt eine einfache Festlegung der gewünschten Zykloiden
bahn durch die Überlagerung von zwei Kreisbewegungen und
hat den Vorteil, daß die jeweils auf ihren Kreisbahnen sich
bewegenden Bauteile in bezug auf ihre Eigenrotation ausge
wuchtet werden können, so daß hier praktisch ein wuchtfreier
Betrieb möglich ist und dementsprechend hohe Drehzahlen vor
gegeben werden können. Durch die Überlagerung von nur zwei
Kreisbewegungen lassen sich bereits eine Vielzahl von einfa
chen Zykloidenbahnen erzeugen, mit denen sich gängige Ver
läufe der zu erzeugenden Eingriffskurve der Schneide, wie
sie beispielsweise für Zahnräder oder Turbinenschaufeln er
forderlich sind, darstellen lassen. Bei der Überlagerung
von drei Bewegungen, d. h. wenn zwischen die Drehachse des
Werkzeuges und die ortsfeste Zentralachse eine weitere Dreh
achse zwischengeschaltet wird, lassen sich Zykloidenbahnen
höherer Ordnungen darstellen. Außer vom Verhältnis der Dreh
zahlen zueinander wird die Form der Zykloidenbahn jeweils
durch den Radius der jeweiligen Kreisbahn der zu überlagern
den Kreisbewegungen beeinflußt, so daß durch Variationen
des Verhältnisses der Drehradien und der Drehzahlen bzw.
der Drehrichtungen zueinander ein weiter Auswahlbereich be
steht. Aufgrund der vorgegebenen mathematischen Gesetzmäßig
keiten für Zykloiden lassen sich die Zykloidenbahnen in ihrer
Grundform vorbestimmen, Anpassungen in Teilbereichen lassen
sich über Rechnersimulationen ohne weiteres festlegen.
In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorge
sehen, daß durch eine gegenläufige Bewegungsrichtung von
Werkzeug einerseits und seiner Drehachse um die Zentralachse
andererseits, die Zykloidenbahn als Hypozykloide vorgegeben
wird. Bereits durch die Überlagerung von zwei Drehbewegungen
lassen sich hiermit eine Vielzahl, für die praktische Anwen
dung interessanter Eingriffsbahnen für das Werkzeug am Werk
stück darstellen. So lassen sich beispielsweise mit einer
elliptischen Zykloidenbahn einfache Turbinenschaufeln bear
beiten. Die gekrümmte Werkzeugbahnkurve ergibt in der Über
lagerung mit dem sich drehenden Werkzeug eine Schnittkurve
höherer Ordnung. Obwohl das Problem sich vom Ansatz der 3
dimensional darstellt, kann die Ermittlung der momentanen
Schnittkurve für viele Anwendungsfälle im 2-dimensionalen
Koordinatensystem erfolgen, wenn die Werkzeugbahnkurve eine
relativ geringe Krümmung und/oder Steigung aufweist.
Die vektorielle Darstellung im Rechner ergibt ein 3-Zeiger-
System, das aus den beiden rotierenden Zeigern e und E und
einem an E angehängten nicht rotierenden, in seinem Betrag
von 0 bis zu einem Maximalwert regelmäßig oszillierenden
Zeiger R gebildet wird. Der Maximalwert des Zeigers R ergibt
sich aus dem Umfang des Werkstücks, der Eingriffslänge des
Werkzeugs am Werkstück und der Drehfrequenz des Werkstücks.
Beim Eintritt des Werkzeugs in das Werkstück ist der Betrag
von R = 0 und erreicht am Austritt sein Maximum. Der Zeiger
weist in Umfangsrichtung entsprechend der Drehrichtung des
Werkstücks. Die Oszillationsfrequenz des Zeigers R ergibt
sich aus der Anzahl der Stege. Das Tastverhältnis der Frequenz
wird durch das Verhältnis von Eingriffszeit und Leerlaufzeit
bestimmt. Krümmung und Steigung der tatsächlichen Schnittkurve
können so ermittelt werden, und die Werkzeugbahnkurve kann
um die entsprechenden Werte korrigiert werden. Für starke
Krümmungen und/oder Steigungen der Bahnkurve muß der Zeiger R
in an sich bekannter Weise als Raumzeiger angenommen werden,
um die momentane Schnittkurve zu ermitteln.
Durch die vielseitigen Variationsmöglichkeiten des Verfahrens
können nicht nur einfache Turbinenschaufeln mit parallelem
Verlauf von Unter- und Oberseite hergestellt werden sondern
auch Schaufeln mit unterschiedlicher Krümmung an Ober- und
Unterseite. Das Profil kann so als Tragflügelprofil ausgebil
det werden.
Ein beidseitig konvexes Profil, wie es zum Beispiel für Stabi
lisierungsflügel an Flugkörpern eingesetzt wird oder ein
beidseitig konkaves Profil, ist ebenfalls herstellbar.
Die Variation von Krümmung und Steigung kann im einfachsten
Fall durch eine relative Verschiebung von Werkstück und Werk
zeug in der Y/Z-Ebene erreicht werden, indem am Werkstück
andere Bereiche der Werkzeugbahnkurve im Eingriff sind.
Die Steigung der Werkzeugbahn kann durch eine überlagerte
Verdrehung der Phasenlage von Werkzeug- und Exzenterachse
auch im laufenden Betrieb auch während der Bearbeitung ver
stellt werden.
Reichen diese Variationsmöglichkeiten nicht aus, so können
durch Verstellung aller Systemparameter, wie z. B. e und E
fast beliebige Formen erreicht werden.
Die überlagerte Verdrehung der Phasenlage von Werkzeug- und
Exzenterachse ermöglicht auch die Herstellung verwundener
Schaufel- und Flügelprofile. Durch den Einsatz einer CNC
ist es möglich, in Abhängigkeit von der radialen Zustellung
des Werkzeuges die Werkzeugbahn im Raum zu verdrehen, so
daß ein in sich verdrehtes Profil, das auch hinterschnitten
sein kann, entsteht. Während der radialen Zustellung kann
auch die Krümmung der Bahn verändert werden.
Weist ein Werkstück nur relativ wenige Stege, z. B. nur drei
oder vier oder auch nur einen Steg auf, dann kann durch mehre
re radiale Einstiche und entsprechend überlagerter Werkstück
drehung das Material abgedreht werden. Eine beliebige Schnitt
aufteilung durch Radial- und überlagertenm Rundvorschub ist
möglich. Durch diese Bearbeitung ist es auch möglich, Stegen
und/oder Nuten eine auf dem Umfang verlaufende Kontur zu
geben.
In einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen
Verfahrens ist vorgesehen, daß für die Zykloidenbahn eine
Hypozykloide mit wenigstens einem im wesentlichen geradlinigen
Bahnbereich ausgewählt wird. Derartige Hypozykloiden sind
insbesondere für die Zahnradfertigung von Bedeutung. In beson
derer Ausgestaltung der Erfindung ist hierbei eine polygonför
mige Hypozykloide mit ungerader Eckenzahl, vorzugsweise mit
fünf Ecken, vorgesehen. Eine derartige polygonförmige Hypo
zykloide ist im wesentlichen drehsymmetrisch in bezug auf
die Zentralachse, so daß die auf dieser Bahnkurve sich bewe
gende Werkzeugschneide in bezug auf die Zentralachse ebenfalls
im wesentlichen eine Rotationsbewegung ausführt, so daß hier
im Hinblick auf die zulässige Schnittgeschwindigkeit einer
seits und die für die Erzeugung der Bahnkurve erforderlichen
Drehzahlverhältnisse der zu überlagernden Drehbewegungen
andererseits, für den in einem im wesentlichen geradlinig
verlaufenden Bahnbereich liegenden Eingriffsbereich der Werk
zeugschneide nur geringfügige Änderungen in der Schnittge
schwindigkeit und den Schnittwinkeln auftreten. Ein besonde
rer Vorteil besteht insbesondere bei einer Hypozykloide mit
fünf Ecken darin, daß auf der gleichen Zykloidenbahn, jedoch
im wesentlichen einander gegenüberliegend, zwei Werkzeuge
angebracht werden können, so daß bei einer Umdrehung jeweils
zwei Werkzeuge zum Eingriff gelangen. Sind die Werkzeuge
im wesentlichen um 90° versetzt, können bis zu vier Werkzeuge
angebracht werden, so daß bei einer Umdrehung der Werkzeug
spindel jeweils vier Werkzeuge zum Eingriff gelangen.
Erfindungsgemäß ist ferner vorgesehen, daß bei einer Hypozy
kloide mit fünf Ecken zur Erzeugung eines im wesentlichen
geradlinig verlaufenden Bahnbereichs des Grundverhältnis
V des Radius e des Bewegungskreises der Mittelachse um die
Zentralachse zum Radius E des Bewegungskreises der Werkzeug
schneide um ihre Drehachse V = e : E = 0,066 beträgt. Bei
Einhaltung dieses Verhältnisses läßt sich jeweils durch Vor
gabe der Länge von e und E die Länge des geradlinigen Bahnbe
reichs vorgeben. Für einen geradlinigen Bahnbereich von etwa
40 mm Länge ist hier bei einer fünfeckigen Hypozykloide
e = etwa 3,95 mm und E = etwa 60 mm vorzugeben.
In Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist ferner
vorgesehen, daß bei einer im wesentlichen durch die zulässige
Schnittgeschwindigkeit der Werkzeugschneide vorgegebenen
Drehzahl ns die Werkzeugschneide um ihre Drehachse die Dreh
zahl dieser Drehachse um die Zentralachse den Wert ne = ns·(i + 1)
für eine Epizykloide oder ne=ns·-(i-1) für
eine Hypozykloide aufweist und daß die Werkstückdrehzahl
nw = ns·z beträgt, wobei z die Zahl der zu erzeugenden
stegförmigen Vorsprünge ist. Der Faktor i entspricht der
Eckenzahl des "Polygons".
Wird die Werkstückdrehachse beim Einsatz mehrerer Werkzeuge
nach dieser Regel gewählt, so schneidet jedes Werkzeug seine
eigene Nut. Wird die Werkstückdrehzahl entsprechend angepaßt,
schneidet jedes Werkzeug letztlich jede Nut, so daß durch
unterschiedliche Form der Werkzeuge an einem Werkzeugträger
in einem Arbeitsgang unterschiedliche Nuten bzw. Stege er
zeugt werden können.
Schneiden sich die Werkstückdrehachse und die Zentralachse
nicht unter einem rechten Winkel, so ist die Herstellung
von kegelförmigen Stegen, wie sie beispielsweise bei Kegel
und Tellerzahnrädern Anwendung finden, möglich. Die Stegform
kann hierbei durch die Variationsbreite der Werkzeugbahn
für den jeweiligen Einsatz optimiert werden. Gerade-, schräg-,
kreisbogen- und spiralverzahnte Räder können mit der glei
chen Maschine hergestellt werden.
Die Fertigungsmethoden, wie sie für die Herstellung von Stirn
zahnrädern dargelegt wurden, finden auch hier entsprechende
Anwendung.
Die Herstellung von radialen bzw. diagonalen Schaufel- und
Flügelprofilen ist bei entsprechender Anwendung der Regeln,
wie sie für Axialschaufel- und -flügelprofile angegeben sind,
ebenfalls möglich.
Für alle bisher beschriebenen Anwendungen des Verfahrens
wurde angenommen, daß sich die Werkzeugbahn insgesamt im
wesentlichen rechtwinklig zur Werkzeugzustellung in X-Richtung
und mit ihrem Eingriffsbereich im Werkstück im wesentlichen
in Höhe der Werkstückdrehachse befindet. Es ist für eine
Vielzahl von Zykloidenformen grundsätzlich möglich, die Werk
zeugbahn in jedem ihrer Bereiche mit dem Werkstück in Ein
griff zu bringen. Die in Y-Richtung gesehenen oberen und
unteren Bereiche finden für die z.Z. technisch wichtigen
Anwendungsfälle besondere Anwendung.
Durch Verfahren der Y-Achse außer Eingriff ist es z. B. mög
lich, ohne Drehrichtungswechsel im laufenden Betrieb die
Schnittrichtung des Werkzeugs am Werkstück ohne Werkzeug
wechsel umzukehren, indem einmal der obere und zum anderen
der untere Bereich der Zykloide in Eingriff gebracht wird.
Die Herstellung von Nuten mit gegenläufiger Steigung, wie
sie z. B. für Gleichlaufgelenke benötigt werden, kann so be
werkstelligt werden.
Darüber hinaus kann durch Verstellung der Y-Achse die Werk
zeugbahn relativ zum Werkstück so verschoben werden, daß
sie an beliebigen Stellen am Umfang des Werkstücks in Ein
griff gebracht werden kann.
Befindet sich die Werkzeugbahn nach obiger Definition unter
oder oberhalb der Werkstückdrehachse, dann können auch radial
hinterschnittene Nuten und Stege erzeugt werden. Vorausset
zung hierfür ist ein Werkzeug, daß in Vorschubrichtung frei
gestellt ist. Eine wechselweise Verschiebung der Werkzeugbahn
über und unter die Werkstückdrehachse ergibt beidseitig hin
terschnittene Stege und Nuten.
Werden Werkzeugbahn und Werkstück relativ zueinander soweit
verschoben, daß die Werkzeugbahn gegenüber der Ausgangspo
sition um ca. +/-90° verschoben ist, so ergeben sich neue
Variationsmöglichkeiten.
Waren bisher die Hauptvorschubrichtung, die X-Achse und die
Werkzeuge entsprechend angeordnet, so wird jetzt die Y-Achse
zur Hauptvorschubrichtung und die Werkzeuge werden im wesent
lichen radial zur Werkzeugdrehachse angeordnet.
Nachteilig ist hier die relativ große Kragarmlänge des Werk
zeughalters und die Schnittwinkeländerungen an der Haupt
schneide, wobei sich für die bisher beschriebenen Methoden
nur Schnittwinkeländerungen an der Nebenschneide ergeben.
Einsetzbar ist diese Methode z. B. zur Herstellung von langen
Zahnprofilwellen und zur Herstellung von Schneckenrädern.
Die vielfältigen Variationsmöglichkeiten von Werkzeugbahn,
Anordnung der Achsen, Zustellmöglichkeiten und Drehzahlver
hältnissen ermöglichen z. B. auch die Herstellung von Gewinden
und Spiralen. Die Werkzeugbewegung wird hier als schnelle
Vorschubbewegung genutzt, so daß auch hier gegenüber den
bisherigen Methoden höhere Schnittgeschwindigkeiten und somit
eine wirtschaftlichere Fertigung möglich werden.
So ist z. B. auch die Herstellung von Planspiralen möglich,
wie sie z. B. für Kompressoren eingesetzt werden. Ein Plan
stechwerkzeug wird durch die entsprechende Zykloidenbahn
radial geführt, wobei das Werkzeug entgegen der Drehrichtung
des Werkstücks in Umfangsrichtung des Werkstücks schneidet.
Der Abhub bzw. Einhub des Werkzeugs in die freigedrehte Werk
stückmitte erfolgt durch die Zykloidenbahn automatisch. Die
Steigung der Spirale kann durch periodische Variation der
Drehgeschwindigkeit einer oder mehrerer Drehachsen im Verlauf
der Spirale verändert werden. Die Herstellung von Axialgewin
den erfolgt entsprechend.
Die Anordnung der Vorschubachsen in Beziehung zu den Dreh
achsen ist nur beispielhaft dargestellt. Jede andere Achsenzu
ordnung ist ebenfalls möglich. Es können für Spezialaufgaben
einzelne Achsen, wie z. B. die Y-Achse oder die Schwenkachse,
entfallen.
Die Winkelgeschwindigkeit der Drehachsen während eines Umlaufs
ist vorzugsweise konstant, wobei die überlagerten Differential
drehungen als Vorschubbewegungen relativ langsam sind. Grund
drehung plus Differentialdrehung werden per Definition als
konstante Winkelgeschwindigkeit während eines Umlaufs ange
nommen.
Wie bereits am Beispiel der Planspirale gezeigt, kann durch
Veränderung der Winkelgeschwindigkeit während eines Umlaufs
einer oder mehrerer Achsen die Variationsvielfalt des Ver
fahrens vergrößert werden. Diese Veränderung erfolgt auf
elektronischem oder mechanischem Wege in bereits bekannter
Weise.
Die drei Drehachsen in Verbindung mit den drei Linear- und
einer Schwenkachse ermöglichen über die verfahrensmäßigen
Fertigungsmethoden hinaus eine sehr vielseitige konventio
nelle Bearbeitung.
Werden Werkzeug- und Exzenterachse geklemmt oder über die
elektronische Lageregelung stillgesetzt und nur die Werkstück
achse gedreht, kann normal gedreht werden. Die Werkzeughöhe
kann gegenüber dem Werkstück durch Verdrehen, oder wenn
vorhanden, über die Y-Achse, eingestellt werden.
Die Werkzeugspindel kann ebenfalls für Bohr- und Fräsarbeiten
eingesetzt werden. Durch Drehen der Schwenkachse können radia
le, axiale und schräge Bohrungen und Einfräsungen durchgeführt
werden. Dies kann bei stillstehender oder im sogenannten
C-Achsbetrieb rotierender Werkstückspindel erfolgen. Die
Lage der Bohrer- oder Fräsachse kann in ihrer "Höhe" zur
Werkstückdrehachse durch die Y-Achse oder, wenn nicht vorhan
den, in begrenztem Umfang durch Verdrehen der Exzenterachse
verschoben werden.
Für die Werkzeugverstellung im laufenden Betrieb kann in
an sich bekannter Weise ein rotierender Planschieberkopf
verwendet werden, um z. B. die Zykloidenbahn im laufenden
Betrieb zu verändern.
Für Werkstoffe, die hohe Schnittgeschwindigkeiten erfordern
und/oder für kleine Werkstückdurchmesser, können Werkstück
und Werkzeugspindel achsparallel und konzentrisch zueinander
angeordnet werden. Drehen Werkzeug und Werkstückspindel
gegenläufig, so ergibt sich die Summe der beiden Drehzahlen
als resultierende Drehzahl. Die radiale Zustellung erfolgt
über den Planschieberkopf.
Die Herstellung von Gewinden und Schnecken ist durch den
Einsatz von Werkstück- und Werkzeugspindel als Wirbelvorrich
tung in an sich bekannter Weise möglich.
Das erfindungsgemäße Verfahren wird anhand von Zeichnungen
näher erläutert. Es zeigen
Fig. 1 eine perspektivische Darstellung der
Funktionselemente zur Durchführung des
Verfahrens,
Fig. 2 schematisch den Aufbau einer Vorrichtung
in der Zuordnung der Funktionselemente,
Fig. 3 eine bevorzugte Bahnkurve zur Führung des
Werkzeugs,
Fig. 4 Variationsmöglichkeiten der Bahnkurve nach
Fig. 3,
Fig. 5 die Ausrichtung der Bahnkurve in bezug
auf das Werkzeug zur Herstellung achs
paralleler Vorsprünge,
Fig. 6 die Zuordnung der Bahnkurve für die Her
stellung eines Werkstücks mit schräg zur
Werkstückachse verlaufenden Vorsprüngen,
Fig. 7 einen Teilschnitt gem. der Linie VII-VII
in Fig. 5 mit einem Formwerkzeug,
Fig. 8 einen Teilschnitt gem. der Linie VII-VII
in Fig. 5 mit einem Spitzwerkzeug,
Fig. 9 und 10 unterschiedliche Ausrichtungen der Zentral
achse des Werkzeugs zur Werkstückachse,
Fig. 11 und 12 unterschiedliche Ausrichtung des Werkzeugs
zum Werkstück,
Fig. 13 und 14 die Zuordnung des Werkzeugs zur Erzeugung
von stegförmigen Vorsprüngen auf der Werk
stückstirnseite,
Fig. 15 und 16 die Form und Ausrichtung der Bahn zur Her
stellung von Schaufelkränzen.
Wie die perspektivische Darstellung gem. Fig. 1 erkennen
läßt, ist ein Werkstück 1 um die Werkstückdrehachse W mit
der Drehzahl nw rotierbar gelagert. Aus dem Werkstückrohling
soll ein Werkstück mit stegförmigen Vorsprüngen hergestellt
werden, beispielweise ein Stirnzahnrad. Dies geschieht dadurch,
daß in die Umfangsfläche des Werkstücks 1 entsprechende
Nuten 2 eingearbeitet werden. Dies geschieht mit Hilfe eines
Werkzeuges 3, das an einem Arm 4 befestigt ist, der um seine
Drehachse S mit der Drehzahl ns in der angegebenen Drehrich
tung umläuft. Die Drehachse S des Werkzeugs 3 ist hierbei
an einem Arm 5 gelagert, der um eine Zentralachse Z mit der
Drehzahl ne gegenläufig zum Arm 4 umläuft. Die Länge E des
Armes 4 einerseits und die Länge e des Armes 5 andererseits
ist jeweils einstellbar, so daß durch Veränderung des Verhält
nisses von e zu E einerseits und entsprechende Vorgabe des
Verhältnisses der Drehzahl ns zu ne die Form der Zykloiden
bahn vorgegeben werden kann. Bei der in Fig. 1 angegebenen
gegenläufigen Drehrichtung von ns und ne ergibt sich eine
Hypozykloide. Bei gleichsinniger Drehung ergibt sich eine
Epizykloide. Durch die Zustellung, d. h. den Vorschub der
Zentralachse Z in Richtung des Pfeiles x gegen das Werkzeug
1 erfolgt dann die Einarbeitung der Nut 2.
Das Verhältnis der Drehzahl ns des Werkzeugs 3 zur Drehzahl nw
des Werkstücks 1 ist durch die Zahl z der zu erzeugenden
stegförmigen Vorsprünge festgelegt.
Die Drehzahlen werden durch die zulässige Schnittgeschwindig
keit des für das Werkzeug 3 verwendeten Schneidwerkstoffs
bestimmt. Bei der Vorgabe der Drehzahl ns ist hierbei die
sich aus der Überlagerung der Drehzahlen ns und ne einerseits
und der Längenverhältnisse der Arme 4 und 5 ergebende Maximal
geschwindigkeit der Werkzeugschneide zu berücksichtigen.
Fig. 2 zeigt in einer schematischen Darstellung eine Vorrich
tung, aus der die Anordnung der einzelnen Funktionselemente
zueinander, ihre Verstellbarkeit zueinander und die Antriebs
anordnung ersichtlich ist.
Das Werkstück 1 ist hierbei in einem Spannfutter 6 gehalten,
das um die Werkstückdrehachse W in einem Support 7 drehbar
und über einen Motor 8 antreibbar gelagert ist. Eine Abstüt
zung durch einen Reitstock oder einen Setzstock ist ohne
weiteres möglich. Der Support 7 ist hierbei in Richtung des
Doppelpfeiles 9, d. h. der Z-Achse eines auf die Drehachse
des Werkstücks bezogenen Koordinatensystems auf einem Schlit
ten 10 verschiebbar gelagert, der seinerseits quer dazu,
d. h. in Richtung der Y-Achse, auf dem Maschinenbett 11 ver
schiebbar gelagert ist. Support 7 und Schlitten 10 sind hier
bei in üblicher Weise mit nicht näher dargestellten Vorschub
antrieben versehen.
Am Maschinenbett ist auf einem Grundsupport 12, der mit einem
hier nicht näher dargestellten Zustellantrieb in Richtung
des Pfeiles x gegen das Werkstück 1 zustellbar ist, auf einem
Schwenksupport 13 der Werkzeugantrieb 14 gelagert. Der Schwenk
support 13 kann hierbei verschwenk- und arretierbar ausgebil
det sein oder aber auch mit einem Zustellantrieb verbunden
sein, der während des Betriebes eine Änderung des Schwenkwin
kels des Schwenksupportes 13 gegenüber dem Grundsupport 12
bewirkt.
Auf dem Schwenksupport ist in einem Lagerbock 15 eine zylin
drische Antriebsbuchse 16 drehbar gelagert, die über einen
Motor 17 antreibbar ist. Die Drehachse der Exzenterbuchse
16 definiert hierbei die Zentralachse Z.
In der exzentrisch zur Zentralachse Z angeordneten Innenboh
rung der Exzenterbuchse 16 ist hierbei eine weitere Exzenter
buchse 18 dreh- und feststellbar angeordnet, deren exzentrisch
zum Außenumfang angeordnete Innenbohrung 19 die Drehachse
S des Werkzeuges 3 definiert und in der eine Werkzeugspindel
20 drehbar gelagert ist. Durch Verdrehen der Exzenterbuchse 18
gegenüber der Exzenterbuchse 16 kann somit die Exzentrizität e
der Drehachse S des Werkzeugs in bezug auf die Zentralachse Z
eingestellt werden. Diese Exzentrizität e definiert den in
Fig. 1 angegebenen Arm 5. Die Drehachse Z ist aus Gründen
der Übersichtlichkeit der Darstellung weggelassen. Der Ab
stand E des Werkzeuges 3 von der Drehachse S entspricht dem
Arm 4 in der schematischen Darstellung gem. Fig. 1.
Die Werkzeugspindel 20 wird bei dem dargestellten Ausführungs
beispiel über eine Kupplung 20′ zum Ausgleich des Parallelver
satzes, beispielsweise eine Gelenkwelle, durch einen eigenen
Antriebsmotor 21 angetrieben, wobei der Antriebsmotor 17
für die Exzenterbuchse 16 und der Antriebsmotor 21 für die
Werkzeugspindel 20 über eine elektronische Drehzahlsteuerung
im vorgegebenen Drehzahlverhältnis eingehalten wird. Anstelle
einer elektronischen Steuerung ist es aber auch möglich,
mit nur einem Antriebsmotor und einem entsprechenden Getriebe
zu arbeiten. Die Verwendung von zwei Antriebsmotoren mit
elektronischer Steuerung erlaubt jedoch nicht nur die Ein
stellung jedes gewünschten Drehzahlverhältnisses sondern
auch eine Veränderung der Drehzahlverhältnisse während des
Betriebes, wenn dies aufgrund der Form des zu erzeugenden
stegförmigen Vorsprungs am Werkstück 1 erforderlich ist.
Über die genannte elektronische Steuerung wird ferner das
vorgegebene Drehzahlverhältnis zum Antriebsmotor 8 der Werk
stückaufnahme 6 eingehalten. Da derartige elektronische Steu
erungen sehr genau arbeiten und sich die erforderlichen Dreh
zahlverhältnisse sehr genau einstellen lassen, ist es bei
spielsweise möglich, Zahnräder praktisch ohne Teilungsfehler
zu erzeugen.
Aufgrund der anhand von Fig. 1 beschriebenen Überlagerungsmög
lichkeiten der verschiedenen Drehzahlen und Drehrichtungen
sowie durch die Möglichkeit der Vorgabe des Exzentrizitäts
verhältnisses e/E besteht nun die Möglichkeit, bei gegenläu
figer Drehbewegung des Armes 4 und des Armes 5 eine Hypozy
kloide zu erzeugen, die, wie in Fig. 3 dargestellt, einem
fünfeckigen Polygon entspricht. Bei entsprechender Vorgabe
des Verhältnisses e/E läßt sich nun diese Hypozykloide so
bemessen, daß sie jeweils fünf im wesentlichen gerade Bahn
bereiche 22 aufweist. So ist beispielsweise für ein Stirn
zahnrad mit gerader Zahnflanke, die eine Länge von etwa 40 mm
haben soll, die Exzentrizität e, die sich aus der Einstel
lung der Exzenterbuchsen 16 und 18 zueinander ergibt, mit
3,95 mm vorgegeben und die Exzentrizität E, d. h. der Abstand
der Schneide von der Werkzeugdrehachse S mit 60 mm vorgegeben,
so daß sich ein Verhältnis V = e/E = 0,066 ergibt. Ordnet
man nun, wie nachstehend noch näher erläutert werden wird,
den geradlinigen Bahnbereich 22 in entsprechender Weise der
zu bearbeitenden Werkstückoberfläche zu, dann ist ohne weite
res zu erkennen, daß mit Hilfe eines auf der in Fig. 3 darge
stellten Bahnkurve sich bewegenden Werkzeugs in das Werkstück
eine geradlinig verlaufende Nut eingearbeitet werden kann,
wobei das Werkzeug 3 immer in gleicher Richtung die zu erzeu
gende Nut durchläuft. Fig. 3 läßt auch erkennen, daß bei
einer derartigen Bahnkurve zwei Werkzeuge 3 angeordnet werden
können, so daß bei einer vollen Umdrehung eines Werkzeugträ
gers zwei Werkzeuge nacheinander in Eingriff kommen können.
Es können auch vier Werkzeuge eingesetzt werden.
Fig. 4 zeigt ausgehend von der in Fig. 3 dargestellten Bahn
kurve 23 das durch Veränderungen des Wertes V = e/E = 0,066
der geradlinige Bahnbereich 22 in einen zunehmend konkav
verlaufenden Bahnbereich 24 und bei einer Reduzierung des
Wertes V in einem zunehmend konvexen Bahnbereich 25 verformt
werden kann. Bei der Festlegung der tatsächlichen Eingriffs
länge des Werkzeuges am Werkstück kann dann noch über den
in Fig. 3 angegebenen geradlinigen Bahnbereich 22 hinaus
auch jeweils der angrenzende gekrümmte Eckenbereich mit ein
bezogen werden. Dies ist beispielsweise bei der Herstellung
von Zahnrädern von Interesse, da dann auch die Stirnkanten
der Zähne bereits entsprechend abgerundet hergestellt werden
können.
Fig. 5 und 6 zeigen hierbei für unterschiedliche Anwendungs
fälle die Zuordnung einer Bewegungsbahn des Werkzeugs ent
sprechend der Bahnkurve 23 zum Werkstück 1, beispielsweise
für die Herstellung von Stirnzahnrädern. Für die Herstellung
eines geradverzahnten Stirnzahnrades muß hierbei die Phasen
lage der einzelnen Drehzahlen zueinander und die Ausrichtung
der Zentralachse Z zur Werkstückdrehachse W bei den durch
die Pfeile ns und nw vorgegebenen Drehrichtungen in der in
Fig. 5 dargestellten Weise vorgenommen werden, d. h. der den
Eingriffsbereich des Werkzeugs definierende geradlinige Bahn
bereich 22 muß in bezug auf die Werkstückdrehachse geneigt
verlaufen, so daß bei einer durch die Überlagerung der beiden
Drehbewegungen ns und nw bestimmten Neigung des Bahnbereichs 22
letztlich eine Nut in Richtung der Werkstückachse W in das
Werkstück eingearbeitet wird.
Fig. 6 zeigt dann entsprechend die Zuordnung der Bahnkurve 23
zur Herstellung eines schrägverzahnten Stirnrades. Fig. 5
und 6 lassen auch erkennen, daß bei entsprechender Breite
die abgerundeten Bereiche der Bahnkurve in den Ecken des
Polygons mit in den Eingriffsbereich des Werkzeuges einbezo
gen werden können, wobei dann der "Durchmesser" D der fünfsei
tige Polygonkurve in bezug auf die vorgegebene Werkstückbreite
so reduziert werden muß, daß die abgerundeten Ecken der Poly
gonkurve noch mit zum Eingriffsbereich des Werkzeugs gehören,
so daß die Stirnkanten der herzustellenden Zähne angerundet
werden.
Die Erläuterungen anhand der Fig. 3, 4, 5 und 6 lassen erken
nen, daß durch entsprechende Veränderungen der Zykloidenbahn
der Verlauf des auf dem Werkstück 1 zu erzeugenden Steges
in weiten Bereichen veränderbar ist, so daß nicht nur gerad
verzahnte sondern auch spiralverzahnte oder kreisbogenver
zahnte Zahnräder bei entsprechender Vorgabe der Bewegungsbahn
herstellbar sind. Bei der Herstellung von Stirnzahnrädern,
wie sie anhand von Fig. 5 und 6 beschrieben ist, wird bei
der anhand von Fig. 2 beschriebenen Vorrichtung der Schwenk
support 13 so verschwenkt, daß die Zentralachse Z senkrecht
zur Werkstückachse W verläuft. Wie jedoch Fig. 2 erkennen
läßt, können bei einer entsprechenden Verschwenkung auch
Kegelräder und auch Tellerräder hergestellt werden.
Fig. 7 zeigt schematisch entsprechend dem Schnitt in Fig.
5 eine Grundform für die Werkzeugausbildung. Das in Fig. 7
dargestellte Werkzeug 3 ist nach Art eines Drehmeißels ausge
bildet, so daß der Schneidenbereich aufgrund der definierten
Schnittwinkelverhältnisse als Schneidplatte 26 eingesetzt
werden kann, so daß hier die Werkzeugkosten erheblich redu
ziert werden und höhere Schnittgeschwindigkeiten möglich
sind. Bei dem in Fig. 7 dargestellten trapezförmigen Werkzeug
mit umlaufender Schneide werden fortlaufend Nute in das Werk
stück 1 eingestochen, die dann aufgrund der Werkstückdrehung
in Form eines Hüllschnitts die gewünschten evolventenförmigen
Zahnflanken erzeugen. Nachdem dann das Werkzeug 3 bis in
den Zahngrund geführt worden ist und der Zahn fertigbearbeit
et ist, kann anschließend nach dem Herausziehen des Werkzeugs
in einer Aufspannung auch noch der Kopfkreis des fertigen
Zahnrads bearbeitet werden. Wie vorstehend bereits beschrie
ben, kann bei entsprechende Auslegung der Länge des Eingriffs
bereichs auch jeweils die Stirnkante des Zahns mit bearbeitet
werden. Wie anhand von Fig. 4 erläutert, können beispiels
weise bei der Vorgabe einer konkaven Bahnkurve 25 in Längs
richtung balliggeformte Zahnflanken hergestellt werden. So
fern andere Querschnittskonturen der zu erzeugenden stegför
migen Vorsprünge gewünscht sind, kann nach einer Vorbearbei
tung, wie anhand von Fig. 7 beschrieben, in gleicher Aufspan
nung, wie Fig. 8a und 8b zeigen, nach Einsatz eines links
schneidenden Spitzwerkzeugs 27 und anschließend eines rechts
schneidenden Spitzwerkzeugs 28 jeweils die Kontur der Zahn
flanke in einer von der reinen Evolventenform abweichenden
praktisch beliebigen Form erzeugt werden. Hierzu ist es ledig
lich erforderlich, daß über eine entsprechende elektronische
Steuerung über eine kurzzeitige Drehzahländerung der Werk
stückdrehzahl die Phasenlage der im Werkstück vorbearbeiteten
Nut zum durchlaufenden Werkzeug jeweils geringfügig um einen
vorgegebenen Wert verändert wird. So ist es dann beispiels
weise möglich, Räder zu erzeugen, deren Zähne eine von der
durch Hüllschnitt zu erzeugenden Evolvente abweichende Zahn
flanke, beispielsweise eine im Querschnitt kreisförmige Zahn
flanke aufweisen.
Fig. 9 und 10 zeigen unterschiedliche Ausrichtungen der Werk
zeugdrehachse S zur Werkstückdrehachse W, die auch entspre
chend unterschiedliche Anordnungen der Werkzeuge 3 am zugehö
rigen Werkzeugträger bedingen. Die Ausrichtung gem. Fig. 9
hat den Vorteil, daß nur ein geringer Abstand zwischen dem
Lager der Werkzeugspindel und der Werkzeugspitze besteht,
so daß hier mit geringen Durchbiegungen zu rechnen ist und
somit auch hohe Schnittkräfte aufgebracht werden können.
Fig. 11 zeigt hierbei die Anordnung gem. Fig. 9 mit einem
abgewinkelten Werkzeug 3′, das linksschneidend ist. Zur Bear
beitung der rechten Flanke muß dann ein entsprechend spiegel
bildlich abgewinkeltes Werkzeug 3′ eingesetzt werden.
Fig. 12 zeigt eine Werkzeuganordnung, mit dessen Hilfe in
einer Werkstück 1 hinterschnittene Nuten 29 mit Hilfe des
erfindungsgemäßen Verfahrens eingearbeitet werden können.
Fig. 13 und 14 zeigen eine Zuordnung von Werkzeug und Werk
stück, die das Bearbeiten der Stirnseite eines kreisförmigen
Werkstückes zeigt, wobei hier entweder stegförmige Vorsprünge
oder entsprechend verlaufende Nuten eingearbeitet werden
können. Der radiale Verlauf der Nuten bzw. Stege wird hierbei
durch die Drehzahlverhältnisse und die vorgegebene Zykloiden
bahn bestimmt.
Fig. 14 und 15 zeigen
Form und Zuordnung der Werkzeugbahn
zum Werkstück, wie sie zur Herstellung von gekrümmten Stegen
32, beispielsweise an Turbinenrädern, vorgegeben werden.
Als Hypozykloide wird zweckmäßig hier eine Ellipse 30 vorge
geben. Mit einer vorgegebenen Ellipse können allein durch
Änderung der Phasenlage und damit Änderung der Zuordnung
der Achsen zum Werkstück eine Vielzahl von unterschiedlichen
Krümmungsverläufen im Eingriffsbereich vorgegeben werden.
Für den zu erzeugenden Verlauf des Steges am Werkstück 1
muß nun noch die Drehbewegung des Werkstücks 1 der Bewegung
des Werkzeugs 3 überlagert werden, wie dies in Fig. 15 in
größerem Maßstab dargestellt ist. Die tatsächliche Schnitt
linie des Werkzeugs verläuft auf dem Werkstück etwas stärker
gekrümmt und etwas steiler geneigt. Sowohl die Krümmung als
auch die Steigung lassen such bei gegebener Bahnkurve und
gegebener Geschwindigkeit des Werkzeugs noch über die Drehzahl
des Werkstücks beeinflussen.
Fig. 15 zeigt die Lage der Werkzeugbahn 30 in bezug auf die
Schnittlinie 31, also die Längskontur des zu erzeugenden
Schaufelsteges 32 zu dem Zeitpunkt, an dem das Werkzeug 3
gerade außer Eingriff gelangt. Die Bewegungsrichtungen sind
durch die Pfeile nw und ns gekennzeichnet.
Die vorstehend beschriebene Überlagerung der beiden Bewegun
gen läßt sich an einem Rechner, dem die Anordnung gem. Fig.
1 vorgegeben wird, einfach simmulieren, so daß bei konstruktiv
vorgegebenem Stegverlauf die an der Vorrichtung einzustellen
den Parameter leicht ermittelt werden können. Werden als
Werkzeugbahn Hypozykloiden verwendet, dann sind, entsprechend
der Grundanordnung gem. Fig. 1, die Drehrichtungen des Armes
4 mit der Länge E um die Drehachse S und des Armes 5 mit
der Länge e um die Drehachse Z gegensinnig. Die einfachste
Hypozykloide ist die Ellipse mit dem Drehzahlverhältnis nw/ne = 1/-1.
Das Achsverhältnis der Ellipse D/d ergibt sich aus
dem Verhältnis der Armlängen e und E, so daß D/d = 2(E+e)/2(E-
e) ist.
Zur Erzeugung von leicht gekrümmten Profilen die in eine
starke Krümmung übergehen, wie z. B. bei einem Tragflügel
profil können Hypozykloiden mit größerer Eckenzahl eingesetzt
werden. Für eine dreieckige Hypozykloide beträgt das Drehzahl
verhältnis nw/ne = 1/-2.
Im Zusammenhang mit Fig. 2 wurde das auf des Werkstück 1
bezogenen Koordinatensystem erläutert, dessen Z-Achse durch
die Drehachse des Werkstücks definiert ist, dessen Y-Achse
senkrecht dazu durch die Ebene des Maschinenbettes und der
X-Achse durch eine Achse senkrecht zum Maschinenbett definiert
ist.
Ausgehend von diesem Koordinatensystem können nun entsprechend
dem zu erzeugenden Werkstück Zustellbewegungen in nur einer
oder in der Überlagerung von zwei oder drei Achsen erfolgen.
Diese Zustellbewegungen können bei einer entsprechenden CNC-
Ausrüstung der Maschine nach einem vorgegebenen Programm
erfolgen. Die Drehbewegung des Werkstücks wird diesen Bewe
gungen sowie der Bewegung des Werkzeugs in Schnittrichtung
immer überlagert. Das Werkstück kann hierbei mit konstanter
Drehzahl rotieren, also mit einer Drehzahländerung gleich
Null oder aber mit sich nach vorgegebenem Programm ändernden
Drehzahlen.
Claims (7)
1. Verfahren zur Herstellung von Werkstücken mit einer vor
zugsweise kreisförmigen Grundform, die mit stegförmigen Vor
sprüngen versehen ist, insbesondere zur Herstellung von Zahn
rädern, bei dem wenigstens ein mit wenigstens einer Schneide
versehenes Werkzeug über die zu bearbeitende Oberfläche im
periodischen Eingriff geführt wird und das Werkstück mit
einer an die periodische Bewegung der Werkzeugschneide ange
paßten Drehzahl um die Werkstückachse W rotiert,
dadurch gekennzeichnet, daß das Werkzeug mit seiner Schneide
um eine Zentralachse Z mit vorgegebener Winkelgeschwindig
keit umlaufend auf einer Zvkloidenbahn geführt wird und daß
die Werkstückachse W einerseits und die Zentralachse Z des
Werkzeuges andererseits unter einem Winkel und mit Abstand
zueinander verlaufend ausgerichtet sind, und daß die zu er
zeugende Querschnittskontur des Steges durch eine Überlage
rung einer Zustellbewegung des Werkzeugs gegen das Werkstück
wenigstens einer Zustellachse und der Drehbewegung mit einer
vorgebbaren Änderung der Drehzahl des Werkstücks erzeugt
wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
die Zykloidenbahn dadurch erzeugt wird, daß das Werkzeug
auf einer Kreisbahn mit vorzugsweise konstanter Drehzahl ns
geführt wird, deren Drehachse S um wenigstens eine weitere
Achse, vorzugsweise die Zentralachse Z mit vorzugsweise
konstanter Drehzahl ne rotiert, wobei die Drehrichtung beider
Kreisbahnen zueinander und das Verhältnis der Drehzahl ns
des Werkzeugs um seine Drehachse S zur Drehzahl ne der
Drehachse S um die weitere Achse Z durch die vorgegebene
Form der Zykloidenbahn bestimmt ist.
3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet,
daß durch eine gegenläufige Bewegungsrichtung von Werkzeug
einerseits und seiner Drehachse S um die Zentralachse Z ande
rerseits die Zykloidenbahn als Hypozykloide vorgegeben wird.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß
für die Zykloidenbahn eine Hypozykloide mit wenigstens einem
im wesentlichen geradlinigen Bahnbereich ausgewählt wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekenn
zeichnet, daß für die Zykloidenbahn eine polygonförmige Hypo
zykloide mit ungerader Eckenzahl, vorzugsweise mit fünf Ecken,
vorgesehen wird.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß
bei einer Zypozykloide mit fünf Ecken zur Erzeugung eines
im wesentlichen geradlinig verlaufenden Bahnbereichs das
Grundverhältnis V des Radius e des Bewegungskreises der Dreh
achse S um die Zentralachse Z zum Radius E des Bewegungs
kreises des Werkzeuges um seine Drehachse S beträgt V = e : E = etwa 0,066.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekenn
zeichnet, daß für eine polygonförmige Zykloidenbahn mit der
Eckenzahl i bei einer im wesentlichen durch die zulässige
Schnittgeschwindigkeit der Werkzeugschneide vorgegebenen
Drehzahl ns des Werkzeugs um seine Drehachse S die Drehzahl
dieser Drehachse S um die Zentralachse Z den Wert ne = ns·(i + 1)
für eine Epizykloide oder ne = ns·-(i-1) für
eine Hypozykloide aufweist und daß die Werkstückdrehzahl
nw = ns·z beträgt, wobei z die Zahl der zu erzeugenden
stegförmigen Vorsprünge ist.
Priority Applications (3)
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DE19904029671 DE4029671A1 (de) | 1990-09-19 | 1990-09-19 | Verfahren zur herstellung von runden werkstuecken mit stegfoermigen vorspruengen, insbesondere zur herstellung von zahnraedern |
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