DE505729C - Maschine zum Fraesen von schraubenfoermigen Nuten mit sich aendernder Steigung und Tiefe in zylindrischen Steuerkoerpern - Google Patents

Description

Gegenstand der Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Fräsen von Schraubennuten mit veränderlicher Tiefe und Steigung in zylindrischen Steuerkörpern für Lenkvorrichtungen, insbesondere bei Motorfahrzeugen. Derartige Steuerungen haben zylindrische Körper, in deren Oberfläche eine schraubenförmige Nut mit sich ändernder Tiefe und Steigung eingefräst ist. In die Spiralnut greift ein Arm (oder ein Zapfen des Armes) einer rechtwinklig zu der Steuerung angeordneten Schwingwelle ein, so daß durch Drehung der Steuerung um ihre Achse eine veränderliche Schwingbewegung der Schwingwelle erzeugt wird, und zwar ändern sich die Relativbewegungen zwischen Steuerung und Schwingwelle entsprechend dem Eingriffspunkt des Armes in der Nut.

Die Erfindung besteht nun darin, daß in einer Ebene parallel zur Werkstückachse ein Fräser schwingbar gelagert ist, dessen Achse senkrecht zur Werktstückachse liegt, und daß die aus der Drehbewegung des Werkstücks und der Schwingbewegung des Werkzeugs sich ergebende Relativbewegung des Werkzeugs in bezug auf das Werkstück eine ungleichförmige ist. Die Schwenkbewegung des Fräsers und die Anfangsgeschwindigkeit des Werkstücks sind verschieden groß. Die Änderung der Bewegungsgeschwindigkeit des Fräsers in der Bogenlinie wird durch einen entsprechend geformten Kurvenantrieb erzeugt.

Dadurch, daß der Fräser sich in einer Bogenlinie zu dem Werkstück bewegt, erhält die Nut eine sich ändernde Tiefe, und infolge der sich ändernden Bewegungsgeschwindigkeit des Fräsers wird der Steigungswinkel der Schraubennut verschieden groß. Wird die Bewegungsgeschwindigkeit des Fräsers in der Bogenlinie z. B. so geändert, daß sie vom Beginn der Bewegung an abnimmt und von einem bestimmten Wendepunkt wieder zunimmt, dann wird auch die Steigung der Spiralnut erst abnehmen und von dem Umkehrpunkt an wieder zunehmen. Das Maß der Steigung, ob sie schneller oder langsamer zu- oder abnehmen soll, ebenso die Länge und die Zahl der Gänge hängt dabei von der jeweiligen Umdrehungsgeschwindigkeit des Werkstückes ab.

Eine Ausführungsform der Erfindung ist beispielsweise in den Abbildungen dargestellt, und zwar ist:

Abb. ι eine Vorderansicht der Maschine, Abb. 2 eine Draufsicht,

Abb. 3 ein Schnitt nach der Linie 3-3 in Abb. 2,

Abb. 4 eine Darstellung der Bahn des Fräsers, Abb. 5 ein fertiger Steuerkörper,

Abb. 6 ein Schnitt nach Linie 6-6 nach Abb. 4,

Abb. 7 und 8 eine Darstellung der verschiedenen Stellungen des Fräsers und Werk-Stückes .während des Arbeitsganges.

Auf einer Grundplatte i, die entsprechend gestaltet sein kann, z. B. wie die Grundplatte einer gewöhnlichen Gewindefräsmaschine, sind zunächst der Spindelstock 2 und der Reitstock 3 angebracht. Das Werkstück B, in das die Schraubennut eingefräst werden soll, wird zwischen der Spitze 3" des Reitstockes und dem Futter 2^a des Spindelstockes in bekannter Weise eingespannt. Weiter ist auf der Grundplatte 1 zwischen Reitstock und Spindelstock ein Support 4 angebracht, der in bekannter Art bewegt und festgeklemmt werden kann. Der Support hat nach oben hin zwei Lagerkörper 4^a, die zur Aufnahme einer Welle 4* durchbohrt sind. Die Welle 4^b hat an einem Ende eine Ausbohrung 4^C, in der eine Rohrhülse 4^d mit Innengewinde mitbefestigt wird, in das der Gewindezapfen 4^e einer Spindel 4* eingreift. Die Spindel 4 ist in einer Buchse 4^f gelagert, die in einer Hülse 4^s am äußeren Ende des Lagers 4" konzentrisch mit der Welle 4* eingeschraubt ist. Das innere Ende der Hülse 4^ ist auf dem in sie hineinragenden Ende der s5 Welle 4^b zweckmäßig mit einem Keil 4* befestigt, so daß die Welle 4^b und die Hülse 4^s gemeinsam gedreht werden können. Eine Längsverschiebung der Hülse 4^s wird durch geeignete Mittel verhindert, z. B. durch einen Ring 4^S, der gegen den Hülsenrand gelegt und mit Schrauben 4* an dem Lager 4" angeschraubt wird.

Auf die Spindel 4* ist ein Handrad 4^h aufgesetzt, mit dem der Gewindezapfen 4^e gedreht und damit die Welle 4^b in der Längsrichtung verschoben werden kann. Ein Spiel der Spindel in der Längsrichtung des Supports wird verhindert durch einen Bund auf der Spindel, der mit der Mutter 4' am äußeren Ende der Spindel gegen die Buchse 4^f gepreßt wird.

Ein den Fräser tragender Körper 5 ist mit einem Splint 4" auf der Welle 4* zwischen den beiden Lagern 4^a befestigt, so daß er durch Drehen des Handrades 4¹' in der Längsrichtung des Supports bewegt werden kann. Das Lager 4°, in dem die Hülse 4« untergebracht ist, ist in der Längsrichtung geschlitzt und wird durch die Bolzen 4^V oberhalb der Hülse festgeklemmt. Der Körper 5 hat zwei Vorsprünge 5^a und $^b oberhalb der Welle 4^b, die zur Aufnahme zweier Buchsen 5^C und $^d ausgebohrt sind, in denen der Fräsdorn drehbar gelagert ist.

Der Fräsdorn 6 wird durch Muttern 6^C, die auf beiden Seiten des Vorsprungs S⁶ auf dem Dorn aufgeschraubt sind, in der richtigen Stellung gehalten, wobei zwischen die Muttern und die Flächen des Vorsprungs geeignete Scheiben 6^d — gegebenenfalls auch Kugeldrucklager — gelegt werden. Dadurch wird der Fräser in seiner Lage gesichert und der Fräsdruck aufgenommen. Am inneren Ende des Domes 6 ist der Fräser C befestigt, mit dem die Nut in das Werkstück eingefräst wird.

An dem hinteren Ende des Fräsdornes 6 ist ein Zahnrad 6" aufgekeilt, das mit einem Zahnrad 6" auf einer Welle 6^r in Eingriff steht, die mit ihrem vorderen Ende 6^S in einer axialen Ausbohrung der Welle 4^b gelagert ist und am anderen Ende ein Kegelrad 6* trägt. Dieses steht mit einem Kegelrad g^a auf der Welle 9 in Eingriff, die wieder ein zweites Kegelrad 9⁶ am unteren Ende trägt, das in ein Kegelrad 9^C auf der Welle g^d eingreift. Die Welle g^d wird durch geeignete Mittel, z. B. durch Übertragung von der Hauptantriebswelle aus, angetrieben. Das Rad 6" ist so breit, daß es auch beim Heran- oder Abrücken des Fräsers an das Werkstück immer mit dem Rade 6" in Eingriff bleibt.

Um dem Werkzeugträger 5 neben seiner Bewegung in der Längsrichtung ■ des Supports 4 auch eine schwingende Bewegung auf einem Bogen quer zum Support 4 zu geben, ist der Träger 5 selbst als ein um die Welle 4^b drehbares Zahnradsegment ausgestaltet oder ein solches auf ihm starr befestigt. In dieses Segment greift dann eine Zahnstange 7 ein, die mit dem einen Ende in einer geeigneten Führung y^a gehalten wird.

Das andere Ende der Zahnstange 7 ist an einem Schenkel des Winkels y^c befestigt, dessen anderer Schenkel mit einem Zapfen y^d an dem langen Arm y^e eines Winkelhebels angelenkt ist. Dieser ist im Scheitel in dem Auge 8^a des Schlittens 8 mit einem Bolzen y^h gelagert. Der Schlitten 8 ist auf dem Rahmen der Maschine angebracht und kann in der Längsrichtung, wie weiter unten beschrieben wird, hin und her bewegt werden.

Wenn der Schlitten 8 hin und her bewegt wird, wird diese Bewegung durch den Winkelhebel 7^e und den Winkel J^c auf die Zahnstange 7 übertragen, die dann das Zahnsegment 5^e und damit den Stahlträger 5 in Schwingungen versetzt. Die Bewegung des Hebels 7^e wird dabei durch eine geeignete Kurve gesteuert, wodurch der Zahnstange eine vorher bestimmte veränderliche, konstante oder veränderliche und konstante Geschwindigkeit gegeben wird.

Der kürzere Arm 7' des Winkelhebels trägt eine Rolle 7^s, die gegen den Kurvenrand einer Platte 10, die an der Stütze 10" befestigt ist, anliegt. Die Platte 10 ist zweckmäßig aus einem Flacheisen hergestellt, dessen untere Kante als Kurve ausgestaltet ist. Die Kurvenfläche hat einen unteren Teil io^a und einen iao oberen io^&, die durch die entgegengesetzt geneigten, ineinander übergehenden Teile io^c

und io^d verbunden sind. Durch das Gleiten der Rolle J^s auf dieser Kurvenfläche wird demnach eine Bewegung mit sich ändernder Geschwindigkeit auf die Zahnstange 7 und damit auf den sich auf einem Bogen bewegenden Fräser übertragen.

Der Schlitten 8 wird durch geeignete Mittel in Bewegung gesetzt, z. B. durch eine Spindel 8^S, die in einer Mutter 8^ft des Schlittens geführt wird. Ebenso werden bekannte Einrichtungen dazu benutzt, die Spindel in zwei entgegengesetzten Richtungen zu drehen bei geeigneter Geschwindigkeit und in bestimmten Zeiten, so daß der Schlitten und damit der Hebel y^e und die Zahnstange 7 während des Fräsens der Nut in der einen Richtung bewegt und nach dem Fräsen wieder zurückgezogen wird, um ein neues Werkstück einzuspannen.

ao Die Spindel 8^S kann von der Hauptantriebswelle aus durch geeignete Übertragung bewegt werden, wie es bei Gewindefräsmaschitien, z. B. bei der Pratt & Whitney-Gewindefräsmaschine, allgemein bekannt ist.

Da die Rolle y^s während des Arbeitsganges immer dicht an der Kurve anliegen muß, muß ein Vibrieren des Armes 7^f verhindert werden. Das kann man mit einer Feder erreichen, es ist aber vorzuziehen, eine Kette oder Seil y^m am oberen Ende des Hebels 7^e zu befestigen, über eine Rolle 7 zu führen und am herabhängenden Ende ein Gewicht 7⁰ anzubringen; dieses Gewicht, vermehrt um die durch den Hebel y^e an dem Arm 7' ausgeübte Hebelkraft, reicht hin, die Rolle 7^g dauernd in dichter Berührung mit der Kurvenfläche 10 zu halten.

Der Bereich der gegenseitigen Bewegung des Schlittens 8 und damit der Zahnstange 7 genügt, den Stahlhalter 5 um annähernd 70⁰ bei jedem vollen Vorwärts- oder Rückwärtsgang des Schlittens 8 zu drehen, und dadurch den Fräser C seitwärts auf einem Bogen von 70⁰ bei jedem Gang der Zahnstange 7 schwingen zu lassen.

Der Fräser C ist zweckmäßig aus hochgradigem Schneidstahl und muß in der äußeren Form genau mit dem Querschnitt der zu fräsenden Nut übereinstimmen.

Das Werkstück B ist ebenfalls aus geeignetem Stahl anzufertigen und hat genaue zylindrische Form mit entsprechender Länge und Durchmesser und ist zweckmäßig mit Zapfen b und b¹ an den beiden Enden zu versehen, mit denen es in der Maschine oder in der Lenkvorrichtung, in der es schließlich als Steuerung verwandt wird, eingespannt werden kann.

Dazu ist der Zapfen b¹ (Abb. 4) zweckmäßig langer als der Zapfen b τ,η machen und am Ende mit einer Reihe von parallelen Längsnuten oder Zähnen b² auf dem Umfange zu versehen, so daß er in eine Hülse mit entsprechenden Innennuten paßt, die am Zentrierfutter 2^a am Spindelstock 2 an Stelle der gebräuchlichen Spitzeneinspannung angebracht wird. So ist, wenn das Werkstück in der Maschine mit dem Zapfen b² von dem Futter 2^a und mit dem Zapfen b von der Spitze 3^a gehalten wird, eine genaue und sorgfältige Zentrierung bei der Umdrehung des Werkstückes mit dem Futter 2" gewährleistet.

Aus den Abb. 4 und 7 ersieht man, daß der Fräser C beim Arbeitsgang einen durch die Linie a-a angedeuteten Bogen durchwandert, der in der Ebene m-m (Abb. 8) in der Längsrichtung des Werkstückes liegt, und sich in einer Ebene bewegt, die rechtwinklig zu der Achse der Welle 4* — angedeutet durch Punkt 5 — steht. Wie bereits erwähnt, ist die Maschine zum Fräsen von veränderlichen Spiralnuten in Steuerungen für Lenkvorrichtungen in Automobilen bestimmt. In den Abbildungen (Abb. 7) würde 5 die Achse der Schwingwelle, die radiale Linie R, deren Arm und die Kreise C den Zapfen an dem Arm darstellen; die eigentliche Steuerung ist in den Abbildungen nicht dargestellt. Wenn sich nun der Zapfen des Schwingwellenarmes, go während er den Bogen oder die Nut in dem Steuerkörper durchwandert, nicht in seiner Längsrichtung bewegen soll., dann darf sich auch der Fräser während des Arbeitsganges in dieser Richtung nicht bewegen.

In den äußeren Grenzen der Seitenbewegungen würde die Achse des Fräsers C unterhalb der Achsenebene des Werkstückes B liegen, in den mit c und d bezeichneten Punkten. In der Mittellage würde die Achse des Fräsers oberhalb der Achsenebene des Werkstückes liegen, wie durch den Punkt / angedeutet ist.

Die Diagramme in Abb. 7 und 8 zeigen die verschiedenen Relativstellungen, wie sie von dem Fräser und dem Werkstück während des Arbeitsganges eingenommen werden. Die die Schwingwellenachse S schneidende Linie Y-S stellt die Mittelstellung des Armes dar, dessen Zapfen in die Nut des Steuerkörpers eingreift. Man ersieht aus den beiden Diagrammen die verschiedene Tiefe der Spiralnut. In den äußersten Stellungen, in den Punkten c und d, und in der Mittlstellung, im Punkte /, dringt der Fräser nicht so tief in das Werkstück ein wie in den durch die Punkte k und i gekennzeichneten Stellungen. Wenn der Fräser C sich in der Längsrichtung des Werkstückes bewegt, durchwandert er eine Ebene m-m, die rechtwinklig zu der Mittellinie der Schwingwelle und der Achse des Fräsers und parallel mit einer die Achse des Werkstückes

enthaltenden Ebene h-h ist. In den Außenpunkten der Bewegung des Fräsers längs des Werkstücks, in den Punkten c und d, ist der Boden der Nut am weitesten von der Mittel-S linie des Zylinders entfernt (Punkt i, Abb. 8). In den Punkten k und i, wo der Fräser die Achsenebene e-e des Werkstückes kreuzt, ist der Boden der Nut der Achse des Zylinders am nächsten (Punkt n). Im Punkte /, in der ίο Mittelstellung, ist der Boden der Nut wieder etwas weiter von der Zylinderachse entfernt (Punkt ;) als in den Punkten k und i. Mit anderen Worten: Die Nut ist gleich tief in den Zwischenpunkten k und i, etwas weniger tief in dem Mittelpunkt f und am wenigsten tief in den Außenpunkten c und d.

Da der Fräser C dem Zapfen des Schwingwellenarmes entspricht, wird der Zapfen natürlich auch genau der von dem Fräser geschnittenen Nut folgen, und der Zapfen wird daher auch am tiefsten in den Punkten k und i in die Nut eingreifen, wo bekanntlich die Beanspruchung gewöhnlich am größten ist.

Der Arbeitsvorgang in der Maschine ist folgender:

Der Fräser C wird zunächst durch Verschieben der Welle 4^b aus der Bahn des Werkstückes B zurückgezogen, bevor dieses eingespannt wird. Ebenso wird der Schlitten 8 zurückgezogen, etwa nach rechts nach Abb. x, so daß der Fräser in einer Linie mit dem Punkt c und unterhalb der Werkstückachse liegt.

Nachdem dann das Werkstück richtig eingespannt ist, wird der Fräser.in Umdrehung versetzt, das Werkstück aber noch in Ruhe gehalten, während der Arbeiter den Fräser C gegen das Werkstück vorrückt durch Drehen der Welle 4^b, bis der Fräser bis auf die richtige Tiefe in das Werkstück eingedrungen ist; diese Stellung ist in der Abb. 1 zugrunde gelegt.

Um das Eintreten des Fräsers in das Werkstück zu erleichtern, kann das Werkstück entsprechend angebohrt werden, bevor es eingespannt wird. Während des Anfangsstadiums des Eintretens des Fräsers- in das Werkstück, wird das Werkstück und der Schlitten 8 in Ruhe gehalten.

Wenn der Fräser richtig in das Werkstück eingedrungen ist, wird er auf die volle Umdrehungszahl gebracht. Dann setzt der Arbeiter den Antrieb für die Führungsspindel 8^S und für das Futter 2^a in Gang. Die Spindel 8^S und das Werkstück werden sehr langsam mit bestimmten Relativgeschwindigkeiten gedreht, und gemäß der vereinten Wirkung der beiden Bewegungen schneidet der Fräser C eine Schraubennut in die Oberfläche des zylindrischen Werkstückes B, während er sich vom Punkt c nach dem Punkt d (Abb. 4 und 7) bewegt, und die Steigung der Nut ändert sich stetig vom Mittelpunkt / an nach jedem Ende c und d hin infolge der Wirkung der Kurve 10 auf die Zahnstange 7.

Wenn die Zahnstange 7, absolut betrachtet, gleichförmig mit dem Schlitten 8 bewegt würde, dann würde auch der Fräser C mit gleichförmiger Geschwindigkeit vom Punkt c nach Punkt d wandern. Wenn indessen der Schlitten 8 sich nach innen zu bewegt, beginnt die Rolle J^s auf dem Teil io^c der Kurve 10 zu gleiten und läßt den Arm 7^f sich allmählich schwach heben; hierdurch wird eine sich ändernde Verzögerung in der Bewegung der Zahnstange 7 im Vergleich zu der Bewegung des Schlittens 8 hervorgerufen und die Bewegung der Zahnstange langsamer als die des 'Schlittens, bis die Rolle y^g an den Wendepunkt der Kurve gelangt. Der Fräser bewegt sich während dieser Zeit vom Punkt c bis zum Punkt /, Dann beginnt die Rolle 7« sogleich über den Teil io^d der Kurve zu rollen, und hierdurch wird die Bewegung der Zahnstange wieder allmählich beschleunigt. Dabei bewegt sich der Fräser vom Punkt / bis zum Punkt d, bis die Rolle 7^g über den Kurventeil io^d abgerollt ist.

Die Bewegung der Zahnstange 7 nimmt 90 · also allmählich ab, wenn sich der Fräser von c nach / bewegt, und zu, wenn er sich von / nach d bewegt.

Währenddessen ist das Werkstück B um bestimmte Umdrehungsgrade gedreht worden, und zwar hängt der Grad der Drehung während des Arbeitsganges von der Größe der Steuerung ab, etwa folgendermaßen: für die kleinste Größe wird das Werkstück um 540 ° gedreht, für die nächst größere um 630⁰, usw. um 720⁰, 8io° und schließlich 900⁰.

Bei dem dargestellten Beispiel ist angenommen, daß das Werkstück B mit gleichmäßiger Geschwindigkeit während des Arbeitsganges gedreht wird, so daß die Schraubennut in der Mitte (wo der Fräser im Punkte / steht) eine Steigung von praktisch 90⁰, bezogen auf die Achse des Steuerzylinders, hat, und daß die Steigung von hier ab nach den beiden Enden zu stetig zunimmt und am größten in den Punkten c und d ist.

Dasselbe Ergebnis könnte auch erzielt werden, wenn das Werkstück mit veränderlicher und der Fräser mit gleichförmiger Geschwindigkeit auf seinem Bogen bewegt würden, aber dann müßte die Vorschubgeschwindigkeit im Spindelstock zunehmen. Wenn aber der Vorschub bereits zu Beginn das Maximum, das der Fräser aufnehmen könnte, erreichte, dann würde er in der Mitte zu groß lso sein, um glatt fräsen zu können, und der Fräser könnte beschädigt werden.

Andererseits aber, wenn der Vorschub zu Anfang langsam wäre und nach der Mitte zu bis auf das Maximum anwüchse, dann würde die Fräszeit wahrscheinlich zu lang.

Es lassen sich natürlich auch andere Mittel anwenden, das Verfahren der Erfindung auszuführen. Es kommt nur darauf an, die notwendigen Relativbewegungen, nämlich die Bogenbewegung des Fräsers zu dem Werkstück und die Drehbewegung des Werkstückes relativ zu der des Fräsers in das gewünschte Verhältnis zu bringen.

Claims (3)

1. Patentansprüche:

   ι. Maschine zum Fräsen von schraubenförmigen Nuten mit sich ändernder Steigung und Tiefe in zylindrischen Steuerkörpern, insbesondere für Lenkvorrichtungen von Kraftfahrzeugen, dadurch gekennzeichnet, daß in einer Ebene parallel zur Werkstückachse ein Fräser schwingbar gelagert ist, dessen Achse senkrecht zur Werkstückachse liegt, und daß die aus der Drehbewegung des Werkstücks und der Schwingbewegung des Werkzeugs sich ergebende Relativbewegung des Werkzeugs in bezug auf das Werkstück eine ungleichförmige ist.
2. 2. Maschine nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß zum Schwenken des Werkzeugträgers (5) ein konzentrisch zur Schwingachse (4⁶) angeordnetes Zahnradsegment (5^e) dient, in das eine hin und her gehende, ungleichförmig bewegte Zahnstange (7) eingreift.
3. 3. Maschine nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Zahnstange (7) an einem Arm {j^e) eines Winkelhebels angelenkt ist, dessen Scheitel (7^ft) an einem hin und her bewegbaren Schlitten (8) angelenkt ist, während eine am Ende des anderen Armes (7') angebrachte Rolle über eine Kurvenfläche (10) gleitet, so daß die Zahnstange (7) bei ihrer mit der Bewegung des Schlittens (8) übereinstimmenden Längsbewegung duixh eine zusätzliche Schwenkbewegung des Winkelhebels eine ungleichförmige Bewegung erhält.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen