EP4419282A1 - Vorrichtung und verfahren zur herstellung einer stirnverzahnung - Google Patents

Vorrichtung und verfahren zur herstellung einer stirnverzahnung

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Publication number
EP4419282A1
EP4419282A1 EP22772414.3A EP22772414A EP4419282A1 EP 4419282 A1 EP4419282 A1 EP 4419282A1 EP 22772414 A EP22772414 A EP 22772414A EP 4419282 A1 EP4419282 A1 EP 4419282A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
tool
toothing
teeth
counter
workpiece
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
EP22772414.3A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Andreas Kaiser
Daniel Koenig
Frank Eichelmann
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Schaeffler Technologies AG and Co KG
Original Assignee
Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Schaeffler Technologies AG and Co KG filed Critical Schaeffler Technologies AG and Co KG
Publication of EP4419282A1 publication Critical patent/EP4419282A1/de
Pending legal-status Critical Current

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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23P—METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; COMBINED OPERATIONS; UNIVERSAL MACHINE TOOLS
    • B23P15/00—Making specific metal objects by operations not covered by a single other subclass or a group in this subclass
    • B23P15/14—Making specific metal objects by operations not covered by a single other subclass or a group in this subclass gear parts, e.g. gear wheels
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B21—MECHANICAL METAL-WORKING WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
    • B21K—MAKING FORGED OR PRESSED METAL PRODUCTS, e.g. HORSE-SHOES, RIVETS, BOLTS OR WHEELS
    • B21K1/00—Making machine elements
    • B21K1/28—Making machine elements wheels; discs
    • B21K1/30—Making machine elements wheels; discs with gear-teeth
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B21—MECHANICAL METAL-WORKING WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
    • B21J—FORGING; HAMMERING; PRESSING METAL; RIVETING; FORGE FURNACES
    • B21J9/00—Forging presses
    • B21J9/02—Special design or construction
    • B21J9/025—Special design or construction with rolling or wobbling dies
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23F—MAKING GEARS OR TOOTHED RACKS
    • B23F15/00—Methods or machines for making gear wheels of special kinds not covered by groups B23F7/00 - B23F13/00
    • B23F15/06—Making gear teeth on the front surface of wheels, e.g. for clutches or couplings with toothed faces
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • B23F5/00—Making straight gear teeth involving moving a tool relatively to a workpiece with a rolling-off or an enveloping motion with respect to the gear teeth to be made
    • B23F5/12—Making straight gear teeth involving moving a tool relatively to a workpiece with a rolling-off or an enveloping motion with respect to the gear teeth to be made by planing or slotting
    • B23F5/16—Making straight gear teeth involving moving a tool relatively to a workpiece with a rolling-off or an enveloping motion with respect to the gear teeth to be made by planing or slotting the tool having a shape similar to that of a spur wheel or part thereof
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B23F5/163—Making straight gear teeth involving moving a tool relatively to a workpiece with a rolling-off or an enveloping motion with respect to the gear teeth to be made by planing or slotting the tool having a shape similar to that of a spur wheel or part thereof the tool and workpiece being in crossed axis arrangement, e.g. skiving, i.e. "Waelzschaelen"
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16D—COUPLINGS FOR TRANSMITTING ROTATION; CLUTCHES; BRAKES
    • F16D1/00—Couplings for rigidly connecting two coaxial shafts or other movable machine elements
    • F16D1/06—Couplings for rigidly connecting two coaxial shafts or other movable machine elements for attachment of a member on a shaft or on a shaft-end
    • F16D1/076—Couplings for rigidly connecting two coaxial shafts or other movable machine elements for attachment of a member on a shaft or on a shaft-end by clamping together two faces perpendicular to the axis of rotation, e.g. with bolted flanges
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16D—COUPLINGS FOR TRANSMITTING ROTATION; CLUTCHES; BRAKES
    • F16D2250/00—Manufacturing; Assembly
    • F16D2250/0023—Shaping by pressure

Definitions

  • the invention relates to a device and a method for producing face gearing on a workpiece.
  • Face gears are used for axially acting couplings between two rotating components such as shafts or the like. Face gears are also referred to as Hirth gears. Such spur gears usually have a toothed rim running around an axis of rotation, which in the best case implements play-free engagement in a counter-toothing facing the spur gear. Face gears are usually produced by machining, for example by milling, or by forming, for example by wobble riveting. Generic spur gears are used, for example, on wheel bearings for the transmission of rotary movements between the drive shaft and the respective wheel that is actively connected to it.
  • a tool head which is provided for a rotating drive about a drive axis and which is arranged at an angle to the drive axis of a tool holder.
  • the longitudinal axis of the tool head and the drive axis of the tool holder intersect at a point of intersection, the so-called wobble point.
  • the inclination of the tool head is designed in such a way that a counter surface of the tool head acting on the workpiece to be machined lies on the drive axis at this point of intersection.
  • the oblique tool head When the tool holder is driven in rotation about its drive axis, the oblique tool head performs a wobbling motion about the wobble point, during which the longitudinal axis of the tool head is guided on a conical path. Any axis point of the tool head lying at a distance from the intersection point on the longitudinal axis describes a circular path around the workpiece axis, while the counter surface lying at the axis intersection point remains stationary and only performs a wobbling pivoting movement at the intersection point or at the wobble point.
  • the wobbling counter surface of the tool head comes into contact with the workpiece. piece.
  • the wobbling counter surface forms the end face of the workpiece.
  • the material of the workpiece begins to flow and is cold-formed.
  • the tool With wobbling riveting, the tool describes a wobbling movement on a circular path.
  • the counter surface of the tool head can, for example, be designed as a counter tooth system, with a face tooth system being formed on the end face of the workpiece as a result of the wobbling movement.
  • the counter surface touches the face of the workpiece along a line whose length corresponds to half the diameter of the counter surface.
  • the counter surface or the counter teeth of the tool are as exactly as possible at the intersection of the longitudinal axis of the tool head and the drive axis of the tool holder.
  • the wobble point usually lies in a tooth base plane of the counter-toothing.
  • the tooth base plane is understood to be a plane which is arranged radially to the longitudinal axis of the tool head and essentially divides the teeth of the counter-toothing, which is designed as a spur toothing, in the middle. If the wobble point is in the tooth base level, a toothing on the workpiece with an identical number of teeth is produced by means of the counter-toothing on the tool head.
  • the object of the present invention is to propose an improved device and an improved method for producing a face gear.
  • process forces are to be reduced during the manufacture of the face gearing.
  • the object is achieved by the subject matter of patent claim 1. Preferred embodiments can be found in the dependent claims, the description and the figures.
  • the longitudinal axis of the tool is arranged at an angle to the drive axis of the tool holder such that the center point of the end face of the tool forming the counter-toothing lies on the tooth base plane, the drive axis of the tool holder and at the wobble point.
  • the tool is arranged at an angle or inclined on the tool holder in such a way that the wobble point in relation to the longitudinal axis of the tool holder relates to an axis of gravity located either above or below the tooth base level.
  • the tool holder is set up to accommodate the tool for producing the face gearing.
  • a spur gear is to be understood in particular as a Hirth gear.
  • the tool holder has a receptacle which is designed in such a way that the tool can be exchanged.
  • the oblique position of the tool relative to the tool holder is designed in such a way that the counter-toothing of the tool acting on the workpiece to be machined lies at the wobble point on the drive axle.
  • the rotation of the tool holder performs the wobbling pivoting movement of the tool, during which the longitudinal axis of the workpiece moves in a conical path.
  • the counter toothing is selected depending on the wobble point in such a way that the toothing can be formed on the workpiece.
  • the material of the workpiece begins to flow as a result of the mating toothing rolling off the workpiece, so that the toothing on the workpiece is formed by plastic deformation.
  • the axial direction and the radial direction are either in relation to the counter-toothing on the end face of the tool or in relation to the drive axis of the understand the tool holder.
  • the drive axis is advantageously arranged in alignment with a longitudinal axis of the workpiece, in particular in alignment with a center point of the toothing formed on the workpiece.
  • a changed rolling diameter and a changed rolling circumference can be generated on the workpiece. For example, if the tool is rolled with 30 teeth on a smaller circumference of the workpiece with room for only 29 teeth, the tool will skip one tooth per revolution. In other words, with each rotation of the tool, the respective tooth of the counter-toothing is guided into the circumferentially adjacent tooth gap of the toothing on the workpiece. As a result, the tool rolls off one tooth less on the circumference, with the tool tooth moving one tooth further after one revolution of the die.
  • the wobble point is offset relative to the tooth base plane of the counter-toothing of the tool along the drive axis in the direction of the tool holder, so that when the counter-toothing wobbles and rolls off the workpiece, a toothing with a number of teeth on the workpiece is set that is smaller than the number of teeth of the counter-toothing of the tool .
  • the wobble point is preferably so far along the drive axis in the direction of the tool holder, i.e. further away from the workpiece, offset to the tooth base plane, that the workpiece has exactly one tooth and exactly one tooth gap less than the counter-toothing of the tool.
  • a rolling diameter and a rolling circumference of the tool on the workpiece are smaller than a rolling diameter or rolling circumference that can be generated by the counter-toothing when the wobble point lies in the tooth base plane.
  • the wobble point is offset in relation to the tooth base plane of the counter-toothing of the tool along the drive axis in a direction opposite to the tool holder, so that when the counter-toothing wobbles and rolls off the workpiece, a toothing with a number of teeth on the workpiece is set that is greater than the number of teeth of the counter-toothing of the tool .
  • the wobble point is preferably so far along the drive axis in the direction of the workpiece, i.e.
  • a rolling diameter and a rolling circumference of the tool on the workpiece are greater than a rolling diameter or rolling circumference that can be generated by the counter-toothing when the wobble point lies in the tooth base plane.
  • the invention includes the technical teaching that the counter-toothing has a plurality of teeth which are arranged adjacent to one another in the circumferential direction and which extend in the radial direction, with each pair of teeth arranged adjacent to one another being spaced apart from one another by a tooth gap. In this way, teeth and tooth gaps alternate on the front side over the circumference.
  • the geometric lines of the end teeth meet centrally at a common point on the axis of rotation and the teeth thus extend radially towards the longitudinal axis of the tool.
  • the teeth of the counter-toothing comprise a plurality of embossing teeth and a plurality of guide teeth.
  • a first number of all teeth of the counter-toothing is designed as stamping teeth and a second number of all teeth of the counter-toothing are designed as guide teeth. Consequently, the teeth of the counter-toothing partially fulfill different functions.
  • differently designed teeth on the counter-toothing of the tool are intended to reduce the axial stress on the tool and the load on the device for producing the spur toothing.
  • the embossing teeth are designed to shape the toothing on the workpiece.
  • the guide teeth are provided for this purpose, in particular at the beginning of wobbling riveting, to carry out a pre-shaping of the teeth on the workpiece, and to guide the tool during the wobbling pivoting movement along the already at least partially formed teeth or tooth flanks.
  • the guide teeth thus contribute to the dimensional accuracy of the workpiece.
  • the tool At the end of the production of the spur gearing on the workpiece, in particular at the end of the axial infeed path of the tool holder, the tool must be wobbled so often that the counter-toothing of the tool has completely formed every tooth or tooth gap on the workpiece. In other words, at the end of the manufacturing process, each tooth or each tooth gap of the toothing on the workpiece must have been stamped at least once by a stamping tooth.
  • embossing teeth are arranged adjacent to one another in the circumferential direction of the counter-toothing and spaced apart from one another by a respective tooth gap. Since the counter-toothing is the negative form of the toothing on the workpiece, two adjacent embossing teeth are required in order to form or emboss a tooth with tooth gaps bordering on both sides in the circumferential direction on the workpiece. Embossing is therefore to be understood as meaning local plastic deformation of the workpiece under pressure to form the respective tooth. The embossing causes a material flow of the workpiece material. It is conceivable that more than two embossing teeth are arranged adjacent to each other in the circumferential direction and spaced apart from one another by a tooth gap.
  • At least two embossing teeth and at least one guide tooth are preferably arranged alternately in the circumferential direction of the counter-toothing.
  • guide teeth and embossing teeth are arranged alternately over the circumference, with at least two embossing teeth always being arranged adjacent and spaced apart from one another by a tooth gap.
  • two embossing teeth can be arranged in the circumferential direction, one guide tooth adjoining them in the circumferential direction, preferably two or three guide teeth, two embossing teeth adjoining them in the circumferential direction, and so on Tooth gaps are spaced from each other.
  • the embossing teeth each have a tooth head that is higher in the axial direction of the tool than the guide teeth.
  • the guide teeth correspondingly have a tooth tip that is shorter in the axial direction of the tool.
  • the tooth base of the guide teeth and embossing teeth are identical in each case, with the guide teeth only being clipped at the tooth head. Due to the identical tooth root, the guidance of the counter toothing can be ensured during the wobbling movement.
  • tooth gaps between two guide teeth arranged adjacent to one another in the circumferential direction of the counter-toothing and/or between a guide tooth and a stamping tooth arranged adjacent thereto in the circumferential direction of the counter-toothing are formed deeper in the axial direction of the tool than tooth gaps between two stamping teeth.
  • the deepest point of a tooth gap between two guide teeth arranged adjacent to one another in the circumferential direction of the counter-toothing or between a guide tooth and a stamping tooth arranged adjacent thereto in the circumferential direction of the counter-toothing is backwards in comparison to a tooth gap between two stamping teeth in the axial direction of the tool offset so that the tooth gap acts as a recess that is not used for the final shaping of the respective tooth on the toothing of the workpiece.
  • Material can flow into the deeper tooth gap when the counter-toothing rolls off the workpiece, whereby this material, which protrudes in comparison to the final geometry of the toothing on the workpiece, is brought into the final shape when a tooth gap between two stamping teeth meets this preformed tooth.
  • the embossing teeth and the tooth gap formed between the two embossing teeth in each case ultimately carry out the final shaping of the respective tooth of the toothing on the workpiece.
  • the embossing forces can be concentrated on the embossing teeth, with the elimination of the embossing forces on the guide teeth resulting in less effort being required for the deformation overall.
  • a device for producing the spur gear comprises a tool holder with a tool arranged thereon, the tool having a counter-toothing on the front side for forming the spur gear on a workpiece, wherein the tool holder is set up to be driven in rotation about a drive axis and for longitudinal displacement, with a longitudinal axis of the tool being arranged at an angle to the drive axis of the tool holder, such that the longitudinal axis of the tool meets the drive axis of the tool holder at a wobble point, the wobble point offset in relation to a tooth base plane of the counter-toothing of the tool along the drive axis in front of or behind the tooth base plane, the tool holder being axially displaced in the direction of the workpiece and being driven in rotation about its drive axis, so that the tool rolls tumbling on a surface of the workpiece to be machined, such that that on the workpiece a toothing is formed with a number of
  • the spur gearing is used in particular for wheel bearing arrangements with driven wheel bearings, for example for coupling a wheel bearing to a drive shaft or a joint bell. Consequently, the spur gearing can preferably be used for the non-rotatable connection of a wheel bearing hub to a joint bell. Spur gears in wheel bearing assemblies are particularly exposed to high loads.
  • FIG. 1 is a highly schematic view of a device for producing a face gear on a workpiece according to a first embodiment
  • FIG. 2 shows a highly schematic view of the device for producing face gearing on a workpiece according to a second exemplary embodiment
  • FIG. 3 shows a schematic perspective view of a tool of the device according to the invention according to FIG. 1 and FIG. 2,
  • FIG. 4 shows a schematic end view of a counter-toothing of the tool according to FIG. 3,
  • FIG. 5 shows a schematic perspective longitudinal section of the tool according to FIGS. 3 and 4, and
  • FIG. 6 shows a highly schematic representation of a development of the counter-toothing of the tool according to FIGS. 3 to 5 to illustrate the toothing profile.
  • a device 1 for producing face gearing on a workpiece 5 is shown according to two different exemplary embodiments.
  • the device 1 comprises a tool holder 3 and a tool 2 arranged thereon.
  • the tool holder 3 is set up for rotary drive about a drive axis 6 and for longitudinal displacement along the drive axis 6 in a longitudinal displacement direction 15 .
  • a longitudinal axis 7 of the tool 2 is arranged at an angle 10 to the drive axis 6 of the tool holder 3 in such a way that the longitudinal axis 7 meets the drive axis 6 at a wobble point 8 .
  • the center point of the counter-toothing 4 designed as a spur toothing lies exactly on the longitudinal axis 7 of the tool 2.
  • the center point of the counter-toothing 4 therefore also lies on the drive axis 6 of the tool holder 3.
  • the wobble point 8 is offset in relation to a tooth base plane 9 of the counter-toothing 4 of the tool 2 along the drive axis 6 in front of the tooth base plane 9 .
  • the wobble point 8 is thus arranged below the tooth base plane 9 .
  • the wobble point 8 is offset in relation to the tooth base plane 9 of the counter-toothing 4 of the tool 2 along the drive axis 6 in a direction opposite to the tool holder 3 or in the direction of the workpiece 5 .
  • the tool holder 3 If the tool holder 3 is set in a rotational movement about the drive axis 6, the tool 2, which is arranged at an angle to the drive axis 6, wobbles. If the tool holder 3 is simultaneously displaced longitudinally or axially in the direction of the workpiece 5 together with the tool 2, the counter-toothing rolls 4 of the tool 2 staggering on an end face 18 of the workpiece 5 and thus produces a toothing with a number of teeth on the workpiece 5 by plastic deformation of the workpiece material - not shown in detail here. The number of teeth on the workpiece 5 depends on the position of the wobble point 8 in relation to the tooth base plane 9 and the inclination of the tool 2.
  • the wobble point 8 is at such a distance from the tooth base plane 9 on the drive axle 6 that in the wobble riveting process a number of teeth is set on the workpiece 5 that is greater than the number of teeth on the counter-toothing 4 of the tool 2, in this case by exactly a tooth.
  • the toothing on the workpiece 5 thus has exactly one tooth and one tooth gap more than the counter-toothing 4 of the tool 2.
  • the wobble point 8 is offset behind the tooth base plane 9 along the drive axis 6 in relation to a tooth base plane 9 of the counter-toothing 4 of the tool 2 .
  • the wobble point 8 is thus arranged above the tooth base plane 9 .
  • the wobble point 8 is based on the tooth base level 9 of the toothing 4 of the tool 2 along the drive axis 6 in the direction of the tool holder 3 or on a side of the tooth base plane 9 opposite the workpiece 5.
  • the wobble point 8 is at such a distance from the tooth base plane 9 on the drive axle 6 that the rolling of the tool 2 on the workpiece 5 generates a number of teeth that is smaller than the number of teeth on the counter-toothing 4, in this case by exactly a tooth.
  • the toothing on the workpiece 5 thus has exactly one tooth and one tooth gap less than the counter-toothing 4 of the tool 2.
  • a tooth of the counter-toothing 4 does not engage directly in the same tooth gap on the workpiece 5 to form the same with each revolution of the tool holder 3. Rather, the respective tooth of the counter-toothing 4 is guided into the preceding or following tooth gap depending on the arrangement of the wobble point 8 in front of or behind the tooth base plane 9 . Thus, at the end of the manufacturing process, the entire gearing on the workpiece 5 is formed with precise dimensions.
  • FIG. 3 and Figure 5 show the tool 2 extracted.
  • the tool 2 has a shank 16 which is designed to connect the tool 2 to the tool holder 3 .
  • At one end of the shank 16 there is a radially widened area 17, on the free end face of which the counter-toothing 4 is formed.
  • a bore 19 is provided coaxially to the longitudinal axis 7 of the tool 2 and is essentially set up to implement ventilation when the tool 2 is mounted on the tool holder 3 .
  • the counter-toothing 4 has a plurality of teeth 11a, 11b, 12 which are arranged adjacent to one another in the circumferential direction and which extend in the radial direction. Two adjacent teeth 11a, 11b, 12 are each spaced apart from one another by a tooth gap 13, 14. The teeth 11a, 11b, 12 are aligned in such a way that they meet the longitudinal axis 7 of the tool 2 in an imaginary extension and extend in the radial direction in relation to the longitudinal axis 7 .
  • the formation and function of the teeth 11a, 11b, 12 and the tooth gaps 13, 14 of the counter-toothing 4 is described in more detail below.
  • FIG. 6 shows a very schematic view of a development of the counter-toothing 4 .
  • the teeth 11a, 11b, 12 that are adjacent in the circumferential direction U can be seen here, with a respective tooth gap 13, 14 being arranged between each two teeth 11a, 11b, 12, which spaces the teeth 11a, 11b, 12 from one another.
  • the counter-toothing 4 is designed in such a way that the teeth 11a, 11b, 12 are designed differently in order to fulfill different functions.
  • the counter-toothing 4 comprises a plurality of embossing teeth 11a, 11b and a plurality of guide teeth 12.
  • the embossing teeth 11 each have a tooth crest that is higher in the axial direction of the tool 2 than the guide teeth 12, because the embossing teeth 11a, 11b lead to the plastic deformation for shaping the toothing on the workpiece 5, whereas the guide teeth 12 guide the tool 2 during the wobbling movement and, in particular at the beginning of the manufacturing process, pre-shape the teeth on the workpiece 5.
  • two embossing teeth 11a, 11b are arranged adjacent to one another and spaced apart from one another by a respective tooth gap 13.
  • two embossing teeth 11a, 11b arranged next to one another with the first tooth gap 13 arranged between them, one tooth is formed in the final contour on the workpiece 5 in each case.
  • two embossing teeth 11a, 11b and two guide teeth 12 are arranged alternately in the circumferential direction U.
  • the number of guide teeth 12 and embossing teeth 11a, 11b can be chosen arbitrarily, in any case at least two embossing teeth 11a, 11b must be adjacent to one another.
  • a second tooth gap 14 is formed between each two guide teeth 12 which are adjacent in the circumferential direction U and is formed deeper in the axial direction of the tool 2 than the tooth gaps 13 between each two embossing teeth 11a, 11b. In this way, the pre-shaping is realized during rolling, which requires lower axial forces in comparison to the direct final shaping by means of the embossing teeth 11a, 11b.
  • a second Tooth gap 14 for pre-shaping a tooth on workpiece 5 can be arranged, for example, in the circumferential direction of counter-toothing 4 between two guide teeth 12 arranged adjacent to one another and/or between a guide tooth 12 and an embossing tooth 11a, 11b arranged adjacent thereto in the circumferential direction of counter-toothing 4.
  • a tooth gap 13 is formed between a guide tooth 12 and a stamping tooth 11a, 11b arranged adjacent thereto in the circumferential direction of the counter-toothing 4, which gap has essentially the same shape as a tooth gap 13 between two stamping teeth 11a, 11b.
  • the tooth bases of all teeth 11a, 11b, 11c are of essentially identical design.
  • the guide teeth 12 are only cut at the tooth head, so that they are shorter in the axial direction of the tool 2.
  • the lower-lying tooth gaps 14 act as material recesses into which the material of the workpiece 5 can flow for preforming, this material then when it is on a tooth gap 13 between two embossing teeth 11 a, 11 b or between an embossing tooth 11 a, 11 b and a guide tooth 12 meets in a net shape or is brought into the final shape.
  • the final shape of the respective tooth on the workpiece 5 is produced when the material of the workpiece 5 is plastically deformed into the desired final shape by a pair of embossing teeth 11a, 11b with a corresponding tooth gap 13.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Gear Processing (AREA)
  • Forging (AREA)
  • Milling Processes (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung (1) zur Herstellung einer Stirnverzahnung, umfassend einen Werkzeughalter (3) mit einem daran angeordneten Werkzeug (2), wobei das Werkzeug (2) stirnseitig eine Gegenverzahnung (4) zur Ausbildung einer Stirnverzahnung an einem Werkstück (5) aufweist, wobei der Werkzeughalter (3) zum drehenden Antrieb um eine Antriebsachse (6) sowie zur Längsverlagerung eingerichtet ist, wobei eine Längsachse (7) des Werkzeugs (2) in einem Winkel (10) zur Antriebsachse (6) des Werkzeughalters (3) angeordnet ist, derart, dass die Längsachse (7) des Werkzeugs (2) die Antriebsachse (6) des Werkzeughalters (3) in einem Taumelpunkt (8) trifft, wobei der Taumelpunkt (8) bezogen auf eine Zahnbasisebene (9) der Gegenverzahnung (4) des Werkzeugs (2) entlang der Antriebsachse (6) vor oder hinter der Zahnbasisebene (9) derart versetzt liegt, dass sich durch Drehantrieb und Längsverlagerung des Werkzeughalters (3) mit damit einhergehendem taumelndem Abwälzen des Werkzeugs (2) am Werkstück (5) eine Verzahnung mit einer Zähnezahl am Werkstück (5) einstellt, die ungleich der Zähnezahl der Gegenverzahnung (4) des Werkzeugs (2) ist.

Description

Vorrichtung und Verfahren zur Herstellung einer Stirnverzahnunq
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Herstellung einer Stirnverzahnung an einem Werkstück.
Stirnverzahnungen werden für axial wirkende Kopplungen zwischen zwei rotierenden Bauteilen wie Wellen oder dergleichen eingesetzt. Stirnverzahnungen werden auch als Hirth-Verzahnungen bezeichnet. Derartige Stirnverzahnungen weisen üblicherweise einen um eine Rotationsachse verlaufenden Zahnkranz auf, die einen im Optimalfall spielfreien Eingriff in eine der Stirnverzahnung zugewandte Gegenverzahnung realisiert. Stirnverzahnungen werden in der Regel spanend, beispielsweise gefräst, oder durch Umformen, beispielsweise durch Taumelnieten, hergestellt. Gattungsgemäße Stirnverzahnungen kommen beispielsweise an Radlagern zur Übertragung von Drehbewegungen zwischen der Antriebswelle und dem jeweiligen damit wirkverbun- denen Rad zum Einsatz.
Zur Ausführung des Taumelnietverfahrens ist ein zu einem drehenden Antrieb um eine Antriebsachse vorgesehener Werkzeugkopf vorgesehen, der in einem Winkel zur Antriebsachse eines Werkzeughalters angeordnet ist. Die Längsachse des Werkzeugkopfes und die Antriebsachse des Werkzeughalters schneiden sich in einem Schnittpunkt, dem sogenannten Taumelpunkt. Die Schrägstellung des Werkzeugkopfes ist derart ausgeführt, dass eine auf das zu bearbeitende Werkstück wirkende Gegenlauffläche des Werkzeugkopfes in diesem Schnittpunkt auf der Antriebsachse liegt. Bei sich drehendem Antrieb des Werkzeughalters um seine Antriebsachse führt der schrägstehende Werkzeugkopf eine Taumelbewegung um den Taumelpunkt aus, bei der die Längsachse des Werkzeugkopfes auf einer kegelförmigen Bahn geführt wird. Ein beliebiger, mit Abstand zum Schnittpunkt auf der Längsachse liegender Achsenpunkt des Werkzeugkopfes beschreibt eine Kreisbahn um die Werkstückachse, während die im Achsenschnittpunkt liegende Gegenlauffläche ortsfest verbleibt und lediglich im Schnittpunkt bzw. im Taumelpunkt eine taumelnde Schwenkbewegung ausführt.
Durch eine axiale Zustellung des Werkzeughalters auf das zu bearbeitende Werkstück gerät die taumelnde Gegenlauffläche des Werkzeugkopfes in Kontakt mit dem Werk- stück. Durch eine weitere gleichmäßige oder pulsierende axiale Zustellung formt die taumelnde Gegenlauffläche die Stirnfläche des Werkstücks aus. Der Werkstoff des Werkstücks beginnt zu fließen und wird kaltverformt. Beim Taumelnieten beschreibt das Werkzeug eine taumelnde Bewegung auf einer kreisförmigen Bahn.
Die Gegenlauffläche des Werkzeugkopfes kann beispielsweise als Gegenverzahnung ausgeführt sein, wobei durch die Taumelbewegung eine Stirnverzahnung an der Stirnfläche des Werkstücks ausgeformt wird. Hierbei berührt die Gegenlauffläche die Stirnfläche des Werkstücks entlang einer Linie, deren Länge dem halben Durchmesser der Gegenlauffläche entspricht. Für ein sauberes Nietergebnis ist es erforderlich, dass die Gegenlauffläche bzw. die Gegenverzahnung des Werkzeugs möglichst exakt im Schnittpunkt der Längsachse des Werkzeugkopfes und der Antriebsachse des Werkzeughalters liegen. Im Fall einer Gegenverzahnung am Werkzeugkopf liegt der Taumelpunkt üblicherweise in einer Zahnbasisebene der Gegenverzahnung. Unter der Zahnbasisebene wird eine zur Längsachse des Werkzeugkopfes radial angeordnete Ebene verstanden, die die Zähne der als Stirnverzahnung ausgebildeten Gegenverzahnung im Wesentlichen mittig teilt. Liegt der Taumelpunkt in der Zahnbasisebene, wird mittels der Gegenverzahnung am Werkzeugkopf eine Verzahnung am Werkstück mit einer identischen Zähnezahl erzeugt.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine verbesserte Vorrichtung sowie ein verbessertes Verfahren zur Herstellung einer Stirnverzahnung vorzuschlagen. Insbesondere sollen Prozesskräfte bei der Herstellung der Stirnverzahnung reduziert werden. Die Aufgabe wird gelöst durch den Gegenstand des Patentanspruchs 1. Bevorzugte Ausführungsformen sind den abhängigen Ansprüchen, der Beschreibung und den Figuren zu entnehmen.
Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Herstellung einer Stirnverzahnung umfasst einen Werkzeughalter mit einem daran angeordneten Werkzeug, wobei das Werkzeug stirnseitig eine Gegenverzahnung zur Ausbildung einer Stirnverzahnung an einem Werkstück aufweist, wobei der Werkzeughalter zum drehenden Antrieb um eine Antriebsachse sowie zur Längsverlagerung eingerichtet ist, wobei eine Längsachse des Werkzeugs in einem Winkel zur Antriebsachse des Werkzeughalters angeordnet ist, derart, dass die Längsachse des Werkzeugs die Antriebsachse des Werkzeughalters in einem Taumelpunkt trifft, wobei der Taumelpunkt bezogen auf eine Zahnbasisebene der Gegenverzahnung des Werkzeugs entlang der Antriebsachse vor oder hinter der Zahnbasisebene derart versetzt liegt, dass sich durch Drehantrieb und Längsver- lagerung des Werkzeughalters mit damit einhergehendem taumelndem Abwälzen des Werkzeugs am Werkstück eine Verzahnung mit einer Zähnezahl am Werkstück einstellt, die ungleich der Zähnezahl der Gegenverzahnung des Werkzeugs ist.
Mit anderen Worten ist die Längsachse des Werkzeugs derart in einem Winkel zur Antriebsachse des Werkzeughalters angeordnet, dass der Mittelpunkt der die Gegenverzahnung bildenden Stirnfläche des Werkzeugs auf der Zahnbasisebene, der Antriebsachse des Werkzeughalters sowie im Taumelpunkt liegt. Am Beispiel einer im Wesentlichen vertikal ausgerichteten Antriebsachse, auf der der Werkzeughalter im Wesentlichen senkrecht beweglich ist, um die Stirnverzahnung herzustellen, ist das Werkzeug derart schräg bzw. geneigt am Werkzeughalter angeordnet, dass sich der Taumelpunkt bezogen auf die Längsachse des Werkzeughalters bezogen auf eine Schwerkraftachse entweder oberhalb oder unterhalb der Zahnbasisebene befindet.
Der Werkzeughalter ist dazu eingerichtet, das Werkzeug zur Herstellung der Stirnverzahnung aufzunehmen. Untern einer Stirnverzahnung ist insbesondere eine Hirth- Verzahnung zu verstehen. Der Werkzeughalter weist dazu eine Aufnahme auf, die derart ausgebildet ist, dass das Werkzeug ausgewechselt werden kann.
Die Schrägstellung des Werkzeugs relativ zum Werkzeughalter ist derart ausgeführt, dass die auf das zu bearbeitende Werkstück wirkende Gegenverzahnung des Werkzeugs in dem Taumelpunkt auf der Antriebsachse liegt. Die Rotation des Werkzeughalters führt die taumelnde Schwenkbewegung des Werkzeugs aus, bei der sich die Längsachse des Werkstücks auf einer kegelförmigen Bahn bewegt. Die Gegenverzahnung ist in Abhängigkeit des Taumelpunkts derart ausgewählt, dass die Verzahnung am Werkstück ausgebildet werden kann. Durch das Abwälzen der Gegenverzahnung am Werkstück beginnt das Material des Werkstücks zu fließen, sodass durch plastische Verformung die Verzahnung am Werkstück gebildet wird.
Die axiale Richtung sowie die radiale Richtung sind entweder in Bezug auf die stirnseitige Gegenverzahnung am Werkzeug oder in Bezug auf die Antriebsachse des Werkzeughalters zu verstehen. Im Bezug auf den Werkzeughalter bedeutet das, dass sich die axiale Richtung des Werkzeughalters entlang einer Mittel- oder Rotationsachse des Werkzeughalters erstreckt und sich die radiale Richtung entlang eines Radius des Werkzeughalters erstreckt. Die Antriebsachse ist vorteilhafterweise fluchtend zu einer Längsachse des Werkstücks, insbesondere fluchtend zu einem Mittelpunkt der am Werkstück gebildeten Verzahnung angeordnet. In Bezug auf das um einen Winkel zur Antriebsachse geneigte Werkzeug bedeutet das, dass sich die axiale Richtung entlang einer Mittel- oder Rotationsachse der stirnseitigen Gegenverzahnung erstreckt und sich die radiale Richtung entlang eines Radius der Gegenverzahnung erstreckt.
Durch den Versatz des Taumelpunkts relativ zur Zahnbasisebene lässt sich ein veränderter Abwälzdurchmesser sowie ein veränderter Abwälzumfang am Werkstück generieren. Wird das Werkzeug beispielsweise mit 30 Zähnen auf einem kleineren Umfang des Werkstücks mit Platz für lediglich 29 Zähne abgewälzt, so überspringt das Werkzeug pro Umdrehung einen Zahn. Anders gesagt wird der jeweilige Zahn der Gegenverzahnung mit jeder Umdrehung des Werkzeugs in die in Umfangsrichtung jeweils benachbarte Zahnlücke der Verzahnung am Werkstück geführt. Mithin wälzt das Werkzeug am Umfang einen Zahn weniger ab, wobei der Werkzeugzahn nach einer Döpperumdrehung einen Zahn weiter wandert.
Nach einem Ausführungsbeispiel liegt der Taumelpunkt bezogen auf die Zahnbasisebene der Gegenverzahnung des Werkzeugs entlang der Antriebsachse in Richtung des Werkzeughalters versetzt, sodass beim taumelndem Abwälzen der Gegenverzahnung am Werkstück eine Verzahnung mit einer Zähnezahl am Werkstück einstellt, die kleiner ist als die Zähnezahl der Gegenverzahnung des Werkzeugs. Der Taumelpunkt ist dabei vorzugsweise so weit entlang der Antriebsachse in Richtung des Werkzeughalters, also weiter entfernt vom Werkstück, versetzt zur Zahnbasisebene angeordnet, dass das Werkstück genau einen Zahn und genau eine Zahnlücke weniger aufweist als die Gegenverzahnung des Werkzeugs. Ein Abwälzdurchmesser sowie ein Abwälzumfang des Werkzeugs am Werkstück sind in diesem Fall kleiner als ein Abwälzdurchmesser bzw. Abwälzumfang, der durch die Gegenverzahnung erzeugbar ist, wenn der Taumelpunkt in der Zahnbasisebene liegt. Alternativ liegt der Taumelpunkt bezogen auf die Zahnbasisebene der Gegenverzahnung des Werkzeugs entlang der Antriebsachse in eine zum Werkzeughalter entgegengesetzte Richtung versetzt, sodass beim taumelnden Abwälzen der Gegenverzahnung am Werkstück eine Verzahnung mit einer Zähnezahl am Werkstück einstellt, die größer ist als die Zähnezahl der Gegenverzahnung des Werkzeugs. Der Taumelpunkt ist dabei vorzugsweise so weit entlang der Antriebsachse in Richtung des Werkstücks, also weiter entfernt vom Werkzeughalter, versetzt zur Zahnbasisebene angeordnet, dass das Werkstück genau einen Zahn und genau eine Zahnlücke mehr aufweist als die Gegenverzahnung des Werkzeugs. Ein Abwälzdurchmesser sowie ein Abwälzumfang des Werkzeugs am Werkstück sind in diesem Fall größer als ein Ab- wälzdurchmesser bzw. Abwälzumfang, der durch die Gegenverzahnung erzeugbar ist, wenn der Taumelpunkt in der Zahnbasisebene liegt.
Die Erfindung schließt die technische Lehre ein, dass die Gegenverzahnung mehrere Zähne aufweist, die in Umfangsrichtung benachbart zueinander angeordnet sind und die sich in radialer Richtung erstrecken, wobei je zwei zueinander benachbart angeordnete Zähne jeweils durch eine Zahnlücke zueinander beabstandet sind. So Wechseln sich stirnseitig über den Umfang Zähne und Zahnlücken ab. Die geometrischen Linien der Stirnverzahnung treffen zentral in einem gemeinsamen Punkt auf der Rotationsachse zusammen und die Zähne erstrecken sich somit in radiale Richtung auf die Längsachse des Werkzeugs zu.
Nach einem Ausführungsbeispiel umfassen die Zähne der Gegenverzahnung mehrere Prägezähne sowie mehrere Führungszähne umfassen. Somit ist eine erste Anzahl aller Zähne der Gegenverzahnung als Prägezähne ausgebildet und eine zweite Anzahl aller Zähne der Gegenverzahnung als Führungszähne ausgebildet. Mithin erfüllen die Zähne der Gegenverzahnung teilweise unterschiedliche Funktionen. Insbesondere soll durch unterschiedlich ausgebildete Zähne an der Gegenverzahnung des Werkzeugs erreicht werden, dass die axiale Beanspruchung des Werkzeugs und die Belastung der Vorrichtung zur Herstellung der Stirnverzahnung reduziert werden.
Die Prägezähne sind zur Formgebung der Verzahnung am Werkstück ausgebildet.
Sie bilden somit die Negativform für die beim Taumelnieten gebildete Verzahnung am Werkstück. Die Führungszähne sind demgegenüber dazu vorgesehen, insbesondere zu Beginn des Taumelnietens, eine Vorformgebung der Zähne am Werkstück auszuführen, sowie das Werkzeug bei der taumelnden Schwenkbewegung entlang der bereits wenigstens teilweise ausgeformten Zähne bzw. Zahnflanken zu führen. Die Führungszähne tragen somit zur Maßgenauigkeit des Werkstücks bei. Zum Ende der Herstellung der Stirnverzahnung am Werkstück, insbesondere zum Ende des axialen Zustellweges des Werkzeughalter, muss das Werkzeug so oft getaumelt sein, dass die Gegenverzahnung des Werkzeugs jeden Zahn bzw. jede Zahnlücke am Werkstück vollständig ausgeprägt hat. Mit anderen Worten muss zum Ende des Herstellungsprozesses jeder Zahn bzw. jede Zahnlücke der Verzahnung am Werkstück wenigstens einmal von einem Prägezahn geprägt worden sein.
In diesem Sinn sind jeweils zumindest zwei Prägezähne in Umfangsrichtung der Gegenverzahnung benachbart zueinander angeordnet und durch eine jeweilige Zahnlücke zueinander beabstandet. Da die Gegenverzahnung die Negativform der Verzahnung am Werkstück ist, sind zwei benachbarte Prägezähne erforderlich, um einen Zahn mit in Umfangsrichtung beidseits angrenzenden Zahnlücken am Werkstück auszuformen bzw. zu prägen. Unter Prägen ist also ein lokales plastisches Verformen des Werkstücks zur Ausbildung des jeweiligen Zahnes unter Druck zu verstehen. Das Prägen bewirkt einen Materialfluss des Werkstückmaterials. Denkbar ist, dass auch mehr als zwei Prägezähne in Umfangsrichtung benachbart und durch jeweils eine Zahnlücke beabstandet zueinander angeordnet sind.
Vorzugsweise sind in Umfangsrichtung der Gegenverzahnung abwechselnd jeweils zumindest zwei Prägezähne und mindestens ein Führungszahn angeordnet. Anders gesagt sind über den Umfang verteilt abwechselnd Führungszähne und Prägezähne angeordnet, wobei stets mindestens zwei Prägezähne benachbart und durch jeweils eine Zahnlücke beabstandet zueinander angeordnet sind. Beispielsweise können in Umfangsrichtung zwei Prägezähne, daran in Umfangsrichtung angrenzend ein Führungszahn, vorzugsweise zwei oder drei Führungszähne, daran in Umfangsrichtung angrenzend wiederum zwei Prägezähne, und so weiter, angeordnet sein, wobei die in Umfangsrichtung benachbarten Zähne, unabhängig ihrer Ausbildungsart bzw. Funktion durch eine Zahnlücke beabstandet zueinander angeordnet sind. Um die unterschiedlichen Funktionen der Prägezähne im Vergleich zu den Führungszähne realisieren, weisen die Prägezähne jeweils einen in axialer Richtung des Werkzeugs höheren Zahnkopf auf als die Führungszähne. Die Führungszähne weisen entsprechend einen in axialer Richtung des Werkzeugs kürzeren Zahnkopf auf. Der Zahnfuß der Führungszähne und Prägezähne sind jeweils identisch ausgebildet, wobei die Führungszähne lediglich am Zahnkopf gekappt sind. Durch den identischen Zahnfuß kann die Führung der Gegenverzahnung während der Taumelbewegung sichergestellt werden.
Alternativ oder ergänzend sind Zahnlücken zwischen je zwei in Umfangsrichtung der Gegenverzahnung benachbart zueinander angeordneten Führungszähnen und/oder zwischen einem Führungszahn und einem in Umfangsrichtung der Gegenverzahnung dazu benachbart angeordneten Prägezahn in axialer Richtung des Werkzeugs tiefer ausgebildet als Zahnlücken zwischen zwei Prägezahnen. Mit anderen Worten ist der tiefste Punkt einer Zahnlücke zwischen je zwei in Umfangsrichtung der Gegenverzahnung benachbart zueinander angeordneten Führungszähnen bzw. zwischen einem Führungszahn und einem in Umfangsrichtung der Gegenverzahnung dazu benachbart angeordneten Prägezahn im Vergleich zu einer Zahnlücke zwischen zwei Prägezähnen in axialer Richtung des Werkzeugs nach hinten versetzt, sodass die Zahnlücke als Aussparung wirkt, die nicht zur endgültigen Formgebung des jeweiligen Zahnes an der Verzahnung des Werkstücks dient. Dabei kann beim Abwälzen der Gegenverzahnung am Werkstück Material in die tiefere Zahnlücke fließen, wobei dieses im Vergleich zur finalen Geometrie der Verzahnung am Werkstück überstehende Material in die endgültige Form gebracht wird, wenn eine Zahnlücke zwischen zwei Prägezähnen auf diesen vorgeformten Zahn trifft. Die Prägezähne sowie die zwischen den jeweils zwei Prägezähnen ausgebildete Zahnlücke führen letztlich die finale Formgebung des jeweiligen Zahnes der Verzahnung am Werkstück aus. Dadurch lassen sich die Prägekräfte auf die Prägezähne konzentrieren, wobei der Wegfall der Prägekräfte an den Führungszähnen insgesamt einen geringeren Kraftaufwand für die Verformung ergibt.
In einem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung einer Stirnverzahnung, wobei eine Vorrichtung zur Herstellung der Stirnverzahnung einen Werkzeughalter mit einem daran angeordneten Werkzeug umfasst, wobei das Werkzeug stirnseitig eine Gegenverzahnung zur Ausbildung der Stirnverzahnung an einem Werkstück aufweist, wobei der Werkzeughalter zum drehenden Antrieb um eine Antriebsachse sowie zur Längs- verlagerung eingerichtet ist, wobei eine Längsachse des Werkzeugs in einem Winkel zur Antriebsachse des Werkzeughalters angeordnet ist, derart, dass die Längsachse des Werkzeugs die Antriebsachse des Werkzeughalters in einem Taumelpunkt trifft, wobei der Taumelpunkt bezogen auf eine Zahnbasisebene der Gegenverzahnung des Werkzeugs entlang der Antriebsachse vor oder hinter der Zahnbasisebene versetzt liegt, wobei der Werkzeughalter in Richtung des Werkstücks axial verlagert und um seine Antriebsachse drehangetrieben wird, sodass das Werkzeug auf einer zu bearbeitenden Fläche des Werkstücks taumelnd abwälzt, derart, dass am Werkstück eine Verzahnung mit einer Zähnezahl ausgebildet wird, die ungleich der Zähnezahl der Gegenverzahnung des Werkzeugs ist.
Die vorhergehenden Beschreibungsabschnitte mit Beispielen und Definitionen zu technischen Effekten, Vorteilen und Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Herstellung der Stirnverzahnung an einem Werkstück gelten sinngemäß ebenfalls für das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung der Stirnverzahnung.
Die Stirnverzahnung wird insbesondere für Radlageranordnungen mit angetriebenen Radlagern, beispielsweise für eine Kopplung eines Radlagers an eine Antriebswelle bzw. eine Gelenkglocke eingesetzt. Mithin ist die Stirnverzahnung vorzugsweise zur drehfesten Verbindung einer Radlagernabe mit einer Gelenkglocke verwendbar. Stirnverzahnungen in Radlageranordnungen sind insbesondere hohen Belastungen ausgesetzt.
Weitere die Erfindung verbessernde Maßnahmen werden nachstehend gemeinsam mit der Beschreibung von drei bevorzugten Ausführungsbeispielen der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt, wobei gleiche oder ähnliche Bauteile mit dem gleichen Bezugszeichen versehen sind. Dabei zeigt
Figur 1 eine stark schematische Ansicht einer Vorrichtung zur Herstellung einer Stirnverzahnung an einem Werkstück gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel, Figur 2 eine stark schematische Ansicht der Vorrichtung zur Herstellung einer Stirnverzahnung an einem Werkstück gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel,
Figur 3 eine schematische Perspektivdarstellung eines Werkzeugs der erfindungsgemäßen Vorrichtung gemäß Figur 1 und Figure 2,
Figur 4 eine schematische Stirnansicht einer Gegenverzahnung des Werkzeugs gemäß Figur 3,
Figur 5 eine schematische perspektivische Längsschnittdarstellung des Werkzeugs gemäß den Figuren 3 und 4, und
Figur 6 eine stark schematische Darstellung einer Abwicklung der Gegenverzahnung des Werkzeugs gemäß den Figuren 3 bis 5 zur Veranschaulichung des Verzahnungsprofils.
Gemäß den Figuren 1 und 2 ist jeweils eine Vorrichtung 1 zur Herstellung einer Stirnverzahnung an einem Werkstück 5 gemäß zwei unterschiedlichen Ausführungsbeispielen dargestellt. Die Vorrichtung 1 umfasst einen Werkzeughalter 3 und ein daran angeordnetes Werkzeug 2. Das Werkzeug 2 weist stirnseitig, also zum Werkstück 5 zugewandt, eine Gegenverzahnung 4 zur Ausbildung einer Stirnverzahnung am Werkstück 5 auf. Der Werkzeughalter 3 ist zum drehenden Antrieb um eine Antriebsachse 6 sowie zur Längsverlagerung entlang der Antriebsachse 6 in einer Längsverlagerungsrichtung 15 eingerichtet.
Eine Längsachse 7 des Werkzeugs 2 ist in einem Winkel 10 zur Antriebsachse 6 des Werkzeughalters 3 angeordnet, und zwar derart, dass die Längsachse 7 die Antriebsachse 6 in einem Taumelpunkt 8 trifft. Der Mittelpunkt der als Stirnverzahnung ausgebildeten Gegenverzahnung 4 liegt hier exakt auf der Längsachse 7 des Werkzeugs 2. Somit liegt der Mittelpunkt der Gegenverzahnung 4 auch auf der Antriebsachse 6 des Werkzeughalters 3. Im ersten Ausführungsbeispiel nach Figur 1 ist der Taumelpunkt 8 bezogen auf eine Zahnbasisebene 9 der Gegenverzahnung 4 des Werkzeugs 2 entlang der Antriebsachse 6 vor der Zahnbasisebene 9 versetzt angeordnet. In der vorliegenden Darstellung ist der Taumelpunkt 8 somit unterhalb der Zahnbasisebene 9 angeordnet. Anders gesagt liegt der Taumelpunkt 8 bezogen auf die Zahnbasisebene 9 der Gegenverzahnung 4 des Werkzeugs 2 entlang der Antriebsachse 6 in eine zum Werkzeughalter 3 entgegengesetzte Richtung bzw. in Richtung des Werkstücks 5 versetzt.
Wird der Werkzeughalter 3 in eine Drehbewegung um die Antriebsachse 6 versetzt kommt es zu einer Taumelbewegung des schräg zur Antriebsachse 6 angeordneten Werkzeugs 2. Wird der Werkzeughalter 3 zusammen mit dem Werkzeug 2 gleichzeitig in Richtung des Werkstücks 5 längsverlagert bzw. axial zugestellt, wälzt die Gegenverzahnung 4 des Werkzeugs 2 an einer Stirnseite 18 des Werkstücks 5 taumelnd ab und erzeugt so eine - hier nicht näher gezeigte - Verzahnung mit einer Zähnezahl am Werkstück 5 durch plastische Verformung des Werkstückmaterials. Die Zähnezahl am Werkstück 5 ist abhängig von der Lage des Taumelpunkts 8 bezogen auf die Zahnbasisebene 9 sowie die Schrägstellung des Werkzeugs 2.
In dem ersten Ausführungsbeispiel nach Figur 1 liegt der Taumelpunkt 8 derart beab- standet zur Zahnbasisebene 9 auf der Antriebsachse 6, dass im Taumelnietprozess eine Zähnezahl am Werkstück 5 eingestellt wird, die größer ist als die Zähnezahl der Gegenverzahnung 4 des Werkzeugs 2, vorliegend um genau einen Zahn. Damit weist die Verzahnung am Werkstück 5 genau einen Zahn und eine Zahnlücke mehr auf als die Gegenverzahnung 4 des Werkzeugs 2. Indem das Werkzeug 2 derart zur Antriebsachse 6 positioniert wird, dass der Taumelpunkt 8 in Richtung des Werkstücks 5 vor der Zahnbasisebene 9 liegt, wird am Werkstück 5 ein Abwälzdurchmesser und ein Abwälzumfang erzeugt, die größer sind als ein Außendurchmesser bzw. ein Umfang der Gegenverzahnung 4 am Werkzeug 2.
Im zweiten Ausführungsbeispiel nach Figur 2 ist der Taumelpunkt 8 bezogen auf eine Zahnbasisebene 9 der Gegenverzahnung 4 des Werkzeugs 2 entlang der Antriebsachse 6 hinter der Zahnbasisebene 9 versetzt angeordnet. In der vorliegenden Darstellung ist der Taumelpunkt 8 somit oberhalb der Zahnbasisebene 9 angeordnet. Anders gesagt liegt der Taumelpunkt 8 bezogen auf die Zahnbasisebene 9 der Ge- genverzahnung 4 des Werkzeugs 2 entlang der Antriebsachse 6 in Richtung des Werkzeughalters 3 bzw. auf einer dem Werkstück 5 gegenüberliegenden Seite der Zahnbasisebene 9.
In dem zweiten Ausführungsbeispiel nach Figur 2 liegt der Taumelpunkt 8 derart be- abstandet zur Zahnbasisebene 9 auf der Antriebsachse 6, dass durch Abwälzen des Werkzeugs 2 am Werkstück 5 eine Zähnezahl erzeugt wird, die kleiner ist als die Zähnezahl der Gegenverzahnung 4, vorliegend um genau einen Zahn. Damit weist die Verzahnung am Werkstück 5 genau einen Zahn und eine Zahnlücke weniger auf als die Gegenverzahnung 4 des Werkzeugs 2. Indem das Werkzeug 2 derart zur Antriebsachse 6 positioniert wird, dass der Taumelpunkt 8 in Richtung des Werkzeughalters 3 hinter der Zahnbasisebene 9 liegt, wird am Werkstück 5 ein Abwälzdurchmes- ser und ein Abwälzumfang erzeugt, die kleiner sind als der Außendurchmesser bzw. der Umfang der Gegenverzahnung 4 am Werkzeug 2.
Bei der Herstellung der Stirnverzahnung am Werkstück 5 greift ein Zahn der Gegenverzahnung 4 somit mit jeder Umdrehung des Werkzeughalters 3 nicht direkt in die gleiche Zahnlücke am Werkstück 5 zur Ausformung derselben ein. Vielmehr wird der jeweilige Zahn der Gegenverzahnung 4 je nach Anordnung des Taumelpunkts 8 vor bzw. hinter der Zahnbasisebene 9 in die vorherige oder die nachfolgende Zahnlücke geführt. So wird zum Ende des Herstellungsprozesses die gesamte Verzahnung am Werkstück 5 maßgenau ausgeformt.
Figur 3 und Figur 5 zeigen das Werkzeug 2 extrahiert. Das Werkzeug 2 weist einen Schaft 16 auf, der zur Anbindung des Werkzeugs 2 an den Werkzeughalter 3 ausgebildet ist. An einem Ende des Schaftes 16 ist ein radial aufgeweiteter Bereich 17 ausgebildet, an dessen freier Stirnseite die Gegenverzahnung 4 ausgebildet ist. Koaxial zur Längsachse 7 des Werkzeugs 2 ist eine Bohrung 19 vorgesehen, die im Wesentlichen dazu eingerichtet ist, eine Entlüftung bei der Montage des Werkzeugs 2 am Werkzeughalter 3 zu realisieren.
Die Gegenverzahnung 4 weist nach Figur 3 bis Figur 5 mehrere Zähne 11 a, 11 b, 12 auf, die in Umfangsrichtung benachbart zueinander angeordnet sind und die sich in radialer Richtung erstrecken. Je zwei zueinander benachbart angeordnete Zähne 11 a, 11 b, 12 sind jeweils durch eine Zahnlücke 13, 14 zueinander beabstandet. Die Zähne 11a, 11 b, 12 sind derart ausgerichtet, dass sie in einer gedachten Verlängerung die Längsachse 7 des Werkzeugs 2 treffen und sich bezogen auf die Längsachse 7 in radialer Richtung erstrecken. Die Ausbildung und Funktion der Zähne 11a, 11 b, 12 und der Zahnlücken 13, 14 der Gegenverzahnung 4 ist nachfolgend näher beschrieben.
Figur 6 zeigt stark schematisch eine Abwicklung der Gegenverzahnung 4 in der Ansicht. Zu sehen sind hier die in Umfangsrichtung U benachbarten Zähne 11a, 11 b, 12, wobei zwischen jeweils zwei Zähnen 11a, 11b, 12 eine jeweilige Zahnlücke 13, 14 angeordnet ist, die die Zähne 11a, 11 b, 12 voneinander beabstandet.
Vorliegend ist die Gegenverzahnung 4 derart ausgebildet, dass die Zähne 11a, 11 b, 12 unterschiedlich ausgebildet sind, um unterschiedliche Funktionen zu erfüllen. So umfasst die Gegenverzahnung 4 mehrere Prägezähne 11a, 11b und mehrere Führungszähne 12. Die Prägezähne 11 weisen jeweils einen in axialer Richtung des Werkzeugs 2 höheren Zahnkopf auf als die Führungszähne 12, denn die Prägezähne 11a, 11 b führen die plastische Verformung zur Formgebung der Verzahnung am Werkstück 5 aus, wohingegen durch die Führungszähne 12 eine Führung des Werkzeugs 2 während der Taumelbewegung sowie, insbesondere zu Beginn des Herstellungsprozesses, eine Vorformgebung der Verzahnung am Werkstück 5 erfolgt.
In Umfangsrichtung U der Gegenverzahnung 4 sind jeweils zwei Prägezähne 11a, 11b benachbart zueinander angeordnet und durch eine jeweilige Zahnlücke 13 zueinander beabstandet. Durch zwei nebeneinander angeordnete Prägezähne 11a, 11 b mit der dazwischen angeordneten ersten Zahnlücke 13 wird je ein Zahn in Endkontur am Werkstück 5 ausgeformt. Vorliegend sind in Umfangsrichtung U abwechselnd jeweils zwei Prägezähne 11a, 11 b und zwei Führungszähne 12 angeordnet. Die Anzahl der Führungszähne 12 und Prägezähne 11a, 11 b kann beliebig gewählt werden, jedenfalls müssen mindestens zwei Prägezähne 11a, 11 b benachbart zueinander sein. Zwischen je zwei in Umfangsrichtung U benachbarten Führungszähnen 12 ist eine zweite Zahnlücke 14 ausgeformt, die in axialer Richtung des Werkzeugs 2 tiefer ausgebildet ist als die Zahnlücken 13 zwischen je zwei Prägezahnen 11a, 11 b. Damit wird beim Abwälzen die Vorformgebung realisiert, die im Vergleich zur direkten Endformgebung mittels der Prägezähne 11a, 11 b geringere axiale Kräfte erfordert. Eine zweite Zahnlücke 14 zur Vorformgebung eines Zahnes am Werkstück 5 kann beispielsweise in Umfangsrichtung der Gegenverzahnung 4 zwischen zwei benachbart zueinander angeordneten Führungszähnen 12 und/oder zwischen einem Führungszahn 12 und einem in Umfangsrichtung der Gegenverzahnung 4 dazu benachbart angeordneten Prägezahn 11 a, 11 b angeordnet sein. Vorliegend ist zwischen einem Führungszahn 12 und einem in Umfangsrichtung der Gegenverzahnung 4 dazu benachbart angeordneten Prägezahn 11a, 11 b eine Zahnlücke 13 ausgebildet, die im Wesentlichen die gleiche Form wie eine Zahnlücke 13 zwischen zwei Prägezähnen 11 a, 11 b aufweist.
Somit werden durch die unterschiedliche Ausgestaltung der Zähne 11 a, 11 b, 12 der Gegenverzahnung 4 axiale Prozesskräfte reduziert, wodurch die Lebensdauer der Vorrichtung 1 , insbesondere des Werkzeugs 2, verbessert wird. Wichtig ist lediglich, dass zum Ende der Herstellung der Stirnverzahnung, insbesondere zum Ende des axialen Zustellweges des Werkzeughalters 3, das Werkzeug 2 so oft getaumelt ist, dass die Gegenverzahnung 4 des Werkzeugs 2 jeden Zahn bzw. jede Zahnlücke am Werkstück 5 vollständig ausgeprägt hat. Mit anderen Worten muss jeder Zahn am Werkstück 5 zumindest einmal durch ein Prägezahnpaar 11 a, 11 b und einer dazwischen angeordneten Zahnlücke 13 durch taumelndes Abwälzen umgeformt worden sein.
Des Weiteren sei hier angemerkt, dass die Zahnfüße aller Zähne 11a, 11 b, 11 c im Wesentlichen identisch ausgebildet sind. Die Führungszähne 12 sind im Vergleich zu den Prägezähnen 11 a, 11 b lediglich am Zahnkopf gekappt, sodass sie in axialer Richtung des Werkzeugs 2 kürzer ausgebildet sind. Die tiefer liegenden Zahnlücken 14 fungieren als Materialausnehmungen, in die das Material des Werkstücks 5 zur Vorformgebung fließen kann, wobei dieses Material dann, wenn es auf eine Zahnlücke 13 zwischen zwei Prägezähnen 11 a, 11 b oder zwischen einem Prägezahn 11 a, 11 b und einem Führungszahn 12 trifft in eine endformnahe oder in die endgültige Form gebracht wird. Die Endform des jeweiligen Zahnes am Werkstück 5 wird vorliegend dann erzeugt, wenn das Material des Werkstücks 5 durch ein Prägezahnpaar 11 a, 11 b mit einer entsprechenden Zahnlücke 13 plastisch in die gewünschte Endform verformt wird. Bezuqszeichenliste
1 Vorrichtung
2 Werkzeug
3 Werkzeughalter
4 Gegenverzahnung am Werkzeug
5 Werkstück
6 Antriebsachse
7 Längsachse des Werkzeugs
8 Taumelpunkt
9 Zahnbasisebene
10 Winkel
11a, 11 b Prägezahn
12 Führungszahn
13 Zahnlücke
14 Zahnlücke
15 Längsverlagerungsrichtung des Werkzeughalters
16 Schaft
17 Radial aufgeweiteter Bereich des Werkzeugs
18 Stirnseite des Werkstücks
19 Bohrung u Umfangsnchtung

Claims

Patentansprüche
1 . Vorrichtung (1 ) zur Herstellung einer Stirnverzahnung, umfassend einen Werkzeughalter (3) mit einem daran angeordneten Werkzeug (2), wobei das Werkzeug (2) stirnseitig eine Gegenverzahnung (4) zur Ausbildung einer Stirnverzahnung an einem Werkstück (5) aufweist, wobei der Werkzeughalter (3) zum drehenden Antrieb um eine Antriebsachse (6) sowie zur Längsverlagerung eingerichtet ist, wobei eine Längsachse (7) des Werkzeugs (2) in einem Winkel (10) zur Antriebsachse (6) des Werkzeughalters (3) angeordnet ist, derart, dass die Längsachse (7) des Werkzeugs (2) die Antriebsachse (6) des Werkzeughalters (3) in einem Taumelpunkt (8) trifft, dadurch gekennzeichnet, dass der Taumelpunkt (8) bezogen auf eine Zahnbasisebene (9) der Gegenverzahnung (4) des Werkzeugs (2) entlang der Antriebsachse (6) vor oder hinter der Zahnbasisebene (9) derart versetzt liegt, dass sich durch Drehantrieb und Längsverlagerung des Werkzeughalters (3) mit damit einhergehendem taumelndem Abwälzen des Werkzeugs (2) am Werkstück (5) eine Verzahnung mit einer Zähnezahl am Werkstück (5) einstellt, die ungleich der Zähnezahl der Gegenverzahnung (4) des Werkzeugs (2) ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Taumelpunkt (8) bezogen auf die Zahnbasisebene (9) der Gegenverzahnung (4) des Werkzeugs (2) entlang der Antriebsachse (6) in Richtung des Werkzeughalters (3) versetzt liegt, sodass beim taumelndem Abwälzen der Gegenverzahnung (4) am Werkstück (5) eine Verzahnung mit einer Zähnezahl am Werkstück (5) einstellt, die kleiner ist als die Zähnezahl der Gegenverzahnung (4) des Werkzeugs (2).
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Taumelpunkt (8) bezogen auf die Zahnbasisebene (9) der Gegenverzahnung (4) des Werkzeugs (2) entlang der Antriebsachse (6) in eine zum Werkzeughalter (3) entgegengesetzte Richtung versetzt liegt, sodass beim taumelndem Abwälzen der Gegenverzahnung (4) am Werkstück (5) eine Ver- zahnung mit einer Zähnezahl am Werkstück (5) einstellt, die größer ist als die Zähnezahl der Gegenverzahnung (4) des Werkzeugs (2).
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Gegenverzahnung (4) mehrere Zähne (11 a, 11 b, 12) aufweist, die in Umfangsrichtung benachbart zueinander angeordnet sind und die sich in radialer Richtung erstrecken, wobei je zwei zueinander benachbart angeordnete Zähne (11 a, 11 b, 12) jeweils durch eine Zahnlücke (13, 14) zueinander beab- standet sind.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Zähne der Gegenverzahnung (4) mehrere Prägezähne (11 a, 11 b) sowie mehrere Führungszähne (12) umfassen.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils zumindest zwei Prägezähne (11 a, 11 b) in Umfangsrichtung der Gegenverzahnung (4) benachbart zueinander angeordnet und durch eine jeweilige Zahnlücke (13) zueinander beabstandet sind.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass in Umfangsrichtung der Gegenverzahnung (4) abwechselnd jeweils zumindest zwei Prägezähne (11 a, 11 b) und mindestens ein Führungszahn (12) angeordnet sind.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Prägezähne (11 a, 11 b) jeweils einen in axialer Richtung des Werkzeugs (2) höheren Zahnkopf aufweisen als die Führungszähne (12).
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass Zahnlücken (14) zwischen je zwei in Umfangsrichtung der Gegenverzahnung (4) benachbart zueinander angeordneten Führungszäh- 17 nen (12) und/oder zwischen einem Führungszahn (12) und einem in Umfangsrichtung der Gegenverzahnung (4) dazu benachbart angeordneten Prägezahn (11 ) in axialer Richtung des Werkzeugs (2) tiefer ausgebildet sind als Zahnlücken (13) zwischen zwei Prägezahnen (11a, 11 b).
10. Verfahren zur Herstellung einer Stirnverzahnung (1 ), wobei eine Vorrichtung zur Herstellung der Stirnverzahnung (1 ) einen Werkzeughalter (3) mit einem daran angeordneten Werkzeug (2) umfasst, wobei das Werkzeug (2) stirnseitig eine Gegenverzahnung (4) zur Ausbildung der Stirnverzahnung an einem Werkstück (5) aufweist, wobei der Werkzeughalter (3) zum drehenden Antrieb um eine Antriebsachse (6) sowie zur Längsverlagerung eingerichtet ist, wobei eine Längsachse (7) des Werkzeugs (2) in einem Winkel (W) zur Antriebsachse (6) des Werkzeughalters (3) angeordnet ist, derart, dass die Längsachse (7) des Werkzeugs (2) die Antriebsachse (6) des Werkzeughalters (3) in einem Taumelpunkt (8) trifft, dadurch gekennzeichnet, dass der Taumelpunkt (8) bezogen auf eine Zahnbasisebene (9) der Gegenverzahnung (4) des Werkzeugs (2) entlang der Antriebsachse (6) vor oder hinter der Zahnbasisebene (9) versetzt liegt, wobei der Werkzeughalter (3) in Richtung des Werkstücks (2) axial verlagert und um seine Antriebsachse (6) drehangetrieben wird, sodass das Werkzeug (2) auf einer zu bearbeitenden Fläche des Werkstücks (5) taumelnd abwälzt, derart, dass am Werkstück (5) eine Verzahnung mit einer Zähnezahl ausgebildet wird, die ungleich der Zähnezahl der Gegenverzahnung (4) des Werkzeugs (2) ist.
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