"Verfahren zur Erzeugung eines Kreis-Keil-Profils"
Beschreibung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung eines Innen-Kreis-Keil- Profils in einer in einem Werkstuck vorgefertigten Bohrung und ein Verfahren zur Erzeugung eines Außen-Kreis-Keil-Profils am äußeren Umfang eines vorgefertigten Werkstuckes.
Kreis-Keil-Profile werden beispielsweise in Welle-Nabe-Verbindungen eingesetzt, wie sie aus der DE 42 09 1 53 bekannt sind . Bei einer derartigen Welle-Nabe-Verbindung sind auf der Umfangsflache der Welle eine oder mehrere keilförmige Erhebungen, deren Steigung im wesentlichen dem Verlauf einer logarithmischen Spirale folgt, angeordnet. Diese Anordnung von Keilflachen mit einer Steigung gemäß dem Verlauf einer logarithmischen Spirale wird als Kreis- Keil-Profil bezeichnet. Auf der Innenflache der Nabe sind entsprechend der Anzahl der keilförmigen Erhebungen auf der Welle keilförmige Ausnehmungen angeordnet. Die Steigung dieser keilförmigen Ausnehmungen entspricht der Steigung der Erhebungen auf der Welle, so daß die keilförmigen Ausnehmungen in der Nabe mit den keilförmigen Ei hebungen auf der Welle zusammenpassen. Die Steigungen der Keilflachen bzw. keilförmigen Ausnehmungen sind so flach ausgebildet, daß zwischen den Keilflachen der Welle und den keilförmigen Ausnehmungen der Nabe sichere Selbsthemmung erreicht werden kann. Eine derart flache Steigung der Keilflachen bzw. der keilförmigen Ausnehmungen und deren logarithmischer Verlauf erfordern eine äußerst präzise Fertigung
Bislang wurden derartige Kreιs-Keιl-Profιle ausschließlich durch Druckgießen, Drucken, Fließpressen, Kunststoffspritzen, Stanzen Ziehen Räumen oder durch Fräsen auf NC Maschinen hergestellt Insbesondere Klein- und Großserien wurden bislang durch spanende Bearbeitung, insbesondere durch Fräsen, auf NC
Maschinen hergestellt. Doch gerade die Fertigung auf NC Maschinen bringt hohe Werkzeug- und Maschinenkosten mit sich. Weiterhin haben diese Hersteilungsverfahren den Nachteil, daß in der Regel eine Vorbearbeitung der Teile auf anderen Maschinen erforderlich ist, wodurch die Fertigungszeit und die Fertigungskosten weiter erhöht werden.
Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Erzeugung eines Kreis-Keil- Profils zu schaffen, welches eine präzise Fertigung bei reduzierten Herstellungskosten ermöglicht.
Die Aufgabe wird durch ein Verfahren zur Erzeugung eines Innen-Kreis-
Keil-Profils mit den im Anspruch 1 angegebenen Merkmalen und durch ein
Verfahren zur Erzeugung eines Außen-Kreis-Keil-Profils mit den im Anspruch 2 angegebenen Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht, Außen- und Innen-Kreis-Keil- Profile mit großer Genauigkeit herzustellen. Dabei können sowohl Klein- als auch Großserien kostengünstig gefertigt werden. Die erfindungsgemäße Fertigung von Kreis-Keil-Profilen kann auf herkömmlichen Dreh- oder Fräsautomaten ausgeführt werden, so daß die Anschaffung teurer Bearbeitungszentren oder Spezialmaschi- nen überflüssig wird.
Sowohl bei der Fertigung eines Innen-Kreis-Keil-Profils als auch bei der Fertigung eines Außen-Kreis-Keil-Profils ist die Mittelachse des Stoßwerkzeuges gegenüber der Vorschubrichtung bzw. der Vorschubachse derart geneigt, daß beide Achsen sich in einem Punkt der von der Schneide des Stoßwerkzeuges aufgespannten Ebene schneiden. Dabei bildet die Mittelachse des Stoßwerkzeuges mit dieser von der Schneide des Stoßwerkzeuges aufgespannten Ebene einen rechten Winkel.
Der Neigungswinkel des Stoßwerkzeuges gegenüber der Vorschubrichtung beträgt vorzugsweise 1 ° . Bei dieser Winkeleinstellung ergeben sich besonders
günstige Schnittbedingungen, die zu einer großen Genauigkeit des Kreis-Keil- Profils führen und gleichzeitig lange Werkzeugstandzeiten ermöglichen, so daß eine besonders wirtschaftliche Fertigung des Kreis-Keil-Profils ermöglicht wird.
Vorzugsweise ist der maximale Radius der Bohrung für ein Innen-Kreis-
Keil-Profil 0,01 bis 0, 1 mm kleiner als der minimale Abstand des zu fertigenden Innen-Kreis-Keil-Profils von der Mittelachse der Bohrung und der maximale Radius des äußeren Umfangs des Werkstücks für ein Außen-Kreis-Keil-Profil 0,01 bis 0, 1 mm größer als der maximale Abstand des zu fertigenden Außen-Kreis- Keil-Profils von der Mittelachse des Werkstückes. Derart vorgefertigte Werkstücke verringern das beim Stoßen zu zerspanende Materialvolumen, wodurch kürzere Fertigungszeiten ermöglicht werden und gleichzeitig der Verschleiß des Stoßwerkzeuges minimiert wird. Gleichzeitig ist jedoch sichergestellt, daß das vorgefertigte Werkstück an jeder Stelle gegenüber dem fertigen Kreis-Keil-Profil ein Aufmaß aufweist, so daß an jeder Stelle von dem Stoßwerkzeug Material abgetragen werden muß. Dadurch ist sichergestellt, daß durch das Stoßverfahren die gewünschte Genauigkeit des Kreis-Keil-Profils erreicht wird.
Die Drehzahl der relativen Drehung zwischen dem Werkzeughalter und dem Werkstück beträgt bevorzugt 200 bis 2000 U/min. In diesem Drehzahlbereich können besonders günstige Schittbedingungen erzielt werden, so daß eine große Genauigkeit und gute Oberflächenqualität des Kreis-Keil-Profils erreicht werden kann. Weiterhin wird der Verschleiß des Stoßwerkzeuges minimiert und eine günstige Spanbildung eingestellt.
Bevorzugt beträgt der Vorschub mit dem das Werkstück und der Werkzeugträger mit dem Stoßwerkzeug aufeinander zubewegt werden 0,01 bis 0, 1 mm pro Umdrehung. Bei diesem Vorschub erhält man optimierte Schnittbedingungen, die einerseits ein möglichst hohes Zeitspanvolumen und andererseits eine große Genauigkeit des Kreis-Keil-Profils bei geringem Werkzeugverschleiß ermöglichen.
Das Werkstück und der Werkzeughalter führen vorteilhafterweise bereits
beim Andrücken des Stoßwerkzeuges eine Drehbewegung relativ zueinander aus. Hierdurch wird die Belastung der Schneide zu Beginn des Schnittvorgangs minimiert und deren Beschädigung vermieden. Weiterhin wird ein Verklemmen des Werkstücks mit dem Stoßwerkzeug unterbunden, wodurch nicht nur eine Beschädigung des Werkzeugs, sondern auch des Werkzeughalters vermieden wird.
Vorteilhafterweise erfolgt die Drehung des Werkstückes gegenüber dem Werkzeughalter in Richtung zur Übergangskante rmιn zu rmax gegen die Schulter des Kreis-Keil-Profils. Durch diese Drehrichtung wird ein Drall des Kreis-Keil-
Profils in Richtung der Längsachse vermieden.
Bevorzugt führt das Werkstück oder der Werkzeughalter eine Drehbewegung aus. Es ist somit möglich, je nach der Art der vorhandenen Maschine, entweder das Stoßwerkzeug oder den Werkzeughalter anzutreiben. Auf diese
Weise kann das Verfahren auf herkömmlichen, vorhandenen Maschinen ausgeführt werden.
Es ist beispielsweise möglich, in einer vorhandenen Drehmaschine das Werkstück auf der Spindel einzuspannen und zu drehen, während der Werkzeughalter mit dem Stoßwerkzeug fest auf dem Werkzeugschlitten der Maschine befestigt wird. Während das Werkstück die erforderliche Drehbewegung ausführt, wird der feststehende Werkzeughalter in Richtung des sich drehenden Werkstückes vorgeschoben, wobei sich das Stoßwerkzeug in dem Werkzeughal- ter frei um seine Achse drehen kann. Somit dreht sich das Stoßwerkzeug mit derselben Drehzahl wie das angetriebene Werkstück.
Bei Verwendung einer herkömmlichen Fräsmaschine wird das Werkstück fest auf den Tisch der Fräsmaschine aufgespannt und der Werkzeughalter mit dem Stoßwerkzeug wird mittels geeigneter Befestigungsmittel, wie beispielsweise einem herkömmlichen Spannfutter, an der Frässpindel befestigt. Der Werkzeughalter führt nun die erforderliche Drehbewegung aus, wobei sich das Stoßwerkzeug in dem Werkzeughalter frei drehen kann. Die lineare Vorschubbe-
wegung zwischen Werkzeug und Werkstück kann auf einer Fräsmaschine, je nach Bauart, entweder durch Vorschub des Tisches oder durch Vorschub der Frässpindel erreicht werden.
Weiter bevorzugt führt der Werkzeughalter mit dem Stoßwerkzeug oder das Werkstück eine Vorschubbewegung aus. Dies ermöglicht wiederum eine Anpassung des Verfahrens an vorhandene Maschinen. Bei Verwendung einer Drehmaschine führt günstigerweise das auf dem Werkzeugschlitten befestigte Stoßwerkzeug die Vorschubbewegung aus. Wird eine Fräsmaschine verwendet, ist es von der Art der Maschine abhängig, ob die Vorschubbewegung vom
Werkzeughalter oder vom Werkstück ausgeführt wird. So kann der Vorschub in Spindelrichtung einerseits durch Verfahren des Tisches mit dem aufgespannten Werkstück oder andererseits durch Bewegung der Frässpindel mit dem eingespannten Werkzeughalter erfolgen.
Der dem Werkstück zugewandte Randbereich entlang der Schneide des Stoßwerkzeuges ist bevorzugt in einem Spanwinkel geneigt, wobei der Spanwinkel vorzugsweise positiv ist und bevorzugt zwischen 6 ° und 8 ° liegt. Ein solcher Spanwinkel erzeugt bessere Schnittbedingungen an der Schneide, wodurch bessere Oberflächenqualitäten und höhere Zeitspanvolumina erreicht werden können. Ein positiver Spanwinkei ermöglicht geringere Schnittkräfte, was zu einer geringeren Belastung des Stoßwerkzeuges und damit auch zu einem geringerem Verschleiß des Stoßwerkzeuges führt. Weiterhin verringern sich mit geringeren Schnittkräften auch die auf die Einspannung des Werkstückes und des Werkzeughalters bzw. auf die Maschine wirkenden Kräfte, wodurch geringere Verformung auftreten. Somit können höhere Fertigungsgenauigkeiten erzielt werden. Besonders günstig ist ein Spanwinkel in einem Bereich zwischen 6 ° und 8 °. In diesem Bereich können nicht nur besonders geringe Schnittkräfte erzielt werden, auch tritt eine günstige Spanbildung auf, was insbesondere bei der Fertigung von Innen-Kreis-Keil-Profilen von Bedeutung ist. Auch kann in diesem
Bereich des Spanwinkels eine gute Schneiden-Stabilität erzielt werden, woraus lange Werkzeugstandzeiten resultieren.
Nachfolgend wird das Verfahren unter Bezugnahme zu beiliegenden Zeichnungen näher beschrieben. In den Zeichnungen zeigen: Fig. 1 ein Stoßwerkzeug zur Herstellung eines Innen-Kreis-Keil-Profils;
Fig. 2 ein Stoßwerkzeug zur Herstellung eines Außen-Kreis-Keil-Profils; Fig. 3 einen Werkzeughalter mit eingespannten Stoßwerkzeug zur Erzeugung eines Innen-Kreis-Keil-Profils und Fig. 4 die Arbeitsweise eines Stoßwerkzeuges zur Herstellung eines
Innen-Kreis-Keil-Profils.
Fig. 1 zeigt ein Stoßwerkzeug 1 zur Fertigung eines Innen-Kreis-Keil-
Profils. Das Stoßwerkzeug 1 hat eine runde Grundform und weist entlang des Umfanges seines dem Werkstück zugewandten Randbereiches bzw. seiner Stirnseite 2 eine als Schneide 4 ausgebildete Kante auf. Entlang der Schneide 4 entspricht das Stoßwerkzeug 1 in seiner Umfangskontur der Kontur des fertigen- den Kreis-Keil-Profils. In diesem Fall ist das Stoßwerkzeug vorgesehen zur
Fertigung eines 2K-Profils, d .h. das Profil weist zwei Kreiskeile 6 auf. Diese Kreiskeile 6 weisen eine Steigung auf, die dem Verlauf einer logarithmischen Spirale entspricht. Der Bereich des Kreiskeilprofils mit dem größten Abstand rmax vom Mittelachse des Stoßwerkzeuges 1 wird als Schulter bezeichnet. An die Schulter des ersten Kreiskeils schließt sich der zweite Kreiskeil an, der an dieser
Stelle seinen minimalen Abstand rmιπ von der Mittelachse des Stoßwerkzeuges 1 hat. Das der Stirnfläche 2 mit der Schneide 4 gegenüberliegende Ende des Stoßwerkzeuges 1 ist ais Schaft 8 ausgebildet. Mit diesem Schaft 8 wird das Stoßwerkzeug 1 in einen Werkzeughalter eingespannt. Die an die Schneide 4 angrenzenden Freiflächen 10, die sich in Längsrichtung des Stoßwerkzeuges 1 erstrecken, sind in einem Freiwinkel a gegenüber der Längsachse des Stoßwerkzeuges 1 geneigt. Die Stirnfläche 2 des Stoßwerkzeuges 1 ist als Spanfläche 1 2 ausgebildet. In diesem Fall ist die Spanfläche 1 2 ausgehend von der Schneide 4 zur Mitte der Stirnfläche 2 hin in einem positiven Spanwinkel γ geneigt. Diese Neigung in einem positiven Spanwinkel bewirkt, daß die Spanfläche 1 2, die die
Oberseite der Schneide 4 bildet, zu der zu zerspanenden Werstückoberfläche in einem Winkel größer 90° steht. Aufgrund dieses Spanwinkels y und des Feiwinkels a weist die Schneide somit einen spitzen Keilwinkel ß auf. Der Spanwinkel
y kann auch negativ gewählt werden, dann bildet die Spanflache mit der zu zerspanenden Werkstuckoberflache einen Winkel kleiner 90°, was zu einem schnelleren Brechen der Spane fuhrt, jedoch größere Schnittkrafte bedingt. Weiterhin können auf der Spanflache auch Spanleitstufen ausgebildet sein, um die Spanbildung zu optimieren
Fig. 2 zeigt nun ein entsprechendes Stoßwerkzeug 1 01 zur Fertigung eines Außen Kreis-Keil-Profils. Das Stoßwerkzeug 101 ist ringförmig ausgebildet, d h. es weist in seinem Inneren parallel zu seiner Längs- bzw. Mittelachse eine Durchgangsbohrung 1 1 4 auf. Diese Durchgangsbohrung 1 1 4 bildet mit einer
Stirnflache 1 02 des Stoßwerkzeuges 1 01 eine Kante, die als Schneide 104 ausgebildet ist Die Umfangskontur der Durchgangsbohrung 1 14 und insbesondere der Schneide 1 04 entspricht der Außenkontur des zu fertigenden Außen- Kreis-Keil-Profils In diesem Fall handelt es sich ebenfalls um ein 2K-Profιl, d.h. das Kreis-Keil-Profil und damit auch das Stoßwerkzeug 101 zur Fertigung des
Kreis-Keil-Profils weisen zwei Kreis-Keile 1 06 auf. Das der Stirnflache 102 gegenüberliegende Ende des Stoßwerkzeuges 1 01 ist als Flansch 1 1 6 ausgebildet, mit dem das Stoßwerkzeug 101 an einem Werkzeughalter befestigt werden kann. Die Umfangsflachen der Durchgangsbohrung 1 1 4 sind im Bezug auf die Schneide 1 04 als Freiflächen 1 1 0 ausgebildet und in einem Freiwinkel a derart geneigt, daß sich die Durchgangsbohrung 1 1 4 ausgehend von der Stirnfläche 102 zum Flansch 1 1 6 hin aufweitet. Die an die Schneide 1 04 angrenzenden Bereiche der Stirnflache 1 02 sind als Spanflachen ausgebildet. Diese Spanflachen sind ausgehend von der Schneide 1 04 in einem positivem Spanwinkel y geneigt, d h ihr äußerer Umfang ist gegenüber der ebenen Stirnflache 1 02 zurückversetzt
Fig. 3 zeigt ein Stoßwerkzeug 1 zur Herstellung eines Innen-Kreis-Keil- Profils, welches in einen Werkzeughalter 1 7 eingesetzt ist. Das Stoßwerkzeug 1 ist mit seinem Schaft 8 in den Werkzeughalter 1 7 eingesetzt, wahrend sich an seinem freien Ende die Schneide 4 befindet Die Mittelachse des Schaftes 8 und damit die Mittelachse 1 8 des gesamten Stoßwerkzeuges 1 ist gegenüber der Mittelachse 1 9 des Werkzeughalters 1 7 um 1 ° geneigt Weiterhin ist das Stoß-
Werkzeug 1 in dem Werkzeughalter 1 7 um die Mittelachse 1 8 des Stoßwerkzeuges 1 drehbar gelagert. Der Werkzeughalter 1 7 weist an seinem dem Stoßwerkzeug 1 entgegengesetzten Ende einen Schaft 20 auf, mit dem der Werkzeughalter 1 7 beispielsweise an der Spindel einer Fräsmaschine eingespannt werden kann . Wenn der Werkzeughalter 1 7 an einer Frässpindel eingespannt ist, dreht er sich um seine Mittelachse 1 9, während das Stoßwerkzeug 1 um seine Mittelachse 1 8 im Werkzeughalter 1 7 frei drehbar gelagert ist.
Ein Werkzeughalter zur Aufnahme des in Fig. 2 gezeigten Stoßwerkzeuges 1 01 zur Fertigung eines Außen-Kreis-Keil-Profils entspricht prinzipiell ebenfalls dem in Fig. 3 gezeigten Werkzeughalter 1 7. Ein solcher Werkzeughalter weist nur eine größere Aufnahme zur Aufnahme des Flansches 1 1 6 des Stoßwerkzeuges zur Fertigung eines Außen-Kreis-Keil-Profiles auf. Weiterhin ist ein solcher Werkzeughalter derartig beschaffen, daß das Werkstück in das Innere des Stoßwerkzeuges und somit auch des Werkzeugshalters eindringen kann.
Anhand von Fig. 4 ist nun die kinematische Bewegung eines Stoßwerkzeuges 1 beim Fertigen eines Innen-Kreis-Keil-Profils gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren gezeigt. In dem Werkstück 22 befindet sich bereits eine vorgebohrte Bohrung 24. In diese Bohrung 24 wird das Stoßwerkzeug 1 hineinbewegt. Die Mittelachse 1 9 des Werkzeughalters fluchtet mit der Mittelachse der Bohrung 24. Die Mittelachse 1 8 des Stoßwerkzeuges 1 ist gegenüber der Mittelachse 1 9 des Werkzeughalters derart geneigt, daß die beiden Achsen 1 8, 1 9 sich in einem Punkt der von der Schneide 4 des Stoßwerkzeuges 1 aufgespann- ten Ebene schneiden. Wird der Werkzeughalter um seine Mittelachse 1 9 relativ zu dem Werkstück 22 gedreht und in einer Bewegung relativ zu dem Werkstück 22 auf dieses zubewegt, kommt das Stoßwerkzeug 1 mit seiner Schneide 4 mit dem Werkstück 22 in Eingriff. Dadurch, daß das Stoßwerkzeug 1 in dem Werkzeughalter frei drehbar gelagert ist, dreht sich das Stoßwerkzeug 1 , wenn es sich mit dem Werkstück 22 im Eingriff befindet, nicht mit dem Werkzeughalter um dessen Mittelachse 1 9 mit, sondern führt lediglich eine Taumelbewegung aus. Dies bedeutet, daß mit der Drehbewegung des Werkzeughalters um seine Mittelachse 1 9 umlaufend immer nur ein kleiner Teil der Schneide 4 am Umfang
der Stirnfläche 2 des Stoßwerkzeuges 1 mit dem Werkstück 22 in Eingriff tritt, wobei jeder einzelne Punkt der Schneide 4 immer wieder an derselben Stelle des Querschnitts des Kreis-Keil-Profils mit dem Werkstück in Eingriff tritt. Aufgrund der gleichzeitigen Vorschubbewegung des Werkzeughalters mit dem Stoßwerk- zeug 1 in Richtung des Werkstückes 22 führt der Teil der Schneide 4, der gerade mit dem Werkstück 22 in Eingriff ist, jeweils eine Schnittbewegung in Vorschubrichtung aus, wobei Material an der Innenseite der Bohrung 24 spanend abgetragen wird. Aufgrund der Taumelbewegung des Stoßwerkzeuges 1 ist es erforderlich, daß dessen Umfangsflächen geneigt sind, d.h. in Bezug auf die Schneide 4 einen Freiwinkel a bilden. Diese Ausgestaltung führt dazu, daß das
Stoßwerkzeug 1 konisch ausgebildet ist, wobei sich die Schneide 4 am größeren Radius des Stoßwerkzeuges 1 befindet. Der Freiwinkel a muß zumindest dem Neigungswinkel der Mittelachse 1 8 des Stoßwerkzeuges 1 gegenüber der Mittelachse 1 9 des Werkzeughalters entsprechen, da ansonsten das Stoßwerk- zeug 1 mit seinen Seiten bzw. Umfangsflächen, Freiflächen 10 in Fig. 1 und 2, an das schon geschnittene Kreis-KeilProfil im Werkstück 22 anstoßen und dieses wieder zerstören würde. Soll ein Innen-Kreis-Keil-Profil, wie in Fig. 4 gezeigt, in ein Sackloch eingebracht werden, so ist es erforderlich, daß die vorgebohrte Bohrung 24 tiefer ist als das einzubringende Kreis-Keil-Profil, damit ausreichend Raum vorhanden ist, um die anfallenden Späne aufzunehmen.
Die Herstellung eines Außen-Kreis-Keil-Profils erfolgt im wesentlichen ebenfalls wie die zuvor beschriebene Herstellung eines Innen-Kreis-Keil-Profils. Bei der Erzeugung eines Außen-Kreis-Keil-Profils weist das Werkstück eine vorbearbeitete Außenfläche auf. Der Querschnitt des Werkstückes ist im wesentlichen kreisförmig und hat einen Radius, der mindestens dem maximalen Abstand des zu fertigenden Kreis-Keil-Profils von der Mittelachse des Werkstücks entspricht. Das vorgefertigte Werkstück kann beispielsweise ein Stangenmaterial mit entsprechenden kreisförmigen Querschnitt sein und/oder durch Drehen vorbearbeitet sein. Das Außen-Kreis-Keil-Profil wird nun dadurch erzeugt, daß ein
Stoßwerkzeug 101 , wie in Fig . 2 gezeigt, entlang der Außenkontur des Werkstückes in Richtung der Mittelachse des Werkstückes vorgeschoben wird. Hierbei ist es wichtig, daß, wie anhand von Fig . 2 beschrieben, das Stoßwerk-
zeug 101 an seiner Innenseite in einem Freiwinkel geneigte Freiflächen 1 10 aufweist, damit nicht aufgrund der Schrägstellung des Stoßwerkzeuges 1 01 gegenüber der Vorschubachse hinter der Schneide 104 liegende Umfangsflächen der Innenkontur des Stoßwerkzeuges 1 01 in das schon gefertigte Kreis-Keil-Profil eindringen oder an dieses anstoßen, was zu einer Zerstörung des schon gefertigten Profils führen würde.