WO2009112074A1

WO2009112074A1 - Vorrichtung und verfahren zur erzeugung verzahnungsartiger profilierungen in werkstücken

Info

Publication number: WO2009112074A1
Application number: PCT/EP2008/052982
Authority: WO
Inventors: Daniel Deriaz
Original assignee: Ernst Grob Ag
Priority date: 2008-03-13
Filing date: 2008-03-13
Publication date: 2009-09-17

Abstract

Die Vorrichtung zur Herstellung von Werkstucken (1) mit einer definierten Profilierung mit einem Schrägungswinkel ß mit | ß | ≥ 0°- weist auf: einen um seine Längsachse (z) rotierbaren und entlang der Längsachse (z) verschiebbaren Werkstückhalter zur Halterung eines Werkstückes (1), einen Antrieb für die Rotation des Werkstückhalters, der zur Erzeugung eines periodisch an- und absteigenden Verlaufes der Rotationsgeschwindigkeit ausgelegt ist, und mindestens zwei- zur periodischen Einwirkung auf das Werkstück (1) auf einer gemeinsamen Kreisbahn (13a) um eine als Walzkopfachse (W) bezeichnete Rotationsachse kontinuierlich umlaufend antreibbare Umformwerkzeuge (2a, 2a'), wobei die Walzkopfachse (W) derart ausrichtbar ist, dass die Längsachse (z), mit der durch die Kreisbahn (13a) der Umformwerkzeuge beschriebenen Ebene einen von dem Schrägungswinkel ß um einen Winkel α abweichenden Winkel einschliesst, wobei für den Winkel α gilt: 0° < α < 3.5°. Das entsprechende Verfahren zur Herstellung von Werkstücken mit einer definierten Profilierung ist ebenfalls offenbart und hat den Vorteil, dass hochpräzise Werkstücke mit grosser Fertigungsgeschwindigkeit erzeugt werden können.

Description

Vorrichtung und Verfahren zur Erzeugung verzahnungsartiger Profilierungen in Werkstücken

Technisches Gebiet

Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der kaltumformenden Herstellung profilierter Werkstücke. Sie bezieht sich auf eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Herstellung von Werkstücken mit einer definierten Profilierung gemäss dem Oberbegriff der unabhängigen Patentansprüche sowie auf eine Verwendung der Vorrichtung oder des Verfahrens.

Stand der Technik

Es ist bekannt, Schlagwalzmaschinen für die kaltumformende Herstellung von zylindrischen Werkstücken einzusetzen, die Profilierungen mit einer verzahnungsartigen Geometrie erhalten sollen. Einerseits ist es möglich, durch Schlagwalzen hochpräzise Profilierungen zu erzeugen. Andererseits ist eine rasche Erzeugung des gewünschten Profils erstrebenswert, wofür aber im allgemeinen Abstriche in der Präzision gemacht werden müssen. Es wäre wünschenswert, hochpräzise Profilierungen in sehr kurzen Fertigungszeiten erstellen zu können.

Darstellung der Erfindung

Eine Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung und ein Verfahren der eingangs genannten Art zu schaffen, durch welche die Erstellung hochpräziser Profilierungen in sehr kurzen Fertigungszeiten ermöglicht wird. Weiter sollen Verwendungen der Vorrichtung und des Verfahrens geschaffen werden.

Diese Aufgabe löst eine Vorrichtung und ein Verfahren mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche sowie eine Verwendung der Vorrichtung oder des Verfahrens.

Die Vorrichtung zur Herstellung von Werkstücken mit einer definierten Profilierung mit einem Schrägungswinkel ß mit |ß| ≥ 0° weist auf: einen um seine Längsachse rotierbaren und entlang der Längsachse verschiebbaren Werkstückhalter zur Halterung eines Werkstückes, einen Antrieb für die Rotation des Werkstückhalters, der zur Erzeugung eines periodisch an- und absteigenden Verlaufes der Rotationsgeschwindigkeit ausgelegt ist, und mindestens zwei zur periodischen Einwirkung auf das Werkstück auf einer gemeinsamen Kreisbahn um eine als Walzkopfachse bezeichnete Rotationsachse kontinuiertlich umlaufend antreibbare Umformwerkzeuge. Dabei ist die Walzkopfachse derart ausrichtbar, dass die Längsachse mit der durch die Kreisbahn der Umformwerkzeuge beschriebenen Ebene einen von dem Schrägungswinkel ß um einen Winkel α abweichenden Winkel einschliesst, wobei für den Winkel α gilt: 0° < α < 3.5°.

Durch das Vorsehen mehrerer auf einer gemeinsamen Kreisbahn rotierender Umformwerkzeuge kann bei gleicher Umlaufgeschwindigkeit die Schlagfrequenz deutlich erhöht werden. Wie nachstehend noch genauer ausgeführt wird, führt dies aber normalerweise zu Einbussen bei der Präzision der erzeugten Profilierung, welche aber durch das Vorsehen der periodisch schwankenden Rotationsgeschwindigkeit des Werkstückhalters in Verbindung mit dem Vorsehen des von 0° verschiedenenen Winkels α erstaunlicherweise nicht auftreten. Durch die periodisch schwankende Rotationsgeschwindigkeit ist es möglich, das Werkstück dauerhaft in Rotationsbewegung zu halten, so dass auch seitens der Werkstückrotation eine hohe Fertigungsgeschwindigkeit ermöglicht wird.

Für den Fall, dass als die Profilierung eine Geradverzahnung erzeugt wird, beträgt der

Schrägungswinkel ß = 0°, und die Walzkopfachse ist derart ausgerichtet, dass die Längsachse mit der durch die Kreisbahn der Umformwerkzeuge beschriebenen Ebene einen Winkel α mit 0° < α ≤ 3.5° einschliesst.

Je nach Drehsinn einer erzeugten Schrägverzahnung (mit ß ≠ 0°) kann ß positive oder negative Werte annehmen.

Bei dem entsprechenden Verfahren zur Herstellung von Werkstücken mit einer definierten Profilierung mit einem Schrägungswinkel ß mit |ß| > 0° wird ein Werkstück um seine Längsachse rotiert, entlang dieser Längsachse verschoben und durch mindestens zwei periodisch auf das Werkstück einwirkende auf einer gemeinsamen Kreisbahn um eine als Walzkopfachse bezeichnete Rotationsachse kontinuiertlich umlaufend angetriebene Umformwerkzeuge bearbeitet. Dabei weist die Rotationsgeschwindigkeit des Werkstückes einen periodisch an- und absteigenden Verlauf auf, und die Walzkopfachse wird derart ausgerichtet, dass die Längsachse mit der durch die Kreisbahn der Umformwerkzeuge beschriebenen Ebene einen von dem Schrägungswinkel ß um einen Winkel α abweichenden Winkel einschliesst, wobei für den Winkel α gilt: 0° < α ≤ 3.5°.

In einer Ausführungsform gilt für den Winkel α: 0.5° ≤ α. Wie weiter unten klar werden wird, sind mit Winkeln α unterhalb von etwa 0.5° nur massige

Fertigungsgeschwindigkeitssteigerungen möglich, so dass etwas grossere Winkel α vorteilhaft sind.

In einer Ausführungsform ist eine mit dem Antrieb wirkverbundene elektronische Steuerung zur Steuerung des zeitlichen Verlaufes der Rotationsgeschwindigkeit des Werkstückhalters vorgesehen. Der zeitliche Verlauf der Rotationsgeschwindigkeit des Werkstückes wird also elektronisch gesteuert bzw. durch eine elektronische Steuerung erzeugt. Dadurch kann dieser zeitliche Verlauf sehr flexibel und einfach entsprechend den Erfordernissen einer zu erzeugenden Profilierung angepasst und optimiert werden. In einer Ausführungsform findet das Einwirken der Umformwerkzeuge jeweils im Bereich der von null verschiedenen minimalen Rotationsgeschwindigkeit des Werkstückes statt. Der zeitliche Verlauf der Rotationsgeschwindigkeit des Werkstückhalters ist dafür entsprechend auf die Umlaufbewegung der Umformwerkzeuge abgestimmt. Dadurch kann eine hohe Präzision erreicht werden, ohne dass das Werkstück zum völligen Stillstand kommt. Dies ermöglicht eine hohe mittlere Rotationsgeschwindigkeit des Werkstückhalters.

In einer Ausführungsform ist eine Vorrichtung zur Einstellung des Winkels α vorgesehen. Damit kann die Vorrichtung jeweils optimal auf eine individuell zu erstellende Profilierung eingestellt werden.

In einer Ausführungsform wird der Winkel α in Abhängigkeit mindestens des zeitlichen Verlaufs der Rotationsgeschwindigkeit nahe der minimalen Rotationsgeschwindigkeit oder in Abhängigkeit mindestens der minimalen Rotationsgeschwindigkeit gewählt.

In einer Ausführungsform gilt für den Winkel α: 1° ≤ α. Es hat sich gezeigt, dass die durch Winkel α < 1° theoretisch erzielbare höhere Präzision in der Praxis entsprechend den Anforderungen an das jeweils zu fertigende Werkstück meist nicht erforderlich ist.

In einer Ausführungsform gilt für den Winkel α: 2° < α < 3°. Es hat sich in der Praxis gezeigt, dass mit α = 2.5°+0.5° sehr hohe Fertigungsgeschwindigkeiten erreicht werden können, ohne nennenswerte Ungenauigkeiten der erzeugten Profilierung hervorzurufen. Insbesondere ist es bei Winkeln α ≤ 3 oder besser noch α ≤ 2.5° möglich, ohne eine Vor-Korrektur der Umformwerkzeuge (Korrektur der Form der profilformenden Rippe) auszukommen, und dabei die erforderliche Genauigkeit der erzeugten Profilierung einzuhalten. Es kann also mit Umformwerkzeugen gearbeitet werden, deren Profil im wesentlichen genau dem im Werkstück zu erzeugenden Nut- Profil entspricht.

In einer Ausführungsform ist für die Erzeugung der Umlaufbewegung der Umformwerkzeuge ein zusätzlicher Antrieb vorgesehen, der von dem Antrieb für die Erzeugung der Rotation des Werkstückhalters mechanisch getrennt ist. Eine solche mechanische Entkopplung vereinfacht die Antriebssteurung und macht sie flexibler.

In einer Ausführungsform sind die Umformwerkzeuge Walzrollen mit ringartigen profilformenden Rippen.

In einer Ausführungsform sind die Umformwerkzeuge Walzrollen mit jeweils genau einer ringartigen profilformenden Rippe.

In einer Ausführungsform sind die Umformwerkzeuge um eine Rotationsachse rotierbar gelagert. Insbesondere ist diese Rotationsachse parallel zu der Walzkopfachse .

In einer Ausführungsform entspricht das Profil der Rippe (profilformendes Profil) im wesentlichen genau dem im Werkstück zu erzeugenden Nut-Profil; im Falle von Verzahnungen wird das Nut-Profil auch als Lückenprofil bezeichnet. Dadurch kann ohne gesteigerten Aufwand für die Umformwerkzeug-Herstellung eine hohe Präzision der Profilierung erreicht werden. In einer Ausführungsform sind zwei Sätze zu je mindestens zwei Umformwerkzeugen zur periodischen Einwirkung auf das Werkstück vorgesehen, die spiegelsymmetrisch zu einer Ebene durch die Längsachse umlaufend antreibbar sind. Wenn an gegenüberliegenden Seiten des Werkstückes jeweils ein Umformwerkzeug gleichzeitig auf das Werkstück einwirkt, ist eine hochgenaue Profilierungserzeugung möglich, da sich störende weil allenfalls zu Schwingungen des Werkstücks führende Kräfte aufgrund der Symmetrie im wesentlichen aufheben.

Die Verwendung gemäss der Erfindung ist eine Verwendung einer Vorrichtung oder eines Verfahrens gemäss der Erfindung zur Herstellung von zylindrischen Werkstücken mit einer Gerad- oder Schrägverzahnung.

In einer Ausführungsform ist das Verfahren ein Kaltwalzverfahren.

In einer Ausführungsform ist das Werkstück zylindrisch, insbesondere ein zylindrischer Voll- oder Hohlkörper.

In einer Ausführungsform sind die mindestens zwei Umformwerkzeuge in einem rotierbaren Walzkopf gelagert, und insbesondere rotiert der Walzkopf um die Walzkopfachse.

In einer Ausführungsform weist die Profilierung parallel zueinander verlaufende Profilnuten auf, welche insbesondere parallel oder schräg zu der Werkstückachse verlaufend sind.

Weitere bevorzugte Ausführungsformen und Vorteile gehen aus den abhängigen Patentansprüchen und den Figuren hervor. Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Im folgenden wird der Erfindungsgegenstand anhand von Ausführungsbeispielen und den beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine teilschematische Illustration eines Schlagwalzverfahrens;

Fig. 2 eine schematische Frontansicht eines Werkstückes mit Umformwerkzeugen im Eingriff;

Fig. 3 einen schematischer Längsschnitt durch den Eingriffsbereich eines Umformwerkzeuges im Werkstück gemäss Figur 2;

Fig. 4 eine schematische Illustration einer erfindungsgemässen Vorrichtung und eines erfindungsgemässen Verfahrens zur Erzeugung einer

Geradprofilierung, in Seitenansicht;

Fig. 5 eine schematische Illustration einer erfindungsgemässen Vorrichtung und eines erfindungsgemässen Verfahrens zur Erzeugung einer

Geradprofilierung, in Draufsicht;

Fig. 6 eine schematische Illustration einer erfindungsgemässen Vorrichtung und eines erfindungsgemässen Verfahrens zur Erzeugung einer Schrägprofilierung mit Schrägungswinkel ß ≠ 0°, in Seitenansicht;

Fig. 7 beispielhafte zeitliche Verläufe der

Rotationsgeschwindigkeit eines Werkstückes; und Fig. 8 einen schematischen Längsschnitt durch eine erfindungsgemässe Vorrichtung mit elektronisch gesteuertem Rotationsantrieb für das Werkstück.

Die in den Zeichnungen verwendeten Bezugszeichen und deren Bedeutung sind in der Bezugszeichenliste zusammengefasst aufgelistet. Für das Verständnis der Erfindung nicht wesentliche Teile sind zum Teil nicht dargestellt. Die beschriebenen Ausführungsbeispiele stehen beispielhaft für den Erfindungsgegenstand und haben keine beschränkende Wirkung.

Wege zur Ausführung der Erfindung

Fig. 1 zeigt eine teilschematische Illustration eines Schlagwalzverfahrens. Ein zylindrisches Werkstück 1 ist auf einem entlang seiner Längsachse z rotier- und verschiebbaren Werkstückhalter 10 gehaltert. Der Werkstückhalter 10 ist nur schematisch und gegenüber der Realität zu dünn dargestellt. In dem in Fig. 1 dargestellten symmetrischen Aufbau kommen gleichzeitig zwei auf gegenüberliegenden Seiten des Werkstückes 1 angeordnete Umformwerkzeuge 2a bzw. 2b zum Eingriff, bei welchem das Material des Werkstückes 1 kaltverformt wird.

In Fig. 1 ist der besseren Übersicht halber nur ein Umformwerkzeug 2a bzw. 2b pro Seite dargestellt; erfindungsgemäss sind allerdings mindestens zwei auf derselben Kreisbahn und auf derselben Seite des Werkstücks 1 umlaufende Umformwerkzeuge vorgesehen.

Die Umforrαwerkzeuge 2a, 2b sind auf ihrer jeweiligen Kreisbahn 13a bzw. 13b umlaufend angetrieben, so dass es periodisch zu Eingriffen kommt, wobei die Umformwerkzeuge um ihre eigene Achse rotierbar gehaltert sind. Zwischen zwei aufeinanderfolgenden Eingriffen wird das Werkstück 1 um die Längsachse z rotiert, so dass der nachfolgende Eingriff in einer benachbarten Profilnut erfolgt. Ausserdem erfolgt ein schrittweises oder kontinuierliches Voranschieben des Werkstückes 1 entlang der Richtung S des Vorschubes. Auf diese Weise können Profilierungen P wie bspw. die in Fig. 1 dargestellte Geradverzahnung oder auch Schrägverzahnungen durch rasch aufeinanderfolgendes periodisches schlagartiges Verformen des Werkstückes 1 und somit durch eine Vielzahl von Teilwalzvorgängen erzeugt werden, die sich hinsichtlich ihres Angriffs am Werkstück überdecken. Dazu ist eine genaue Abstimmung der für die drei geschilderten Bewegungen eingesetzten Antriebe 4, 8 und 11 notwendig; insbesondere ist die genaue Synchronisation der zwei Rotationsbewegungen (des Werkstücks und der Umformwerkzeuge) notwendig. Dazu sind drei Steuereinheiten 4c, 8c und 11c vorgesehen, die vorteilhaft elektronische Steuerungen sind, und die in einer oder zwei Steuereinheiten zusammengefasst sein können. In Fig. 1 sind Wirkverbindungen als gestrichelte Pfeile dargestellt. Weiter ist in Fig. 1 wie auch in Fig. 2 die Teilung t der Verzahnung eingezeichnet, auch bekannt als Verzahnungsteilung t oder Profilteilung t.

Fig. 2 ist eine schematische Frontansicht eines Werkstückes 1 mit Umformwerkzeugen 2a, 2b im Eingriff. Die Umformwerkzeuge oder Profilrollen 2a, 2b sind hier in ihrer aktuellen maximalen Eindringtiefe in die Oberfläche des Werkstückes 1 dargestellt. Entsprechend dem Profil der Profilrollen 2a, 2b wird eine Profilierung P der Werkstückoberfläche erzielt, wobei benachbarte Profilnuten den Abstand t haben.

Fig. 3 ist ein schematischer Längsschnitt durch den Eingriffsbereich eines Umformwerkzeuges 2a im Werkstück gemäss Figur 2. Das Umformwerkzeug 2a ist auf einer kreisförmigen Bahn geführt, wobei dabei der Kreis 13 die Bahnkurve der jeweils äussersten Bereiche des Umformwerkzeuges 2a darstellt und einen Durchmesser D (auch als Flugkreisdurchmesser bezeichnet) aufweist. Das Umformwerkzeug 2a ist einerseits in einer Austrittsposition dargestellt (rechts dargestellte Position) , wo es die Oberfläche des Werkstückes 1 gerade verlässt, sowie in einer Vorlaufposition (links dargestellte Position) , wo das Umformwerkzeug in den Bereich des zuvor geformten Profils eintritt und die Umformarbeit am Werkstück 1 begonnen wird.

Um die gewünschte Profilform in grösster Präzision zu erstellen, wäre es möglich, vorzusehen, dass das Werkstück 1 zwischen den in Fig. 3 dargestellten Positionen (Vorlaufposition und Austrittsposition) völlig stillsteht, bevor es nach erfolgtem Eingriff, also nachdem ein Umformwerkzeug seine Austrittsposition verlassen hat, um einen der Teilung t entsprechenden Winkel gedreht wird, bis das nächste Umformwerkzeug in seine Vorlaufposition kommt. Eine solche Stillstandsphase bringt allerdings das Problem mit sich, dass beim Anhalten und Wieder-Ingangsetzen des Werkstückes grosse Trägheitskräfte auftreten und dass die durchschnittliche Rotationsgeschwindigkeit des Werkstückes 1 dadurch veringert und damit die Fertigungszeit verlängert wird. Dies ist nicht wünschenswert .

Eine hohe durchschnittliche Rotationsgeschwindigkeit des Werkstückes 1 wird erreicht, wenn das Werkstück 1 mit konstanter Rotationsgeschwindigkeit rotiert wird. Dies hat aber zur Folge, dass das Werkstück 1 während der Bearbeitung durch das Umformwerkzeug in Bewegung ist, so dass das im Werkstück 1 geformte Profil P nicht mehr in guter Übereinstimmung mit der Form des Umformwerkzeuges ist. Eine geringere Präzision ist die Folge.

Eine Möglichkeit zur Kompensation der Bewegung des Werkstückes 1 während des Umformwerkzeugeingriffs ist in den Figs. 4 bis 6 dargestellt.

Fig. 4 ist eine schematische Illustration einer erfindungsgemässen Vorrichtung und eines erfindungsgemässen Verfahrens zur Erzeugung einer Geradprofilierung, in Seitenansicht. Dabei sind N = 2 Umformwerkzeuge pro Walzkopf (vgl. Bezugszeichen 7 in Fig. 8) und somit pro Seite des Werkstückes vorgesehen. In der Praxis können auf derselben Kreisbahn 13a bzw. 13b umlaufend je N = 3, 4, 5 oder 6 Umformwerkzeuge vorgesehen werden oder noch grossere N.

Fig. 5 zeigt die Anordnung gemäss Fig. 4, aber in Draufsicht .

Zunächst sei angenommen, das Werkstück 1 würde mit konstanter Geschwindigkeit um seine Achse z rotiert. Um die Rotation des Werkstückes 1 während des Werkzeugeingriffs zu kompensieren, wird die Walzkopfachse W, um welche die Umformwerkzeuge 2a, 2a' auf ihrer Kreisbahn 13a rotieren, so geneigt, dass ein von null verschiedener Winkel α zwischen der durch die Kreisbahn 13a beschriebenen Ebene und der Längsachse z des Werkstückes 1 eingeschlossen ist. Für diesen Winkel α findet man unter der Voraussetzung, dass genau ein Umformwerkzeug auf einer Kreisbahn bewegt ist, die Beziehung sin α = t / (π^#D) wobei t die Teilung der Profilierung des Werkstückes 1 ist und D der Durchmesser des Kreises 13 ist, der durch den jeweils äussersten Punkt der Umformwerkzeuge gebildet wird

(vgl. auch Fig. 3) . Mit der Rechengrösse „Modul" m

(m = t/π) ergibt sich sin α = m/D

Zur Erhöhung der Fertigungsgeschwindigkeit können nun N ≥ 2 Umformwerkzeuge (auf jeder Seite des Werkstückes) vorgesehen werden, wobei diese vorzugeweise gleichmässig und somit im (Mitte-Mitte-) Abstand 360°/N voneinander beabstandet sind und gleichartig profiliert sind. Dies hat allerdings einen deutlich grosseren Winkel α für die beschriebene Kompensation zur Folge. Es ergibt sich für ein beliebiges N: sin α = N»m/D

Fig. 6 stellt in gleicher Weise wie Fig. 4 eine schematische Illustration einer erfindungsgemässen Vorrichtung und eines erfindungsgemässen Verfahrens zur Erzeugung einer Schrägprofilierung, insbesondere Schrägverzahnung, mit Schrägungswinkel ß ≠ 0° in Seitenansicht dar. Bei Geradprofilierungen, insbesondere Geradverzahnungen, wie in Figs. 4 und 5 dargestellt, gilt ß = 0°. Je nach Verlaufsrichtung der Schrägprofilierung / Schrägverzahnung und Drehrichtung des Werkstückes kann sich der Winkel α zu dem Schrägungswinkel ß hinzuaddieren, oder aber der Winkel α ist von dem Schrägungswinkel ß zu subtrahieren, um die Richtung der Walzkopfachse W zu erhalten. Fig. 6 zeigt in ein in dieser Hinsicht korrektes Beispiel, aus dem sich die anderen Konfigurationen sofort ableiten lassen. Es sei an dieser Stelle darauf hingewiesen, dass der Winkel α aufgrund seiner Definition ein nicht-negativer Winkel ist, also stets gleich seinem Betrag ist: α = | α| .

Es sei angemerkt, dass in den Figs. 4, 5 und 6 zugunsten der Klarheit der Darstellung der Winkel α stets stark übertrieben gross dargestellt ist. Ausserdem ist in Figs. 4 und 6 der hintere Teil (hinterer Walzkopf, Umformwerkzeuge 2b, 2b'; in Fig. 5 oben dargestellt) aus Klarheitsgründen nicht dargestellt.

Nun wurde gefunden, dass der Winkel α nicht beliebig gross gewählt werden sollte, da sonst unerwünschte Abweichungen der Form der erstellten Profilierung von der Form der Umformwerkzeuge auftreten und somit ein Verlust an Präzision erfolgt.

Insbesondere wurde festgestellt, dass eine sehr hohe und den hohen Anforderungen an heutige Präzisionsteilen genügende Präzision erreicht werden kann, solange der Winkel α ≤ 3.5°, besser noch α ≤ 3.0° beträgt. Insbesondere sind für α ≤ 2.5° praktisch keine Genauigkeitsverluste feststellbar.

Eine solche Bedingung stellt aber aufgrund der obengenannten Gleichung sin α = N ^»m/D eine starke Restriktion für die Anzahl N der pro Werkstückseite einsetzbaren Umformwerkzeuge und somit eine Begrenzung der Fertigungsgeschwindigkeit dar.

Der erfindungsgemässe Weg, trotz höchster

Präzisionsanforderungen (und entsprechend kleiner Winkel α) eine sehr hohe Fertigungsgeschwindigkeit (mit mehreren Umformwerkzeuge pro Seite) zu erreichen, besteht im Vorsehen einer pulsierenden Rotationsgeschwindigkeit v des Werkstückes 1. Das Werkstück soll während der Bearbeitung vorteilhaft nicht zum Stillstand kommen, sondern stets in Rotation verbleiben, doch soll die Rotationsgeschwindigkeit des Werkstückes während des Eingriffs eines Umformwerkzeuges in das Werkstück gering sein und zwischen zwei aufeinanderfolgenden Eingriffen hoch sein, so dass eine relativ hohe mittlere Rotationsgeschwindigkeit des Werkstückes vorgesehen werden kann. Fig. 7 zeigt beispielhafte zeitliche Verläufe v(Z), v' (Z) der Rotationsgeschwindigkeit v eines Werkstückes. Die Eingriffe der Umformwerkzeuge erfolgen stets im Bereich der Minima der Rotationsgeschwindigkeit. Das linke dargestellte Minimum der Rotationsgeschwindigkeit liegt zum Zeitpunkt ZO vor; ein Rotationsgeschwindigkeitsminimum kann aber auch während eines Zeitintervalles vorliegen. Es sind selbstverständlich verschiedenste periodische Funktionen für den zeitlichen Verlauf der Rotationsgeschwindigkeit v denkbar. Da die Zeitdauer des Eingriffs des Umformwerkzeugs recht klein ist gegenüber der Zeitdauer zwischen zwei aufeinanderfolgenden Eingriffen, kann, wie in Fig. 7 durch die durchgezogene Kurve v(Z) dargestellt, zugunsten einer höheren Fertigungsgeschwindigkeit, eine Funktion v(Z) gewählt werden, die während einer kürzeren Zeitdauer kleine Werte und während einer längeren Zeitdauer grosse Werte annimmt. Weiter ist es auch möglich, einen solchen zeitlichen Verlauf zu wählen, bei dem das Verlangsamen kurz vor dem Minimum der Rotationsgeschwindigkeit schneller stattfindet als das Beschleunigen kurz nach dem Minimum der Rotationsgeschwindigkeit. Eine entsprechende Kurve ist in Fig. 7 durch die gepunktet dargestellte Funktion v' (Z) gegeben. Bzgl. v' (Z) deuten die nahe dem linken der dargestellten Rotationsgeschwindigkeitsminima angegebenen Zeitintervalle Zl, Z2 und Z3 ungefähr an, wann ein Umformwerkzeug in der Vorlaufposition ist (Zl, Umformwerkzeug ist in bereits geformter Nut, noch keine Umformung) , wann ein Umformwerkzeug in Eingriff ist (Z2, Umformung findet statt) bzw. wann ein Umformwerkzeug in der Austrittsposition ist (Z3, Ende der Umformung, das Umformwerkzeug verlässt das Werkstück); vgl. zu den Positionen auch Fig. 3. Selbstverständlich sind auch einfachere, bspw. symmetrische Funktionen wie zum Beispiel eine (verschobene) Sinusfunktion möglich.

Wenn die pulsierende Rotation des Werkstückes mittels einer elektronischen Steuerung gesteuert wird, sind mit geringem Aufwand optimierte Funktionen v(Z) realisierbar. Vorteilhaft verfügt die elektronische Steuerung für die Rotation des Werkstückes über eine Eingabeeinheit zur Eingabe von Parametern, von denen der zeitliche Verlauf der Rotationsgeschwindigkeit des Werkstückes abhängt. Eine solche ist in Fig. 8 schematisch dargestellt.

Es hat sich gezeigt, dass es erstaunlicherweise möglich ist, mit N Umformwerkzeugen pro Werkstückseite und einem geeignet gewählten zeitlichen Verlauf der Rotationsgeschwindigkeit v des Werkstückes eine N-fach erhöhte Fertigungsgeschwindigkeit zu erreichen gegenüber der Verwendung nur eines (N = 1) Umformwerkzeuges pro Werkstückseite bei konstanter Rotationsgeschwindigkeit v des Werkstückes. Und dies bei höchster Präzision und entsprechend kleinen Winkeln α.

Fig. 8 zeigt einen schematischen Längsschnitt durch eine erfindungsgemässe Vorrichtung mit elektronisch gesteuertem Rotationsantrieb für das Werkstück 1.

Das Werkstück 1 ist auf einem Werkstückhalter 10 gehaltert, welcher entlang seiner Achse z in einen

Bearbeitungsbereich 3 zustellbar ist. Die Umformwerkzeuge, von denen in Fig. 8 nur ein Umformwerkzeug 2a dargestellt ist, sind direkt angetrieben von je einem Antrieb pro Walzkopf (in Fig. 8 nicht dargestellt) , oder die Umformwerkzeuge sind durch den in Fig. 8 dargestellten und über ein mechanisches Getriebe 18 mit den Umformwerkzeugen verbundenen Antrieb 8 angetrieben. Die Umformwerkzeuge sind zu jeweils N ≥ 2 Stück auf zwei Walzköpfe aufgeteilt, von denen in Fig. 8 nur ein Walzkopf 7 dargestellt ist. Walzkopf 7 rotiert um Walzkopfachse W, die um einen Winkel α geneigt ist, wie es anhand der Figs . 4 bis 6 erläutert wurde. Eine in Fig. 8 schematisch angedeutete Vorrichtung 12 zur Winkeleinstellung erlaubt es, den Winkel α mit der benötigten Genauigkeit einzustellen.

Der Werkstückhalter 10 mit dem Werkstück 1 weist einen eigenen Antrieb 11 auf. Die Zustellung des Werkstückes 1 erfolgt über einen separaten Antrieb 4 mit einem optionalen Getriebe 5 und Spindel 6, wobei auch der Antrieb 11 zusammen mit dem Werkstück 1 resp. dem Werkstückhalter 10 zugestellt wird.

Der Werkstückhalter 10 ist in einem parallel zur Werkstückachse z geführten und verschiebbaren Lager in einem Lagergehäuse 20 gelagert und über eine drehsteife Kupplung 22 mit dem Antrieb 11 verbunden.

Die Synchronisation zwischen der pulsierenden Rotationsbewegung des Werkstückhalters 10 und damit des Werkstückes 1 und der Rotationsbewegung der Umformwerkzeuge resp. deren Antrieb 8 erfolgt elektronisch über eine Steuerung, die mit 8c, 11c bezeichnet ist und die Funktion der entsprechenden Steuerungen aus Fig. 1 in sich vereint. Hierfür weisen vorteilhaft sowohl der Antrieb 8 wie auch der Antrieb 11 entsprechende Positionssensoren auf. Eine Eingabeeinheit 19 ermöglicht die Eingabe von Vorgaben, von denen der zeitliche Verlauf v(Z) der Rotationsgeschwindigkeit des Werkstückes abhängt. Wirkverbindungen sind als gestrichelte Pfeile dargestellt.

Die elektronische Steuerung kann, entsprechend den Vorgaben durch die zu erzeugende Profilteilung, jeweils individuell schnell und einfach eingestellt werden, ohne dass Eingriffe in die Schlagwalzmaschine vorzunehmen sind. Andererseits lassen sich damit auch Bewegungsabläufe, d.h. spezielle Rotationsmuster des Werkstückes 1 erzielen, wie sie mit einem mechanischen Getriebe nicht oder nur mit grossem Aufwand realisiert werden können. Weiter erlaubt die elektronische Steuerung eine besonders einfache Einstellung resp. Programmierung der Maschine.

Durch die Kombination der Verwendung mehrerer Umformwerkzeuge pro Walzkopf 7 mit einer wie oben beschriebenen kleinen Schrägstellung des Walzkopfes 7 bzw. der Walzköpfe und einer periodisch schwankenden Werkstück- Rotationsgeschwindigkeit v (Z) kann praktisch ohne Einbussen in der Qualität der zu erzeugenden Profilierung eine Vervielfachung und somit eine ganz massive Steigerung der Fertigungsgeschwindigkeit erreicht werden. Mit N Umformwerkzeugen pro Walzkopf 7 kann sogar eine ca. N- fach erhöhte Fertigungsleistung erreicht werden.

Mittels der dargestellten Vorrichtungen und Verfahren kann ausserdem eine einfache Anpassbarkeit der Vorrichtung bzw. des Verfahrens an eine zu erzeugende Profilierung erreicht werden, was eine hohe Flexibilität des Verfahrens und eine leichte Umrüstbarkeit der Vorrichtung bedeutet. Bezugszeichenliste

I Werkstück

2a, 2b, 2a' , 2b' Umformwerkzeug, Walzrolle, Schlagrolle

3 Bearbeitungsbereich

4 Antrieb für Vorschub des Werkstückes 4c Steuereinheit, elektronische Steuerung

5 Getriebe

6 Spindel

7 Walzkopf

8 Antrieb für Umlaufbewegung der Umformwerkzeuge 8c Steuereinheit, elektronische Steuerung

10 Werkstückhalter

II Antrieb für die Rotation des Werkstückes, Antrieb für die Rotation des Werkstückhalters llc Steuereinheit, elektronische Steuerung

12 Vorrichtung zur Winkeleinstellung

13 Bahnkurve, Kreis, Flugkreis 13a, 13b Bahnkurve, Kreisbahn

18 Getriebe

19 Eingabeeinheit

20 Lagergehäuse

22 Kupplung, elastische Kupplung D Kreisbahndurchmesser (Umformwerkzeug aussen) , Flugkreisdurchmesser m Modul

N Anzahl Umformwerkzeuge auf einer gemeinsamen Kreisbahn

P Profilierung

S Vorschubrichtung t Teilung v Rotationsgeschwindigkeit des Werkstückes,

Rotationsgeschwindigkeit des Werkstückhalters

W Walzkopfachse z Längsachse des Werkstücks, Längsachse des

Werkstückhalters, Rotationsachse des Werkstückes, Rotationsachse des Werkstückhalters

Z Zeit

ZO Zeitpunkt oder -intervall minimaler Rotationsgeschwindigkeit

Z1,Z2,Z3 Zeitabeschnitte, Zeitintervalle α Winkel, vorgebbarer Winkel ß Schrägungswinkel einer zu erzeugenden Profilierung bzw. Verzahnung, Zahnschrägungswinkel

Claims

PATENTANSPRÜCHE

1. Vorrichtung zur Herstellung von Werkstücken (1) mit einer definierten Profilierung (P) mit einem Schrägungswinkel ß mit |ß| ≥ 0°, aufweisend einen um seine Längsachse (z) rotierbaren und entlang der Längsachse (z) verschiebbaren Werkstückhalter (10) zur Halterung eines Werkstückes (1) , einen Antrieb (11) für die Rotation des Werkstückhalters (10), der zur Erzeugung eines periodisch an- und absteigenden Verlaufes (v(Z)) der

Rotationsgeschwindigkeit (v) ausgelegt ist, und mindestens zwei zur periodischen Einwirkung auf das Werkstück (1) auf einer gemeinsamen Kreisbahn (13a; 13b) um eine als Walzkopfachse (W) bezeichnete Rotationsachse kontinuiertlich umlaufend antreibbare Umformwerkzeuge

(2a, 2a'; 2b, 2b'), wobei die Walzkopfachse (W) derart ausrichtbar ist, dass die Längsachse (z) mit der durch die Kreisbahn (13a; 13b) der Umformwerkzeuge beschriebenen Ebene einen von dem Schrägungswinkel ß um einen Winkel α abweichenden Winkel einschliesst , wobei für den Winkel α gilt: 0° < α < 3.5°.

2. Vorrichtung gemäss Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine mit dem Antrieb (11) wirkverbundene elektronische Steuerung (llc) zur Steuerung des zeitlichen

Verlaufes (v(Z)) der Rotationsgeschwindigkeit (v) des Werkstückhalters (10) vorgesehen ist.

3. Vorrichtung gemäss Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der zeitlichen Verlaufes (v(Z)) der Rotationsgeschwindigkeit (v) des Werkstückhalters (10) derart auf die Umlaufbewegung der ümformwerkzeuge (2a, 2a'; 2b, 2b') abgestimmt ist, dass das Einwirken der Umformwerkzeuge (2a, 2a'; 2b, 2b') jeweils im Bereich der von null verschiedenen minimalen Rotationsgeschwindigkeit des Werkstückhalters (10) stattfindet.

4. Vorrichtung gemäss einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Vorrichtung (12) zur Einstellung des Winkels α vorgesehen ist.

5. Vorrichtung gemäss einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für den Winkel α gilt: 1° < α.

6. Vorrichtung gemäss einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für den Winkel α gilt: 2° < α < 3°.

7. Vorrichtung gemäss einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für die Erzeugung der Umlaufbewegung der Umformwerkzeuge (2a, 2a'; 2b, 2b') ein zusätzlicher Antrieb (8) vorgesehen ist, der von dem Antrieb (11) für die Erzeugung der Rotation des Werkstückhalters (10) mechanisch getrennt ist.

8. Vorrichtung gemäss einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Umformwerkzeuge (2a, 2a'; 2b, 2b') Walzrollen mit jeweils genau einer ringartigen profilformenden Rippe sind.

9. Vorrichtung gemäss einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Sätze zu je mindestens zwei Umformwerkzeugen (2a, 2a'; 2b, 2b') zur periodischen Einwirkung auf das Werkstück (1) vorgesehen sind, die spiegelsymmetrisch zu einer Ebene durch die Längsachse umlaufend antreibbar sind.

10. Verfahren zur Herstellung von Werkstücken (1) mit einer definierten Profilierung (P) mit einem Schrägungswinkel ß mit |ß| ≥ 0°, wobei ein Werkstück (1) um seine Längsachse (z) rotiert, entlang dieser Längsachse verschoben und durch mindestens zwei periodisch auf das Werkstück einwirkende auf einer gemeinsamen

Kreisbahn (13a; 13b) um eine als Walzkopfachse (W) bezeichnete Rotationsachse kontinuiertlich umlaufend angetriebene Umformwerkzeuge (2a, 2a'; 2b, 2b') bearbeitet wird, wobei die Rotationsgeschwindigkeit (v) des Werkstückes einen periodisch an- und absteigenden Verlauf (v(Z)) aufweist, und wobei die Walzkopfachse (W) derart ausgerichtet wird, dass die Längsachse (z) mit der durch die Kreisbahn (13a; 13b) der Umformwerkzeuge (2a, 2a'; 2b, 2b') beschriebenen Ebene einen von dem Schrägungswinkel ß um einen Winkel α abweichenden Winkel einschliesst , wobei für den Winkel α gilt: 0° < α ≤ 3.5°.

11. Verfahren gemäss Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der zeitliche Verlauf (v(Z)) der Rotationsgeschwindigkeit (v) des Werkstückes (1) elektronisch gesteuert wird.

12. Verfahren gemäss Anspruch 10 oder Anspruch 11, wobei das Einwirken der Umformwerkzeuge (2a, 2a'; 2b, 2b') jeweils im Bereich der von null verschiedenen minimalen Rotationsgeschwindigkeit des Werkstückes (1) stattfindet.

13. Verfahren gemäss einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Winkel α in Abhängigkeit mindestens des zeitlichen Verlaufs (V(z)) der Rotationsgeschwindigkeit (v) nahe der minimalen Rotationsgeschwindigkeit oder in Abhängigkeit mindestens der minimalen Rotationsgeschwindigkeit gewählt wird.

14. Verfahren gemäss einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für den Winkel α gilt: 1° ≤ α.

15. Verfahren gemäss einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für den Winkel α gilt: 2° < α < 3°.

16. Verfahren gemäss einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für die Erzeugung der Rotation des Werkstückes (1) ein Antrieb (11) verwendet wird, der mechanisch getrennt ist von einem Antrieb (8) zur Erzeugung der Umlaufbewegung der Umformwerkzeuge (2a, 2a'; 2b, 2b') .

17. Verfahren gemäss einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Umformwerkzeuge (2a, 2a'; 2b, 2b') Walzrollen mit jeweils genau einer ringartigen profilformenden Rippe sind.

18. Verfahren gemäss einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkstück (1) durch zwei Sätze zu je mindestens zwei Umformwerkzeugen (2a, 2a';

2b, 2b') bearbeitet wird, die spiegelsymmetrisch zu einer Ebene durch die Längsachse (z) umlaufend sind.

19. Verwendung einer Vorrichtung gemäss einem der Ansprüche 1 bis 9 oder eines Verfahrens gemäss einem der Ansprüche 10 bis 18 zur Herstellung von zylindrischen Werkstücken (1) mit einer Gerad- oder Schrägverzahnung.