DD261537B1

DD261537B1 - Verfahren zur fuehrung eines verzahnwerkzeuges zur herstellung kegeliger verzahnungen beliebig geformter flankenlinie auf werkzeugmaschinen

Info

Publication number: DD261537B1
Application number: DD30332287A
Authority: DD
Inventors: Gerhard Dr-Ing Sc Tec Brandner; Alfred Glueck
Original assignee: Gerfema Mbh
Priority date: 1987-06-01
Filing date: 1987-06-01
Publication date: 1993-03-18
Also published as: DD261537C2; DD261537A1

Description

Hierzu 5 Seiten Zeichnungen

Anwendungsgebiet der Erfindung

Das Anwendungsgebiet der Erfindung erstreckt sich auf den Maschinenbau und den Getriebebau sowie auf den Bau und die Instandhaltung von Großgeräten der Fördertechnik für das Bauwesen oder den Braunkohlentagebau.

Charakteristik des bekannten Standes der Technik

Im Regelfall sind Kegelradverzahnmaschinen so aufgebaut, daß das Werkstück in einem Werkstückträger mit waagerechter Achse gespannt wird. Das ist erforderlich, um das Werkstück je nach Kegelwinkel flexibel bezogen auf eine senkrecht angeordnete Drehmitte, die sogenannte I-Mitte, des Werkstückträgers auf den entsprechenden Bearbeitungswinkel einstellen zu können. Diese Anordnung bedingt, daß das ideelle Planrad, dem verfahrensgemäß ein Werkzeug zur Fertigung des Werkstückes zugeordnet ist, mit seiner Achse ebenfalls waagerecht liegt, wobei die Planradachse die Werkstückachse schneidet. Dies trifft insbesondere für die Fertigung von Kegelrädern eines Paares zu, deren Achsen sich ebenfalls schneiden. Zur Darstellung des Planrades und dessen Flankenflächen dient ein Werkzeug, das einstellbar in einer Wälztrommel Aufnahme findet, deren Achse im Regelfall mit der Planradachse identisch ist. Es wird dadurch deutlich, daß die Größe des ideellen Planrades die Größe der Wälztrommel und damit der gesamten Maschine vordergründig beeinflußt.

Die Maschinengröße wächst praktisch zur dritten Potenz in Abhängigkeit von der Planradgröße. Bei großen Kegelrädern nehmen derartige Maschinen solche Abmessungen und solche damit verbundenen Massen an, daß ihr wirtschaftlicher Einsatz in Frage steht, dies um so mehr, da die Bearbeitung von großen Kegelrädern nur in kleineren Serien oder sogar nur als Einzelfertigung erfolgt. Der hohe Anschaffungswert derartiger Maschinen für Betriebe mit geringem Bedarf an großen Kegelrädern steht in sehr ungünstiger Relation zum Nutzen.

Bei der bekannten Verfahrensweise zur Führung des Verzahnwerkzeuges ist dieses an ein Erzeugungsplanrad gebunden, dessen Planradebene durch die mechanische Lagerung der Wälztrommel zwangsläufig nur rechtwinklig zur Achse der Wälztrommel verlaufen kann. Demzufolge besteht die Notwendigkeit, die Werkstückachse so gegenüber dieser festgelegten Planradebene einzuschwenken, daß der Wälzkegel der Werkstückverzahnung mit einer Kegelmantellinie in der Planradebene liegt.

Das erfolgt durch Schwenken des Werkstückständers auf einer Schwenkführung, die aus Stabilitätsgründen waagerecht angeordnet ist. Die Werkstückachse verläuft damit ebenfalls waagerecht. Diese Anordnung ist für größere Werkstücke denkbar ungünstig und führt zur Kopflastigkeit der gesamten Werkstückaufnahme. Eine Abstützung durch ein Gegenlager ist infolge der materiellen Wälztrommelanteile im Bereich der I-Mitte nicht möglich.

Die beschriebenen Verfahrensweisen, an die der Maschinenaufbau gestaltungstechnisch gebunden ist, haben dazu geführt, daß sich auf bestimmte Verzahnwerkzeuge spezialisierte Maschinentypen herausgebildet haben. So sind Kegelradverzahnmaschinen zur Herstellung bogenverzahnter Kegelräder bekannt, auf denen Werkstücke bis etwa 800mm Durchmesser bearbeitbar sind.

Werkstück-Kegelräder mit größeren Abmessungen werden deshalb nach Verfahren verzahnt, die eine größere Maschinengestaltung in beschränktem Umfang zulassen. Dazu gehören Teil-Wälzverfahren mit hin- und herbeweglichen Hobelstählen, so daß die Form der Flankenlinien für größere Kegelräder auf geradlinige Flanken beschränkt ist.

Auch mit diesen Verfahren erschöpft sich die Größe der bearbeitbaren Werkstückdurchmesser etwa bei der Größenordnung

von einem Meter. Kegelverzahnungen größerer Abmessungen werden meistens nur auf Sondermaschinen in unwirtschaftlicher Weise hergestellt, oder es wird auf das Gießverfahren zurückgegriffen.

Für geforderte höhere Genauigkeiten der Verzahnung, die wesentlich zur Laufruhe und insbesondere höheren Lebensdauer eines Zahnradgetriebes beitragen, ist eine spanende Bearbeitung auch für Werkstücke großer Abmessungen unumgänglich. Es ist hierzu bereits ein Verfahren zur Herstellung von Verzahnungen für große Zahnradwerkstücke bekannt (WO 84/04064). In diesem Verfahren wird die Flexibilität numerisch gesteuerter Achsen zur Erzeugung von Relativbewegungen zwischen Werkzeug und Werkstück zur Herstellung von großen Zahnrädern genutzt. Die hierzu vorgesehene Maschine verfügt über entsprechende Bewegungsachsen, so daß auch Kegelradverzahnungen herstellbar sind. Sie besitzt einen Rundtisch zur Werkstückaufnahme, der auf einem Schlitten horizontal verschiebbar ist. Der Werkzeugaufnahmeschlitten ist an einem Ständer vertikal verschiebbar geführt, welcher seinerseits im rechten Winkel zur Bewegungsachse der Werkstückaufnahme horizontal verschiebbar ist. Als Werkzeuge sind Messerköpfe vorgesehen. Die Herstellung von Kegelradverzahnungen ist auf das Teilwälzverfahren begrenzt und selbst dort mit einem erheblichen Steuerungsaufwand verbunden. Dies liegt in den komplizierten Bewegungsabläufen begründet, welche die Bewältigung der an sich materiell fest gebundenen Achslage der Erzeugungsverzahnung erfordert.

Ziel der Erfindung

Als Ziel der Erfindung werden folgende Vorteile angestrebt:

- Bearbeitung beliebig großer Kegelräder,

- beliebige Auswahl des Verzahnwerkzeuges und damit uneingeschränkte Form der Flankenlinie,

- hohe Verzahngenauigkeit

- freie Wahl des Werkstoffes und

- Gestaltung des Verfahrensablaufes derart, daß er auf numerisch gesteuerten Werkzeugmaschinen durchführbar ist, die mindestens drei linear- und ein bis drei drehwinkelabhängige NC-Achsen aufweisen.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Mit der Erfindung soll folgende Aufgabe gelöst werden:

- Auflösung der an sich materiell fest gebundenen Achslage der Erzeugungsverzahnung durch verfahrensspezifische Merkmale, so daß einer konstant senkrecht stehenden Werkstückachse jedes beliebige Planrad oder jede beliebige andere Erzeugungsverzahnung im notwendigen Kegelwinkel zugeordnet werden kann und dabei die Wälzbedingungen für alle Verzahnwerkzeuge realisiert werden, die sowohl nach dem Prinzip des Teil-Wälzens als auch des kontinuierlichen Wälzens arbeiten.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Kreisbogenbahn eines ausgesuchten Bezugspunktes des Verzahnwerkzeuges, den dieser um die Achse der Erzeugungsverzahnung beschreibt, sich als resultierende Bewegung aus den linearen Bewegungskomponenten entlang den Achsen eines räumlichen Koordinatensystems ergibt. Dabei werden die Mittelpunkte der Kreisbögen ständig auf einer ideellen Achse gehalten und mindestens eine der Bewegungskomponenten linear verschoben, wobei diese in einer parallel zur Werkstückachse stehenden Ebene verläuft.

Der Aufbau des räumlichen Koordinatensystems unterliegt keinen Einschränkungen. Für die weitere Ausgestaltung der Erfindung ist es jedoch vorteilhaft, daß es aus drei Linearkoordinaten gebildet ist, von denen zwei einem ebenen Koordinatensystem zugehören. Die Koordinaten im ebenen Koordinatensystem können auch als Polarkoordinaten ausgebildet sein.

Als Erzeugungsverzahnung wird dem erfindungsgemäßen Verfahren zweckmäßigerweise das dem Werkstück und seinem Gegenrad zugeordnete ideelle Planrad zugrunde gelegt, oder das Gegenrad des Werkstückes bildet als ideelles Gebilde die Grundlage der Erzeugungsverzahnung.

Die verfahrensgemäße Führung des Bezugspunktes mit Hilfe der linearen Bewegungen entlang der räumlichen Koordinaten erweist sich bei der Verwendung von Kreismesserköpfen oder Spiralmesserköpfen mit senkrecht zur Planradebene stehenden Achsen als ausreichend.

Zur Führung dieser Verzahnwerkzeuge ist erfindungsgemäß eine Schwenkachse erforderlich, die senkrecht auf dem ebenen Koordinatensystem steht und um welche die Werkzeugachse schwenkbar ist, wenn die Werkzeugachsen geneigt oder parallel zur Planradebene verlaufen oder wenn als Erzeugungsverzahnung das Gegenrad benutzt wird.

Eine umfassende Erweiterung der Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung ergibt sich aus einem besonderen Merkmal dadurch, daß die ideelle Achse des Planrades um ihren Schnittpunkt mit der Werkstücksachse entlang dem Kegelmantel eines gedachten Kegels eine Schwenkbewegung ausführt, wobei der Kegelwinkel dieses Kegels vorzugsweise dem Differenzbetrag des Kegelwinkels des Werkstückzahnrades zu 90 Grad entspricht. Dieses Merkmal erschließtzum Beispiel auch die Einbeziehung kegeliger Wälzfräser in den Verfahrensablauf und ermöglicht insbesondere, das Werkstück fest, also undrehbar aufzuspannen.

Die Wälz- sowie Teil-Bewegung wird dann von dem um die Werkstückachse taumelnden Planrad in Verbindung mit dem Verzahnwerkzeug ausgeführt.

Bei der Anwendung des ideellen Gegenrades als Erzeugungsverzahnung führt diese Schwenkbewegung um die Werkstückachse die Gegenradachse aus. Sie bewegt sich dabei entlang dem Mantel eines gedachten Kegels, dessen Kegelwinkel dem Achswinkel zwischen der Werkstückachse und der ideellen Gegenradachse entspricht, der im Grenzfall 90° beträgt.

Um für die numerische Steuerung der an der Führung des Verzahnwerkzeuges beteiligten Linear-Schwenk- und Drehachsen günstige Ausgangsgrößen zu haben, erweist es sich als zweckmäßig, die Bewegungsgröße einer Achse als Basiswert zu benutzen und davon die Bewegungsgrößen der anderen beteiligten Achsen abzuleiten.

Als Ausgangsgröße bietet sich der Wälzwinkel am Planrad an.

Jenach dem Aufbau, der Achslage zur Erzeugungsverzahnung und dem Wirkprinzip des Verzahnwerkzeuges ergeben sich hinsichtlich des erfindungsgemäßen Verfahrensablaufes verschiedene Ausgestaltungsmerkmale der Erfindung.

So besteht ein besonderes Merkmal der Erfindung darin, daß als Verzahnwerkzeug ein Stirnmesserkopf mit auf Kreisbögen

angeordneten Schneidmessern Anwendung findet, von dem ein ausgesuchter Bezugspunkt auf den Kreisbögen eines Planrades geführt wird, wozu die Achse des Stirnmesserkopfes um eine Einstellachse so eingeschwenkt ist, daß sie vorzugsweise senkrecht гиг Planradebene steht und die Kreisbögen am Planrad sich als resultierende Bewegung aus den Bewegungen entlang der räumlichen Koordinaten ergeben, wobei der Werkstückachse in Abhängigkeit vom Wälzwinkel des ideellen Planrades eine Wälz-Drehbewegung erteilt wird.

Wird bei Anwendung eines Stirnmesserkopfes mit auf Kreisbögen angeordneten Schneidmessern ein ideelles Gegenrad als Erzeugungsverzahnung benutzt, dann ist die Werkzeugachse um die Einstellachse senkrecht zur Teilkegelmantellinie des Werkstückes einzuschwenken. Der Kreisbogen des Bezugspunktes am ideellen Gegenrad ergibt sich dann als resultierende Bewegung aus den Bewegungen entlang von zwei in der Ebene des Kreisbogens liegenden Linearkoordinaten. Die Werkzeugachse ist um die Schwenkachse so zu schwenken, daß der Schwenkwinkel dem durch die Lage des Bezugspunktes auf dem Kreisbogen bestimmten Wälzwinkel entspricht, wobei der Werkstückachse in Abhängigkeit von diesem Wälzwinkel eine Wälz-Drehbewegung erteilt wird.

Ein weiteres Merkmal besteht darin, daß als Verzahnwerkzeug ein Stirnmesserkopf mit spiralig zu seiner Achse angeordneten Schneidmessern Anwendung findet, von dem ein ausgesuchter Bezugspunkt auf einem zugeordneten Kreisbogen an einem ideellen Planrad geführt wird. Dazu ist die Werkzeugachse um die Einstellachse so einzuschwenken, daß sie vorzugsweise senkrecht zur Planradebene steht Der Kreisbogen am ideellen Planrad ergibt sich als resultierende Bewegung aus den Bewegungen entlang der räumlichen Linearkoordinaten. Der Werkstückachse wird in Abhängigkeit vom Wälzwinkel eine Wälz-Drehbewegung erteilt, die einer Drehbewegung überlagert ist, die sich aus dem Übersetzungsverhältnis der Gangzahl des Stirnmesserkopfes zur Zähnezahl des Werkstückes in Abhängigkeit von der Drehzahl des Stirnmesserkopfes ergibt.

Wird bei Anwendung eines Stirnmesserkopfes mit spiralig zu seiner Achse angeordneten Schneidmessern ein ideelles Gegenrad als Erzeugungsverzahnung benutzt, dann ist die Werkzeugachse um die Einstellachse so einzuschwenken, daß sie vorzugsweise senkrecht auf der Teilkegelmantellinie des Werkstückes steht. Der Kreisbogen am ideellen Gegenrad ergibtsich als resultierende Bewegung aus den Bewegungen entlang von zwei in der Ebene des Kreisbogens liegenden Linearkoordinaten. Die Werkzeugachse wird um die Schwenkachse so geschwenkt, daß der Schwenkwinkel dem durch die Lage des Bezugspunktes auf dem Kreisbogen bestimmten Wälzwinkel am ideellen Gegenrad entspricht, und der Werkstückachse wird in Abhängigkeit von diesem Wälzwinkel eine Wälz-Drehbewegung erteilt, die einer Drehbewegung überlagert ist, die sich aus dem Übersetzungsverhältnis der Gangzahl des Stirnmesserkopfes zur Zähnezahl des Werkstückes in Abhängigkeit von der Drehzahl des Stirnmesserkopfes ergibt.

Die erfindungsgemäße Anwendung eines kegeligen Wälzfräsers weist in Ausgestaltung der Erfindung Besonderheiten auf, die gekennzeichnet sind durch die Führung eines ausgewählten Bezugspunktes im räumlichen Koordinatensystem und eine Schwenkbewegung der Werkzeugachse in Abhängigkeit von der Stellung des Bezugspunktes auf dem Bezugskreis des Planrades um eine Schwenkachse derart, daß die Kegelmantellinie des Bezugsprofiles des Wälzfräsers in jeder Stellung der Wälzbewegung des Planrades parallel zur Planradebene oder in dieser verläuft. Die Drehbewegung der Werkstückachse ergibt sich aus dem Übersetzungsverhältnis der Gangzahl des Wälzfräsers zur Zähnezahl des Werkstückes in Abhängigkeit von der Fräserdrehzahl und der dieser Drehbewegung überlagerten Drehwinkelanteile, wie sie sich aus den Bewegungen des Planrades um die Planradachse und die Taumelbewegung der Planradachse um die Werkstückachse ergeben.

Ein besonderer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht auch darin, daß das Werkstück fest auf dem Tisch einer Werkzeugmaschine gespannt werden kann, also keinerlei Drehbewegung ausführt, so daß zu seiner Lagerung kein besonderer Rundtisch erforderlich ist.

Das erfindungsspezifische Merkmal zur Realisierung dieses Vorteiles besteht darin, daß die Wälzbewegung und die Teilbewegung durch die Bewegungen des als Erzeugungsverzahnung benutzten ideellen Planrades oder Gegenrades und der mit diesen Erzeugungsrädern verbundenen Verzahnwerkzeuge erzeugt werden. Dabei wird mit Hilfe der Bewegungen entlang der räumlichen Koordinaten sowie der Schwenkbewegung der Werkzeugachse um die Schwenkachse entweder das ideelle Planrad mit seiner Achse entlang dem Kegelmantel mit Scheitelpunkt auf der Werkstückachse verschwenkt, oder die ideelle Achse des Gegenrades führt eine Schwenkbewegung um die Werkstückachse aus.

Mit diesen Schwenkbewegungen der Erzeugungsräder um die Werkstückachse werden sowohl die Wälzbewegung als auch die Teilbewegung von Zahnlücke zu Zahnlücke ausgeführt. Zur Vornahme der Teilbewegung wird das Verzahnwerkzeug aus der fertig ausgewählten Zahnlücke zurückgezogen. Als Ausgangswert für die Steuerung der Bewegungen entlang der räumlichen Linearkoordinaten sowie Schwankbewegung der Werkzeugachse um die NC-gesteuerte Schwenkachse dient für die Vornahme der Teilbewegung der Teilwinkel am Werkstückzahnrad.

Es besteht auch die Möglichkeit, die Wälzbewegung vom ideellen Planrad oder Gegenrad ausführen zu lassen und die Teilbewegung dem Werkstück zuzuordnen, wozu dieses dann allerdings eine Drehbewegung ausführen muß.

Eine Auswahl der mit dem erfindungsgemäßen Verfahren möglichen Verzahn-Varianten ist abschließend in einer Tabelle zusammengestellt. Weitere mögliche Varianten, beispielsweise Verzahnen ohne Wälzbewegung, lassen sich aus den Beispielen analog ableiten.

Die in der Tabelle benutzten Symbole haben folgende Bedeutung:

NC(1 ...) - numerischgesteuerteLinearbewegunginerfindungsgemäßerAbhängigkeitvonderinKlammerngesetzten Nummer des Patentanspruches

NC(D) - numerisch gesteuerte Drehbewegung in Abhängigkeit von der in Klammern gesetzten Drehachse

NC (ψ) - numerisch gesteuerte Schwenkbewegung in Abhängigkeit von dem in Klammern gesetzten Winkel

η - freie, unabhängige Drehbewegung (Fräser-Drehzahl)

T - Teil-Bewegung von Zahnlücke zu Zahnlücke

l(x;y) - resultierende Drehbewegung um ideelle Achse, zusammengesetzt aus den Linearbewegungen entlang der

in Klammern gesetzten Koordinaten Ik - resultierende Taumelbewegung entlang einem Kegelmantel mit Scheitelpunkt auf der Werkstückachse D.

Koordinate der Linearbewegung

Dreh- oder Schwenkachse

Werkzeugachse senkrecht zur Planradebene

Gegenrad

Teil - WIz - Verfahren

(fig. 2) Gegenrad

Werkstück feststehend

Geqenrad

Werk zeug achse geneigt oder parallel zur РіапгааеЬгт

—

Teil- Wälz- Verfahren

Werkstück feststehend

T IK

—

X

pausenloses Verfahren

Kreis - Messerkopf

NC (1,3)

Planrad

NC(1,8)

pausenloses Verfahren

Kreis -Messerkopf

Planrad

У

Spiral-Messerkopf

—

Werkstück drehbar

—

NC (1,7)

NC(1,8)

kegel - Wälzfräser

Werkstück drehbar

NC (1,2,7)

Z

Werkstück drehbar

NC (1.5)

(fig. 1) Planrad

NC (1,3)

NC (1,7)

NC(I₁O)

Werkstück drehbar

Planrad

NC (1.2,7)

Tabelle

A

irzeug. Verzahn. ·. Planrad

NC(V)

NC (1,2)

NC(V)

NC (1,7)

NC(V)

(Fig. Ъ) Planrad

NC (1,2)

NC (1,2,7)

B

UC (1Л)

r

NC (1.2)

r

NC(V)

t

NC (^₁6)

NC (1,2)

NC (V)

C

NC(1,4)

NC (D)

NC (1,2)

η

τ

η

NC (4 в)

NC (1, 2)

T

D

N€{1,4-)

NC (C)V)

—

NC( Ψ) T

η

—

NC (1, в)

NC (V)

η

E

—

r

—

NC (V)

T

—

F

r

К*',:)

η

I (χ-,σ)

T ' IK

т'

E (fest)

η

NC (D)

NC(W) T

—

NC (D)

NC (ψ) T

NC(C; ψ)

NC (C₁V)

I (*іУіг) I K

—

IK

—

Ausführungsbeispiele

Die Erfindung ist nachstehend anhand von drei bevorzugten Ausführungsbeispielen näher erläutert. In den zugehörigen Zeichnungen zeigen

Fig. 1: Die Zuordnung eines Stirnmesserkopfes zu einem ideellen Planrad, mit einer projizierten Draufsicht auf die Planradebene, Fig. 2: die Zuordnung eines Stirnmesserkopfes zu einem ideellen Gegenrad, mit einer projizierten Draufsicht auf die

Erzeugungsebene, Fig.3: die Zuordnung eines kegeligen Wälzfräsers zu einem ideellen Planrad, mit einer Projektion auf die Planradebene und die

Achsebene des Wälzfräsers, Fig.4: die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens auf einer Werkzeugmaschine unter Anwendung eines kegeligen

Wälzfräsers, Fig. 5: die schematische Darstellung der notwendigen NC- und Einstellachsen an einer Werkzeugmaschine bei verfahrensgemäßer Anwendung eines Stirnmesserkopfes.

1. Ausführungsbeispiel (Fig.1)

Im ersten Ausführungsbeispiel soll gezeigt werden, wie das erfindungsgemäße Verfahren bei der Anwendung eines Stirnmesserkopfes mit auf Kreisbögen angeordneten Schneidmessern abläuft.

Das Werkstück 1 ist dazu so aufgespannt, daß seine Werkstückachse D senkrecht steht. Als Erzeugungsverzahnung dient ein ideelles Planrad 2, dem ein Stirnmesserkopf 3 zugeordnet ist.

Dazu ist die Werkzeugachse C um eine senkrechte zur Zeichenebene verlaufende Einstellachse B um den Kegelwinkel δ so eingeschwenkt, daß sie senkrecht zur Planradebene steht. Die Werkzeugachse C schneidet die Planradebene im Bezugspunkt M, durch den auch die Einstellachse D verläuft. Der Bezugspunkt M dient zur weiteren Betrachtung bei der erfindungsgemäßen Führung des Stirnmesserkopfes 3. Zur Erzeugung der Verzahnung dreht sich das Planrad 2 um seinen Mittelpunkt 0 um den Wälzwinkel φ, so daß der Bezugspunkt M in die Stellung M' gelangt, wobei er sich auf einem Kreisbogen m it dem Radius ρ bewegt. Am Werkstück 1 ist dem Bezugspunkt M der Radius r, zugeordnet. Während der Wälzbewegung des Planrades 2 um den Wälzwinkel ψ verdreht sich das Werkstück 1 um die Werkstückachse D um den Verdrehwinkel -at nach der Beziehung

Die Kreisbogenbahn des Bezugspunktes M auf dem Planrad 2 ergibt sich erfindungsgemäß als resultierende Bewegung aus den linearen Bewegungskomponenten entlang den Linearkoordinaten x,y,ζ eines im Bezugspunkt M errichteten räumlichen Koordinatensystems. Von den Linearkoordinaten gehören die Koordinaten χ und ζ einem in der Ebene I-1 wirksamen ebenen Koordinatensystem an, während die dritte Koordinate у senkrecht auf dieser Ebene l-l steht. Bezieht man in die Betrachtung die Pfeilhöhe h ein, dann ergeben sich für die linearen Bewegungskomponenten des Bezugspunktes M im räumlichen Koordinatensystem x, y, ζ Beziehungen, die zur Steuerung entsprechend zugeordneter NC-Achsen x, y, ζ nutzbar sind, so daß sich insgesamt bezogen auf alle beteiligten NC-Achsen folgende Verfahrensbedingungen ergeben:

χ = ρεϊηψ

у = psinöd -cosψ)

ζ = ρ cos δ (1 — cos ψ)

Geometrisch betrachtet, wird dabei der Bezugspunkt M in der Ebene l-l durch die linearen Bewegungskomponenten entlang der Linearkoordinaten χ, ζ auf einer Ellipsenbahn geführt, die sich aus der Projektion des Kreisbogens des Planrades mit dem Radius ρ ergibt, während die Rückführung des Bezugspunktes M in die Planradebene durch die Bewegung entlang der Koordinate у erfolgt. Daraus wird auch ersichtlich, daß sich das Planrad 2 um eine ideelle Planradachse E dreht, deren Lage im Raum ohne Schwenkvorrichtungen allein durch die erfindungsgemäße Führung des Bezugspunktes M entlang der Linearkoordinaten x, y, ζ bestimmt wird

Zur Durchführung des Verfahrens gemäß des ersten Ausführungsbeispiels sind erforderlich:

- 3 NC-Achsen für Linearbewegungen (x, y, z)

- 1 NC-Achsefür Drehbewegung (Werkstückachse D)

- 1 Einstellachse B.

2.Ausführungsbeispiel (Fig.2)

Infolge der durch die Erfindung bewirkten Idealisierung der Drehachse der Erzeugungsverzahnung ist es auch möglich, anstelle des Planrades eine andere Erzeugungsverzahnung zu benutzen. Dem zweiten Ausführungsbeispiel ist als Erzeugungsverzahnung das dem Werkstück 1 zugeordnete ideelle Gegenrad 4 zugrunde gelegt. Die Gegenradachse F schneidet die Werkstückachse D im Mittelpunkt O. Als Verzahnwerkzeug ist wieder ein Stirnmesserkopf 3 vorgesehen, wobei die Werkzeugachse C um die Einstellachse B auf den Kegelwinkel δ so eingeschwenkt ist, daß sie senkrecht zur Kegelmantellinie des Werkstückes 1 verläuft. Der Schnittpunkt der Werkzeugachse C mit der Kegelmantellinie des Werkstückes 1 ist als Bezugspunkt M ausgewählt.

Zur Erzeugung der Verzahnung dreht sich das Gegenrad 4 um die Gegenradachse F um den Wälzwinkel ψ, so daß der Bezugspunkt M in die Stellung M' gelangt. Diese Bewegung vollzieht sich auf einem Kreisbogen mit den Radius r₂ in der Ebene l-l. Am Werkstück 1 ist dem Bezugspunkt M des Radius r, zugeordnet. Während der Wälzbewegung des Gegenrades 4 um den Wälzwinkel ψ verdreht sich das Werkstück 1 um die Werkstückachse D um den Verdrehwinkel etnach der Beziehung:

Γ₂·ψ

Die Kreisbogenbahn des Bezugspunktes M am Gegenrad 4 in der Ebene l-l ergibt sich als resultierende Bewegung aus den linearen Bewegungskomponenten entlang den Linearkoordinaten x, z. Zur Realisierung der Wälzbedingungen am Gegenrad 4 ist es erforderlich, daß die Werkzeugachse C stets in einer gemeinsamen Ebene mit dem Radius r₂ liegt. Zur Erfüllung dieser Bedingungen ist eine NC-gesteuerte Schwenkachse A vorgesehen, die senkrecht auf dem ebenen Koordinatensystem der Linearkoordinaten ζ, χ steht. Die Schwenkachse A und die Werkstückachse C schneiden sich im Bezugspunkt M. Der dem Kreisbogen des Gegenrades 4 zugeordnete Wälzwinkel ψ entspricht dem Schwenkwinkel γ um die Schwenkachse A. Zusammengefaßt ergeben sich, bezogen auf die NC-Achsen, folgende Verfahrensbewegungen:

X = r₂sinip

Y = O (NC-Achse kann entfallen)

Z = T₂ (1 - cosip)

Α:γ = ψ

Zur Durchführung des Verfahrens gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel sind erforderlich:

- 2 NC-Achsen für Linearbewegungen (x; z)

- 1 NC-Achse für Schwenkbewegung (Schwenkachse A)

- 1 NC-Achse für Drehbewegung (Werkstückachse D)

- 1 Einstellachse B.

Wird im ersten oder zweiten Auführungsbeispiel ein Stirnmesserkopf mit spiralig zu seiner Achse angeordneten Schneidmessern benutzt, dann ist die Drehbewegung der Werkstückachse D zusätzlich auf die Drehbewegung der Werkzeugachse C abzustimmen, wozu diese in die NC-Steuerung einzubeziehen ist.

3. Ausführungsbeispiel (Fig.3 und 4)

Im dritten Ausführungsbeispiel ist das erfindungsgemäße Verfahren beschrieben, wie es sich bei der Anwendung eines kegeligen Wälzfräsers 5 unter Benutzung einer NC- gesteuerten Werkzeugmaschine darstellt. Die Fig.4 zeigt die wichtigsten Grundbaugruppen dieser Maschine. Auf einem Bett 6 ist waagerecht hin- und herbeweglich ein Querschieber 7 angeordnet und durch eine NC-Achse angetrieben, wodurch die Linearbewegung entlang der Koordinate X gegeben ist.

Auf dem Querschieber 7 ist waagerecht hin- und herbeweglich ein Ständer 8 angeordnet und durch eine NC-Achse angetrieben, wodurch die Linearbewegung entlang der Koordinate Y gegeben ist.

Auf Führungen am Ständer 8 ist senkrecht hin- und herbeweglich ein Ständerschieber 9 geführt und durch eine NC-Achse angetrieben, wodurch die Linearbewegung entlang der Koordinate Z realisiert wird. Auf dem Ständerschieber 9 befindet sich in einer Rundführung gelagert ein Drehteil 10, das eine von einer NC-Achse gesteuerte Schwenkbewegung um die Schwenkachse A ausführt. Im Drehteil 10 ist eine Frässpindel 11 gelagert, die den Wälzfräser 5 trägt.

Durch einen NC-Antrieb wird der Frässpindel 11 eine gesteuerte Drehbewegung übermittelt und auf die Werkzeugachse C übertragen. Zur Aufnahme des Werkstückes 1 ist ein Werkstücktisch 12 vorgesehen, der seinen Drehantrieb von einer NC-Achse erhält, so daß der bei aufgespanntem Werkstück 1 senkrecht verlaufenden Werkstückachse D eine gesteuerte Drehbewegung erteilt wird.

Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens stehen somit folgende NC-Achsen zur Verfügung:

NC(X)- Querschieber 7

NG(Y)- Ständer 8

NC (Z) - Ständerschieber 9

NC(A)- Drehteil 10

NC(C)- Frässpindel! 1

NC(D)- Werkstücktisch 12.

Als Erzeugungsverzahnung ist dem Beispiel ein ideelles Planrad 2 zugrunde gelegt. Der ausgewählte Bezugspunkt P zur Führung des Wälzfräsers 5 im räumlichen Koordinatensystem X, Y, Z befindet sich auf einer Kegelmantellinie 13 des Wälzfräsers 5.

Verfahrensgemäß wird die Werkzeugachse C in Abhängigkeit von der Stellung des Bezugspunktes P auf dem Bezugskreis des Planrades 2, mit dem Radius p, um die Schwenkachse A so verschwenkt, daß die Kegelmantellinie 13 des Bezugsprofils des Wälzfräsers 5 in jeder Stellung der Wälzbewegung des Planrades 2 in der Planradebene verläuft, wobei die Drehbewegung der Werkstückachse D auf die Drehbewegung der Werkzeugachse C abgestimmt ist. Ein entscheidendes Merkmal zur Realisierung dieser Verfahrensweise besteht nun darin, daß die idelle Planradachse E um ihren Schnittpunkt mit der Werkstückachse D (der mit dem Mittelpunkt Odes Planrades 2 zusammenfällt) entlang dem Kegelmantel eines gedachten Kegels 14 eine Schwenkbewegung ausführt, wobei der Kegelwinkel dieses Kegels im Beispiel dem Differenzbetrag des Kegelwinkels δ des Werkstückes 1 zu 90°, also 90° - δ entspricht. Das gedachte Planrad 2 führt also eine Taumelbewegung um die Werkstückachse D durch.

Die verfahrensgemäß zur Führung des Wälzfräsers 5 notwendige Bewegung ergibt sich als resultierende Bewegung aus den Einzelbewegungen entlang den NC-Achsen X, Y, Z und den zugeordneten Dreh- bzw. Schwenkbewegungen der NC-Achsen A; C; D. Zur Bestimmung der Bewegungsgrößen wird auf die Fig.3 verwiesen.

Der kegelige Wälzfräser 5 besitzt in bekannter Weise am Umfang angeordnete Schneidzähne (nicht gezeichnet), die bei einer Drehung um die Werkzeugachse C Zahnlücken in das Werkstück 1 schneiden. Dabei dreht sich auch das Werkstück 1 fortlaufend um die Werkstückachse D, so daß z. B. evolventenförmige Zahnlängslinien entstehen. Mit dem Werkstück 1 ist ein ideelles Planrad 2 verbunden, das sich um seine Planradachse E dreht und dabei mit dem Kegelmantel 15 des Werkstückes 1 ohne zu gleiten abrollt. Damit die Zähne am Werkstück 1 vollständig ausgeschnitten werden, ist diesen Bewegungen eine

Zusatzbewegung zu überlagern. Diese Zusatzbewegung erfolgt in Pfeilrichtung 16 um die Planradachse E und wird gemeinsam vom Planrad 2 und Wälzfräser 5 ausgeführt, wobei das Werkstück 1 ebenfalls eine Zusatzdrehung um die Werkstückachse D vollführt. Durch diese Zusatzbewegung wird die Wälzgerade 17 vom Wälzfräser 5 überquert und dadurch das Profil am Werkstück 1 vollständig ausgewälzt.

Das Werkstück 1 ist auf dem Werkstücktisch 12 aufgespannt. Die Werkstückachse D liegt senkrecht. Das Planrad 2 mit seiner Planradachse E nimmt dabei seine geneigte Lage ein. Der Wälzfräser 5 beschreibt nun während der Planradbewegung die Flankenflächen des Planrades 2.

Da der Wälzfräser 5 mit seiner Werkzeugachse C die Schwenkachse A unter einem unveränderten Winkel schneidet oder kreuzt, ist dem Planrad 2 mit seiner Planradachse E zusätzlich eine Drehung um die Werkstückachse D zu erteilen. Die Planradachse E beschreibt dann einen Teil eines Kegels 14 um die Werkstückachse D. Während sich das Planrad 2 um den Wälzwinkel ψ verdreht, führt das Werkstück eine Drehung um die Werkstückachse D aus, welcher der Verdrehwinkel * zugeordnet ist.

Zur Bestimmung des Verdrehwinkels stund der Werte für die Linearbewegungen entlang der Linearkoordinaten x, y, ζ sowie der Schwenkbewegung der Schwenkachse A um den Schwenkwinkel γ gilt die folgende Matrix.

T =

cosae - sinatcosö - sinatsinö sin at cos»tcosδ cositsinö

- sin δ cos δ

Die Koordinaten k| für die Werkzeugachse C sind z. B.:

ki=-cos ε cos φ bezogen auf X-Achse k₂ = sine bezogen auf Y-Achse

k₃= cos ε sin φ bezogen auf Z-Achse.

wobei ε der Kegelwinkel des Wälzfräsers 5 ist.

So ergibt sich z. B. mit Matrix T und Werkzeugachse C für

y" = — cosecoscpsinat + sinecosatcosö + cosesincpcosatsinö. (1)

Je nach Anordnung der Werkzeugachse C in der Maschine kann z. B. y" = O oder y" = sin ε sein, oder je nach Wahl des Werkzeuges kann auch ε ein bestimmter Wert oder auch Null sein.

Der Schwenkwinkel γ des Drehteiles 10 um die Schwenkachse A ergibt sich zu:

_ x" _ cos ε cos φ cos эе + sinesinatcos6 + cosesincpsinaesinS z" sinesinö — cos ε sin φ cos δ

Die Koordinaten P₁ des Radiusvektors ρ sind

p, =- pcosqj

P₂ = O

P₃ = ρ sin ψ.

Damit ergeben sich zusammengefaßt, bezogen auf die NC-Achsen, folgende Verfahrensbewegungen:

X = - pcosijjcosat- psiniJJsinHsinÖ

Y = - pcost|jsinjt+ psinijjcoswsinö

Z= ρ sin ψ cos δ

A : γ gemäß (2)

C : = Fräserdrehzahl η

D : Werkstückdrehung in Abhängigkeit der Fräserdrehung + gemäß (1).

Das erfindungsgemäße Verfahren ist auf allen Werkzeugmaschinen durchführbar, die über die notwendigen NC-Achsen verfügen. Nichtvorhandene NC-Achsen sind durch Zusatzeinrichtungen nachrüstbar.

In Fig. 5 ist eine Werkzeugmaschine dargestellt, die geeignet ist zum Verzahnen eines Kegelrades mit Kreisbogen-Verzahnung, unter Verwendung eines Stirnmesserkopfes 3. Die notwendigen NC-Achsen werden durch folgende Baugruppen verwirklicht:

NC X Querschieber 7 auf Bett 6

NC Y Ständer 8 auf Querschieber 7

NC Z Ständerschieber 9 an Ständer 8

NCA Drehteil 10 an Ständerschieber 9

B Einstellachse im Drehteil 18

C Werkzeugachse, Frässpindel, gelagert im Drehteil 18 NC D Werkstückachse,Werkstücktisch ^(Zusatzeinrichtung).

In den Ausführungsbeispielen wurde das erfindungsgemäße Verfahren prinzipiell anhand der notwendigen Verfahrensschritte zur Durchführung der Wälz- und Teilbewegung beschrieben. Es versteht sich, daß das Verzahnwerkzeug vor Beginn jedes Wälzvorganges durch Eintauchen in eine Zahnlücke auf die zur Darstellung der Wirkungsweise benutzte Ausgangsposition zu verfahren ist und anschließend zur Vornahme der Teilbewegung wieder aus der Zahnlücke zurückgezogen wird. Diese Tiefenvorschubbewegung s wird am günstigsten entlang der Linearkoordinate ausgeführt, die im günstigsten Winkel zum

Teilkegelmantel des Werkstückes steht. Bei Ritzeln mit kleinem Kegelwinkel δ ist das die Linearkoordinate Y, bei Tellerrädern mit großem Kegelwinkel δ bietet sich die Linearkoordinate Z an. Es kann natürlich auch senkrecht zum Teilkegelmantel verfahren werden.

Dann ergibt sich die Tiefenvorschubbewegung s als Resultierende aus den entsprechenden Komponetenanteilen der Verfahrenswege entlang der Linearkoordinaten Y, Z zu

Y = s· cosö Z = s · sin δ.

Der technisch-ökonomische Effekt der Erfindung besteht darin, daß auf NC-gesteuerten Werkzeugmaschinen Kegelräder größter Dimension mit beliebig geformten Flankenlinien in senkrechter Achslage bearbeitbar sind. Dabei erlaubt das Verfahren die Bearbeitung bei drehbarem Werkstück oder bei stehendem Werkstück mit den verschiedensten bekannten Verzahnwerkzeugen. Das eröffnet konstruktiv und werkstofftechnische Gestaltungsmöglichkeiten für Kegelradantriebe großer Abmessung ohne Rücksicht auf vorhandene Spezialmaschinen.

In Betracht gezogene Druckschrift:

WO 84/04064 (B 23 F 9/14)

Claims

1. Verfahren zur Führung eines Verzahnwerkzeuges zur Herstellung kegliger Verzahnungen beliebig geformter Flankenlinie auf Werkzeugmaschinen, mit Verzahnwerkzeugen, deren Erzeugungsprofile Bestandteile von Erzeugnisverzahnungen bilden, wobei ein ausgesuchter Bezugspunkt des Verzahnwerkzeuges zur Realisierung einer Wälzbewegung auf einen Abschnitt einer Kreisbogenbahn um die Achse der jeweiligen ideellen Erzeugnisverzahnung geführt wird, die mit der Werkstückverzahnung abrollt, dadurch gekennzeichnet, daß mit Bewegungskomponenten in drei Achsen eines räumlichen Koordinatensystems der Bezugspunkt des Verzahnwerkzeuges auf der Kreisbogenbahn so geführt wird, daß die Mittelpunkte der Kreisbögen ständig auf einer ideellen Achse gehalten werden und mindestens eine der Bewegungskomponenten linear verschoben wird und diese in einer parallel zur Werstückachse stehenden Ebene verläuft.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei Anwendung eines Stirnmesserkopfes (3) als Verzahnwerkzeug, mit auf Kreisbögen angeordneten Schneidmessern ein ausgesuchter Bezugspunkt (M) auf einen zugeordneten Kreisbogen an einem ideellen Planrad (2) geführt wird, wozu die Werkzeugachse (C) um eine Einstellachse (B) so eingeschwenkt ist, daß sie senkrecht zur Planradebene steht, und der Kreisbogen am ideellen Planrad (2) sich als resultierende Bewegung aus den Bewegungen entlang den räumlichen Linearkoordinaten (x,y, z) ergibt und daß der Werstückachse (D) in Abhängigkeit vom Wälzwinkel (ψ) des ideellen Planrades (2) eine Wälz-Drehbewegung erteilt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei Anwendung eines Stirnmesserkopfes (3) als Verzahnwerkzeug mit auf Kreisbögen angeordneten Schneidmessern der Bezugspunkte (M) auf einen zugeordneten Kreisbogen an einem ideellen Gegengrad (4) geführt wird, wozu die Werkzeugachse (C) um eine Einstellachse (B) so eingeschwenkt ist, daß sie senkrecht auf der Teilkegelmantellinie des Werkstückes (1) steht, und der Kreisbogen am ideellen Gegenrad (4) sich als resultierende Bewegung aus den Bewegungen entlang von zwei in der Ebene des Kreisbogens liegenden Linearkoordinaten (χ; γ), die Werkzeugachse (C) um die Schwenkachse (A) so geschwenkt wird, daß der Schwenkwinkel (γ) dem durch die Lage des Bezugspunktes (M) auf dem Kreisbogen bestimmten Wälzwinkel (ψ) am ideellen Gegenrad (4) entspricht und daß der Werkstückachse (D) in Abhängigkeit von diesem Wälzwinkel (ψ) eine Wälz-Drehbewegung erteilt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei Anwendung eines Stirnmesserkopfes als Verzahnwerkzeug mit spiralig zu seiner Achse angeordneten Schneidmessern ein ausgesuchter Bezugspunkt auf einem zugeordneten Kreisbogen an einem ideellen Planrad (2) geführt wird, wozu die Werkstückachse (C) um eine Einstellachse (B) so eingeschwenkt ist, daß sie senkrecht zur Planradebene steht, und der Kreisbogen am ideellen Planrad (2) sich als resultierende Bewegung aus den Bewegungen entlang der räumlichen Linearkoordinaten (x, y,z) ergibt und daß der Werkstückachse (D) in Abhängigkeit vom Wälzwinkel (ψ) des Planrades (2) eine Wälz-Drehbewegung erteilt wird, die einer Drehbewegung überlagert ist, die sich aus dem Übersetzungsverhältnis der Gangzahl des Stirnmesserkopfes zur Zähnezahl des Werkstückes (1) in Abhängigkeit von der Drehzahl des Stirnmesserkopfes ergibt.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei Anwendung eines Stirnmesserkopfes als Verzahnwerkzeug mit spiralig zu einer Achse angeordneten Schneidmessern der Bezugspunkt auf einem zugeordneten Kreisbogen an einem ideellen Gegenrad (4) geführt wird, wozu die Werkzeugachse (C) um eine Einstellachse (B) so eingeschwenkt ist, daß sie senkrecht auf der Teilkegelmantellinie des Werkstückes (1) steht, und der Kreisbogen am ideellen Gegenrad (4) sich als resultierende Bewegung aus den Bewegungen entlang von zwei in der Ebene des Kreisbogens liegenden Linearkoordinaten (x, z) ergibt, die Werkzeugachse (C) um die Schwenkachse (A) so geschwenkt wird, daß der Schwenkwinkel (γ) dem durch die Lage des Bezugspunktes auf dem Kreisbogen bestimmten Wälzwinkel (ψ) am ideellen Gegengrad (4) entspricht und daß der Werkstückachse (D) in Abhängigkeit von diesem Wälzwinkel (ψ) eine Wälz-Drehbewegung erteilt wird, die einer Drehbewegung überlagert ist, die sich aus dem Übersetzungsverhältnis der Gangzahl des Stirnmesserkopfes zur Zähnezahl des Werkstückes (1) in Abhängigkeit von der Drehzahl des Stirnmesserkopfes ergibt.

6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei Anwendung eines kegligen Wälzfräsers (5) als Verzahnwerkzeug ein ausgewählter Bezugspunkt (P) im räumlichen

Koordinatensystem (χ, у, ζ) geführt ist und dessen Werkzeugachse (C) in Abhängigkeit von der Stellung des Bezugspunktes (P) auf dem Bezugskreis des Planrades (2) um die Schwenkachse (A) so verschwenkt wird, daß die Kegelmantellinie (13) des Bezugsprofiles des Wälzfräsers (5) in jeder Stellung der Wälzbewegung des Planrades (2) parallel zur Planradebene oder in dieser verläuft, wobei die Drehbewegung der Werkstückachse (D) sich aus dem Übersetzungsverhältnis der Gangzahl des Wälzfräsers (5) zur Zähnezahl des Werkstückes (1) in Abhängigkeit von der Fräserdrehzahl und der dieser Drehbewegung überlagerten Drehwinkelanteile (it) ergibt, wie sie sich aus den Bewegungen des Planrades um die Planradachse (E) und die Taumelbewegung der Planradachse (E) um die Werkstückachse (D) ergeben.

7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wälzbewegung und die Teilbewegung bei stillstehendem Werkstück (1) durch die Bewegungen des ideeilen Planrades (2) und des mit ihm verbundenen Verzahnwerkzeuges erzeugt werden.

8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wälzbewegung und die Teilbewegung bei stillstehendem Werkstück durch die Bewegung des als Erzeugungsverzahnung benutzten ideellen Gegenrades (4) und das mit ihm verbundene Verzahnwerkzeug erzeugt werden, wobei die Gegenradachse (R) um die Werkstückachse (D) geschwenkt wird.

9. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wälzbewegung durch die Bewegungen des ideellen Planrades (2) und des mit ihm verbundenen Verzahnwerkzeuges erzeugt wird und die Teilbewegung durch das Werkstück (1) ausgeführt wird.

10. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wälzbewegung durch die Bewegung des ideellen Gegenrades (4) und des mit ihm verbundenen Verzahnwerkzeuges erzeugt wird und die Teilbewegung durch das Werkstück (1) ausgeführt wird.