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Die
Erfindung betrifft eine Werkzeugmaschine mit einer bei der Bearbeitung
eines Werkstücks von
einem Werkstückspindelmotor
kontinuierlich drehangetriebenen Werkstückspindel und mit einer in einem
im Wesentlichen festen Drehzahlverhältnis mit der Werkstückspindel
von einem Werkzeugspindelmotor kontinuierlich drehangetriebenen
Werkzeugspindel, wobei ein oder mehrere Schneidkanten eines der
Werkzeugspindel zugeordneten Schneidwerkzeugs insbesondere im unterbrochenen
Schnitt spanabhebend in das der Werkstückspindel zugeordnete Werkstück eintreten,
wobei Werkstückspindelmotor
und Werkzeugspindelmotor von einer Synchronisationsregelung angesteuert
werden, welche als Eingangsdaten Winkelstandinformationen von je einem
der Werkstückspindel
und einem der Werkzeugspindel zugeordneten Drehgeber erhält, um aus diesen
Winkelstandinformationen Wechsel- oder Dreh-Antriebsströme zu erzeugen zum Antrieb
des Werkstückspindelmotors
und des Werkzeugspindelmotors, wobei die beiden Spindelmotoren je
eine Vielzahl von dem Stator oder dem Rotor in gleichmäßiger Winkelverteilung
zugeordnete Wicklungen aufweisen, die mit dem jeweiligen Wechsel-
oder Drehstrom bestromt werden und die mit dem Rotor oder dem Stator
in gleichmäßiger Winkelverteilung
zugeordneten Magneten, insbesondere Permanent-Magneten zusammenwirken.
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Derartige
Werkzeugmaschinen sind im Stand der Technik bekannt und dienen insbesondere der
Zahnflankenbearbeitung von Werkstücken. Die Werkstücke können unverzahnt
oder bereits vorverzahnt sein. Das Werkzeug besteht aus einem drehangetriebenen
Werkzeugträger
mit mindestens einer Schneidkante. Werkzeugmaschinen der vorbezeichneten
Art sind beispielsweise bekannt aus der
DE 32 40 165 ,
DE 33 76 300 ,
EP 107 826 ,
DE 3718 261 oder
DE 196 31 673 . Unabhängig davon,
wie das Werkzeug im Detail ausgebildet ist, ob es mit ei nem Schlagmesser
oder mit einer Vielzahl von Schneidkanten, insbesondere schraubengangförmig angeordneter
Schneidkanten versehen ist, arbeitet ein derartiges Werkzeug mit
einem unterbrochenen Schnitt. Werkzeugspindel und Werkstückspindel
stehen nicht über
einen mechanischen Getriebezug in Wirkung zueinander. Vielmehr werden
Werkstückspindel
oder Werkzeugspindel jeweils von einem Servo-Spindelmotor angetrieben.
Jeder dieser Spindelmotoren besitzt einen Stator und einen Rotor.
Entweder der Stator oder der Rotor besitzt eine Vielzahl von Wicklungen,
die mit einem Drehstrom oder einem Wechselstrom bestromt werden.
Der jeweils andere Teil des Motors, also der Rotor oder der Stator besitzt
den Wicklungen zugeordnete Magnete. Diese Magnete können von
Kurzschlussspulen, mit einem Erregerstrom bestromten Spulen oder
von Permanentmagneten gebildet werden. Die Anzahl der Magnete entspricht
der Anzahl der Wicklungen und liegt in der Regel bei drei. Jede
Spindel besitzt einen Drehgeber, der eine gewisse Winkelteilung
besitzt. Dieser Drehgeber versorgt die Synchronisationsregelung
für die "elektrische Welle" zwischen den beiden
Spindelmotoren mit den Ist-Werten. Die Synchronisationsregelung
bestromt die Servo-Motoren derart, dass nach Möglichkeit die Soll-Werte erreicht werden.
Bei diesen Sollwerten laufen Werkstückspindel und Werkzeugspindel
in einem vorbestimmten und im Wesentlichen festen Drehzahlverhältnis zueinander.
Wie aus den oben genannten Druckschriften hervorgeht, wird dieses
feste Drehzahlverhältnis bei
bestimmten Bearbeitungsverfahren kontrolliert geringfügig geändert. Dabei
wird dem Drehzahlverhältnis
eine gewisse Phasenverschiebung aufgezwungen. Auf diese Weise können Schrägverzahnungen
erzeugt werden.
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In
den heutigen Werkzeugmaschinen werden allgemein frequenzgesteuerte
Synchron- oder Asynchronmotoren als Werkstück- oder Werkzeugantriebe eingesetzt.
Diese sind entweder als Direktantriebe oder als Baueinheiten, bei
denen der Motor über
einen Riementrieb oder mit anderen Maschinenelementen, z.B. mit
Getrieben mit einer Spindeleinheit verbunden ist, ausgebildet.
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Diese
Antriebe sind in ihren bautechnischen Eigenschaften dafür ausgelegt,
bei einer bestimmten Nenndrehzahl ein bestimmtes Drehmoment aufbringen
zu können.
Allen den vorgenannten Motortypen gemein ist, dass sie aus dem Stillstand
heraus bzw. bei niedrigen Drehzahlen relativ geringe Drehmomente
besitzen. Sollen Werkzeug- und insbesondere Werkstückspindeln
in einem relativ niedrigen Drehzahlbereich von 10 bis 600 rpm (Rotation
pro Minute) angetrieben werden, so müssen diese Servo-Motoren die
oben genannten Untersetzungsgetriebe besitzen. Werden diese Untersetzungsgetriebe
nicht verwendet, so haben die Antriebe den Nachteil einer äußerst geringen
Drehzahlsteifigkeit bzw. -konstanz.
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Typisch
bei dem Verzahnen von Werkzeugen mit den eingangs genannten Werkzeugmaschinen
ist der unterbrochene Schnitt. Die Werkzeugspindel läuft für einen
gewissen Drehwinkelbereich nahezu frei, bis eine Schneidkante eines
Schneidwerkzeuges in das Material eintritt. Dann erhöht sich schlagartig
die Drehmomentbelastung der Werkzeugspindel. Bei den bekannten Antrieben
wird dabei die Regelung geringfügig
aus dem Takt gebracht, so dass das Werkzeug seinem Sollwinkel nachläuft. Dies
führt bei
der Verzahnung oder aber auch bei der Mehrkantbearbeitung zu Fehlern
in den zu erzeugenden Oberflächen.
Im Stand der Technik wurden bereits Vorschläge gemacht, Synchron- oder
Asynchronmotoren mit Planetengetrieben oder dergleichen zusammenwirken
zu lassen. Nachteilig ist dabei neben dem höheren bautechnischen Aufwand
die Langzeitfähigkeit
solcher Elemente. Der Antrieb läuft in
der Regel nach mehreren tausend Betriebsstunden nicht mehr drehfehlerfrei.
Die Drehzahlgenauigkeit wird somit nicht erreicht. Außerdem ist
ein großer Platzbedarf
nachteilhaft.
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Werden
Untersetzungsgetriebe verwendet, so ist das damit einhergehende
Getriebespiel nachteilhaft für
die Präzision
der Bearbeitung.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einer Werkzeugmaschine
der eingangs genannten Art Maßnahmen
vorzusehen, um die Bearbeitungsgenauigkeit trotz wechselnder Drehmomentbelastungen
zu erhöhen.
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Gelöst wird
die Aufgabe durch die in den Ansprüchen angegebene Erfindung.
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Jeder
Anspruch stellt für
sich eine eigenständige
Lösung
der vorgenannten Aufgabe dar und ist grundsätzlich mit jedwedem anderen
Anspruch kombinierbar.
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Es
ist zunächst
und im Wesentlichen vorgesehen, dass einer der Spindelmotoren, also
entweder ein Werkstückspindelmotor
oder ein Werkzeugspindelmotor oder beide Spindelmotoren eine Magnetanzahl
besitzen, die entweder verschieden von der Anzahl der Wicklungen
ist und/oder mindestens zehn beträgt. Die Anzahl der Magnete
kann somit größer oder
kleiner sein als die Anzahl der Wicklungen. Sie ist bevorzugt kleiner
als die Anzahl der Wicklungen. Bevorzugt ist eine große Zahl
von Magneten bzw. Wicklungen. Die Wicklungen können dem Stator des Elektromotors
oder aber dem Rotor des Elektromotors zugeordnet sein. Selbiges
gilt für
die Magnete, die mit den Wicklungen zusammenwirken. Zufolge der
unterschiedlichen Anzahl der Magnete zur Anzahl der Wicklungen ist
es möglich,
dass der erfindungsgemäße Spindelmotor
mit extrem kleinen Drehzahlen betrieben wird und dennoch große Drehmomente übertragen
kann, wobei der Motor eine große
Drehmomentsteifigkeit besitzt. Der Motor kann darüber hinaus
in jeder beliebigen Drehstellung angehalten werden und auch aus
jeder beliebigen Drehstellung wieder selbsttätig anlaufen. Wesentlich ist
auch die hohe Anzahl der Polpaare, die eine deutlich feinere Abstufung
der Drehzahl bei festen Frequenzschritten ermöglicht. In entsprechender Weise benötigen dann
auch die Drehgeber eine entsprechend hohe und höhere Winkelauflösung, als
es beim Stand der Technik erforderlich bzw. möglich ist. Der besondere Vorteil
der Verwendung der eingangs beschriebenen Motoren als Spindelmotoren
besteht des Weiteren darin, dass der Motor relativ wenig belastet
wird, aber dennoch durch seine Bauart bedingt sehr steif und unempfindlich
gegen Drehmomentstöße von außen z.B.
durch den unterbrochenen Schnitt bei der Bearbeitung von Werkstücken reagiert.
Es wird also die Eigenschaft der Motoren benutzt, kurzzeitig sehr
hohe Drehmomente aufbringen zu können.
Diese Motoren können
zwar ihr maximales Drehmoment nicht auf Dauer aufbringen, da sie
sonst überhitzt
würden,
wenn sie nicht besonders gekühlt werden.
Für den
unterbrochenen Schnitt ist dies aber ausreichend. Die Motoren werden
ohne besonderes Untersetzungsgetriebe verwendet. Der Stator wird am
Maschinengestell befestigt. Der Rotor treibt direkt die Werkzeugspindel
oder Werkstückspindel
an.
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Die
zuvor beschriebene Werkzeugmaschine ist nicht nur geeignet, Verfahren
mit einem unterbrochenen Schnitt durchzuführen. Mit der Werkzeugmaschine
lässt sich
auch das Wälzschälverfahren durchführen. Bei
diesem Verfahren stehen Werkstückspindelachse
und Werkzeugspindelachse windschief in einem Achskreuzwinkel zueinander.
Der Vorschub erfolgt in Achsrichtung der Werkstückspindel. Die insbesondere
schräg
verlaufenden Zähne des
Wälzschälrades greifen
bei diesem Verfahren kontinuierlich in die Zähne des Werkstücks ein.
Beide Zähne
kämmen
miteinander. Gleichwohl laufen diese beiden Zahnräder nicht
in gegenseitiger Drehmitnahme in dem Sinne, dass lediglich eines
der beiden Zahnräder
(Werkstück
oder Werkzeug) drehangetrieben ist und das andere jeweils mitläuft. Obgleich
die Spanrichtung in der Erstreckungsrichtung der Zähne des
Werkstücks
erfolgt, werden sowohl Werkstückspindel
als auch Werkzeugspindel jeweils von einem der zuvor beschriebenen
Motoren drehangetrieben, so dass Werkstück bzw. Werkzeug jeweils über eine Welle
unmittelbar mit der Motorwelle in Verbindung stehen. Die Schälkanten
des Wälzschälwerkzeuges werden
von den Stirnkanten der Zähne
des Wälzschälrades gebildet.
Die beiden miteinander kämmenden
Räder können mit
Drehzahlen ange trieben werden, die höher sind, als die zuvor genannten Drehzahlen.
Die Motoren sind dementsprechend ausgelegt. Bei dieser Betriebsart
werden die Zahnlücken
gleichsam "gehämmert". Dabei entsteht
ein bei jeder Werkstückumdrehung
größer werdender
Span, der vom Schälwerkzeug
weitergetrieben wird. Die Verwendung der erfindungsgemäßen Motoren
ist hier insbesondere wegen der großen Drehmomente vorteilhaft.
Bei einem entsprechend massiven Maschinenaufbau können die
Zähne mittelst
des Wälzschälverfahrens
sogar aus einem vollen Rohling, bspw. einem Ring, herausgearbeitet
werden. Die hierzu erforderlichen Axialkräfte werden von der Werkstückspindel
bzw. der Werkzeugspindel aufgenommen. Bevorzugt werden aber vorverzahnte Werkstücke bearbeitet,
die von dem Wälzschälverfahren
lediglich auf Kontur gebracht werden. Die Werkzeugmaschine ist somit
nicht nur geeignet für Prozesse
mit unterbrochenem Schnitt, sondern auch für solche Prozesse, bei denen
hohe Kräfte
erforderlich sind und insbesondere bei spanenden Bearbeitungsprozessen,
bei denen zufolge der Relativlage von Werkstück und Werkzeug zueinander
und Form des Werkzeuges die Drehbewegung in eine axiale spanabhebende
Bewegung umgewandelt wird.
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung werden nachfolgend anhand beigefügter Zeichnungen erläutert. Es
zeigen:
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1 den
schematischen Aufbau der wesentlichen Elemente der beanspruchten
Werkzeugmaschine,
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2 in
schematischer Darstellung den Querschnitt durch einen Spindelmotor
und
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3 eine
schematische Darstellung eines Wälzschälwerkzeuges
im Eingriff in ein innenverzahntes Werkstück im Schnitt.
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Die
erfindungsgemäße Werkzeugmaschine besteht
aus einem nicht dargestellten Maschinenbett, dem ein Werkstückspindelträger für die Werkstückspindel 3 und
ein Werkzeugspindelträger
für die Werkzeugspindel 5 zugeordnet
ist. Die Werkzeugmaschine kann mehrere Werkstückspindeln 2 und auch mehrere
Werkzeugspindeln 5 besitzen. Insbesondere ist vorgesehen,
dass einer Werkstückspindel 3 zwei
oder mehr Werkzeugspindeln 5 zugeordnet sind. Die Werkstückspindel 3 kann
mittelst eines Werkstückspindelträgers derartig
dem Maschinenbett zugeordnet sein, dass die Werkstückspindel 3 in den
in 1 mit x, y, z bezeichneten Raumrichtungen verschiebbar
ist. Zusätzlich
können
Maßnahmen vorgesehen
sein, um die Werkstückspindel 3 um
eine dieser Raumrichtungen, vorzugsweise um die x-Richtung zu verschwenken.
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Dieselben
Maßnahmen
können
auch für
die Werkzeugspindel 5 vorgesehen sein. Auch hier kann der
diesbezügliche
Träger,
nämlich
der Werkstückspindelträger in den
drei Raumrichtungen x, y, z verschiebbar angeordnet sein. Zusätzlich kann
die Werkstückspindel 5 um
zumindest eine Raumachse, um den Winkel W verstellt werden. Alle
diese Verstellmöglichkeiten
der Lage der Werkstückspindelachse 3 bzw.
der Werkzeugspindelachse 5 können mittelst Stellmotoren
vorgenommen werden.
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Die
Werkzeugspindel 3 trägt
mit einem nicht dargestellten Spannfutter ein Werkstück 1.
Im Ausführungsbeispiel
handelt es sich um ein vorverzahntes Zahnrad, dessen Zahnflanken
vom Werkzeug bearbeitet werden sollen. Die Werkstückspindel 3 wird von
einem Werkstückspindelmotor 2 angetrieben. Die
Drehzahl bzw. der Drehwinkel der Werkstückspindel 3 wird mittelst
eines Drehgebers 8 gemessen und einer Synchronisationsregelung 7 zugeleitet.
Der Werkstückspindelmotor 2 erhält seinen
Strom von der Synchronisationsregelung 7. Die Frequenz
des den Werkstückspindelmotor 2 antreibenden
Dreh- oder Wechselstroms
wird von der Synchronisationsregelung 7 anhand der vom
Drehgeber 8 empfangenen Informationen gesteuert.
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Die
Werkzeugspindel 5 trägt
ein Schneidwerkzeug 6, welches die oben genannte Zahnflankenbearbeitung
im unterbrochenen Schnitt durchführt.
Die Werkzeugspindel 5 wird von einem Werkzeugspindelmotor 4 drehangetrieben.
Auf der Werkzeugspindel 5 sitzt ein Drehgeber 9,
der seine Drehzahl bzw. Winkelstandinformation der Synchronisationsregelung 7 übermittelt.
Die Synchronisationsregelung y erzeugt den Dreh- bzw. Wechselstrom,
um den Werkzeugspindelmotor 4 anzutreiben.
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Die
Synchronisationsregelung 7 verwendet bei der Erzeugung
des Antriebsstroms für
den Werkstückspindelmotor 2 bzw.
den Werkzeugspindelmotor 4 die Daten beider Drehgeber 8, 9,
um die Drehbewegungen von Werkstück 1 und
Schneidwerkzeug 6 derart zu synchronisieren, dass das Schneidwerkzeug 6 im
Wesentlichen mit einem festen Drehzahlverhältnis zum Werkstück 1 dreht.
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Zur
Erzeugung einer Schrägverzahnung kann
es vorgesehen sein, dass sich die Phasenlage der beiden Drehbewegungen
der Werkzeugspindel 5 und der Werkstückspindel 3 während der
Bearbeitung geringfügig ändert.
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Zufolge
der Erfindung ist entweder der Werkstückspindelmotor 2,
der Werkzeugspindelmotor 4 oder sind beide Motoren 2, 4 als
Torque-Motoren ausgebildet.
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Im
Ausführungsbeispiel
besitzt einer der beiden Spindelmotoren 2, 4 einen
Aufbau, der schematisch in der 2 dargestellt
ist, welche einen Querschnitt durch einen Spindelmotor 2, 4 zeigt.
Der mit der Bezugziffer 10 bezeichnete Stator des Motors
ist gehäusefest
und liegt in einer Höhlung
eines Spindelträgers
ein. Der Stator 10 bildet eine Hülse, innerhalb welcher sich
der Rotor 11 drehen kann. Es ist aber auch möglich, dass
der Rotor die Form einer Hülse besitzt
und sich um einen den Stator bildenden Kern dreht. In jedem Falle
ist aber die jeweilige Spindel 3, 5 fest mit dem
Rotor verbunden, so dass die Rotordrehung der Drehung des Werkstückes 1 bzw.
der Drehung des Schneidwerkzeuges 6 entspricht.
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Der
in der 2 schematisch dargestellte Rotor 11 trägt auf seiner
radial nach außen
weisenden Mantelfläche
eine Vielzahl von dicht aber mit Abstand nebeneinander liegenden
Permanentmagneten 13. Die Polrichtung B der Permanentmagnete 13 verläuft in Radialrichtung
der Drehachse des Rotors 11. In der zeichnerischen Darstellung
liegen die Magnete 13 etwas beabstandet voneinander. In
der Realität
können
die Permanentmagnete 13 dichter aneinander liegen. Die
Polungen benachbarter Magnete 13 verlaufen in entgegengesetzter
Richtung.
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Zwischen
den Magneten 14 und den Wicklungen 12, die dem
Stator 10 zugeordnet sind, befindet sich ein schmaler,
kreisförmiger
Luftspalt. Der Durchmesser dieses Ringspaltes zwischen den Magneten 13 und
den Wicklungen 12 ist bevorzugt größer als 7, 8, 11, 16, 20, 25,
30, 35, 40, 45, 60 oder 70 cm.
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Im
Ausführungsbeispiel
besitzt der Rotor 11 zehn Magnete. Bevorzugt ist die Anzahl
der Magnete größer als
10 und größer als
12, 14, 16, 18, 20, 24, 28, 32, 38, 46, 50, 60, 72, 90 oder 102.
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Die
Anzahl der Magnete 13 ist kleiner als die Anzahl der Wicklung 12.
Im Ausführungsbeispiel
besitzt der Stator 10 elf Wicklungen. Demzufolge ist der Winkelabstand
zweier Wicklungen 12 kleiner als der Winkelabstand zweier
Magnete 13.
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Eine
typische Anordnung von Magneten
13 und Wicklungen
12 wird
in der
DE 695 03 521
T3 anhand eines Linearmotors bzw. eines Torque-Motors beschrieben.
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Im
Ausführungsbeispiel
beträgt
der Unterschied zwischen der Anzahl der Magnete 13 und
der Wicklungen 12 eins. In der nicht dargestellten Ausgestaltung
der Erfindung können
diese Unterschiede aber auch 2, 3, 4, 5 oder sogar mehr betragen.
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Bei
dem zuvor beschrieben Ausführungsbeispiel
unterscheidet sich die Anzahl der Magnete 13 von der Anzahl
der Wicklungen 12. Es gibt dort mehr Wicklungen 12 als
Magnete 13. In einem nicht dargestellten Ausführungsbeispiel
ist die Anzahl der Magnete 13 größer als die Anzahl der Wicklungen 12. Auch
bei diesem Ausführungsbeispiel
stehen sich Wicklungen 12 und Magnete 13 in unterschiedlicher Winkellage
gegenüber,
so dass sich eine Vielzahl von schräg zur Radialen verlaufenden
Kraftfelder ausbilden, die derartig auch entgegengesetzt wirken, dass
der Motor durch verspannte Magnetfelder im Stillstand gehalten oder
bei geringsten Drehzahlen gedreht werden kann.
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In
der 3 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel dargestellt.
Die Werkstückspindel,
die mit der Bezugsziffer 3 angedeutet ist, wird von einem
der oben beschriebenen Motoren drehangetrieben. Das Werkstück 1 ist
ein innenverzahnter Rohling. Die Verzahnung des Rohlings 1 besitzt
ein Aufmaß,
so dass die Zahnlücken
geringer sind, als die Zahnlücken
des fertig bearbeiteten Zahnrades. In diese Rohlingszahnkontur wird
mittels des mit der Bezugsziffer 6 bezeichneten Wälzschälwerkzeuges
die Fertigkontur eingeschnitten. Das überschüssige Material wird dabei in
Achsrichtung der Werkstückspindelachse 3 abgeschält, wozu
das Werkstück 1 in
der Richtung V vorgeschoben wird. Dies erfolgt in ständigem Zahneingriff
der schräg
stehenden Zähne
des Wälzschälwerkzeuges 6 in
die Zahnlücken
des Werkstücks 1. Beim
Wälzschälwerkzeug 6 sind
die Zahnstirnflanken die spanabtragenden Werkzeuge. Die Kontur der Zahnflanken
des Werkstücks 1 wird
von der Kontur der Stirnkanten des Werkzeuges 6 definiert.
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Das
Werkzeug 6 wird um die mit der Bezugsziffer 5 bezeichnete
Achse drehangetrieben. Der Antrieb erfolgt dabei synchronisiert
zum Antrieb der Werkstückachse 3.
Auch der Wälzschälkopf 6 wird von
einem Motor, wie er oben beschrieben ist, drehangetrieben.
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In
einem weiteren, nicht dargestellten Ausführungsbeispiel entspricht die
Anzahl der Magnete 13 der Anzahl der Wicklungen 12.
Jeder Wicklung 12 kann dabei ein Magnet 13 unmittelbar
gegenüberliegen.
Dieser Aufbau entspricht im Wesentlichen dem Aufbau eines üblichen
Synchronmotors, jedoch mit dem Unterschied, dass die Anzahl der
Polpaare sehr hoch ist. Sie beträgt
hier mindestens 10, 14, 19, 27, 38, 54, 75, 105.
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Alle
offenbarten Merkmale sind (für
sich) erfindungswesentlich. In die Offenbarung der Anmeldung wird
hiermit auch der Offenbarungsinhalt der zugehörigen/beigefügten Prioritätsunterlagen
(Abschrift der Voranmeldung) vollinhaltlich mit einbezogen, auch
zu dem Zweck, Merkmale dieser Unterlagen in Ansprüche vorliegender
Anmeldung mit aufzunehmen.