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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zum Kaltwalzen von längsgerichteten
Verzahnungen und Profilen bei langen wellenförmigen Werkstücken
mit einer Profilwalzmaschine mit inkrementalen Rundwalzwerkzeugen.
Die Erfindung betrifft außerdem eine Profilwalzmaschine
mit inkrementalen Rundwalzwerkzeugen und die Verwendung der Profilwalzmaschine
zum Walzverdichten und Nachwalzen.
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Gemäß der
DE 1142823 B1 ist
das Längsprofilieren von Werkstücken, insbesondere
von Zahnrädern oder Mehrkeilwellen, mit Problemen verbunden.
Das Warmwalzen von Längsprofilen mit einem Werkzeugkopf
mit mehreren symmetrisch zur Achse einer Werkstückaufnahme
drehbar gelagerten Profilwalzen hat den Nachteil, dass die Werkstücke häufig
dazu neigen, selbst bei genauem Synchronlauf der sich über
ihre konischen Abwälzflächen aneinander abwälzenden
und gleichmäßig angetriebenen Walzen, sich zu
verziehen und den Durchlass zwischen den Walzen mit einer gekrümmten
Achse oder gegebenenfalls auch in leicht axial verwundener Form
zu verlassen. Ebenso ist das Verziehen der Werkstücke beim
Kaltwalzen zu beobachten. Das gleichzeitige Einwirken der Walzen
auf die gesamte Umfangsfläche des Werkstücks führt
beim Kaltwalzen zu nicht beherrschbaren hohen Flächendrücken und
Lagerbeanspruchungen der Walzen. Die Erzeugung genauer Profile bedingt
dadurch einen zusätzlichen Nachbearbeitungsvorgang.
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Diese
Schwierigkeiten sollen beim Längsprofilieren von kalten
Werkstücken durch eine Vorrichtung überwunden
werden, die entsprechende der
DE 1016222 B1 einen rotierenden Rollkopf
mit Walzrollen aufweist, die planetenartig um eine Rollkopfachse
umlaufen und ringartig profiliert sind. Die Profilwalzen, die dabei
zur Anwendung kommen, sind frei drehbar in einem motorisch angetriebenen Schlagkopf
gelagert, der bei seiner Drehung die in ihm gelagerten Profilwalzen
auf einer Kreisbahn führt. Ebenfalls aus der
DE 1150040 C2 ist bekannt, dass
bei dem schlagartigen Auftreffen jeder Walze auf das Werkstück
eine plötzliche und recht erhebliche Rotationsbeschleunigung
der einzelnen Walzen im Sinne der Drehung um ihre eigene Achse auftritt und
dass die zur Beschleunigung notwendigen Kräfte schwer zu
beherrschende Schwingungen und stoßartige Beanspruchungen
zwischen der Profilwalze und dem Werkstück hervorrufen
können, die zur Minderung der Oberfläche der erzeugten Profilkörper führen.
Nachteilig ist die fortschreitende Bearbeitung des Profils in Längsrichtung,
wobei eine unerwünschte Verformung benachbarter Profile
eintreten kann.
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Außerdem
sind eine Vielzahl von Profilwalzmaschinen mit paarweise angeordneten
Walzstangen oder Rundwalzwerkzeugen bekannt. Diese dienen zur Herstellung
rotationssymmetrischer Werkstücke mit beispielsweise einer
geraden oder schrägen Verzahnung, Spiralverzahnung, mit
Nuten, Gewinde oder einer Rändelung. Das spanlose Kaltwalzen
von Profilen bietet den Vorteil einer wesentlich schnelleren Fertigung
als die spanabhebende Bearbeitung, wobei kaltgewalzte Werkstücke
zudem eine höhere Festigkeit, eine bessere Oberflächengüte
und eine größere Genauigkeit bieten. Hierbei sind
dem Verfahren des Kaltwalzens ebenso durch die hohen Walzkräfte
und die nicht zu beherrschenden hohen Flächendrücken
und Lagerbeanspruchungen der Walzen Grenzen gesetzt. Das Kaltwalzen
von längsgerichteten Verzahnungen und Profilen bei langen wellenförmigen
Werkstücken ist damit bisher entsprechend der Breite der
Walzstange oder des Rundwalzwerkzeugs auf kurze Werkstücke
begrenzt.
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Ein
Problem ist das Vermeiden von Teilungsfehlern beim Walzen von Verzahnungen.
Nach der
CH 482487 C1 entscheidet
das Abrollen der ersten halben Umdrehung des Werkstückes
zwischen den herangeführten Verzahnungsrollen die Teilungsgenauigkeit
für den ganzen weiteren Verlauf des Verformungsvorganges.
Die Teilungsgenauigkeit und größere Materialverformungen
im Einstechvorgang werden durch Inkrementalwerkzeuge bewerkstelligt, die
an ihrem Umfang unterschiedliche Vorrollzähne gleicher
Teilung und anschließend an diese in der gleichen Teilung
mehrere zu der Achse der Rolle konzentrische Fertigrollzähne
aufweisen, wobei sich die Profile der aufeinander folgenden Vorrollzähne
dem Profil der Fertigrollzähne progressiv nähern.
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Mit
diesen Inkrementalwerkzeugen lassen sich größere
Materialverformungen als bisher durchführen und insbesondere
auch Verzahnungen rollen. Die voneinander unterschiedlichen Vorrollzähne
erleichtern das Eindringen in das Werkstück. Die Verformungsarbeit
ist auf die Vorrollzähne aufgeteilt. Inkrementalwerkzeuge
sind desgleichen auch bei zahnstangenförmigen Walzwerkzeugen
beispielsweise aus der
DE
3910003 A1 bekannt. Die
CH 482487 C1 und die
DE 3910003 A1 enthalten
keinen Hinweis auf das Kaltwalzen von langen wellenförmigen
Werkstücken, deren längsgerichtete Verzahnung oder
Profilierung über die Breite der Walzstangen oder Rundwalzwerkzeuge
hinausreicht.
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Ein
weiteres Problem beim Walzverdichten und Nachwalzen oder Walzkalibrieren
von vorverzahnten Zahnrädern besteht darin, dass beim Anstellen
der in einem angetriebenen Walzschlitten gelagerten Rundwalzwerkzeuge
durch einen abweichenden Betriebseingriffswinkel Profilverschiebungen zwischen
den Walzen und dem Werkstück eintreten können.
Dies erfordert eine exakte Anstellung und Positionierung der Rundwalzwerkzeuge
beim Beginn des Anwalzvorgangs.
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So
ist beispielsweise aus der
DE
10031652 C1 und der
DE 43 06 742 A1 bekannt, die Zahnteilung
im Bereich einer Anwalzzone im ersten Abschnitt des Werkzeuges in
Abhängigkeit vom Vorbearbeitungsdurchmesser des zu bearbeitenden
Werkstückes festzulegen. Mit den zwei gegenüber
dem Werkstückmittelpunkt punktsymmetrisch angeordneten
Flachbackenwerkzeugen wird sodann einmal über die gesamte
Arbeitslänge des Werkzeuges, beginnend beim am meisten
abgeflachten Zahn des Anwalzbereiches, über die Mantelfläche
des zu erzeugenden Zahnrades abgerollt. Hierbei entsteht eine gewisse
Grundausbildung des zukünftigen Zahnrades bereits im Anwalzbereich,
wobei mit jedem Zahn des Anwalzbereiches eine größere
Eindringtiefe in den Werkstückkörper gegeben ist.
Dieses Verfahren führt nicht zu zufriedenstellenden Werkstückergebnissen
mit gleichbleibender Qualität, insbesondere wenn das Walzwerkzeug
mit dem Werkstück zu Beginn des Walzvorganges mit dem Anwalzbereich
in Eingriff gebracht wird.
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Die
Aufgabe der Erfindung liegt in einem Verfahren und einer Profilwalzmaschine
mit der beim Kaltwalzen von längsgerichteten Verzahnungen
und Profilen bei langen wellenförmigen Werkstücken
mit Rundwalzwerkzeugen die auftretenden Verformungskräfte
sicher beherrscht werden können. Eine weitere Aufgabe ist
das Vermeiden von Teilungsfehlern durch Materialverformungen im
Einstechvorgang des Anwalzbereiches.
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Erfindungsgemäß wird
die Aufgabe durch ein Profilwalzverfahren mit einer Profilwalzmaschine mit
inkrementalen Rundwalzwerkzeugen dadurch gelöst, dass eine
längsgerichtete Profilierung oder Verzahnung in mehreren
axial fortschreitenden Teilabschnitten gewalzt wird, wobei in einem
ersten Arbeitsschritt ein erster Verzahnungsabschnitt mit synchron
drehangetriebenen Rundwalzwerkzeugen gewalzt wird und in einem zweiten
und jedem folgenden Arbeitsschritt ein zweiter Profilabschnitt und
weitere Abschnitte gewalzt werden, wobei das Anwalzen und Anstellen
anstelle im Anwalzbereich in einem Übergangsbereich zwischen
dem Anwalzbereich und dem Kalibrierbereich der Rundwalzwerkzeuge
vorgenommen wird derart, dass eines der Rundwalzwerkzeuge separat
mit einem frei steuerbaren Walzschlitten mit einer pendelnden Umfangsbewegung
unter teilweiser Überdeckung des ersten Verzahnungsabschnittes
bis zum Erreichen des Werkstückkontakts angestellt wird,
wonach das Rundwalzwerkzeug mit dem Erreichen des Werkstückkontakts
mit dem Werkstück in die Anfangsposition des Anwalzbereichs
zurückgefahren, das zweite Rundwalzwerkzeug zugestellt und
der Walzprozess des zweiten Profilabschnittes und jedes weiteren
Abschnittes vorgenommen wird.
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Der
Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens des Einfädelns
nur eines einzelnen Rundwalzwerkzeugs mit einer pendelnden Umfangsbewegung im
Bereich des Übergangsabschnitts zwischen dem Anwalzabschnitt
und dem Kalibrierabschnitt ist darin begründet, dass mehrere
nebeneinander liegende Verzahnungsabschnitte mit exakt gleicher
Teilung und Profilüberdeckung gewalzt werden können. Durch
das Einpendeln oder Einfädeln des Walzwerkzeugs in Bezug
auf die bereits vorhandene Profilierung bis zum Werkstückkontakt
wird eine exakte Positionierung der Rundwalzwerkzeuge zu dem Werkstück
gesichert. Beim Einpendeln ist das Werkstück frei beweglich.
Aus diesem Grund können beim Walzverdichten und Nachwalzen
vorprofilierter Verzahnungen keine Teilungsübergänge
oder Profilfehler auftreten. Die Qualität der Verzahnungen
wird erhöht und Werkzeugbruch sicher vermieden. Es können
schmale und kostengünstige Werkzeuge eingesetzt werden.
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Darüber
hinaus kann die Steifheit der Profilwalzmaschine und die Belastung
der Wellenlager gesenkt werden. Schließlich erlaubt das
Verfahren Werkstücke von größeren Dimensionen
herzustellen, weil die exakte Profilierung in mehreren Teilabschnitten
möglich ist.
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Die
Erfindung soll nachstehend anhand eines Ausführungsbeispiels
unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert
werden. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich
aus den Unteransprüchen. Im Einzelnen zeigt
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1 die
Position der Rundwalzwerkzeuge im Kalibrierbereich,
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2 die
Position des Anwalzens im Übergangsbereich,
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3 das
Walzen eines ersten Verzahnungsabschnittes einer Verzahnung und
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4 das
Walzen eines zweiten Profilabschnitts der Verzahnung in schematischer
Darstellung.
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In 1 sind
zwei parallel angeordnete Walzspindeln 1 einer Profilwalzmaschine
zur Durchführung des Verfahrens dargestellt, die im Gleichlauf synchron
angetrieben sind. Die Walzspindeln 1 sind beispielsweise
mit Keilnuten 2 versehen, mit deren Hilfe das rechte Rundwalzwerkzeug 3 und
das linke Rundwalzwerkzeug 3 drehfest und spielfrei mit
den Walzspindeln 1 verbunden sind. Die Befestigung erfolgt
zugleich mit dem Ausrichten der Rundwalzwerkzeuge 3 in
Drehrichtung 4, damit die Profilspitzen sich genau gegenüberstehen
und die Rundwalzwerkzeuge 3 exakt synchron drehangetrieben
sind. Der Gleichlauf der Rundwalzwerkzeuge 3 kann über
ein Verteilergetriebe und Gelenkwellen gewährleistet werden,
die von einem gemeinsamen Getriebemotor angetriebene werden. Die
Walzspindeln 1 sind in nicht weiter dargestellten Walzschlitten
der Profilwalzmaschine gelagert, die in der Zustellrichtung in einer
Ebene zu einem Werkstück 5 hin verschiebbar sind.
Zugleich verfügt die Profilwalzmaschine über eine
Vorschubsteuerung und eine Positionssteuerung, mit der die beiden
Walzspindeln 1 separat unabhängig und voneinander
in der Zustellrichtung 6 frei positionierbar sind.
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Ebenso
kann der Gleichlauf der Rundwalzwerkzeuge 3 über
eine CNC-Steuerung und eine zentrale Rechner- und Steuerungseinheit
rechnergestützt bewerkstelligt werden. Die CNC-Steuerung
beinhaltet eine CNC-Steuerungssoftware für den Synchronantrieb
und die Vorschubsteuerung der Walzspindeln 1. Für
jede Walzspindel 1 und für jeden Walzschlitten
sind separate Antriebe vorgesehen. Zum Walzen von Verzahnungen sind
zwei unabhängige CNC-Antriebe für die Walzspindel 1 vorgesehen,
die durch eine CNC-Steuerung elektronisch geregelt werden. Der CNC-Antrieb
für die Walzspindel 1 umfasst einen drehzahlgeregelten
Antrieb mit einem Stellmotor, der mittels eines zusätzlichen
Lagereglers und eines Messsystems um einen bestimmten Winkel gedreht
werden kann. Die CNC-Antriebe ermöglichen die Synchronisation
der Werkzeuge in 0,01 Grad-Schritten sowie eine stufenlose Drehzahlanpassung.
Der CNC-Antriebsmotor ist mit einer Einrichtung versehen, die es
erlaubt, die aktuelle Drehposition des Rotors zu bestimmen. Die
Rückmeldung erfolgt über einen Drehgeber, beziehungsweise
ein Resolver, einen Inkrementalgeber oder einen Absolutwertgeber.
Eine elektronische Steuerung vergleicht das Signal des Drehgebers
mit einem vorgegebenen Sollwert. Auf diese Weise können
die Rundwalzwerkzeuge 3 genau synchronisiert und unabhängig
voneinander in der Zustellrichtung 6 positioniert werden.
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Die
Rundwalzwerkzeuge 3 gemäß 1 weisen
eine inkrementale Form auf, die in der Walzrichtung beziehungsweise
Drehrichtung 4 gesehen eine Anwalzzone 7 mit einer
Anzahl von Anwalzzähnen umfasst, an die sich eine Kalibrierzone 8 mit
Kalibrierzähnen anschließt, die endseitig oder
umfangseitig durch eine Auslaufzone 9 abgeschlossen wird.
In der Auslaufzone 9 erfolgt das Entspannen der Walzwerkzeuge.
Zwischen der Auslaufzone 9 und der Anwalzzone 7 befindet
sich eine Profilaussparung 11, womit die Entnahme des Werkstücks 5 ermöglicht
werden kann. Der Anwalzbereich 7 der Rundwalzwerkzeuge 3 ist
mit einer inkrementalen Verzahnung versehen, bei welcher die Zahnhöhe
von einem Minimalwert nach und nach bis zur Höhe der fertigen
Verzahnung der Kalibrierbereich 8 zunimmt, wobei der Zahnfuß die
gleiche Höhe hat.
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Zwischen
den beiden Rundwalzwerkzeugen 3 befindet sich das Werkstück 5 mit
einer fertig gewalzten Verzahnung. 1 zeigt
im Wesentlichen die Endposition der Rundwalzwerkzeuge 3 nach
dem Walzprozess in schematischer Darstellung. Das Einlegen des Werkstücks 5 erfolgt
nach entsprechender Drehung der Rundwalzwerkzeuge 3 in
Drehrichtung 4, bis sich die Anfangsbereiche der Anwalzbereich 7 gegenüber
stehen. Hierbei ist das Werkstück 5 in einer Werkstückhalterung
beispielsweise zwischen Zentrierspitzen 12 gelagert, die
in 3 und 4 dargestellt sind.
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Die
in 3 gewählte Darstellung der Rundwalzwerkzeuge 3 entspricht
der Wiedergabe in 1, bei welcher ein Werkstück 5 mit
einer längsgerichteten Verzahnung herstellt wird. Wie aus 3 ersichtlich
ist, ist das Werkstück 5 ein wellenförmiges Werkstück 5 mit
einer längsgerichteten Verzahnung oder Profilierung, das
länger als die Breite der Rundwalzwerkzeuge 3 ist.
Die längsgerichtete Verzahnung oder Profilierung soll daher
erfindungsgemäß in mehreren axial fortschreitenden
Teilabschnitten gewalzt werden.
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Zuerst
wird in einem ersten Arbeitsschritt der erste Verzahnungsabschnitt 13 mit
den synchron drehangetriebenen Rundwalzwerkzeugen 3 gewalzt. Nachdem
der erste Verzahnungsabschnitt 13 gewalzt ist, werden die
Rundwalzwerkzeug 3 entfernt und das Werkstück 5 freigegeben.
Das Werkstück 5 kann nun um einen bestimmten Betrag
in die durch den Pfeil 14 angedeutete Axialrichtung verschoben werden.
Hierbei erfolgt die Axialverschiebung um einen Betrag, der geringer
als die Erstreckung des ersten Verzahnungsabschnittes 13 ist.
Dadurch überdecken die Profilspitzen der Rundwalzwerkzeuge 3 teilweise
die bereits fertige Verzahnung des ersten Verzahnungsabschnittes 13.
Zum Walzen des zweiten Profilabschnitts 15 und jedes weiteren
Abschnittes ist es erforderlich, dass die Verzahnungsspitzen der Rundwalzwerkzeuge 3 beim
Anwalzen haargenau in die Zahnrillen des Werkstücks 5 eingreifen,
damit die bereits vorhandene Verzahnung nicht in Mitleidenschaft
gezogen wird.
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Das
Anwalzen des zweiten Profilabschnitts 15 und jedes folgenden
Abschnitts erfolgt aus diesem Grund nicht im Anwalzbereich 7 der
Rundwalzwerkzeuge 3, sondern in einem Übergangsbereich 15 zwischen
dem Anwalzbereich 7 und dem Kalibrierbereich 8.
Das Anwalzen erfolgt außerdem nicht gleichzeitig mit beiden
Rundwalzwerkzeugen 3, sondern nur mit dem rechten Rundwalzwerkzeug 3,
was in 2 dargestellt ist. Das Anwalzen wird derart vorgenommen,
dass der Walzschlitten mit dem rechten Rundwalzwerkzeug 3 allmählich
in Zustellrichtung 6 zu dem Werkstück 5 hin
zugestellt wird, wobei im Ausführungsbeispiel das rechte
Rundwalzwerkzeug 3 eine pendelnde Umfangsbewegung 16 um
einen festgelegten Winkelbetrag ausführt.
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Das
Einpendeln oder Einfädeln des Rundwalzwerkzeugs 3 wird
solange durchgeführt, bis ein Werkstückkontakt
an den Profilflanken des ersten Verzahnungsabschnittes 13 entsteht.
Der Umfangspunkt für das Einfädeln wird an einer
Stelle des Übergangsbereichs 15 zwischen dem Anwalzbereich 7 und
dem Kalibrierbereich 8 festgelegt, an welche ein Werkstückkontakt
an den Profilflanken außerhalb des Rohteildurchmessers
des Werkstücks 5 vorhanden ist. Nachdem der Werkstückkontakt
des ersten Rundwalzwerkzeugs 3 mit dem Werkstück 5 erfolgt und
die vollständige Übereinstimmung des ersten Verzahnungsabschnittes 13 des
Werkstücks 5 mit der Profilierung des Rundwalzwerkzeugs 3 hergestellt
ist, wird das Rundwalzwerkzeug 3 mit dem Werkstück 5 zurückgedreht
und in den Anfangsbereiche des Anwalzbereichs 7 gefahren.
In der Ausgangsposition des Walzprozesses wird das zweite Rundwalzwerkzeug 3 nachfolgend
ebenfalls zugestellt.
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Beide
Rundwalzwerkzeuge 3 sind im Gleichlauf exakt synchronisiert.
Daraus folgt, dass das zweite Rundwalzwerkzeug 3 mit dem
ersten Rundwalzwerkzeug 3 ebenfalls zwangsläufig
exakt zu der Profilierung des ersten Verzahnungsabschnittes 13 positioniert
ist. Das Walzen des zweiten Profilabschnitts 16 und jedes
weiteren Abschnittes erfolgt dadurch in der exakten Teilung und
Abbildung des ersten Verzahnungsabschnittes 13. Auf diese
Weise können fortlaufend Teilabschnitte einer Verzahnung ohne
die Gefahr von Fehlstellen hergestellt werden.
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Das
Verfahren eignet sich daher auch insbesondere für das Walzverdichten
und das Nachwalzen oder Glattwalzen unter anderem von Schneckenprofilen,
Pumpenräder und insbesondere von Zahnrädern, deren
Zähne walzkalibriert werden, wobei es besonders auf eine
exakte Positionierung der Rundwalzwerkzeuge 3 zu der bereits
vorhandene Profilierung des Zahnrades ankommt. Voraussetzung für einwandfreie
Arbeitsergebnisse beim Nachwalzen ist die sehr genaue Positionierung
des Zahnrades zwischen den Rundwalzwerkzeugen 3, bevor
die Rundwalzwerkzeuge 3 in Kontakt mit dem Zahnrad gebracht
werden. Die Werkstückachse muss exakt parallel auf die
Rotationsachsen der beiden Rundwalzwerkzeuge 3 ausgerichtet
werden. Dies kann mit dem vorgeschlagenen Verfahren in besonders
einfacher Weise bewerkstelligt werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 1142823
B1 [0002]
- - DE 1016222 B1 [0003]
- - DE 1150040 C2 [0003]
- - CH 482487 C1 [0005, 0006]
- - DE 3910003 A1 [0006, 0006]
- - DE 10031652 C1 [0008]
- - DE 4306742 A1 [0008]