DE10250479A1 - Verfahren und Werkzeug zur Herstellung von kegeligen Stirnrädern - Google Patents

Abstract

Das Verfahren zur Herstellung von kegeligen Stirnrädern für Beveloid-Stirnradverzahnungen in einer Werkzeugmaschine, wobei an jedem Zahnkopf ein Kopfkantenbruch ausgebildet wird, besteht darin, dass zur Kompensation der Differenz zwischen dem Kopfkegelwinkel und dem Fußkegelwinkel bei der Ausbildung des Kopfkantenbruches ein zylindrisches Werkzeug mit steigender Fußhöhe des Werkzeugbezugsprofils über die Fräserbreite eingesetzt wird, das mit einer kontinuierlichen Shiftbewegung am Werkstück entlang geführt wird.

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und ein Werkzeug zur Herstellung von kegeligen Stirnrädern für Beveloid-Stirnradverzahnungen in einer Werkzeugmaschine, wobei an jedem Zahnkopf ein Kopfkantenbruch ausgebildet wird.
• Kegelige Stirnräder, insbesondere für Beveloid-Stirnradverzahnungen, finden immer mehr Anwendungen. Um die Verzahnungen vor Beschädigungen bei der Prozesskette Fertigung – Prüfung – Transport – und Montage zu schützen, wird an der Zahnkopfkante ein Kopfkantenbruch ausgebildet, da derartige Beschädigungen Klopfgeräusche verursachen können und unbedingt zu vermeiden sind. Auch die Verletzungsgefahr bei der Handhabung scharfkantiger Werkstücke durch den Werker bei der Montage wird durch die Ausbildung von Kopfkantenbrüchen reduziert.
• Beveloid-Stirnradverzahnungen werden vorzugsweise in Industrierobotern sowie in Schiffsgetrieben eingesetzt. So sind z. B. Beveloid-Stirnradverzahnungen in Form eines reduzierten Planetenkoppelgetriebes – auch Wolfrom-Satz genannt – in Industrierobotern eingesetzt, wobei alle Räder Evolventen-Schrägverzahnung aufweisen, die zu einem besseren Eingriff durch Sprungüberdeckung und hoher Laufruhe führen. Das Sonnenrad und zwei Hohlräder sind dabei konisch ausgestaltet und bilden mit einem zylindrischen Planetenrad die sogenannte Beveloid-Stirnradverzahnung. Häufig werden hierbei noch nach den Verzahnungsschleifen die Kopfkantenbrüche manuell ausgebildet.
• Die Herstellung der kegeligen Stirnräder selbst erfolgt auf Werkzeugmaschinen, welche z. B. von der Firma „The Gleason Works" angeboten werden und in der EP 0690760 beschrieben sind. Diese Veröffentlichung beschreibt die Ausbildung von Kegelrädern sowie ein Verfahren zum Vorschub eines Werkzeugs auf eine vorbestimmte Tiefe in einem Werkstück.
• Kegelräder werden üblicherweise durch zwei verschiedene Verfahren hergestellt: dem Abwälzverfahren und dem Nicht-Abwälzverfahren.
• Beim Abwälzverfahren wird ein sich drehendes Werkzeug auf eine vorbestimmte Tiefe in ein Werkstück vorgeschoben. Sobald diese Tiefe erreicht ist, werden das Werkzeug und das Werkstück in einer vorbestimmten relativen Abrollbewegung, als Abwälzrollen bekannt, um die Achse eines theoretischen Erzeugungsrads gerollt, so als ob sich das Werkstück im Eingriff mit dem theoretischen Erzeugungsrad drehen würde, wobei die Zähne des Erzeugungsrads durch die Materialentfernungsflächen des Werkzeugs dargestellt sind. Die Profilform des Zahns wird durch relative Bewegung des Werkzeugs und Werkstücks während des Abwälzrollens geformt.
• Abwälzverfahren können in zwei Kategorien eingeteilt werden: Das Stirnfräsen und das Abwälzstirnfräsen. Beim Stirnfräsen wird jeder Schlitz, d. h. die angrenzenden Zahnseiten aufeinanderfolgender Zähne eines Werkstücks einzeln geformt. Nachdem das Werkzeug auf eine vorbestimmte Tiefe vorgeschoben wurde, beginnt das Abwälzrollen.
• Beim Abwälzrollen können die Zahnoberflächen durch beliebige mehrere bekannte Zyklen geformt werden. Eine Zahnoberfläche eines Schlitzes kann durch ein Vorratsabwälzrollen und die benachbarte Zahnoberfläche durch ein Rückwärtsabwälzrollen geformt werden. Alternativ dazu können beide Seiten des Zahnschlitzes in einem einzigen vorwärts gerichteten Abwälzrollvorgang geschnitten werden. Falls ein zweiter oder Endbearbeitungsschneidvorgang erforderlich ist, kann dies durch ein Rückwärtsrollen erfolgen, um die erwünschten Zahnoberflächen zu erzeugen. Sobald die Zahnseiten vervollständigt sind, wird das Werkzeug relativ zum Werkstück zurückgezogen und das Werkstück dann zur nächsten Schlitzposition versetzt. Das intermittierende Versetzen wird fortgesetzt, bis alle Zahnoberflächen des Werkstücks geformt sind.
• Das Abwälzstirnfräsen ist ein kontinuierlicher Versetzungsvorgang, wobei eine vordefinierte zeitlich abgestimmte Drehung zwischen dem Werkzeug und dem Werkstück dem Abwälzrollen überlagert wird. Auf diese Weise werden alle Schlitze und daher alle Zahnoberflächen auf dem Werkstück durch einen einzigen Abwälzrollvorgang geformt. Das Werkstück und das Werkzeug werden in zeitlich abgestimmter Beziehung gedreht und das Werkzeug in das Werkstück vorgeschoben, wodurch Material aus allen Schlitzen entfernt wird, während es in die Tiefe vorgeschoben wird. Sobald die volle Tiefe erreicht ist, beginnt der gewünschte Abwälzzyklus, um alle Zähne auf dem Werkstück vollständig auszubilden.
• Nicht-Abwälzverfahren, die entweder intermittierendes oder kontinuierliches Versetzen umfassen, sind jene, bei denen die Profilform eines Zahns auf einem Werkstück direkt von der Profilform des Werkzeugs gebildet wird. Das Werk zeug wird in das Werkstück vorgeschoben und die Profilform des Werkzeugs dem Werkstück verliegen. Obwohl kein Abwälzrollen zur Anwendung kommt, ist das Konzept eines theoretischen Erzeugungsrad, auch als Zahnkranz bekannt, auf Nicht-Abwälzverfahren anwendbar. Der Zahnkranz ist jenes theoretische Rad, dessen Zahnoberflächen zu den Zahnoberflächen des Werkstücks komplementär sind. Daher stellen die Schneidmesser auf dem Werkzeug die Zähne des Zahnkranzes dar, wenn die Zahnoberflächen auf dem nicht abgewälztem Werkstück geformt werden.
• Aus der im Namen der Fa. „The Gleason Works" veröffentlichten EP 0709157 ist eine CNC-gesteuerte Maschine zur Erzeugung von Kegelrädern bekannt. Bei derartigen Werkzeugmaschinen sind Schneid- und/oder Schleifwerkzeuge derart angeordnet, dass die Werkzeuge ein dazu passendes Zahnradelement darstellen können, das mit dem gerade erzeugten Werkstückzahnrad in Eingriff steht.
• Die in dieser Veröffentlichung beschriebene Werkzeugmaschine zum Ausbilden von in Längsrichtung gekrümmten Zahnzwischenräumen bei Kegelrädern unter Verwendung eines konisch erweiterten Werkzeugs, das materialabtragende Oberflächen aufweist, ist mit einer Werkzeughalterung versehen, die auf einer Maschinenbasis montiert ist, mit einer Anordnung zum Drehen des konisch verbreiterten Werkzeugs in der Werkzeughalterung um eine Werkzeugachse, mit einer Werkstückhalterung, die auf der Maschinenbasis montiert ist, mit einer Anordnung zum Drehen eines Zahnradwerkstücks in der Werkstückhalterung um eine Werkstückachse, mit einer Anordnung um die relative Translationsbewegung zwischen der Werkzeughalterung und der Werkstückhalterung entlang dreier orthogonaler Achsen zu ermöglichen und mit einer Anordnung, um die relative Winkelbewegung zwischen der Werkzeughalterung und der Werkstückhalterung um eine Schwenkachse zu gewährleisten. Ferner ist eine Computersteuerung vorgesehen, um während des Formens gleichzeitig die relativen Translationsbewegungen zwischen der Werkzeug- und der Werkstückhalterung sowie die Winkelbewegung zwischen der Werkzeug- und der Werkstückachse zu steuern und um die relative Bewegung zwischen dem konisch erweiterten Werkzeug und dem Zahnradwerkstück zu ermöglichen, sodass das konisch erweiterte Werkzeug entlang der Länge eines Zahns des Zahnradwerkstücks vor und zurück schwingt.
• Bei kegeligen Stirnrädern kann nicht, wie dies bei zylindrischen Stirnrädern üblich ist, durch einen Knick im Fäserprofil mit größeren Normaleingriffswinkel eine Fase am Zahnkopf ausgebildet werden, die den Kopfkantenbruch darstellt. Zur Herstellung von Beveloid-Stirnradverzahnungen wird die Achse der Fräsmaschine um den Fußkegelwinkel verschwenkt. Der Absatz am Fräserprofil folgt dabei dem Fußkegelwinkel, der sich in aller Regel vom Kopfkegelwinkel unterscheidet. Somit ergibt sich für die Fase am Zahnkopf, d. h. den Kopfkantenbruch, eine veränderliche Größe über die Zahnbreite. Damit wiederum ist es in der Regel nicht möglich, einen praxisgerechten Kopfkantenbruch über die ganze Zahnbreite auszubilden. Der Kopfkantenbruch würde trapezförmig ausgebildet sein, wobei er auf der einen Seite zu groß wird und damit die Überdeckung verkleinert, d. h. dass weniger Zähne im Eingriff sind, während er auf der anderen Seite nicht mehr vorhanden wäre.
• Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren und ein Werkzeug zur Ausbildung einer Beveloid-Stirnradverzahnung vorzuschlagen, bei dem mit geringem Auf wand ein praxisgerechter Kopfkantenbruch über die gesamte Zahnbreite ausgebildet wird.
• Ausgehend von einem Verfahren der eingangs näher genannten Art erfolgt die Lösung dieser Aufgabe für ein Verfahren mit den im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmalen. Ein Werkzeug zur Durchführung des Verfahrens ist Gegenstand der Patentansprüche 2 und 3.
• Die Erfindung sieht also vor, dass zur Kompensation der Differenz zwischen dem Kopfkegelwinkel und dem Fußkegelwinkel bei der Ausbildung des Kopfkantenbruches ein zylindrisches Werkzeug mit steigender Fußhöhe des Werkzeugbezugsprofils über die Fräserbreite mit einer kontinuierlichen Shiftbewegung am Werkstück entlang geführt wird.
• Die Erfindung geht davon aus, dass durch gezielte Abweichungen von der Evolvente (Zahnhöhenrichtung) die Auswirkungen von Herstellabweichungen und Verformungen auf die Tragfähigkeit und das Geräuschverhalten zumindest teilweise kompensiert werden können. Hierbei wird die Kopfkante des Zahnes um den Betrag hinter die Evolvente zurückgelegt, um den er – gemessen zum belasteten Vorzahn – durch Herstellabweichungen und Verformung vorsteht. Ebenso kann das Profil am Zahnfuß des Gegenrades zurückgenommen werden.
• Bei Beveloid-Verzahnungen gilt bei der Kopfrücknahme das gleiche wie beim Kopfkantenbruch. Die Kopfrücknahme ist über die Zahnbreite nicht konstant. Als Kopfrücknahme wird im Evolventendiagramm das Maß bezeichnet, um das der Kopf von der idealen Evolvente (Gerade) zurückgenommen werden soll. Analog dazu wird als Fußrücknahme das Maß bezeichnet, um das der Fuß im Evolventendiagramm zurückgenommen werden soll.
• Dies kann nun dadurch kompensiert werden, dass die Ausbildung der Kopfrücknahme mittels eines zylindrischen Werkzeuges erfolgt mit steigender Fußhöhe des Werkzeugbezugsprofils über die Fräserbreite. Dies gilt auch für eine eventuelle Fußrücknahme oder sonstige Profilmodifikationen.
• Durch die unterschiedliche Fußhöhe des Werkzeugbezugsprofils wird die Differenz zwischen Kopfkegelwinkel und Fußkegelwinkel der kegeligen Verzahnung ausgeglichen. Mit einer kontinuierlichen Shiftbewegung des Werkzeuges wird am Werkrad ein über die Zahnbreite konstanter Kopfkantenbruch ausgebildet.
• Nachfolgend wird das erfindungsgemäße Verfahren anhand der Zeichnung näher erläutert; darin zeigen:
• 1: Eine schematische Darstellung von Kopfrücknahme und Fußrücknahme gemäß der Erfindung anhand einer Verzahnung;
• 2: Ein Evolventendiagramm, in dem die Kopfrücknahme und die Fußrücknahme gemäß der Erfindung veranschaulicht sind; und
• 3: Eine Darstellung der Kopfhöhe des Werkzeuges bzw. Fräsers, der Fußhöhe bis zum Beginn des Kopfkantenbruches und der Fußausrundung des Fräsers gemäß der Erfindung.
• In der 1 sind Kopfrücknahme und Fußrücknahme gemäß der Erfindung schematisch dargestellt. Die Kopfrücknahme, also das Maß, um das der Kopf von der idealen Evolvente (Gerade) zurückgenommen werden soll, ist mit dem Bezugszeichen KK versehen; die Fußrücknahme ist mit FK bezeichnet.
• 2 zeigt die Kopfrücknahme KK und Fußrücknahme FK gemäß der Erfindung anhand des Evolventendiagramms; hierbei bezeichnet EK den Beginn der Kopfrücknahme im Evolventendiagramm. Das Maß EK gibt an, an welchem Punkt die Kopfrücknahme enden muss und die Abwicklung in eine horizontale Gerade übergeht und kann durch Verwendung des Satzes von Pythagoras berechnet werden.
• 3 veranschaulicht den Verlauf von Kopfhöhe und Fußhöhe eines erfindungsgemäßen Werkzeuges bzw. Fräsers. Hierbei bezeichnet hpa die Kopfhöhe des Werkzeuges, hpb die Fußhöhe des Werkzeuges bis zum Beginn des Kopfkantenbruches und rof die Fußausrundung des Werkzeugs bzw. Fräsers. Wie aus der Figur ersichtlich, ist die Fußhöhe des Werkzeugs über die Werkzeugbreite nicht konstant.

KK

Kopfrücknahme

FK

Fußrücknahme

EK

Beginn der Kopfrücknahme im Evolventendiagramm

hpa

Kopfhöhe des Werkzeuges

hpb

Fußhöhe des Werkzeuges

rof

Fußausrundung des Werkzeugs

Claims (4)

1. Verfahren zur Herstellung von kegeligen Stirnrädern für Beveloid-Stirnradverzahnungen in einer Werkzeugmaschine, wobei an jedem Zahnkopf ein Kopfkantenbruch ausgebildet wird, dadurch gekennzeichnet, dass zur Kompensation der Differenz zwischen dem Kopfkegelwinkel und dem Fußkegelwinkel bei der Ausbildung des Kopfkantenbruches ein zylindrisches Werkzeug mit steigender Fußhöhe des Werkzeugbezugsprofils über die Fräserbreite mit einer kontinuierlichen Shiftbewegung am Werkstück entlang geführt wird.
2. Werkzeug zur Herstellung von kegeligen Stirnrädern für Beveloid-Stirnradverzahnungen, insbesondere Fräser, dadurch gekennzeichnet, dass die Fußhöhe des Werkzeugs über die Werkzeugbreite nicht konstant ist.
3. Werkzeug nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass dessen Fußhöhe über dessen Breite steigt.
4. Verwendung eines Werkzeugs nach Anspruch 2 oder 3 zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1.