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Die vorliegende Erfindung betrifft
ein Verfahren zur Herstellung von kegeligen Stirnrädern für Beveloid-Stirnradverzahnungen
in einer Werkzeugmaschine, wobei an jedem Zahnkopf ein Kopfkantenbruch
ausgebildet wird.
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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.
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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.
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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.
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Kegelräder werden üblicherweise durch zwei verschiedene
Verfahren hergestellt: dem Abwälzverfahren
und dem Nicht-Abwälzverfahren.
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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.
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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.
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Beim Abwälzrollen können die Zahnoberflächen durch
beliebige mehrere bekannte Zyklen geformt werden. Eine Zahn oberfläche eines
Schlitzes kann durch ein Vorwärtsabwälzrollen
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.
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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.
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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 Werkzeug wird in das Werkstück vorgeschoben
und die Profilform des Werkzeugs dem Werkstück verliehen. Obwohl kein Abwälz rollen
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.
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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.
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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.
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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 Kapfkegelwinkel 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 evtl. nicht mehr vorhanden wäre.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung
ist es, ein Verfahren zur Ausbildung einer Beveloid-Stirnradverzahnung
vorzuschlagen, bei dem mit geringem Aufwand ein praxisgerechter
Kopfkantenbruch über die
gesamte Zahnbreite ausgebildet wird.
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Ausgehend von einem Verfahren der
eingangs näher
genannten Art erfolgt die Lösung
dieser Aufgabe mit den im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmalen;
vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen beschrieben.
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Die Erfindung sieht also vor, dass
die Ausbildung der Verzahnung und die Ausbildung der Kopfkantenbrüche in zwei
voneinander getrennten Arbeitsvorgängen in ein- und derselben
Werkzeugmaschine mit nur einer Aufspannung erfolgen, wobei zwei
unterschiedliche Werkzeuge in der Aufspannung angeordnet sind.
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Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel wird
als Werkzeugmaschine eine Verzahnungsmaschine verwendet, die gleichzeitig
zwei Verzahnungen ausbilden kann, wobei die kegeligen Stirnräder mittels
eines Fräsers
gefräst
oder mit einem Schneidrad oder Hobelkamm verzahnt werden, wobei
Fräser und
Schneidrad entlang des Fußkegelwinkels
geführt werden,
während
die Kopfkantenbrüche
von einem Schneidrad oder einem Hobelkamm oder einem Fräser ausgebildet
werden, das bzw. der entlang des Kopfkegelwinkels geführt wird.
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Bei einem anderen bevorzugten Ausführungsbeispiel
wird das kegelige Stirnrad durch einen ersten Fräser und der Kopfkantenbruch
durch einen zweiten Fräser
nacheinander ausgebildet, wobei die beiden Fräser zusammen auf einer Spindel
aufgespannt sind und wobei der zweite Fräser für den Kopfkantenbruch durch
Verschieben positioniert wird. Der erste Fräser für die Ausbildung des kegeligen
Stirnrades wird dabei nach dem Fußkegelwinkel geführt, während der
zweite Fräser
für die
Ausbildung des Kopfkantenbruches nach dem Kopfkegelwinkel geführt wird.
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Im folgenden wird die Erfindung anhand
der Zeichnung verdeutlicht, wobei in 1 schematisch eine
Seitenansicht der für
die Durchführung
des Verfahrens erforderlichen Werkzeuge und in 2 eine Draufsicht auf die Werkzeuge dargestellt
ist.
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Die Bearbeitung eines Werkstücks A zur Ausbildung
einer Stirnradverzahnung erfolgt gemäß 1 mittels eines als Fräser ausgebildeten
Abwälzwerkzeugs
B, wobei das Abwälzwerkzeug
B um die Achse 2 des Fußkegelwinkels geführt wird,
wie es durch die Linie 1 und die entsprechende Bearbeitungslinie 1* am
Werkstück
A angedeutet ist. Gleichzeitig kann mit einem speziell dafür ausgelegten Schneidrad
C ein Kopfkantenbruch auf dem gerade bearbeiteten Zahnrad ausgebildet
werden und zwar durch Stoßen.
Beim Stoßen
muss die Bahn des Schneidrades C bzw. eines Hobelkammes D entlang dem
Kopfkegelwinkel verlaufen, d. h. um die Achse 2 verschwenkt
werden, wie es durch die angedeutete Schwenklinie 1 und
die dazu gehörige
Bearbeitungslinie 1* am Werkstück A angedeutet ist.
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Das Schneidrad C bzw. der Hobelkamm
D ist dabei derart zu gestalten, dass lediglich die Kopfkante des
Zahnrades bearbeitet wird. Dieses Werkzeug ist daher in vorteilhafter
Weise so auszulegen, dass damit Verzahnungen mit gleichem Normalmodul
bearbeitet werden können.
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Bei dem durch die 1 und 2 verdeutlichten
ersten Ausführungsbeispiel
des erfindungsgemäßen Verfahrens
wird eine Werkzeugmaschine eingesetzt, mit der gleichzeitig zwei
Verzahnungen ausgebildet werden können.
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Als Alternative dazu ist es auch
möglich, dass
auf einer Fräsmaschine
zwei Fräser
aufgespannt werden, die in Kombination auf ein- und derselben Spindel
angeordnet sind und dass die Verzahnung und der Kopfkantenbruch
nacheinander gefräst werden,
wobei das entsprechende Werkzeug durch Shiften entsprechend positioniert
wird. Dabei ist jeweils das entsprechende Werkzeug nach dem Fußkegelwinkel
bzw. nach dem Kopfkegelwinkel zu führen.
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Im Rahmen einer weiteren Alternative
ist vorgesehen, dass auf einer Stossmaschine zwei Schneidräder auf
einer Achse montiert werden und dass die Verzahnung und der Kopfkantenbruch
nacheinander gestoßen
werden, wobei das entsprechende Werkzeug durch Shiften entsprechend
positioniert wird. Des weiteren ist es möglich, ein Schneidrad durch
einen Hobelkamm auf einer entsprechenden Maschine zu ersetzen.
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- A
- Werkstück
- B,
B'
- Abwälzwerkzeug
- C
- Schneidrad
- D
- Hobelkamm
- 1,
1*
- Bearbeitungslinie
- 2,
2*
- Kegelwinkel
- 3
- Drehachse
des Fräsers