DE19646189A1 - Maschine zum Herstellen von bogenverzahnten Kegelrädern - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Maschine zum Herstellen von bogen­ verzahnten Kegelrädern nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Verzahnmaschinen für Kegelräder, bei denen die herkömmliche Wälzwiege oder Wälztrommel durch eine Art Kreuzschlitten er­ setzt worden ist, sind üblicherweise nach folgendem Konzept aufgebaut: Eine Werkzeug- oder Messerkopfspindel und deren An­ trieb befinden sich auf einem ersten Schlitten, der den verti­ kalen Anteil der früheren Wälztrommeldrehung ausführt. Dieser Schlitten wird seinerseits an einem Maschinengehäuse geführt, das auf einer horizontalen Führung des Maschinenbetts verfährt, um mit dem Messerkopf in das Werkstück einzutauchen. Der hori­ zontale Anteil der früheren Wälztrommeldrehung wird in diesem Fall von einem Werkstückspindelträger ausgeführt. Beispiele solcher Maschinen sind im folgenden angegeben.

Ein Problem bei der Gestaltung solcher Verzahnmaschinen ist der Umstand, daß die beim Verzahnen entstehenden Späne auf den ho­ rizontalen Führungsbahnen auf dem Maschinenbett oder auf deren Abdeckung liegen bleiben. Beim Naßfräsen müssen sie von einem starken Ölstrom wegtransportiert werden. Bei geringem Ölstrom oder bei einem heutzutage aus ökologischen Gründen angestrebten Verzahnen ohne Öl, dem sogenannten Trockenfräsen, gibt es bei der Zustellbewegung erhebliche Probleme mit den Spänen. Da die Späne beim Trockenfräsen 80% der Wärme aufnehmen, kann es zu einem Wärmeverzug der Führungen und des Maschinengehäuses und so zu Ungenauigkeiten und Behinderungen der Zustellbewegung kommen. Die Späneabfuhr ist sowohl beim Naß- als auch beim Trockenfräsen aufwendig, wenn eine Maschinenbeschädigung ver­ mieden werden soll. Wichtig bei der Gestaltung derartiger Ver­ zahnmaschinen ist auch eine ergonomische Anordnung der Bedienelemente, um ein schnelles und sicheres Aufrüsten der Werkzeugmaschinen zu gewährleisten. Das heißt, daß besonders das Werkzeug und das Werkstück leicht und ohne Bücken in die Maschine zum Wechseln erreichbar sein müssen.

Eine Maschine der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angege­ benen Art, die nach obigem Konzept aufgebaut ist, ist in der SU-Patentschrift 724 487 dargestellt. Bei dieser Maschine ist die Werkzeugspindelachse rechtwinkelig zu der geraden Koor­ dinatenachse des Maschinengehäuses, in der das Maschinengehäuse auf dem Maschinenbett horizontal geführt ist, angeordnet. Au­ ßerdem befindet sich die Werkzeugspindel auf einer von dem Be­ diener abgewandten Seite des Maschinengehäuses. Somit ist ein Wechsel des Werkzeugs mit entsprechendem Aufwand verbunden. Da überdies die Stelle, an der das Werkzeug und das Werkstück beim Verzahnen in Eingriff kommen, sich bei dieser Ausführung über dem Maschinenbett befindet, ist eine Anhäufung von Spänen auf dem Maschinenbett und auf den Führungen nicht zu vermeiden.

In der Druckschrift WO 89/01838 und in der DD-Patentschrift 255 296 A1 sind CNC-Verzahnmaschinen beschrieben, bei denen die Werkzeugspindel jeweils parallel zu der geraden Koordinaten­ achse des Maschinengehäuses und rechtwinkelig zu einer Seiten­ fläche des Maschinengehäuses angeordnet ist, wobei sich die betreffende Seitenfläche ebenfalls rechtwinkelig zu der geraden Koordinatenachse des Maschinengehäuses erstreckt. Zu der er­ wähnten Spananhäufung auf den Führungen und auf dem Maschinen­ bett kommt es somit auch bei diesen bekannten Verzahnmaschinen. Außerdem ist bei diesen bekannten Maschinen ein Bücken in die Maschine zum Wechseln des Werkzeugs und/oder des Werkstücks er­ forderlich.

Bei Drehmaschinen, wie sie z. B. aus der DE-OS 24 27 148 oder der DE-Patentschrift 39 21 649 bekannt sind, ist ein günstiger spanablauf in einen entsprechenden Sammelraum gewährleistet. Es handelt sich hierbei aber um Werkzeugmaschinen anderer Art, die nicht nach dem Kreuzschlittenkonzept aufgebaut sind.

Bei Verzahnmaschinen sollten die Bedienelemente ergonomisch an­ geordnet sein, wie oben bereits erwähnt. Diese Forderung er­ füllt z. B. die aus der o.g. DD-Patentschrift 255 296 Al be­ kannte Verzahnmaschine, bei der das Werkstück bei manueller Be­ schickung zum Bediener gefahren werden kann. Die aus der weiter oben erwähnten SU-Patentschrift 724 287 bekannte Verzahnma­ schine erfüllt diese Forderung nicht.

Bei den bekannten Verzahnmaschinen wird aber auch ein wirt­ schaftliches Betreiben außer durch unergonomische Anordnung der Bedienelemente durch hohe Fälligkeit für Verschmutzung er­ schwert.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Maschine nach dem Oberbe­ griff des Anspruchs 1 in ihrer Gestaltung so zu verbessern, daß sie einen ergonomischen Betrieb und keine Bewegungsabweichung zuläßt.

Diese Aufgabe wird bei einer Maschine der eingangs genannten Art durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.

Da bei der erfindungsgemäßen Maschine die Werkzeugspindelachse zu der Seitenfläche des Maschinengehäuses, an der der erste Schlitten angebracht ist, parallel ist, lassen sich die Bedien­ elemente der Maschine so anordnen, daß ein ergonomischer Be­ trieb möglich ist. Damit können beide Schlitten vom Bediener aus gesehen auf derselben Seite der Maschine angeordnet werden, was ein einfaches, sicheres und wirtschaftliches Betreiben der Maschine ermöglicht. Der mechanische Aufbau der Maschine nach der Erfindung ist so, daß das Werkstück bei manueller Beschic­ kung zum Bediener gefahren wird. Auch dadurch ist die Maschine nach der Erfindung besonders ergonomisch. Zum Wechseln eines Werkstückes ist kein Bücken in die Maschine nötig. Durch die enge Nebeneinanderanordnung des Maschinengehäuses und des Werkstückspindelträgers ist bei der Maschine nach der Erfindung eine optimale Aufteilung der Bewegungen auf Werkzeug- und Werk­ stückseite mit optimiertem Kraftfluß möglich, wodurch sich eine maximale Prozeßsteifigkeit erzielen läßt. Das ist bedeutsam, weil bei CNC-Maschinen die statische Steifigkeit der Maschine ebenso wie bei mechanischen Maschinen so groß wie möglich sein muß. Sie ist bei CNC-Maschinen aber nicht die einzig bestim­ mende Größe. Durch die Regelkreise, die aus Stellglied (Servomotor und Maschinenteil), Regler (CNC und Achssteller) sowie einem Lagegeber (Meßsystem) bestehen, ergibt sich ein viel komplexeres regelungstechnisches Verhalten. Dies trifft besonders für die Bewegungsabweichung zu, die bei CNC-Maschinen außer von einer wirksamen Späne- und Wärmeabfuhr von der stati­ schen Steifigkeit und der Güte der Regelkreise abhängt. Bei der Maschine nach der Erfindung ist die statische Steifigkeit opti­ mal gewährleistet, da die Anordnung der Bedienelemente kurze und sehr steife Antriebsstränge ermöglicht. Die enge Nebeneinanderanordnung von Werkstückspindelträger und Maschi­ nengehäuse ermöglicht darüber hinaus einen sehr kompakten Auf­ bau der Maschine nach der Erfindung.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung bilden die Gegen­ stände der Unteransprüche.

Wenn in einer Ausgestaltung der Erfindung die Seitenfläche wei­ ter so gewählt ist, daß sich die Werkzeugspindel nicht über ei­ nem Bereich der Maschine befindet, der eine Horizontalführung des Werkstückspindelträgers oder des Maschinengehäuses auf­ weist, befinden sich in diesem Bereich, in den während des Bearbeitungsvorganges Späne gelangen können, keine Horizontalfüh­ rungen, die durch die Späne verschmutzt werden könnten. Außer­ dem kann dieser Bereich der Maschine für andere als Führungs­ zwecke benutzt werden. Ferner ist ein völlig freier Zugang zu­ mindest zu dem ersten Schlitten der Maschine möglich, was die Wartung des Schlittens und das Wechseln der Werkzeuge verein­ facht.

Wenn in weiterer Ausgestaltung der Erfindung unter der Werk­ zeugspindel ein Spänesammler angeordnet ist, in den die Späne im wesentlichen durch Schwerkraft gelangen, lassen sich die Späne auf einfache Weise auffangen und entfernen. Zweckmäßig kann in diesem Fall das Maschinenbett zumindest an der Stelle, an der der Spänesammler angeordnet wird, ausgespart sein. Da die Späne, wie oben dargelegt, beim Trockenfräsen achtzig Pro­ zent der Wärme mit sich transportieren, wird durch den Späne­ sammler auch vermieden, daß durch die Späne das Maschinenbett aufgeheizt wird. Es ist somit die Forderung erfüllt, bei dem Trockenfräsen für eine schnelle Abfuhr der Späne zu sorgen und deren Kontakt mit dem Maschinenbett oder anderen Teilen der Ma­ schine nach Möglichkeit zu verhindern.

Wenn in weiterer Ausgestaltung der Erfindung die Werkstückspin­ del und die Werkzeugspindel so angeordnet sind, daß beim Ver­ zahnen Werkstück und Werkzeug an einer Stelle in Eingriff kom­ men, die sich im wesentlichen über dem horizontalführungsfreien Bereich der Maschine befindet, ist noch sicherer gewährleistet, daß bei dem Trockenfräsen die Späne nicht mit Teilen der Ma­ schine in Berührung kommen, die durch Wärmeeinwirkung gefährdet werden könnten.

Wenn in weiterer Ausgestaltung der Erfindung der erste Schlit­ ten eine Führung in einer weiteren geraden Koordinatenachse, der Z-Achse, aufweist, die gegen die Vertikale geneigt ist, so stellt das eine Schrägbettanordnung dar, bei der der Fuß des Maschinengehäuses in Richtung quer zur Werkzeugspindelachse be­ sonders breit ausgeführt werden kann. Das führt zu einer beson­ ders großen Maschinensteifigkeit. Durch die Schrägbettanordnung ergibt sich auch ein günstigerer Spänetransport in den Spänesammler, was gerade bei dem Trockenfräsen von Vorteil ist. In dieser Ausgestaltung ist die Maschine nach der Erfindung im Hinblick auf einen optimalen Spänefluß konzipiert. Da der wesentliche Anteil der beim Trockenfräsen entstehenden Wärme über die Späne abgeführt wird, ermöglicht die Schrägbettanord­ nung auf besonders sichere Weise, daß eine thermische Beein­ flussung durch die Späne ausgeschaltet wird, indem die Späne erst gar nicht mit dem Maschinenbett oder anderen Funktionstei­ len der Maschine in Berührung gebracht werden, sondern mög­ lichst gleich in den Spänesammler fallen. Das ist zwar auch bei den anderen Ausgestaltungen der Maschine nach der Erfindung der Fall, die besten Voraussetzungen bietet aber die Schrägbettan­ ordnung. Durch die spezielle Konzeption der Schrägbettanordnung ist die Maschine also nicht nur besonders steif, sondern auch besonders gut zum Trockenfräsen geeignet.

Die kompakte Nebeneinanderanordnung von Maschinengehäuse und Werkstückspindelträger, die durch die erfindungsgemäße Anord­ nung der Werkzeugspindelachse möglich wird, bringt den weiteren Vorteil mit sich, daß die Maschine gegen Spänefall voll gekap­ selt werden kann. Es ist nämlich möglich, Abdeckungen vorzuse­ hen, die zu dem Spänesammler hin abfallend ausgebildet sind, und anfallende Späne, die nicht unmittelbar in den Spänesammler fallen, dorthin zu leiten. Weiter läßt sich auch insbesondere zwischen dem Maschinengehäuse und dem Werkstückspindelträger eine Verkleidung vorsehen, die sowohl den zweiten Schlitten als auch die Schwenkvorrichtung vor Spänefall schützt. Eine so kon­ struierte Späneführung mit Hilfe von Leitflächen an Abdeckung und Verkleidung macht die Maschine nach der Erfindung zum Hoch­ leistungstrockenfräsen besonders gut geeignet. Diese Vorteile kommen aber auch voll zur Geltung, wenn aus technologischen Gründen naßgefräst werden soll.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung näher beschrieben.

Fig. 1 der Zeichnung zeigt in perspektivischer Darstellung den Grundaufbau einer erfindungsgemäßen CNC-Maschine zum Herstellen von bogenverzahnten Kegelrädern.

In Fig. 1 ist der Grundaufbau einer CNC-Maschine 2 zum Herstel­ len von bogenverzahnten Kegelrädern in perspektivischer Dar­ stellung und in Ansicht von der Bedienerseite aus gezeigt. Auf einem Maschinenbett 4 ist ein Maschinengehäuse 6 entlang einer geraden Koordinatenachse X horizontal und linear geführt. Ein erster Schlitten 8 ist auf einer Führung 16, die an einer Sei­ tenfläche 10 des Maschinengehäuses 6 angebracht, in einer gera­ den Koordinatenachse Z mittels eines Spindeltriebs 17 in der Höhe verfahrbar. Auf dem Maschinenbett 4 ist ein Werkstückspin­ delträger 14 mit einem zweiten Schlitten 12 entlang einer gera­ den Koordinatenachse Y, die zur X-Achse rechtwinkelig ist, auf einer Führung 13 horizontal und linear geführt. Auf dem Schlit­ ten 12 befindet sich eine Schwenkvorrichtung 22 mit vertikaler Achse C. Die Führung 16 des ersten Schlittens 8 und die Z- Achse sind gegen die Vertikale geneigt. Durch diese Anordnung verjüngt sich das Maschinengehäuse 6 mit zunehmendem Abstand von dem Maschinenbett 4. Es hat unten einen entsprechend brei­ ten Fuß 7.

Der erste Schlitten 8 trägt eine um eine Werkzeugspindelachse 18 drehbar gelagerte Werkzeugspindel 20. Die Werkzeugspindel 20 trägt ein Werkzeug 21, hier beispielshalber einen Messerkopf. Das Werkzeug 21 kann aber auch, je nach gewünschter Art der spanabhebenden Bearbeitung, eine Schleifscheibe, ein Fräser oder dgl. sein.

Durch den zweiten Schlitten 12 und durch die Schwenkvorrichtung 22 ist eine Werkstückspindel 23 auf dem Maschinenbett 4 horizontal geführt und linear verschiebbar bzw. schwenkbar. Die Schwenkvorrichtung 22 trägt die Werkstückspindel 23, die um eine Werkstückspindelachse 25 drehbar ist. Die Werkstückspindel 23 trägt ein Werkstück 24, in vorliegendem Beispiel ein bogen­ verzahntes Kegelrad. Die Schwenkvorrichtung 22 ist um die C- Achse horizontal geführt schwenkbar, um das Werkstück 24 von der Aufladeposition in eine Bearbeitungsposition zu schwenken und gegebenenfalls Bewegungen während des Verzahnens durch­ zuführen.

Die Werkzeugspindelachse 18 ist zu der Seitenfläche 10 paral­ lel. Von den mehreren Seitenflächen des Maschinengehäuses 6 ist die Seitenfläche 10 für die Anbringung der Führung 16 mit dem ersten Schlitten 8 gewählt worden, damit die Werkzeug­ spindelachse 18 auch zu der X-Achse parallel ist und sich nicht über einem Bereich der Maschine 2 befindet, der eine der ho­ rizontalen Führungen des Werkstückspindelträgers 14 oder des Maschinengehäuses 6 aufweist.

Unterhalb des ersten Schlittens 8 ist das Maschinenbett 4 aus­ gespart und ein Spänesammler 30 angeordnet, in den Späne, die beim Verzahnen anfallen, im wesentlichen durch Schwerkraft ge­ langen.

Der obere Bereich des zweiten Schlittens 12, der nicht von der Schwenkvorrichtung 22 eingenommen ist, weist eine Abdeckung 32 auf, die zu dem Spänesammler 30 hin abfallend ausgerichtet ist. Weiter hat die Maschine 2 eine Verkleidung 34, die fest mit dem Maschinenbett 4 verbunden ist und zwischen dem Maschinengehäuse 6 und dem zweiten Schlitten 12 angeordnet ist. Die Verkleidung 34 ist durch einen Faltenbalg 35 mit dem Maschinengehäuse 6 verbunden. Die Verkleidung 34 und der Faltenbalg 35 sind eben­ falls zu dem Spänesammler 30 hin abfallend ausgerichtet. An die Verkleidung 34 schließt sich eine Abschirmung 36 an, die die Schwenkvorrichtung 22 halbkreisförmig umgibt und auf dem zwei­ ten Schlitten 12 befestigt ist.

Zu Beginn des Verzahnungsprozesses wird das Werkstück 24 um die C-Achse in eine Bearbeitungsposition geschwenkt. Das Werkzeug 21 wird über die horizontale Bewegung des Maschinengehäuses 6 in der X-Achse an das Werkstück 24 gefahren. Im einfachsten Fall wird dann im Zusammenspiel des zweiten Schlittens 12 in Richtung der Y-Achse und des ersten Schlittens 8 in Richtung der Z-Achse eine Wälzbewegung erzeugt. In anderen Fällen sorgt eine nicht näher dargestellte CNC-Steuerung dafür, daß die drei Achsen X, Y und Z sowie die Drehungen um die Werkzeugspindel­ achse 20, die Werkstückspindelachse 25 und die Schwenkachse c gleichzeitig in bekannter Weise die erforderlichen Bewegungen für den Verzahnprozeß ausführen. Die Werkstückspindel 23 und die Werkzeugspindel 18 sind dabei so angeordnet, daß sich beim Verzahnen das Werkstück 24 und das Werkzeug 21 im wesentlichen über dem Bereich der Maschine 2 befinden, wo keine horizontale Führung ist.

Claims (5)

1. Maschine zum Herstellen von bogenverzahnten Kegelrädern, insbesondere CNC-Maschine, mit einem ersten Schlitten (8), der eine Werkzeugspindel (20) trägt und der in der Höhe verfahrbar ist und dessen Führung (16) an einer Seitenfläche (10) eines in einer geraden Koordinatenachse (X) auf einem Maschinenbett (4) horizontal geführten Maschinengehäuses (6) angebracht ist, wo­ bei die Werkzeugspindelachse (18) zu der Seitenfläche (10) par­ allel ist, und
mit einem Werkstückspindelträger (14), der einen zweiten Schlitten (12) und eine Schwenkvorrichtung (22) mit vertikaler Achse (C) aufweist und ebenfalls auf dem Maschinenbett (4) horizontal geführt ist,
dadurch gekennzeichnet, daß die Seitenfläche (10) so gewählt ist, daß sich die Werkzeugspindelachse (18) parallel zu der ge­ raden Koordinatenachse (X) erstreckt.

2. Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Seitenfläche (10) weiter so gewählt ist, daß sich die Werkzeugspindel (20) nicht über einem Bereich der Maschine be­ findet, der eine horizontale Führung für den Werkstückspindel­ träger (14) oder für das Maschinengehäuse (6) aufweist.

3. Maschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß unter der Werkzeugspindel (20) ein Spänesammler (30) angeordnet ist, in den die Späne im wesentlichen durch Schwerkraft gelangen.

4. Maschine nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Werkstückspindel (23) und die Werkzeugspindel (20) so ange­ ordnet sind, daß beim Verzahnen Werkstück (24) und Werkzeug (21) an einer Stelle in Eingriff kommen, die sich im we­ sentlichen über dem horizontalführungsfreien Bereich der Ma­ schine befindet.

5. Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der erste Schlitten (8) eine Führung (16) in ei­ ner weiteren geraden Koordinatenachse (Z) aufweist, die gegen die Vertikale geneigt ist.