DE1117529B - Zahnradartiges Werkzeug zur Erzeugung von Zaehnen am Umfang zylindrischer Werkstuecke durch Walzen - Google Patents

Description

Gegenstand der Erfindung ist ein zahnradartiges Werkzeug zur Erzeugung von Zähnen am Umfang zylindrischer Werkstücke durch Walzen mit auf seinem Umfang angeordneten, bei einer Drehung um eine feste Achse nacheinander zur Einwirkung auf das Werkstück gelangenden Zähnen mit in Drehrichtung derart ansteigender Höhe, daß der Umfang einen Endsektor mit in ihrer Form mit der Form der herzustellenden Zähne übereinstimmenden Zähnen und einen Anfangssektor aufweist und die Zahnkopfflächen der zwischen dem End- und dem Anfangssektor angeordneten Zähne auf einer zur Drehachse des Werkzeuges exzentrischen Linie liegen. Die Erfindung hat zum Ziel, eine Verringerung der Herstellungskosten bei geringstmöglichem Aufwand an Zeit, Arbeit und Werkstoff bei gleichzeitiger Verbesserung der Herstellung von Zähnen zu erreichen.

Bekannt ist eine Vorrichtung zum Warmwalzen von Zahnrädern mittels gezahnter, gleicher und gleichsinnig sowie zwangläufig umlaufender Walzen, wobei die Walzen in solchem festen Abstand voneinander angeordnet sind, daß sie das Werkstück in der Ausgangsstellung zwischen sich fassen und die Höhe der die Verformung einleitenden Walzenzähne nur vom Grundkreis bis zum Teilkreis reicht, die der weiteren Zähne dagegen allmählich bis auf volles Maß ansteigt und die Walzen insgesamt so viele solcher voll ausgebildeter Zähne aufweisen, daß das Werkstück durch diese Zähne wenigstens eine volle Umdrehung erfährt. Als gezahnte Walzen sind also normale Zahnräder verwendet, an denen je die Spitzen einiger aufeinanderfolgender Zähne bis zum Teilkreis abgeschliffen sind. Am Werkstück stimmt der ursprüngliche Durchmesser mit dem des späteren Teilkreises überein. Es werden mit dem bekannten Werkzeug aus den innerhalb des Teilkreises liegengenden Lücken nicht die Materialanteile verdrängt, die mengenmäßig äquivalent sind denen, welche die außerhalb des Teilkreises liegenden Zahnköpfe bilden.

Am erfindungsgemäßen Walzwerkzeug stimmt der Teilkreis der Zähne des Endsektors mit demjenigen zum Teilkreis des Werkstückes konzentrischen Kreis überein, der so verläuft, daß die Querschnittsflächen der Zahnlücken des Werkstückes innerhalb dieses Kreises den Querschnittsflächen der Werkstückzähne außerhalb dieses Kreises entsprechen.

Mit dem Walzwerkzeug der Erfindung wird die Herstellungsgenauigkeit gesteigert, indem Fehler in der Teilung und des Eingriffswinkels am Zahnprofil ausgemerzt sind.

Die Erfindung wird im folgenden beschrieben und mit Hilfe von Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt Zahnradartiges Werkzeug zur Erzeugung

von Zähnen am Umfang zylindrischer

Werkstücke durch Walzen

Anmelder:

Michigan Tool Company,
ίο Detroit, Mich. (V. St. A.)

Vertreter: Dr. E. Wetzel, Patentanwalt,
Nürnberg, Hefnersplatz 3

Beanspruchte Priorität:

V. St. v. Amerika vom 18. November 1955 (Nr. 547 766)

Harry Pelphrey, Detroit, Mich. (V. St. A.),
ist als Erfinder genannt worden

Fig. 1 eine perspektivische teilweise Ansicht einer Anordnung erfindungsgemäßer Werkzeuge; die Antriebselemente der Werkzeuge sind zur Erzielung größerer Anschaulichkeit weggelassen,

Fig. 2 eine Ansicht einer anderen Werkzeuganordnung in größerem Maßstab,

Fig. 3 eine perspektivische Ansicht eines der in den Fig. 1 und 2 gezeigten Werkzeuge in größerem Maßstab,

Fig. 4 eine Abwicklung von Umfangsteilen der in Fig. 3 gezeigten Sektoren mit geschnittenen Zahnprofilen,

Fig. 5 eine schematische Darstellung vom Erzeugungsvorgang eines Zahnes mit Evolventenprofil am Werkstück,

Fig. 6 eine vergrößerte Darstellung eines Radialschnittes durch einen Zahn vom Werkzeug nach Fig. 3.

Die Erzeugung der Zähne kann erfolgen, wenn das

Werkstück Raumtemperatur hat oder auch wenn das Werkstück oder ein Teil desselben auf eine höhere Temperatur erhitzt ist, beispielsweise mittels einer Induktions-Erhitzungseinrichtung, und zwar dann, wenn noch keine vorhergehenden Maßnahmen zur Herstellung der Zähne am Werkstück vorgenommen worden sind.

In Fig. 2 ist eine Ausführungsform der Erfindung mit drei Werkzeugen dargestellt. Die drehbaren

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Werkzeuge sind mit 10., 12 und 14 bezeichnet. Ein Werkstück 16 ist zwischen den Werkzeugen angeordnet. Es ist durch Körnerspitzen frei drehbar um seine Längsachse abgestützt. Die Abstützung des Werkstückes ermöglicht einen unterbrechbaren Vorschub in Längsrichtung etwa parallel zu den Drehachsen der Werkzeuge 10, 12 und 14. Als Beispiele solcher Mittel ist ein Paar Körnerspitzen 18 und 20 dargestellt, die nach Fig. 1 durch einen Support 17 getragen werden. Der Support 17 ist in Führungen 19 verschiebbar gelagert. Eine Vorschubspindel 21 bewirkt den Vorschub des Werkstückes16 in Längsrichtung. Die Körnerspitze 20 kann zusätzlich gegenüber der Körnerspitze 18 einstellbar sein, so daß in der Vorrichtung Werkstücke verschiedener Länge gehaltert werden können.

Die Werkzeuge 10, 12 und 14 sind in ihrer Ausführung etwa gleich. Sie sind an ihrem Umfang mit Zähnen versehen, die mit der Zylinderfläche des Werkstückes 16 in Eingriff kommen. Die besondere ^ao Ausführung der Zähne wird noch beschrieben werden.

Die Werkzeuge 10, 12 und 14 werden zugleich mit gleicher Drehrichtung angetrieben. Dem Antrieb dienen die Wellen 22, 24 und 26. Die Werkzeuge sind durch Keile oder andere Mittel auf ihnen undrehbar befestigt. Die Antriebswelle 26 ist mit einem elektrischen Motor 28 verbunden und trägt ein Antriebszahnrad 30, welches über Zwischenräder 32 und 34 sowie angetriebene Zahnräder 36 und 38 die Wellen 22 und 24 im gleichen Drehsinn wie die Welle 26 antreibt. Die Umlaufzahl der getriebenen Räder 36 und 38 kann gleich der vom Antriebszahnrad 30 gewählt sein.

Die Werkzeuge 10,12 und 14 sind am Umfang des Werkstückes in gleichen Winkelabständen angeordnet, wie dies in Fig. 2 gezeigt ist. Das zwischen Körnerspitzen aufgenommene Werkstück kann durch die Werkzeuge 10, 12 und 14 gedreht werden. Die Arbeitsfläche 40 eines jeden der Werkzeuge 10, 12 und 14 kann als aus zwei Teilen 42 und 44 bestehend gelten, die beiderseits einer jedes Werkzeug rechtwinklig zu der Werkzeugdrehachse schneidenden Ebene angeordnet sind. Die Werkzeuge sind so angeordnet, daß der Zwischenraum zwischen den Arbeitsflächen 40 der Werkzeuge 10, 12 und 14 geringer ist als der Ausgangsdurchmesser des Werkstückes 16. Dies hat die Wirkung, daß die Form der Flächen 40 am Umfang des Werkstückes eingewalzt wird.

Bei der Herstellung von Zähnen der gewünschten Form am Werkstück 16 mittels Walzens wird der Werkstoff des Werkstückes, z. B. geschmiedeter Stahl, gegenüber der Ausgangsoberfläche des Werkstückes in radialer, tangentialer oder axialer Richtung verdrängt, so daß Vertiefungen, die auf einem Innendurchmesser liegen, der kleiner ist als der Ausgangsdurchmesser des Werkstückes, und Zähne, die auf einem Außendurchmesser liegen, der größer ist als der Ausgangsdurchmesser des Werkstückes, an diesem erzeugt werden. Wenn die Endform des Werk-Stückes festgelegt ist und genau eingehalten werden muß, dann muß diese Formung des Werkstoffes bei der Auswahl des Ausgangsdurchmessers des Werkstückes berücksichtigt werden.

In Fig. 5 ist eine gebräuchliche und wichtige Form dargestellt, die durch Abrollen der Werkzeuge gemäß der Erfindung erzeugt werden kann: es ist ein Teil des Querschnittes eines Werkstückes 16 in seiner endgültigen Form mit Evolventenzähnen 46. Da bei dem Vorgang zur Herstellung der Zähne kein Metall zerspant oder andersartig entfernt wird, kann der Ausgangsdurchmesser des Werkstückes vor dem Walzvorgang weder gleich dem Kopfkreisdurchmesser noch gleich dem Fußkreisdurchmesser der späteren Verzahnung sein. Daß dieser Durchmesser genau gleich dem Teilkreisdurchmesser sei, wäre reiner Zufall. Der Durchmesser D₁ des Werkstückes 16 wird vielmehr so gewählt, daß die Fläche 48 des innerhalb des Durchmessers D₁ verdrängten Werkstoffes gleich ist der Fläche 50 des auf einem größeren Durchmesser als D₁ dann befindlichen Werkstoffes. Der Durchmesser D₁ oder ungefähr dieser Durchmesser ist maßgebend für den Teilkreisdurchmesser der Werkzeuge. Die Zahnteilung der Werkzeuge und des Werkstückes sind gleich. Die gesamte Tiefe zumindest einiger Zähne der Werkzeuge, die zuletzt mit dem Werkstück 16 in Eingriff kommen, ist bei Berücksichtigung eines ausreichenden Spieles zum Ausgleich von Herstellungstoleranzen im wesentlichen die gleiche wie die der Zähne des Werkstückes. Die Werkzeuge 10, 12 und 14 sind auf einem solchen Abstand angeordnet, daß sie gegen das Ende des Walzvorganges zu den Arbeitsflächen einen Abstand haben, der etwa gleich dem Fußkreisdurchmesser des Werkstückes 16 abzüglich etwa 0,075 bis 0,1 mm ist, um die Elastizität der Bauteile, die Kompression der vorhandenen Schmierölfihne unter der Wirkung des Abrolldruckes und die Herstellungstoleranzen auszugleichen.

Wenn es erwünscht ist, das Werkstück 16 selbst beispielsweise durch eine Verzahnung anzutreiben, an Stelle den Antrieb durch die Werkzeuge 10, 12 und 14 zu bewirken, sollen die Winkelgeschwindigkeiten des Werkstückes und der Werkzeuge natürlich gleich sein.

Der Abstand der äußeren Zahnkopfflächen der Zähne 42 mit reduzierter Höhe jedes der Werkzeuge 10, 12 und 14 in radialer Richtung des Werkstückes ist so gewählt, daß die Tiefe des im Werkstück 16 gebildeten Eindruckes sich während des Walzvorganges allmählich vergrößert und die Zahnkopfflächen 42 sich allmählich gewissermaßen der Längsachse des Werkstückes nähern, während jedes Werkzeug sich einmal um seine Achse dreht. Es hat sich als günstig erwiesen, den Betrag der radialen Abstandsminderung innerhalb der Größenordnung von 0,0015 bis 0,004 mm je mm der Werkzeug-Umfangsbewegung festzusetzen; bevorzugt werden 0,002 mm. Die Abstandsminderung bzw. Näherung der Zahnkopfflächen 42 der Werkzeuge in radialer Richtung gegen die Achse des Werkstückes mit wachsendem Drehwinkel der Werkzeuge wird vorzugsweise durch gleichmäßige Veränderung der etwa spiralförmigen Kurve, auf der die aufeinanderfolgenden Zahnkopfflächen 42 jedes Werkzeuges liegen, erreicht.

Es liegt innerhalb des breiten Inhalts des Erfindungsgedankens, eine Veränderung der Umfangskrümmung auf anderen Wegen zu erzielen. Diese Änderung in der Krümmung kann erzielt werden durch Veränderung der Krümmung der Teilkreislinien der Werkzeugzähne, durch allmähliche Vergrößerung der Höhe der Zähne bei ungefährer Konstanthaltung des Teilkreisdurchmessers oder durch eine Verbindung beider Maßnahmen.

Bei den Ausführungsformen nach den Fig. 1, 2 und 3 ist der Teilkreisdurchmesser jedes der drehbaren Werkzeuge 10, 12 und 14 konstant, so daß die Teifc

lcreislinie jedes Werkzeuges konzentrisch zur Achse des Werkzeuges liegt.

In Fig. 4 ist ein abgewickelter Schnitt der Zähne mit reduzierter Zahnhöhe jedes der Werkzeuge 10, 12 und 14 gezeigt. Die Linie 52 ist eine Bezugslinie, die dem Kopfkreisdurchmesser der in voller Größe ausgebildeten Zähne entspricht, während die Linie 54 der Teilkreislinie vom Teilkreisdurchmesser entspricht. Da Fig. 4 eine Abwicklung ist, ist die Linie 52 parallel zu der Linie 54. Die Kopfhöhen der Zähne 54 werden allmählich kleiner, wie Fig. 4 zeigt. Diese Verkleinerung ist durch allmähliche Verkleinerung des Kopfkreises der Zähne 51, beispielsweise durch Schleifen, erzielt. Es liegen also die Kopfflächen auf einer zu der Achse des Werkzeuges exzenirischen, etwa spiralähnlichen Kurve.

Mit Bezug auf die Zahnkopfflächen 42 kann jedes der Werkzeuge so betrachtet werden, als sei es in Sektoren aufgeteilt durch radial verlaufende Bezugsebenen 56, 58, 60, 62, 64, 66 und 68, wobei die Sektoren einen Anfangssektor 70 und einen Endsektor 72 aufweisen. Der Anfangssektor 70 ist derjenige Sektor, dessen Zähne anfänglich auf das Werkstück zur Einwirkung kommen. In ihm kann der Teil der Kopffläche vom Anfangszahn 74, etwa, wie dargestellt, auf der Teilkreislinie oder aber 0,01 mm bis mehrere Hundertstelmillimeter in radialer Richtung außerhalb der Teilkreislinie liegen. An den Zähnen 51a sind die verkürzten Zähne verhältnismäßig flach bis mitteldick und haben scharfe Ecken. An den Zähnen 51b in dem Sektor zwischen den Bezugsebenen 58 und 60 sind die verkürzten Zähne vorzugsweise mit einer kleinen Abschrägung, etwa 0,075 mm auf 30° gegenüber der Linie 54, versehen, wie Fig. 4 zeigt. Die Abschrägung kann allmählich mit wachsender Höhe der verkürzten Zähne vergrößert werden bis zu einem Maß, das etwas größer ist als die Endabschrägung; d. h., die Abschrägung kann bei den verkürzten Zähnen zwischen den Ebenen 60 und 62 an den Zähnen 51c 0,01mm auf 30° sein, zwischen den Ebenen 62 und 64 an den Zähnen 51J 0,0125mm auf 30°, zwischen den Ebenen 64 und 66 an den Zähnen Sie 0,015 mm auf 30° und zwischen den Ebenen 66 und 68 an den Zähnen 51/ 0,0175 mm auf 30°. Die Anzahl der Zähne in jedem dieser Sektoren kann etwa gleich sein, wobei die Zahl natürlich auf das gesamte radiale Zurücksetzen der äußeren Zahnkopfflächen und auf den erforderlichen Teilkreis sich bezieht. Die Teile der verkürzten Zähne 51g im Endsektor 72 zwischen den Ebenen 68 und 56 und die Teile der Zähne 51, die im Teil 44 liegen, sind untereinander gleich und geben den Zähnen des Werkstückes eine endgültige Form. Diese Zähne haben volle Größe und bilden sich voll im Werkstück ab, haben aber eine Abschrägung von 0,0125 mm auf 30° (Endabschrägung).

Die scharfen Ecken an den Zahnen 51 α im Bereich mit der reduzierten Höhe haben die Eigenschaft, das Werkstück zu fassen und in Drehung zu versetzen. Zudem entspricht die Formänderung der Zähne im Bereich der verkleinerten Zahnhöhe etwa den fortschreitenden Veränderungen, die am Werkstück während der Bildung der Werkstückzähne gemacht werden müssen. Das Werkstück 16 wird auf den Zentrierdornen derart gelagert, daß das untere Ende des Werkstückteils, auf dem Zähne hergestellt werden sollen, gegenüber der oberen Seite der Werkzeuge 10, 12 und 14 liegt. Wie aus Fig. 1 und 2 ersichtlich, läßt sich das Werkstück in Längsrichtung nach unten verschieben um einen Betrag, der ungefähr gleich der Länge der in der Höhe reduzierten Zähne ist. Sodann wird der Motor 28 in Gang gesetzt, so daß sich die Werkzeuge 10, 12 und 14 in Uhrzeigerrichtung drehen und, wie die Fig. 1 und 2 zeigen, eine Drehung des Werkstückes entgegen der Uhrzeigerrichtung bewirken. Da der Abstand zwischen den Zahnkopfflächen 42 und der Werkstückoberfläche zunehmend geringer wird, wird die Form der Werkzeugzähne am Umfang des Werkstückes eingeprägt. Die Werkzeuge 10, 12 und 14 führen eine einzige Umdrehung aus, wonach der Motor 28 stillgesetzt und das Werkstück 16 in Längsrichtung abwärts bewegt wird um ein Stück, das etwa gleich ist der Länge der in der Höhe reduzierten Zähne. Hierdurch kommen Zähne, die bei der ersten Werkzeugumdrehung durch die Zähne mit reduzierter Höhe gebildet wurden, mit anderen Werkzeugzähnen 44 in Eingriff, wobei die reduzierten Zähne 42 des Werkzeuges mit den anstoßenden Teilen des Werkstückes zum Eingriff kommen. Die Werkzeuge 10,12 und 14 werden dann wieder um eine vollständige Umdrehung gedreht, so daß die reduzierten Zähne 42 an dem mit ihnen im Eingriff stehenden Teil des Werkstückes wieder Zähne bilden. Das Werkstück wird in dieser Weise periodisch in Längsrichtung nach unten vorgeschoben, und die Werkzeuge werden ebenso um eine Umdrehung gedreht, bis die Zähne am Werkstück in der gewünschten Länge hergestellt sind. Hierbei dienen die Zähneteile 44 mit voller Zahnhöhe dazu, die Endform der Zähne am Werkstück zu bilden und das Werkstück in der genauen Lage gegenüber den Werkzeugen zu halten. Da bei dieser Ausführungsform der Erfindung drei Werkzeuge 10, 12 und 14 verwendet werden, ist es nicht erforderlich, das Werkstück 16 auf Zentrierungen zu lagern, um es in Berührung mit den Werkzeugen zu halten. Es können daher auch andere Mittel, die dem Werkstück eine Verdrehung gegenüber den Werkzeugen gestatten, zur Erzielung des Längsvorschubes des Werkstückes verwendet werden.

Bei der Herstellung von Keil- oder Nutenwellen u. dgl. am Werkstück 16 werden nur zwei Werkzeuge 10 und 12 vorzugsweise einander diametral gegenüber in bezug auf das Werkstück angeordnet, wie in Fig. 1 dargestellt ist. Das Werkstück ist auf den Zentrierdornen 18 und 20 gelagert, so daß eine Drehung des Werkstückes durch die Werkzeuge 10 und 12 möglich ist.

Bei dem Ausführungsbeispiel der Erfindung ist, wie aus den Figuren, insbesondere Fig. 6, ersichtlich, zwischen dem in Höhe veränderten Zahnteil 42 und dem Zahnteil 44 voller Höhe eine sie verbindende Kopffläche 75 jeweils gleicher Neigung vorgesehen.

Claims (5)

PATENTANSPRÜCHE:

1. Zahnradartiges Walzwerkzeug zur Erzeugung von Zähnen am Umfang zylindrischer Werkstücke mittels Walzens mit auf seinem Umfang angeordneten, bei einer Drehung um eine feste Achse nacheinander zur Einwirkung auf das Werkstück gelangenden Zähnen mit in Drehrichtung derart ansteigender Höhe, daß der Umfang einen Endsektor mit in ihrer Form mit der Form der herzustellenden Zähne übereinstimmenden

Zähnen und einen Anfangssektor aufweist und die Spitzen der zwischen dem End- und dem Anfangssektor angeordneten Zähne auf einer zur Drehachse des Werkzeuges exzentrischen Linie liegen, dadurch gekennzeichnet, daß der Teilkreis der Zähne (51g) des Endsektors mit demjenigen zum Teilkreis des Werkstückes konzentrischen Kreis übereinstimmt, der so verläuft, daß die Querschnittsflächen der Zahnlücken (48) des Werkstückes innerhalb dieses Kreises den Querschnittsfiächen (50) der Werkstückzähne außerhalb dieses Kreises entsprechen.

2. Werkzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die in der Höhe veränderten Zähne je auf einem Teil (44) ihrer Länge volle Größe aufweisen.

3. Werkzeug nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem in Höhe veränderten Längenabschnitt (42) des Zahnes und dem Längenabschnitt (44) mit voller Größe eine

sie verbindende geneigte Kopffläche (75) jeweils gleicher Neigung angeordnet ist.

4. Werkzeug nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Kopffläche einer Anzahl Zähne (51a) des Anfangssektors mit dem Teilkreis des Werkstückes übereinstimmt.

5. Werkzeug nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Kopffläche des die volle Größe aufweisenden Teils (44) der Zähne (51a) des Anfangssektors flankenseitig scharfe Kanten aufweist und die stirnflächenseitige Kante gefaßt ist.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Patentschriften Nr. 308 992, 803 232,
944, 914 365;

österreichische Patentschrift Nr. 170 909;
schweizerische Patentschrift Nr. 235 618;
USA.-Patentschriften Nr. 1558 086, 1568 648.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

© 109 740/107 11.61