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Zahnradartiges Walzwerkzeug Die Erfindung betrifft ein zahnradartiges
Walzwerkzeug zum spanlosen Feinbearbeiten der vopverzabnten Zahnflanken von Zahnrädern
mit Innen- oder Außenverzahnung, insbesondere von Stirn- und Kegelrädern, durch
Umformen mittels einer eine Flächenpressung zwischen den Zahnflanken des Werkzeuges
und des WerkstUckes hervorrufenden Anpreßkraft.
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Waizwerkzeuge zur spanlosen Feinbearbeitung von vorverzahnten Werkstücken
sind bekannt. Sie sind zahnradartig ausgeführt und wälzen mit den durch ein spanendes
oder spanloses Verfahren vorverzahnten Werksttlcken spielfrei unter Aufbringung
einer äußeren Anpreßkraft.
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Die BerUhrung zwischen den Zahnflanken des Werkzeuges und des Werkstückes
erfolgt längs einer theoretischen Linie,die Je nach Schrägungswinkel des Werksttickes
mehr oder weniger stark zur Schraubenlinie geneigt ist.
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Um den Vorgang der spanlosen Umformung einzuleiten, muß der Werkstoff
des Werkstückes an der Oberfläche der Zahnflanke zum Fliessen gebracht werden. Das
Fliessverhalten wird hierbei durch die Werkstoffkennwerte, die Schmier- und Gleitverhältnisse
sowie durch die Flächenpressung der sich berhhrenden Zahnflanken beeinflußt. Die
Flächenpressung ist abhängig von den Krümmungsverhältnissen der sich berührenden
ZahnFlanken, von der Breite der Verzahnung und von der äußeren Anpreßkraft.
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Es ist bekannt, daß eine zu hohe äußere Anpreßkraft verfahrensbedingte
Verzahnungsfehler zur Folge hat,die sich aufgrund der
Elastizität
des WerkstUckes ergeben und insbesondere an den Stirnseiten und am Kopf der Zähne
des herzustellenden Zahnrades auftreten. Zur Verringerung dieser verformungsbedingten
Verzahnungsfehler ist es deshalb bekannt, zusätzlich zu dem Werkzeug Walzräder anzuordnen,
von denen hohe Anpreßkräfte aufgenommen werden, um ein Durchbiegen der Aufspannwelle
fur das Werkstück zu verhindern.
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Zur Verringerung der verfonnungsbedingten Verzahnungsfehler ist es
darüber hinaus bekannt, die Berührungszone zwischen den Zahnflanken des Werkzeuges
und des Werkstückes zu verkleinern, so daß die äußere Anpreßkraft verringert werden
kann. Hierdurch kann nicht nur die Walzmaschine leichter ausgeführt werden, insbesondere
die Lagerung von Werkzeug und WerkstUck,sondern es können auch die zusätzlichen
Walzräder entfallen, die einen zusätzlichen konstruktiven Aufwand erfordern.
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Zur Verringerung der äußeren Anpreßkraft bei gleichzeitiger Aufrechterhaltung
der erforderlichen Flächenpressung ist schließlich ein Werkzeug bekannt, bei dem
die Zahnflanken durch Nuten unterbrochen sind, so daß die Berührzonen verkleinert
werden. Dieses bekannte Werkzeug hat eine Vielzahl von nachteilen. Einmal ist das
Einbringen der Nuten fertigungstechnisch sehr aufwendig, insbesondere dadte an den
Ubergangsstellen entstehenden Kanten gerundet werden müssen, weil anderenfalls die
Gefahr besteht, daß die Zahnoberfläche beschädigt wird. Weiterhin sind die Nuten
von Zahn zu Zahn gestaffelt anzuordnen, um die Bearbeitung auf die gesamte Zahnbreite
auszudehnen. Ein derartiges Werkzeug ist somit verhältnismässig teuer. Zum anderen
bedingt die Anordnung von Nuten in den Zähnen des Werkzeuges, daß das Werkzeug nur
mit Werksttlcken mit bestimnten Zähnenzahlen gepaart werden kann, so daß fUr Jedes
herzustellende Zahnrad ein spezielles Walzwerkzeug angefertigt und auf Lager gehalten
werden muß.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, unter Vermeidung der Nachteile
der bekannten Ausführungen ein zahnradartiges Walzwerkzeug
zum
spanlosen Feinbearbeiten der vorverzahnten Zahnflanken von Zahnrädern zu schaffen,
das eine verhältnismässig kleine Berhhrzone besitzt, um die notwendige Flächenpressung
bei kleiner äußerer Anpreßkraft erzielen zu können, das einfach und preiswert herstellbar
ist und zur Bearbeitung sämtlicher Zahnräder des gleichen Moduls verwendet werden
kann.
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Zur Lösung dieser Aufgabe wird mit der Erfindung ein Zahnradartiges
Walzwerkzeug vorgeschlagen, das durch eine theoretische Punktbezitihrung zwischen
den in axialer Richtung zueinander beweglichen Zahnflanken des Werkzeuges und des
Werkstückes gekennzeichnet ist.
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Diese theoretische Punktberührung ergibt beim Aufbringen der Anpreßkraft
eine #llipsenartige BerWhrzone, die sich mehr oder weniger weit ueber die Zahnflanke
erstreckt.
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Der theoretische Berührungspunkt zwischen den Zahnflanken des Werkzeuges
und des Werkstückes kann gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung dadurch erzeugt
werden, daß die Zahnflanken des Werkzeuges Uber die Zahnbreite ballig ausgeführt
sind, wobei unter dem Begriff "ballig" nicht nur eine kreisförmige Kontur,sondern
auch eine elliptische, trapezfönnige oder dachföriige Kontur verstanden wird.
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Anstelle der balligen Ausuhrung der Zahnflanken des Werkzeuges Uber
die Zahnbreite kann eine theofltische PunktberUhrung auch dadurch erzielt werden,
daß die Drehachse des schrägverzahnten Werkzeuges mit der Drehachse des Werksttlckes
in der Art eines Schraubwälzgetriebes gekreuzt ist. Ein derartiges Schraubwälzgetriebe
entsteht dadurch, daß zwei Zahnräder mit unterschiedlichen Schrägungswinkeln miteinander
gepaart sind,wobei sich die Drehachsen beider Räder kreuzen.
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Da sich die beiden voranstehend geschilderten Arten zur Erzeugung
der Punktberührung nicht gegenseitig ausschließen, ist es gemäß einem weiteren Merkmal
der Srfindwig möglich, die Breitenballigkeit
des Werkzeuges mit
der kreuzenden Anordnung der Drehachsen des Werkzeuges und des Werksttlckes zu kombinieren.
Die Größe der Balligkeit bzw. des Achskreuzwinkels,die beide die zum Fließen des
Materials erforderliche Flächenpressung beeinflussen, können nach bekannten Rechenverfahren
im Hinblick auf die maximal zuldssige äußere Anpreßkraft und damit im Hinblick auf
die maximal zulässige, auf Jeden Zahn wirkende Kraft bestimmt werden.
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Die Vorteile des erfindungsgemäßen Walzwerkzeuges liegen hinsichtlich
der balligen Ausführung der Zahnflanken nicht nur darin, daß die Bertlhrzone und
damit die aufzubringende Anpreßkraft verringert werden,sondern auch darin, daß Verzahnungsfehler
an den Stirnseiten und am Kopf der herzustellenden Zähne vermieden werden,da sich
eine eliipsenartig geformte Berührzone ergibt; hierdurch sind die Verformungskräfte
an den Stirnseiten und am Kopf des Zahnes geringer als in der Mitte der Zahnbreite.
Die Paarung eines Werkzeuges mit einem Werkstück unter gekreuzten Drehachsen in
der Art eines Schraubwälzgetriebes bewirkt eine relative Gleitgeschwindigkeit der
Zahnflanken aufeinander in Zahnlängsrichtung. Infolge dieser Zahnlängsgleitung des
Schraubwälzgetriebes findet auf der gesamten Zahnflanke eine Gleitung statt,wodurch
sich die Unterschiede in den Gleitgeschwindigkeiten über der Zahnhöhe verringern.
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Bei dieser erfindungsgemäßen Ausführung treten somit keine der bekannten
Fehler auf, wie Materialanhäufung im Wälzgebiet der getriebenen Flanke oder Vertiefungen
im Wälzgebiet der Gegenflanke.
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Diese Verzahnungsfehler entstanden bei den bekannten Werkzeugen dadurch,
daß die Gleitgeschwindigkeit im Wälzgebiet zu Mull wird, wodurch beim Walzen nach
den herkömmlichen Methoden infolge der wechselnden Gleitung in Zahnhöhenrichtung
der Werkstoff unter unterschiedlichen Bedingungen zu fließen begann.
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Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Ausbildung, der fUr beide
Ausführungsmöglichkeiten zutrifft,besteht darin, daß mit einem bestimmten Werkzeug
Zahnräder mit unterschiedlicher Verzahnungsgeometrie gewalzt werden können. Bei
Zahnrädern mit unterschiedlichen
Schrägungswinkeln wird der sich
aus der Differenz der beiden Schrägungswinkel ergebende Achskreuzwinkel in einfacher
Weise an der Maschine eingestellt, wobei zum Walzen eine Maschine verwendet wird,
deren Bauweise und Bewegungen einer Maschine entsprechen, wie sie zum Schaben oder
Honen eingesetzt wird.
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Mit der Erfindung wird schließlich vorgeschlagen, das Werkzeug und/oder
das Werkstück in Richtung seiner Drehachse oder unter einem Winkel zu dieser mit
einstellbarer Weglänge und/oder Geschwindigkeit verschiebbar zu machen, so daß nicht
nur eine Verzahnungsbreite erreicht werden kann, die größer als die axiale Erstreckung
der Berührzone ist, sondern durch Variation des Verschiebeweges und der Verschiebegeschwindigkeit
auch eine Korrektur des Werkstückprofiles in Zahnlängsrichtung möglich ist.
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Auf der Zeichnung sind die beiden AusfUhrungmöglichkeiten des erfindungsgemäßen
Walzwerkzeuges schematisch dargestellt, und zwar zeigt: Fig. 1 einen perspektivisch
dargestellten Schnitt durch einen im Eingriff mit einem Werkstückzahn befindlichen,
breitenballigen Werkstüokzahn, Fig. 2 eine perspektivische Ansicht eines Werkstückzahnes
mit eingezeichneter Berührzone, Fig. 3 eine schematische Ansicht eines aus Werkstück
und Werkzeug bestehenden Schraubwälzgetriebes, Fig. 4 eine perspektivische Ansicht
der Berührungsverhältnisse zwischen den Zahnflanken des Werkzeuges und des Werkstückes
bei gekreuzten Achsen, Fig. 5 ein Schaubild der relativen Gleitgeschwindigkeit in
Abhängigkeit von der Zahnhöhe bei gekreuzten Drehachsen und Fig. 6 eine Ausführungsmöglichkeit
für die Verschiebebewegung zwischen Werkstück und Werkzeug.
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Bei der ersten Aus führungs form nach den Figuren 1,2 und 6 erfolgt
die spanlose Feinbearbeitung der vorverzahnten Zahnflanke eines
Werkstückes,
das auch als Werkrad bezeichnet wird, mittels eines zahnradartigen Werkzeuges (Walzrad),
dessen Zahnflanken über die Zahnbreite ballig ausgeführt sind. In der Schnittdarstellung
nach Figur 1 ist ein Werkstückzahn 1 und ein Werkzeugzahn 2 zu erkennen, die sich
theoretisch nur an einem Berührungsspunkt 3 berühren Bei Aufbringen der äußeren
Anpreßkraft zwischen den Zahnflanken des Werkstückzahnes 1 und des Werkstückzahnes
2 ergibt sich jedoch eine Berührzone 4,die gemä£ der Darstellung nach Figur 2 ellipsenartig
geformt ist und die Länge 4a besitzt. Um den Berührungspunkt 3 darstellen zu können,
sind die miteinander in Eingriff stehenden Zähne in Figur 1 in der Eingriffsebene
geschnitten. Die Länge 4a der Berührzone 4 uuld die innerhalb der Berührzone 4 auftretende
Flächenpressung lassen sich nach den Formeln von Hertz berechnen . Um die Feinbearbeitung
des Werkstückzahnes 1 trotz der nur über einen Teil seiner Zahnbreite sich erstreckenden
Berührzone 4 Uber die gesamte Zahnbreite durchzuführen, sind d1e Zahnfanken des
Werkstückzahnes 1 und des Werkzeugzahnes 2 in axialer Richtung zueinander verschiebbar.
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Dies zeigt die Darstellung nach Figur 6, in der ein unverschiebbares
Werkzeug 6 und ein in axialer Richtung verschiebbares Werkstück 5 zu erkennen sind.
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Bei der zweiten Ausführungsform nach den figuren 3 bis 5 ist das Werkstück
5 mit dem Werkzeug 6, deren Schrägungswinkel unterschiedlich sind, in der Art eines
Schraubwälzgetriebes mit sich kreuzenden Drehachsen gepaart. Die Drehachsen schließen
hierbei den Achskreuzwinkel 7 ein. Eine Berührung des Werkstückes 5 mit dem Werkzeug
6 erfolgt lediglich im Bereich des Achskreuzpunktes 8.
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In Figur 3 sind mittels Vektoren die Umfangsge#chwindigkeiten und
die relative Gleitgeschwindigkeit zwischen den Zahnflanten des Werkstückes 5 und
des Werkzeuges 6 im Achskreuzpunkt 8 dargestellt. Der Vektor 9 entspricht der Umfangsgeschwindigkeit
des Werkstücken 5,wogegen der Vektor lo die Umfangsgeschwindigkeit des Werkzeuges
6 darstellt. Diese beiden Vektoren 9 und lo bilden einen Winkel,dessen Größe dem
Achskreuzwinkel 7 entspricht. Die
beiden Umfangsgeschwindigkeiten
rufen auf der Zahnflanke des Werksttlckes 5 eine relative Gleitgeschwindigkeit in
Richtung der Drehachse des Werkstückes 5 hervor, deren Größe (und Richtung) sich
aus dem Vektor 11 ergibt.
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Um die theoretische Punktberührung zwischen den Zahnflanken des Werkstückes
5 und des Werkzeuges 6 zu verdeutlichen, zeigt Figur 4 die Berührungsverhältnisse
in vergrößertem Maßstab. Wie diese Darstellung erkennen läßt, befindet sich ein
Werkzeugzahn 12 mit einem Werkstückzahn 13 in Eingriff, wobei vorausgesetzt ist,
daß sich die Drehachsen des Werkstückes 5 und Werkzeuges 6 kreuzen. Die Zahnflanke
des Werkstückzahnes 13 hat mit einer ideellen Bezugszahnstange eine Berührungslinie
14 gemeinsam,wogegen der Werkzeugzahn eine Berührungslinie 15 besitzt. Es ist in
Figur 4 zu erkennen, daß sich die Berührungslinien 14 und 15 in einem Punkt, dem
Berührungspunkt 16 schneiden, der dem theoretischen Berührungspunkt entspricht.
Auch bei dieser Ausftlhrung bildet sich unter Last eine ellipsenartige Berührzone
aus,deren Halbachsen sowie auftretende Flächenpressungen sich nach bekannten Formeln
berechnen lassen.
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In dem Schaubild nach Figur 5 ist schließlich die Verteilung der Gleitgeschwindigkeiten
über der Höhe eines Werkstückzahnes dargestellt. Um die Darstellung zu vereinfachen,
sind die Vektoren 17 für die Zahnhöhengleitzung aus ihrer mit strichpunktierten
Linien angedeuteten Wirkrichrung um 90° geklappt. Aus der Addition des Jeweiligen
Vektors 11 der relativen Gleitgeschwindigkeit und des Vektors 17 der Zahnhöhengleitung
ergibt sich ein Vektor 19 der Gleitgeschwindigkeit. Wie aus der Darstellung in Figur
5 erslehtlioh ist, ist die Zahnhöhengleitung im Wälzpunkt 18 Null. Da die Wirkrichtung
der Zahnhöhengleitung am Zahnkopf und am Zahnfuß unterschiedlich ist,erfolgt über
die Höhe des Zahnes eine Xnderung der Gleitgeschwindigkeit, wie aus dem Vektor 19
zu erkennen ist.
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Die aus Figur 5 ablesbare Verteilung der resultierenden Gleitgeschwindigkeit
anhand der Vektoren 19 zeigt jedoch, daß die Gleit geschwindigkeit an keiner Stelle
zu Null wird und daß eine um so
gleichmässigere Verteilung der Gleitgeschwindigkeit
huber die Zahnhöhe vorliegt, Je größer die Gleitung in Zahnlängsrichtung ist, d.h.
Je größer der Achskreuzwinkel 7 gewählt wird.
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Selbstverständlich massen sich die beiden voranstehend bes¢hriebenen
Ausführungsformen miteinander kombinieren, woraus sich eine weitere Vielzahl von
Ausführungsmöglichkeiten ergibt. Eine derartige Kombination ist Jedoch wegen der
schwierigen Darstellung nicht gezeichnet worden.