DE4410743A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Erzeugen von Hinterlegungen an innenverzahnten Werkstücken - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrich­ tung zum Erzeugen von Hinterlegungen an den Zähnen von innenverzahnten Werkstücken gemäß Gattungsbegriff des Hauptanspruchs bzw. des nebengeordneten Vorrichtungsan­ spruchs.

Ein derartiges Verfahren bzw. eine derartige Vorrichtung ist bekannt aus der europäischen Patentanmeldung 0 550 877. Dort ist ein rotierendes Einzahnwerkzeug vorgesehen, welches auf einer Hypo- bzw. Epizykloide in die zu bearbeitende Verzahnung gestoßen wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein gattungsge­ mäßes Verfahren und eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens in gebrauchsvorteilhafter Weise weiterzu­ bilden.

Gelöst wird die Aufgabe durch die in den Ansprüchen ange­ gebene Erfindung.

Die Unteransprüche stellen jeweils vorteilhafte Weiter­ bildungen der Erfindung dar.

Zufolge der erfindungsgemäßen Ausgestaltung ist ein Verfahren gegeben, bei dem nur eine minimale bzw. so gut wie überhaupt keine Gratbildung auftritt. Das Werkzeug ist zahnkranzartig ausgebildet. Die Drehachse des Werk­ zeuges steht in einem Winkel zur Drehachse des Werkstückes. Während der Bearbeitung wird das Werkzeug in Rich­ tung der Drehachse des Werkstücks verlagert. Dieser Axialverlagerung kann eine Radialverlagerung bzw. eine Vertikalbewegung rechtwinklig zur Axialverlagerung über­ lagert sein. Das Werkzeug kann über diese beiden recht­ winklig aufeinanderstehenden Verlagerungsrichtungen sowohl dem Werkstück zugestellt werden, als auch vorge­ schoben werden. Bevorzugt erfolgt der Vorschub in Rich­ tung der Achse des Werkstückes und aus den Zahnflanken heraus. Während dieses Vorschubes sind sowohl Werkstück als auch Werkzeug drehangetrieben. Die zahnkranzförmig ausgestalteten Schneidkanten des Werkzeuges greifen dabei im Sinne eines Zahneingriffes in die Verzahnung des Werkstückes ein. Zufolge der Neigungslage der Werk­ zeugachse um den Winkel Alpha gegenüber der Werkstück­ achse reiben die Schneidwerkzeuge in den Zahnflanken, wobei die Spanbewegung bevorzugt aus dem Zahn heraus erfolgt. In eben diese Richtung, aus dem Zahn heraus, erfolgt auch der Vorschub, so daß eine eventuelle Grat­ bildung zur Zahnstirnfläche hin sich ausbildet. Die spezielle Form der Hinterlegung, wie sie beispielsweise in Fig. 4 der europäischen Patentanmeldung 55 0877 dargestellt ist, wird dadurch erzeugt, daß dem Vorschub in Achsrichtung des Werkstückes eine Zustellbewegung rechtwinklig dazu, vorzugsweise in radialer Richtung zur Drehachse des Werkstückes überlagert wird. Einer bevor­ zugten Weiterbildung gemäß ist das Werkzeug mit einem Werkzeugkopf ausgebildet, welcher Träger von zahnkranz­ förmigen Werkzeugen ist, wobei dieser Kopf zusammen mit den Werkzeugen in Achsrichtung der Werkzeugspindel oszil­ liert. Der Hub der Oszillation beträgt vorzugsweise 2/10 mm und die Oszillationsfrequenz ein Vielfaches der Drehzahl des Werkzeuges. Vorzugsweise wird die Werkzeug­ spindel, an einer Vorrichtung angeordnet, wie sie bei­ spielsweise aus der europäischen Patentschrift 0 107 826 der Anmelderin her bekannt ist. Demnach sind zwei Einzel­ schlagmesserfräser vorgesehen, welche in der dort be­ schriebenen Art und Weise im Synchronlauf zum Werkstück angetrieben werden und von denen jeweils das eine die eine Dachkante und das andere die andere Dachkante der Verzahnung abfräst. Die Werkzeugspindel des zahnkranzar­ tig ausgebildeten Hinterlegungs-Fräs-Werkzeuges bildet demzufolge die dritte drehangetriebene Achse der Vorrich­ tung aus. Es ist vorgesehen, daß zunächst die Einfräsung der Hinterlegung erfolgt und daran anschließend die Stirnseiten der Zahnflanken wie in der EP 0 107 826 beschrieben abgedacht werden. Es ist vorgesehen, daß Werkzeug und Werkstück jeweils von miteinander synchroni­ sierten Einzelantrieben angetrieben werden. Dabei sind bevorzugt alle drei Werkzeugantriebe mit dem Werkstückan­ trieb synchronisiert. Einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung gemäß ist vorgesehen, daß Werkzeuge axial hintereinander angeordnet sind, wobei die Werkzeuge in Vorschubrichtung geringer werdenden Radialabstand aufwei­ sen. Vorteilhaft an dieser Ausgestaltung ist, daß zu­ nächst die Schnittkanten der Werkzeuge das Material bearbeiten, welche am wenigsten weit von der Achse des Werkzeuges entfernt sind, also die geringste Schnittiefe erzeugt. Erst infolge des Vorschubes kommen die radial weiter beabstandeten Werkzeugschneidkanten in Eingriff zum Zahn. Die der Vorschubbewegung überlagerte Oszilla­ torbewegung des Werkzeugkopfes bewirkt einen feilenarti­ gen Materialabtrag. Der Oszillator kann von einer Kurven­ scheibe angetrieben werden, welche kranzförmig die dre­ hende Welle umgibt und welcher relativ gegenüber dieser Welle in Ruhe ist. Ein Abtaststift des Kopfes, welcher beweglich, beispielsweise kugelgelagert, auf der Welle gelagert ist, kann diese Kurve abtasten und demzufolge in eine axiale Oszillationsbewegung überführt werden. Über ein elastisches Medium erfolgt dabei die Rückstel­ lung des oszillierenden Werkzeuges. Die Schneidkanten des Werkzeuges können von einer Vielzahl sternförmig angeordneter Wendeplatten ausgebildet sein oder von zahnkranzförmigen sogenannten "Wafern". Auch diese Wafer- bzw. Wendeplatten können in axialer Richtung hintereinander angeordnet sein. Bevorzugt sind die Werk­ zeuge versetzt hintereinander angeordnet, wobei jeweils eine Messerplatte die eine Zahnflanke und die unmittel­ bar axial dahinterliegende die andere Zahnflanke bearbei­ tet. Bevorzugt sind zahnkranzförmige Wafer vorgesehen, welche paarweise eine Spiegelsymmetrie aufweisen, so daß ein Wafer immer die linke und ein anderer Wafer immer die rechte Zahnflanke fräst. Die Vorteile des Verfahrens und der Vorrichtung ist ein kostengünstiges, zeichnungs­ gerechtes, "gratfreies" Verfahren. Es sind keine Nachar­ beitungsoperationen durch Räumen, Entgraten notwendig. Es sind somit weniger Arbeitsgänge erforderlich. Das Verfahren ermöglicht die Herstellung von Hinterlegungen von insbesondere Schiebemuffen. Es ist eine Ausbildung einer Übergangssteigung der Hinterlegung zur voll ausge­ bildeten Flanke ohne Sprünge von ca. 20 möglich. Wer­ den bevorzugt Wendeplatten aus Hartmetall oder derglei­ chen eingesetzt, so ist darüber hinaus auch eine Trocken­ bearbeitung ermöglicht. Das Verfahren ermöglicht weiter­ hin eine hohe Schnittgeschwindigkeit bei guten Synchron­ bedingungen zur Wärmeabfuhr durch die erzeugten Späne. Es wurde an der erfindungsgemäßen Vorrichtung weiterhin festgestellt, daß die Bearbeitungszeit gegenüber dem Stand der Technik deutlich geringer sind. Darüber hinaus ermöglicht die Kombination der drehangetriebenen Werk­ zeugwelle mit den beiden Dachkantfräsern eine modulare Baugruppenanordnung.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand der beigefügten Zeichnungen nachfolgend erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine erfindungsgemäße Vorrichtung (die beiden Dachkantfräser sind weggelassen),

Fig. 2 einen Schnitt gemäß der Linie II-II in Fig. 1,

Fig. 3 einen Schnitt durch den Kopf einer Werkzeug­ spindel,

Fig. 4 schematisch die Anordnung der Schnittkanten,

Fig. 5 einen Schnitt durch eine Hinterlegung und

Fig. 6 zwei übereinander gelegte zahnkranzförmige Werkzeuge, bei denen das eine Werkzeug jeweils die eine und das andere Werkzeug jeweils die andere Zahnflanke der Verzahnung fräst.

Bei der erfindungsgemäßen Werkzeugmaschine, von der in Fig. 1 nur der hier relevante Teil dargestellt ist, greift ein außenverzahntes Werkzeug 1, von welchem ledig­ lich das Ende der Werkzeugspindel 4 dargestellt ist, in ein innenverzahntes Werkstück 2 ein, welches von einer Werkzeugspindel 12 getragen wird. Die Werkzeugspindel 12 nimmt mit ihren Außenbacken 10 das hier als Zahnrad mit einer Innenverzahnung dargestellte Werkstück 2 auf. Gegengelagert wird das Werkstück 2 durch zwei diametral gegenüberliegende Innenbacken 11, welche innen in die Verzahnung des Zahnrades 2 eingreift.

Der Durchmesser des Werkzeugkopfes 3 ist wesentlich geringer als der Durchmesser des zu bearbeitenden Zahnra­ des 2. In etwa gleichen sich hier doch der Modul der Zähne 5 und der Schneidezähne 7, wobei aber gewährlei­ stet ist, daß durch den Zahneingriff ein Materialabbau erfolgt. Die Schneidelöcher können dann ein entsprechen­ des Übermaß aufweisen. Wie insbesondere aus der Fig. 5 zu entnehmen ist, besteht eine Hinterlegung 8 aus einer Einfräsung in die Zahnflanken 5′ eines Zahnes 5. Von der erfindungsgemäßen Vorrichtung erfolgt die Einarbeitung der Hinterlegung 8 aus dem Zahn heraus hin zur Stirnflä­ che 5′′, wo sich dann gegebenenfalls ein Span 9 bildet, welcher durch ein nachfolgenden Abdachschritt abgefräst wird (vergleiche EP 0 107 826).

Wie der Fig. 1 zu entnehmen ist, ist die Achse A des Werkzeuges 1 gegenüber der Drehachse D der Werkzeugspin­ del um einen Winkel Alpha geneigt (die Achse D′ verläuft parallel zur Achse D). Die Werkzeugspindel 4 weist an ihrem freien Ende einen Kopf 3 aus, welcher umfanglich zahnkranzförmig angeordnete Schneidezähne 7 aufweist. Die Schneidezähne 7 bilden mit ihren Kanten Schnittkan­ ten 6 aus. Im Ausführungsbeispiel sind drei Schneidezäh­ ne 7 in axialer Richtung hintereinander so angeordnet, daß in Richtung aus dem Zahn, also in Richtung des Vor­ schubes x, der Radialabstand der Schneidkanten 6 ab­ nimmt. Wie insbesondere der Fig. 4 zu entnehmen ist, ist die Achse A′, welche parallel zur Achse A verläuft, gegenüber der Achse B, welche parallel zur Achse D ver­ läuft geneigt. Dieser Neigungswinkel Alpha ist kleiner als der Winkel Beta der Achsen C und B. Die Achse C ist dabei die Verbindungslinie der axial hintereinander angeordneten Schnittkanten 6.

Das Werkzeug 1 ist in Richtung der Drehachse des Werk­ stückes (Richtung x) verlagerbar. Ebenfalls ist das Werk­ zeug 1 in einer Richtung senkrecht zu dieser Richtung x, nämlich in Richtung z verlagerbar. Die Z-Richtung ent­ spricht der Radialen der Drehachse D des Werkstückträ­ gers 12. Entsprechend der Form, welche die Hinterlegung 8 haben soll, wird bei der spanenden Bearbeitung der Verzahnung das Werkzeug in Richtung und in Richtung z zugestellt bzw. vorgeschoben. Dies geschieht mittels CNC-gesteuerte Servomotoren.

In Überlagerung zu der zahnauswärts gerichteten Vorschub­ bewegung des Werkzeuges 1 ist der Werkzeugkopf 3 so ges­ taltet, daß die Schneidzähne in Achsrichtung A des Werk­ zeuges oszillieren.

Ein Ausführungsbeispiel für ein Oszillator im Kopf 3 des Werkzeuges 1 zeigt die Fig. 3. Dort ist in einem Rohr 19, welches sich nicht dreht, die Antriebswelle 4 für das Werkzeug gelagert. Auf der Antriebswelle 4 (Werkzeug­ spindel) sitzt ein Kugelpfannenträger 17, welcher gegen­ über dem Rohr 19 stirnseitig mit einem Kugellager 18 gelagert ist. Dem Kugelpfannenträger 17 nachgeordnet ist eine elastische Schicht, beispielsweise ein Federelement aus Gummi gelagert. Dieses elastische Element 16 wird sandwichartig von einer Platte 15 und dem Kugelpfannen­ träger 17 aufgenommen. Die Platte 15 ist gegenüberlie­ gend dem Kugelpfannenträger 17 zufolge ihrer Lagerung über eine zentrale Kugel 14 beweglich angeordnet. Sie ist taumelartig verlagerbar. Zufolge der Elastizität der Zwischenschicht 16 erfolgt eine Rückstellung in die Ausgangslage. Durch eine Öffnung der elastischen Schicht 16, welche fluchtet in einer Öffnung des Kugelpfannenträ­ gers 17 ist ein Stift 20 gesteckt, welcher mit einem kugelkopfförmigen Ende 21 auf einer kranzförmigen Kurven­ scheibe 22 bei der Drehbewegung der Spindel 4 umläuft. Die Kurvenscheibe ist in Umfangsrichtung wellenförmig gestaltet. Dies hat zur Folge, daß sich der Stift 20 bei einer Drehung in Achsrichtung hin- und herbewegt und somit eine Wippbewegung der Platte 15 hervorruft. Auf der Platte 15 ist ein Werkzeug 7 aus Hartmetall oder dergleichen mit einer Kappe 13 eingespannt. Die Schneid­ kante 6 des zahnkranzförmigen Werkzeuges 7 oszilliert bei einer Drehung der Welle 4.

Ein Ausführungsbeispiel eines Schneidwerkzeuges zeigt die Fig. 6. Dort sind zwei im wesentlichen zahnkranzför­ mig sogenannte Wafer 25 übereinandergelegt. Der obenlie­ gende Wafer bildet die Schnittkante 23 für die linkslie­ genden Zahnflanken aus und unten liegen Wafer die Schnittkanten 24 für die rechtsliegenden Wafer. Die Schnittkanten 23 und 24 bilden zusammen einen Schneid­ zahn 7 also das eigentliche Werkzeug aus. Derartige Werkzeuge können aufeinander geschichtet werden, wobei erfindungsgemäß vorgesehen ist, daß die Schneidzähne 7 dann einen unterschiedlichen Radialabstand aufweisen.

Zur Fräsung einer Hinterlegung erfolgt zunächst ein Eintauchen der Schneidzähne 7 in den Zahn unter gleich­ zeitigem Vorschub in Richtung x. Das Eintauchen erfolgt bis zu einer Tiefe T in Richtung Z. Unter gleichzeitiger Oszillation erfolgt dabei ein Vorschub in Richtung X, die Zahn-Flanke wird dann gefräst, indem unter gleichzei­ tigem Vorschub in Richtung X das Werkzeug in Gegenrich­ tung zur Richtung Z wieder aus dem Zahn heraus verla­ gert. Zur Vermeidung von Graten erfolgt diese Fräsbewe­ gung unter gleichzeitiger Oszillation der Zähne 7. Gege­ benenfalls entsteht ein Grat 9 an der Stirnfläche des Zahnes. Dieser Grat 9 wird in einem nachfolgenden Bear­ beitungsschritt von Dachkantenfräsern abgetragen. Zufol­ ge der Neigung um den Winkel Alpha der Werkstückachse gegenüber der Werkzeugachse ist zudem eine reibende Bewegungskomponente gegeben. Der Hub des Oszillators beträgt bevorzugt 2/10 mm. Als die Zähne 7 ausbildende Werkzeuge können ebenso Einzelwendeplatten, also für jeden Zahn einzeln, verwendet werden. Bevorzugt werden aber sogenannte Wafer aus Hartmetall oder beschichtetem Werkzeugstahl verwendet.

Alle drehangetriebenen Spindeln sind über eine CNC- Steuerung miteinander synchronisiert.

Die in der vorstehenden Beschreibung, der Zeichnung und den Ansprüchen offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Verwirklichung der Erfindung von Bedeutung sein. Alle offenbarten Merkmale sind erfindungswesentlich. In die Offenbarung der Anmeldung wird hiermit auch der Offenbarungsinhalt der zugehörigen/beigefügten Priori­ tätsunterlagen (Abschrift der Voranmeldung) vollinhalt­ lich mit einbezogen.

Claims (10)

1. Verfahren zum Erzeugen von Hinterlegungen an Zähnen von innenverzahnten Werkstücken, wobei ein spanabheben­ des, drehangetriebenes Werkzeug in das gleichsinnig drehangetriebene Werkstück eintaucht, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Drehachse des Werkzeuges in einem Winkel Alpha zur Werkstückachse liegt und daß das in Richtung (x) der Werkstückachse und in Richtung (Z) radial zur Werkstückachse verlagerbare Werkzeug in Achs­ richtung (x) zahnflankenauswärts vorgeschoben wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1 oder insbesondere danach, dadurch gekennzeichnet, daß das Werkzeug in Achsrichtung oszilliert, insbesondere mit einem Hub von ca. 2/10 mm.

3. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche oder insbesondere danach, dadurch gekennzeich­ net, daß nachfolgend zur in Zahnflankenauswärtsrichtung erfolgenden Hinterlegungsverzahnung die Stirnseiten der Zahnflanken abgedacht werden.

4. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche oder insbesondere danach, dadurch gekennzeich­ net, daß Werkzeug und Werkstück jeweils von miteinander synchronisierten Einzelantrieben angetrieben werden.

5. Vorrichtung zum Erzeugen Hinterlegung oder derglei­ chen an Zähnen von innenverzahnten Werkstücken insbeson­ dere zur Ausübung eines Verfahrens nach einem oder mehre­ ren der vorhergehenden Ansprüche, mit einem drehangetrie­ benen, Schneidkanten aufweisenden Werkzeug, zum Eintau­ chen in die Verzahnung des in einem gleichsinnig zum werkzeugdrehangetriebenen Werkstück-Futter aufgenommenen Werkstück, dadurch gekennzeichnet, daß das Werkzeug zahnkranzartig angeordnete Schneidkanten (6) aufweist, und die Drehachse (A) des in Richtung (X) der Werkstück­ achse und in Richtung (Z) radial zur Werkstückachse verlagerbaren Werkzeuges in einem Winkel (Alpha) zur Werkstückachse (D) verläuft.

6. Vorrichtung nach oder insbesondere nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Werkzeug dem Kopf (3) einer Werkzeugspindel (4) zugeordnet ist, und das Werk­ zeug einen Oszillator aufweist, zur Erzeugung eines axialen Hubs, wobei die Hubfrequenz um ein Vielfaches höher liegt, als die Drehzahl des Werkzeuges.

7. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehen­ den Ansprüche oder insbesondere danach, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Oszillator im Werkzeugkopf angeordnet ist und bevorzugt eine Kurvensteuerung aufweist.

8. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehen­ den Ansprüche oder insbesondere danach, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Schneidkanten von einem im wesentli­ chen zahnkranzförmigen Schneidblatt (25) oder von einer Vielzahl sternförmig angeordneter Wendeplatten ausgebil­ det werden.

9. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehen­ den Ansprüche oder insbesondere danach, gekennzeichnet durch mehrere axial hintereinander angeordnete, insbeson­ dere lamellenförmig angeordnete, die Schneidkanten (6) ausbildende Schneidzähne (7) mit in Achsrichtung (7) abnehmendem Radialabstand.

10. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehen­ den Ansprüche oder insbesondere danach, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Schneidzähne nur jeweils eine Schneid­ kante (23, 24) ausbilden und unmittelbar hintereinander­ liegende Schneidezähne (7) jeweils gegenüberliegende Schnittkanten aufweisen.