Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Wälzstoßen einer Verzahnung an einem Werkstück, bei dem unter Hubzyklen einer vorgegebenen Hublänge bewegtes Stoßrad in mehreren Arbeitshüben in wälzendem Bearbeitungseingriff unter Ausbildung von Berührspuren spanend Material von dem Werkstück abträgt.

Bei diesem Wälzstoßen handelt es sich um eine einerseits lange bekannte Technik zur Herstellung von Verzahnungen Es ist ein schneidendes Verfahren, bei dem die Hauptschnittbewegung durch eine Hubbewegung des Werkzeugs realisiert ist, wobei im sogenannten Arbeitshub die spanende Materialabnahme des Werkstück-Werkstoffs erfolgt, wobei der Rückhub zur Vermeidung von Rückhubstreifen in abgehobenem Zustand erfolgt. Dieses Verfahrensprinzip ist beispielsweise in Thomas Bausch et al, „Innovative Zahnradfertigung“, 3. Auflage, S. 281 in Bild C.1-1 dargestellt. Ein wichtiger Vorteil des Wälzstoßens gegenüber anderen Verfahren wie etwa des Wälzfräsens liegt in der universellen Einsetzbarkeit vor allem für Werkstücke mit Innenverzahnungen oder Werkstücke mit an die Verzahnung anschließenden Schultern, für die sich das Wälzfräsen wenig bis gar nicht eignet.

Neben konventioneller Zustellung kommen inzwischen auch degressive spiralige Zustellungen zum Einsatz. Unabhängig von der Zustellstrategie ist jedoch zu beobachten, dass gerade bei hohen Hubzahlen und insbesondere bei Verzahnungen mit geringem Schrägungswinkel bis hin zu Geradverzahnungen höhere Werkzeugbelastungen auftreten und bei den herrschenden hohen Schneidkräften auch das Risiko von Beschädigungen erhöht wird.

Der Erfindung liegt angesichts dieser Beobachtung die Aufgabe zugrunde, ein Wälzstoßverfahren der eingangs genannten Art im Hinblick auf eine Kombination aus zufriedenstellend schneller Bearbeitung und Prozess-Sicherheit wie auch möglichst geringem Werkzeugverschleiß weiterzubilden.

Diese Aufgabe wird von der Erfindung in verfahrenstechnischer Hinsicht durch eine Weiterbildung des Verfahrens der eingangs genannten Art gelöst, die im Wesentlichen dadurch gekennzeichnet ist, dass wenigstens für eine erste Mehrzahl von Hüben die Berührspur am Teilkreis in Hubmitte unter einem Winkel y zur Flankenlinie verläuft, dessen Cotangens kleiner oder gleich dem Produkt der Konstanten Ki und K ist, wobei K gleich 40, bevorzugt gleich 33, insbesondere gleich 25 ist und K ein Geometrie-/Prozessfaktor (zweiter Faktor) von K =K _h K _m K _a Kß ist mit K _h =h[mm]/20, K _m =3/m _n [mm], K _a =sin 207sin a und Kß=cos ß ist. Dabei ist m _n der Normalmodul, a der Eingriffswinkel und ß der ggf vorhandene Schrägungswinkel der Werkstückverzahnung (ß=0 bei Geradverzahnung) und h die Hublänge.

So ist herausgefunden worden, dass die Art der Spanbildung beim herkömmlich bekannten Wälzstoßen zu einer Spankompression führt und zudem einzelne Punkte der Schneidkante des Stoßrads konzentriert belastet werden, wodurch auch die Abnutzung des Stoßrads erhöht wird, und dass diese Effekte mit der Orientierung der Berührspuren Zusammenhängen Erfindungsgemäß ist nun vorgesehen, dass sich die Berührspuren im Vergleich zum Stand der Technik über einen größeren Bereich in Zahnhöhenrichtung der gestoßenen Verzahnung erstrecken, wodurch die oben erläuterten Effekte abgemildert werden. Diese Berührspuren verlaufen im Wesentlichen parallel zueinander und im Wesentlichen gleichförmig über die Zahnflanken, bei üblicher Realisierung der Hubbewegung über einen Kurbeltrieb ist das Geschwindigkeitsprofil über den Hub jedoch nicht konstant, so dass hinsichtlich der im Kennzeichen des Anspruchs 1 herangezogenen Definition auf die Hubmitte und auf den Teilkreis abgestellt wird. Zudem hat es sich herausgestellt, dass in günstigen Gestaltungen nicht Werkstück- und prozessunabhängig auf einen festgelegten Winkel zurückgegriffen wird, sondern eine günstige Einstellung vorliegt, wenn die erfindungsgemäße Winkelbedingung auch noch vom Prozess und von der Geometrie des Werkstücks abhängt, was im kennzeichnenden Merkmal von Anspruch 1 durch den zweiten Faktor K2 zum Ausdruck kommt. Bei herkömmlichen Verfahren verlaufen die Berührspuren auf den Werkstück-Zahnflanken dagegen nahezu parallel zur Flankenlinie, und selbst bei degressiver radialer Zustellung erhält man für Konstellationen mit K ₂ =1 Werte für den Cotangens g von typischerweise 70 oder höher.

Für Ki wird bevorzugt sogar an einen Wert von 20,5 gedacht, K ₁ könnte jedoch auch nur 19,7 betragen, sogar nur 19,4.

In einerweiter bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass das Stoßrad über die erste Mehrzahl von Hüben unter insbesondere konstant spiraliger Zustellung zugestellt wird und ein aus dem Quotienten aus radialer Zustellung pro Werkstückumdrehung und dem Abhebebetrag des Stoßrads zwischen Arbeitshub und Rückhub bei der ersten Mehrzahl von Hüben definierter Zustellparameter geringer ist als 1 ,4. Dies bedeutet einen im Vergleich zum Stand der Technik durchaus niedrigen Wert, der flächige Materialabtrag wird verlagert in Richtung einer Tendenz zu einem flacheren, jedoch breiteren Materialabtrag. Zusammen mit der durch die erfindungsgemäße Berührspuren-Einstellung mit vergleichsweise früherem Erreichen der gesamten Höhenstreckung der Zahnflanke ergibt sich eine besonders werkzeugschonende Spanbildung und Aufnahme der Prozesskräfte am Stoßrad. Zudem können damit trotz der geänderten Berührspurlage mit hoher Prozesssicherheit kollisionsfreie Rückhübe ausgeführt werden. Diesbezüglich ist auch vorgesehen, dass der Zustellparameter geringer sein kann als 1 ,3, bevorzugt geringer als 1,2, insbesondere geringer als 1 ,1 oder sogar als 1 ,0. In einer weiteren bevorzugten Gestaltung ist vorgesehen, dass die erste Mehrzahl und die zweite Mehrzahl von Hüben über einen Zustellungsbereich mit überwiegendem Anteil der Gesamtzustellung zur Fertigstellung der gestoßenen Verzahnung erfolgt, und über einen anschließenden weiteren Zustellungsbereich der Cotangens g größer als 40- K ₂ , insbesondere größer als 60· K ₂ ist. Dies begünstigt einen glatteren Übergang zu den nachstehend erläuterten noch höheren Werten gegen Ende der Bearbeitung.

So ist auch eine weitere bevorzugte Gestaltung vorgesehen, bei der während eines letzten Zustellbereichs auf Endzustelltiefe der gestoßenen Verzahnung der Cotangens g größer als 8O K ₂ , insbesondere größer als 120 K ₂ ist. Dies erlaubt eine höhere Bearbeitungsgenauigkeit gegen Ende des Stoßprozesses. Das heißt, die Stoßbearbeitung kann in mehrere Bereiche von etwa 2 oder 3 unterschiedliche Kinematiken aufgeteilt werden, mit zunehmender Verlagerung von hohen Bearbeitungsgeschwindigkeiten hin zu hohen Bearbeitungsgenauigkeiten.

Der größte Effekt aufgrund der erfindungsgemäßen Ausgestaltung wird für Gradverzahnungen oder Verzahnungen mit nicht zu hohem Schrägungswinkel erzeugt. Insbesondere ist das Verfahren vorgesehen für Schrägungswinkel der Verzahnung von geringer al 14°, weiter bevorzugt geringer als 12°, insbesondere geringer als 10°.

Zudem wird es bevorzugt, dass die Verzahnungsbreite wenigstens 60%, bevorzugt wenigstens 70%, insbesondere wenigstens 80% der Hublänge ist (oder umgekehrt gesehen, die Hublänge innerhalb dieser Verhältnisgrenzen an die Verzahnungsbreite angepasst ist). Dies erlaubt eine günstige Gesamtkonfiguration im Hinblick auf eine günstige Ausnutzung der Hublängen für die Bearbeitung, wobei zum Erreichen einer zufriedenstellenden Schnittgeschwindigkeit bevorzugt vorgesehen ist, dass dieses Verhältnis nicht mehr als 96%, insbesondere nicht mehr als 92% beträgt.

In einer weiteren bevorzugten Gestaltung ist vorgesehen, dass sich die Wälzstellungen in einer gestoßenen Lücke zwischen jeweils zwei aufeinanderfolgenden Werkstückdrehungen unterscheiden. Auf diese Weise wird sichergesteilt, dass nicht jede Zahnlücke immer wieder in genau der gleichen Wälzstellung bearbeitet wird. Die Zahl der Hübe pro Teilung sollte dazu nicht genau ganzzahlig sein, wobei im Rahmen der Erfindung diesbezüglich Werte von geringer als 1 ,4, weiter bevorzugt geringer als 1 ,2, insbesondere geringer als 1 , 1 bevorzugt werden. Es wird jedoch auch an diesbezügliche Werte von kleiner 1 gedacht, sogar von kleiner als 0,9, wobei diese Werte andererseits bevorzugt nicht unter 0,5, weiter bevorzugt nicht unter 0,6 liegen sollten. Es versteht sich, dass bevorzugt auch die Zahl der Hübe pro Werkstückumdrehung nicht ganzzahlig sein sollte. ln einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung beträgt die Hubzahl wenigstens 30, bevorzugt wenigstens 100, insbesondere wenigstens 200 Doppelhübe pro Minute. Es können jedoch durchaus auch noch höhere Werte wie 300 Doppelhübe pro Minute, sogar 400 Doppelhübe pro Minute oder mehr herangezogen werden, um möglichst hohe Bearbeitungsgeschwindigkeiten zu erreichen.

Die Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens kommen besonders dann verstärkt zur Geltung, wenn die Verzahnungsbreite der gestoßenen Verzahnung größer ist als 15 mm, auch bei Verzahnungsbreiten von größer oder gleich 20 mm, insbesondere von 35mm oder mehr oder auch 50mm oder mehr.

In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung ist vorgesehen, dass sich wenigstens für eine erste Mehrzahl von Hüben eine zusammenhängende Berührspur in Profilrichtung gesehen übereinen Bereich von wenigstens 20%, bevorzugt wenigstens 30%, insbesondere wenigstens 40% der vollen Profilhöhe der Endgeometrie der gestoßenen Verzahnung erstreckt. Dies begünstigt weiter die Spanbildung und Art der Aufnahme der Bearbeitungskräfte am Werkzeug.

Zudem stellt die Erfindung bereit ein Steuerprogramm, das wenn auf einer Steuerung einer Wälzstoßmaschine ausgeführt wird, die Maschine zur Ausführung eines Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche steuert.

In vorrichtungstechnischer Hinsicht stellt die Erfindung bereit eine Wälzstoßmaschine mit einer Steuerung, die mit einem Steuerprogramm nach Anspruch 12 ausgestattet ist. Bevorzugt ist eine mit NC-Steuerung der Bewegungsachsen der Wälzstoßmaschine ausgestattete Wälzstoßmaschine, deren Hubbewegung über einen Kurbelantrieb bewirkt wird. Es können jedoch auch hydraulische Achsen für den Hub herangezogen werden. Im Übrigen ist die Erfindung hinsichtlich der maschinentechnischen Umsetzung nicht auf besondere Details eingeschränkt, und es können Wälzstoßmaschinen herangezogen werden, wie sie dem Fachmann vertraut und auf dem Markt erhältlich sind, für einen beispielhaften Aufbau einer geeigneten Wälzstoßmaschine könnte der in DE 10 2019 004299 L1 dargestellte Aufbau herangezogen werden, wobei dieses Dokument diesbezüglich durch Bezugnahme eingeschlossen ist.

Weitere Merkmale, Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung mit Bezug auf die beiliegenden Figuren, von denen

Fig. 1 ein Prinzipschaubild für den Bearbeitungseingriff beim Wälzstoßen zeigt,

Fig. 2 einen Winkel zwischen Berührspur und Flankenlinie am Teilkreis in Hubmitte zeigt, und

Fig. 3 eine qualitative Gegenüberstellung von Berührspuren im Vergleich zum Stand der Technik zeigt.

In Fig. 1 ist erkennbar, wie ein Stoßrad 40 in Bearbeitungseingriff mit einem Werkstück 50 kommt, um daran stoßend eine Verzahnung 55 zu erzeugen. Dargestellt ist die Situation im Arbeitshub zu Beginn des Eingriffs, von welchem aus das Stoßrad 40 entlang der Hubachse Z nach unten bewegt wird, während Stoßrad 40 und Werkstück 50 kämmend in Wälzeingriff miteinander sind, wozu die Drehgeschwindigkeiten von Schälrad 40 und Werkstück 50 in bekannter Weise synchronisiert sind. Die Hubbewegung erfolgt bei diesem Ausführungsbeispiel wie auch im Stand der Technik üblich mit einem Kurbeltrieb, im vorgegebenen Ausführungsbeispiel ist eine Hublänge von etwa 20 mm eingestellt, bei einer Hubzahl von hier 500 Doppelhüben (Arbeitshub+Rückhub) pro Minute und einer Wälzgeschwindigkeit von 0,95 Hüben pro Teilung, um z.B. eine Geradverzahnung an Werkstücken zu stoßen. Es versteht sich jedoch, dass die Erfindung nicht auf bestimmte Verzahnungstypen wie Außenverzahnung oder Innenverzahnung eingeschränkt ist, auch Innenverzahnungen werden bevorzugt gestoßen. Ebenso versteht es sich, dass die Erfindung nicht auf bestimmte Verzahnungsbreiten, korrelierende Hublängen oder Modulgrößen eingeschränkt ist, im vorliegenden Ausführungsbeispiel beträgt etwa das Modul (Normalmodul) der Verzahnung 3 mm, und es handelt sich bei der Verzahnung um eine Geradverzahnung. Die Erfindung ist jedoch auch auf Schrägverzahnungen anwendbar, bevorzugt sollte die Schrägverzahnung jedoch geringer sein als 14° oder die oben angegebenen Werte.

Hinsichtlich des Aufbaus einer geeigneten Wälzstoßmaschine können die aus dem Stand der Technik bereits bekannten Aufbauten herangezogen werden, beispielsweise der in DE 10 2019 004 299 A1 dargestellte Aufbau, bei dem die Abhebebewegung für den Rückhub durch einen rotatorisch angetriebenen Nocken mit vorgegebenem Profil bewirkt wird. Dieses Dokument wird hinsichtlich eines beispielhaften Aufbaus einer Verzahnungsmaschine durch diesbezügliche Bezugnahme eingeschlossen.

In Fig. 2 (zu Erläuterungs- bzw. Definitionszwecken - offensichtlich ist die Gestaltung des in Fig. 2 dargestellten Zahnrads unterschiedlich wie das aus Fig. 1) ist der Winkel g (in Hubmitte, die in diesem Ausführungsbeispiel mit der Mitte bezüglich der Breitenrichtung der Verzahnung 55 übereinstimmt) zwischen einer Berührsspur der Stoßbearbeitung und der Flankenlinie 57 am Teilkreis auf einer Zahnflanke 56 eingezeichnet. Dieser Winkel ist selbst beim herkömmlichen Wälzstoßen mit spiralig degressiver Zustellung äußerst gering (wie mit Bezugszeichen 58 in Fig. 1 angedeutet, verlaufen beim herkömmlichen Wälzstoßen typische Bearbeitungsspuren nahezu flankenlinienparallel). Bei der erfindungsgemäßen Gestaltung ist dieser Winkel erheblich größer, bzw. sein Gotangens erheblich kleiner; im Ausführungsbeispiel, in welchem der zweite Faktor K2 der Einfachheit halber 1 beträgt und keine Korrekturen liefert, wird ein Wert für den Gotangens g von ca. 20 erreicht.

In Fig. 3 ist in einer reinen Relativdarstellung ohne Beachtung der (überzogen verzerrt dargestellten) Absolutwerte der Unterschied zwischen einem Ausführungsbeispiel der Erfindung (Fig. 3A) und dem Stand der Technik (Fig. 3B) nochmals gegenübergestellt, man erkennt die deutlich schräger über die Zahnflanken 56 verlaufenden Bearbeitungsspuren, welche trotz nicht geringer Hubzahlen zu sowohl guten Bearbeitungsqualitäten der gestoßenen Verzahnung 55 als auch einem spanenden Materialabtrag mit einem geringeren Werkzeugverschleiß führt.

Es versteht sich, dass die Erfindung nicht auf die in den Ausführungsbeispielen dargestellten Detailmerkmale eingeschränkt ist. Vielmehr können die einzelnen Merkmale der obigen Beschreibung wie auch der nachstehenden Ansprüche einzeln und in Kombination für die Verwirklichung der Erfindung in ihren verschiedenen Ausführungsformen wesentlich sein.