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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Herstellung
oder Bearbeitung eines Zahnrades sowie ein derart hergestelltes
oder bearbeitetes Zahnrad.
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An
moderne Zahnradgetriebe bzw. die Verzahnungen der darin eingesetzten
Zahnräder
werden immer höhere
Anforderungen in Bezug auf Leistungsübertragung und Geräuschverhalten
gestellt. Daher werden heutzutage über die konventionelle Zahnflankenform
in Form einer Evolvente hinaus die Zahnflankengeometrien durch Flankenlinienkorrekturen
gezielt auf die Betriebsbedingungen hin angepasst.
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Dabei
ist es auch notwendig, die Flankenlinienkorrekturen für die linke
und die rechte Zahnflanke jeweils unterschiedlich vorzugeben, da
die beiden Zahnflanken im Betrieb unterschiedlichen Belastungen
durch Zug oder Druck ausgesetzt sind.
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Unterschiedliche
Verläufe
der Flankenlinienkorrektur für
die rechte und die linke Zahnflanke müssen bisher dadurch erzeugt
werden, dass das Zahnrad mit zwei unterschiedlichen Maschinen für die jeweils
eine Zahnflanke bearbeitet wird, also nach der Bearbeitung der ersten
Flanke umgespannt werden muss, so dass dies in der Praxis beim Wälzstoßen aufgrund
des hohen Aufwands nicht angewandt wird.
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Aus
der
DE 102 08 531
A1 ist ein Verfahren bekannt, bei dem beim Wälzschleifen
eines Zahnrades eine Flankenlinienkorrektur in einem Schleifhub durch
eine entsprechende Programmierung der Wälzschleifmaschine erreicht
werden kann.
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Bei
diesem und ähnlichen
bekannten Verfahren wird bei der Bearbeitung des Zahnrads, beispielsweise
mit einer Schleifschnecke, die schleifende Hubbewegung des Werkzeugs
nicht mehr rein axial in Zahnrichtung durchgeführt, sondern in Richtung der
Mitte des Werkstücks
leicht schräg
mit der gewünschten
Neigung ausgeführt.
Dabei wird jedoch nicht nur – wie
gewünscht – die Zahnflanke
bearbeitet. Vielmehr wird durch diese Zusatzbewegung auch immer
Material am Zahnfuß abgetragen,
aus geometrischen Gründen
sogar mehr Material als an der Zahnflanke selbst. Dadurch wird der
Zahnfuß geschwächt, was
zu einer Schwächung
des gesamten Bauteils führt,
da in diesem stark beanspruchten Bereich des Zahnrades weniger Material
hinterlegt ist.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Durchführung beliebiger
Flankenlinienkorrekturen an einem Zahnrad mittels Wälzstoßen vorzuschlagen,
welches in einer Einspannung in einer Maschine durchführbar ist
und zu keiner Schädigung
des Zahnfußes
führt.
Weiterhin soll eine Vorrichtung sowie ein durch das Verfahren herstellbares Zahnrad
vorgeschlagen werden.
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Die
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die
Merkmale der Ansprüche
1, 6 und 10 gelöst.
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Danach
wird der Drehbewegung von Werkzeug und Werkstück eine auf die Hubbewegung
abgestimmte rotatorische Zusatzbewegung zur Erzeugung einer Flankenlinienkorrektur überlagert.
So kann schnell und effizient eine beliebige Flankenlinienkorrektur
vorgegeben werden. Das Zahnrad kann so auf den individuellen Einsatzfall
optimiert werden.
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Durch
das erfindungsgemäße Verfahren können Zahnräder hergestellt
werden, die gegenüber Zahnrädern mit
herkömmlich
erzeugten Flankenlinienkorrekturen eine höhere Leistungsübertragung, eine
höhere
Lebensdauer, einen geringeren Verschleiß sowie eine geringere Geräuschentwicklung aufweisen.
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Vorteilhafterweise
wird die Zusatzbewegung der Drehbewegung des Werkzeugs überlagert.
Alternativ kann die Zusatzbewegung der Drehbewegung des Werkstücks überlagert
werden. So muss nur einer der beiden Antriebe für die Drehachsen die für die Aufbringung
der Zusatzbewegung notwendige Präzision
und Leistung aufweisen, während
der andere Antrieb im Verhältnis
einfacher und kostengünstiger ausgeführt sein
kann (Anspruch 2 oder 3).
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Es
ist vorteilhaft, wenn die Zusatzbewegung auf die beiden Drehbewegungen
für Werkstück und Werkzeug
aufgeteilt wird. So muss die für
die Zusatzbewegung erforderliche Leistung nicht von einem Motor
alleine aufgebracht werden, sondern kann auf die beiden Antriebe
aufgeteilt werden, so dass zwei Antriebe mit geringerer Leistung
gewählt
werden können,
oder in Summe eine sehr hohe Leistung erzielt werden kann (Anspruch
4).
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Bevorzugt
werden durch das Verfahren die rechte und die linke Zahnflanke getrennt
bearbeitet. So können
sämtliche
Vorzüge
des Verfahrens optimal genutzt werden, indem für beide Flanken unabhängig voneinander
eine beliebige End-Kontur vorgegeben werden kann (Anspruch 5).
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Weiterhin
wird eine Vorrichtung zur Herstellung und/oder Bearbeitung eines
Zahnrades mittels Wälzstoßen vorgeschlagen.
Neben den aus dem Stand der Technik bekannten Teilen ist bei der
erfindungsgemäßen Vorrichtung
durch die Ansteuerung der Antriebe für die Drehachsen des Werkzeugs und/oder
des Werkstücks
der wälzenden
Relativbewegung zwischen Werkzeug und Werkstück eine rotatorische Zusatzbewegung überlagerbar.
Mit Hilfe dieser Vorrichtung können
durch eine flexible Ansteuerung der Achsen nahezu beliebige, auch
asymmetrische Flankenformmodifikationen erreicht werden und verändert werden,
ohne dass die Vorrichtung dafür
umgebaut werden muss (Anspruch 6).
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Vorteilhafterweise
werden die Drehachsen für
das Werkstück
und/oder die Drehachse für
das Werkzeug über
direktangetriebene Elektromotoren angetrieben. Mit diesen Motoren
ist durch das Fehlen von Getrieben mit dem damit verbundenen Spiel
die zur Bearbeitung erforderliche Genauigkeit für die Antriebe erreichbar (Anspruch
7).
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Vorzugsweise
sind die Motoren als Torque-Motoren ausgeführt. Diese bieten den zusätzlichen
Vorteil, hohe Geschwindigkeiten und Drehmomente realisieren zu können (Anspruch
8).
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Es
ist vorteilhaft, wenn die Drehachsen für das Werkstück und das
Werkzeug sowie die Hubbewegung miteinander synchronisiert sind.
So kann die Zusatzbewegung im Zusammenspiel der beiden Drehachsen
durch die Maschinensteuerung erreicht werden (Anspruch 9).
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Weiterhin
wird ein Zahnrad vorgeschlagen, dessen Zahnflanken eine Flankenlinienkorrektur
aufweisen, die beim Wälzstoßen durch
eine der wälzenden
Bewegung zwischen Werkzeug und Werkstück überlagerte rotatorische Zusatzbewegung
erzeugt ist (Anspruch 10).
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Es
ist günstig,
wenn es sich bei der Verzahnung um eine Innenverzahnung handelt.
Bei der Herstellung einer solchen Verzahnung kommen die Vorteile
des Wälzstoßens wie
der geringe benötigte
Arbeitsraum voll zur Geltung (Anspruch 11).
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Vorteilhafterweise
besteht das Zahnrad aus einem Metallwerkstoff. Mit einem solchen
Werkstoff lässt
sich das Verfahren besonders einfach realisieren (Anspruch 12).
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Weitere
Ausgestaltungen und Vorteile der Erfindung gehen aus der Beschreibung
hervor.
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In
den Zeichnungen ist die Erfindung anhand mehrerer Ausführungsbeispiele
näher erläutert. Dabei
zeigen:
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1 eine
perspektivische Ansicht eines Zahnrades mit einer Flankenlinienkorrektur,
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2 eine
beispielhafte Flankenlinienkorrektur in einer Detailansicht,
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3 eine
schematische Ansicht einer Ausführungsform
einer Vorrichtung zur Durchführung des
Verfahrens,
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4 eine
Prinzipskizze zur Durchführung des
Verfahrens sowie
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5 weitere
Beispiele für
herstellbare Flankenlinienkorrekturen.
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1 zeigt
eine perspektivische Ansicht eines Zahnrades 1, welches
durch das im Folgenden vorgestellte Verfahren hergestellt oder bearbeitet werden
soll. Das Zahnrad 1 weist eine Mittelachse 2 auf.
Dieses Zahnrad 1 wird durch ein an sich bekanntes Wälzstoßverfahren
mit einer Verzahnung 3 versehen, welche beliebige Flankenlinienkorrekturen
aufweisen soll.
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Für Flankenlinienkorrekturen
gibt es in der Praxis vielfältige
Anwendungsfälle:
Zum einen ist es so möglich,
einen Härteverzug
vorzuhalten, d.h. bei der spanenden Bearbeitung des Zahnrads 1 bereits den
Verzug einzuplanen, den das Werkstück durch den späteren Härteprozess
erfährt.
Weiterhin können Zahnräder optimal
auf einen späteren
Eingriffsfall angepasst werden. Zum anderen dienen Flankenlinienkorrekturen
dazu, die Verformungen zu korrigieren bzw. bei der Fertigung einzuplanen,
die sich aus der späteren
Beanspruchung im Einsatz ergeben. Dies kann man zum Beispiel durch
eine gezielte Materialzugabe in Form einer Balligkeit an den stark
beanspruchten Stellen einer Zahnflanke erreichen.
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2 zeigt
zur Erläuterung
in einer Detailansicht einen möglichen
Verlauf der Geometrie eines einzelnen Zahns 4 mit Zahnflanken 16 nach
der Durchführung
des Verfahrens. Der Zahn 4 ist dabei in einer in 1 angedeuteten
Draufsicht dargestellt.
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Unter
Flankenlinienkorrektur 11 soll dabei eine Abweichung der
Zahngeometrie in Axialrichtung 20, also in Richtung der
Mittelachse 2 des Zahnrades 1 von der normalen
Geometrie einer Zahnflanke verstanden werden.
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Die
Geometrie der rechten Zahnflanke 17 in 2 entspricht
dabei unverändert
der üblichen Evolventenverzahnung,
während
die linke Zahnflanke 19 einen in Axialrichtung 20 konischen Verlauf
aufweist. Dadurch ist auch der Zahnrücken in Axialrichtung 20 konisch
zulaufend.
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Wollte
man eine solche Flankenlinienkorrektur 11 mit einem herkömmlichen
Wälzstoßverfahren erzeugen,
so müsste
man beim Wälzstoßen in Axialrichtung 20 das
Werkzeug weiter Richtung Mittelachse 2 des Zahnrades 1 bewegen,
womit automatisch auch eine Materialabtragung am Zahnfuß 31 stattfindet,
die sogar höher
ist als die eigentlich beabsichtigte Materialabtragung an der Zahnflanke 16,
weil sie über
den Sinus des Anstellwinkels eingeht. Unter Zahnfuß 31 versteht
man dabei den Teil des Zahnrades 1, der sich zwischen des
in 1 dargestellten Fußnutzkreis 41 und
Fußkreis 33 befindet.
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Ob
es sich bei der eigentlichen Verzahnung 3 um eine Schräg- oder Geradverzahnung
handelt, ist dabei unerheblich.
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In 3 ist
beispielhaft eine Vorrichtung 21 zur Durchführung des
Verfahrens zum Herstellen oder Bearbeiten des Zahnrads 1,
im Folgenden auch als Werkstück 7 bezeichnet,
dargestellt.
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Die
Vorrichtung 21, welche aus einem steifen Maschinenbett 22 sowie
einem Ständer 24 zusammengesetzt
ist, umfasst zunächst
ein Werkzeug 5, mit welchem die Bearbeitung des Werkstücks 7 durch
Wälzstoßen durchgeführt wird.
Dieses Werkzeug 5 weist eine der zu erzeugenden Verzahnung 3 entsprechende
Werkzeugverzahnung 35 auf.
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Ferner
umfasst die Vorrichtung 21 mehrere Maschinenachsen: Zunächst ist
eine Drehachse c1 für
das Werkzeug 5 sowie eine Drehachse c2 für das Werkstück 7 vorgesehen.
An diesen Achsen c1 und c2 befinden sich jeweils Antriebe 23, 25,
die entsprechende Drehbewegungen 13, 15 ermöglichen.
Weiterhin ermöglicht
die Vorrichtung 21 eine Hubbewegung z, die dem eigentlichen
Bearbeitungsprozess in axialer Richtung entspricht. Als vierte Achse
weist die Vorrichtung eine Vorschubachse x auf, durch die eine Zustellbewegung
von Werkzeug 5 und Werkstück 7 aufeinander zu
ermöglicht
wird. Das Werkzeug 5 führt
also bei der Bearbeitung des Werkstücks 7 schnelle Hubbewegungen
in z-Richtung aus, bei denen das Material des Werkstücks 7 abgetragen
wird. Währenddessen
führen
Werkzeug 5 und Werkstück 7 wälzende Drehbewegungen
aus, so dass eine Evolventenverzahnung erzeugt wird. Mit Fortschreiten
der Bearbeitung werden die Zahnlücken
tiefer und das Werkzeug 5 wird in Richtung x bewegt, bis es
die Tauchtiefe erreicht hat.
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Neben
den eben genannten Elementen umfasst die Vorrichtung 21 in
diesem Ausführungsbeispiel
noch ein Handhabungsgerät 37.
Diese kann eine Anzahl von Werkstück-Rohlingen aufnehmen und
sie der Bearbeitung zuführen
oder nach der Bearbeitung aus der Einspannung entnehmen. Dieses Handhabungsgerät 37 kann
weiterhin einen Sensor zur Positionierung der Werkstücke 7 in
der Vorrichtung 21 umfassen, der mit dem Antrieb 25 der
Drehachse c2 des Werkstücks 7 sowie
mit dem Vorschub x elektrisch verbunden ist. In diesem Beispiel
rotiert das Handhabungsgerät 37 wie
durch den Pfeil angedeutet. Auf diese Weise kann die Herstellung
und Bearbeitung der Zahnräder 1 mit
einem hohen Automatisierungsgrad erfolgen.
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Ist
die eigentliche Verzahnung 3 fertig gestellt, folgt in
einem weiteren Verfahrenschritt nun die Herstellung der Flankenlinienkorrektur 11:
Zur
Illustration dient 4, welche schematisch die Relativbewegung
von Werkzeug 5 und Werkstück 7 darstellt. Zu
sehen ist die Vorschubbewegung in x-Richtung, die Hubbewegung in
z-Richtung, die in dieser Darstellung senkrecht zur Zeichenebene
verläuft,
sowie die wälzenden
Drehbewegungen c1 und c2. Hat das Werkzeug 5 schon seine
Tauchtiefe erreicht, so wird der wälzenden Bewegung der beiden Zahnräder 5 und 7 eine
rotatorische, mit der Hubachse abgestimmte, Zusatzbewegung 9 überlagert.
Diese Zusatzbewegung wird in diesem Ausführungsbeispiel auf zwei Einzelbewegungen 9' und 9'', die jeweils von den Antrieben 23 bzw. 25 für die Drehachsen
c1 bzw. c2 durchgeführt
werden. Durch diese, im Vergleich zur Wälzbewegung sehr schnelle bzw. hochfrequente
Zusatzbewegung 9, die dazu eine sehr kleine Amplitude aufweist,
wird während
eines Hubs des Werkzeugs 5 in z-Richtung eine bestimmte Flankengeometrie
auf die jeweils im Eingriff befindliche Zahnflanke 16 aufgeprägt.
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Es
wird also eine rotatorische Gesamtbewegung durchgeführt die
zusammengesetzt ist aus einer Grundbewegung 13, 15,
welche der Wälzbewegung
der Zahnräder 5, 7 aufeinander
entspricht, und einer hochfrequenten überlagerten Zusatzbewegung 9,
die für
die Erzeugung der Flankenlinienkorrektur 11 zuständig ist.
Diese Zusatzbewegung 9 muss daher sehr schnell und relativ
klein sein, weil sie innerhalb eines Werkzeughubs in z-Richtung
die gewünschte
Geometrie der Zahnflanke 16 durchlaufen muss.
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Auf
diese Weise können – abhängig von
der Leistung und Schnelligkeit der Antriebe 23, 25 – nahezu
beliebige Flankenlinienkorrekturen 11 vorgegeben und einzig
durch die Ansteuerung der Antriebe 23, 25 realisiert
werden.
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Da
sich die Zusatzbewegung 9 direkt auf die Bearbeitung der
Zahnflanke 16 selber beschränkt, kommt es zu keiner Materialabtragung
am Zahnfuß 31.
Der Durchmesser des Fußkreises 33 bleibt
daher unverändert.
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Idealerweise
sind die beiden Antriebe 23, 25 miteinander synchronisiert,
um die Zusatzbewegung 9 auf beide Drehachsen c1 und c2
verteilen zu können,
so dass sich die Leistungsfähigkeit
der beiden Motoren addiert. Durch die Kombination zweier leistungsstarker
und hochpräziser
Antriebe 23, 25 kann so eine sehr hohe Gesamtleistung
erreicht werden.
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Im
Unterschied zu diesem Ausführungsbeispiel
kann die rotatorische Zusatzbewegung 9 auch nur einer Drehbewegung,
also der Drehbewegung 13 des Werkzeugs 5 oder
der Drehbewegung 15 des Werkstücks 7 überlagert
werden. So muss der Antrieb 23 bzw. 25 der jeweils
anderen Drehachse c1 bzw. c2 nicht ganz so leistungsstark sein.
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Als
Antriebe 23, 25 werden in diesem Beispiel direktangetriebene
Elektromotoren 27, 29 verwendet. Diese weisen
keine Getriebe und daher auch kein Spiel auf, was eine hohe Präzision mit
sich bringt. Insbesondere werden hier Torque-Motoren eingesetzt.
Dies sind hochpolige, permanent erregte Synchronmotoren, die als
Außenläufer, also
mit einem außen
liegenden Rotor konzipiert sind. Sie bieten den Vorteil, sehr schnelle
Drehbewegungen mit einer hohen Bewegungsdynamik und hohen Genauigkeit
auf die Antriebsachsen c1, c2 aufprägen zu können und sind daher sehr gut
für die
Erzeugung der Zusatzbewegung 9 geeignet. Mit konventionellen,
spielbehafteten Antrieben wäre
das Verfahren nicht durchführbar.
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In 5 sind
beispielhaft weitere Ausführungsformen
der Flankenlinienkorrekturen 11 gezeigt. Während die
linke Zahnflanke 19 konisch ausgeführt ist, sind verschiedene
Varianten der Flankenlinienkorrektur 11 für die rechte
Zahnflanke 17 angedeutet. Denkbar sind beispielsweise ballige Ausführungen
oder konische Ausführungen
oder beliebige Kombinationen von konischen, geraden und balligen Teilstücken. Diese
Geometrien sind beliebig über
die Steuerung der Antriebe 23, 25 beziehungsweise
deren Zusammenspiel programmierbar; Somit kann die Flankenlinienkorrektur 11 auf
den jeweiligen Belastungsfall abgestellt werden. Mit diesem Verfahren sind
Geometrien realisierbar, die bisher nicht mechanisch herstellbar
waren.
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Als
Werkstoffe für
die Zahnräder 1 stehen
in diesem Anwendungsbeispiel, wie auch generell in der Praxis Metallwerkstoffe,
speziell Stähle,
allein schon wegen der guten mechanischen Bearbeitbarkeit im Vordergrund.
Das Verfahren ist aber auch gut geeignet zur Herstellung oder Bearbeitung
von Zahnrädern
aus Kunststoffen oder keramischen Werkstoffen. Insbesondere bei
keramischen Werkstoffen ist es denkbar, ein Werkstück 7 im
halbgesinterten Zustand durch das Verfahren zu bearbeiten und dann durch
einen weiteren Sinterprozess fertig zu stellen.
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Weiterhin
ist es möglich,
sowohl weiche als auch harte Werkstoffe auf diese Weise zu bearbeiten, also
beispielsweise ein Werkstück 7 zunächst durch das
Verfahren zu bearbeiten und anschließend zu härten oder umgekehrt ein bereits
gehärtetes
Werkstück 7 zu
bearbeiten.
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Darüber hinaus
dienen das Verfahren und die Vorrichtung 21 sowohl zur
Komplettbearbeitung, also zur Herstellung eines Zahnrades 1 aus
einem Vollmaterial, als auch zur Fertigbearbeitung eines bereits
vorgefertigten Zahnrades 1. Es ist beispielsweise denkbar,
einen Zahnradrohling mit einem anderen Verfahren, z.B. einem Wälzfräsverfahren
zu fertigen und dann lediglich die Flankenlinienkorrektur 11 mit dem
oben vorgestellten Verfahren durchzuführen.
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Die
hergestellten Bauteile können überall in der
industriellen Praxis eingesetzt werden, wo Zahnräder mit stoßbaren Verzahnungen Verwendung
finden. Ein großer
Einsatzbereich ist der Automobilsektor, wo derartige Zahnräder in Getrieben,
in Zahnkränzen
im Motortrieb oder in Achsen eingesetzt werden können. Denkbar sind aber auch
andere Anwendungsbereiche wie Haushaltsgeräte wie Kettensägen oder
Küchenmixer.
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Das
Verfahren und die Vorrichtung 21 sind nicht beschränkt auf
die dargestellten Ausführungsbeispiele.
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Beispielsweise
kann die Vorrichtung 21 auch mehr als die vier in 3 dargestellten
Maschinenachsen c1, c2, x und z umfassen.
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Weiterhin
ist die herstellbare Verzahnung 3 nicht beschränkt auf
die in den Figuren dargestellte Außenverzahnung. Diese wurde
hier nur aus Gründen
der Anschaulichkeit gewählt.
Denkbar sind Zahnräder
mit Innen- und Außenverzahnung
sowie Kronräder.
Besonders günstig
ist das Verfahren auch bei einer Verzahnung gegen einen Bund einsetzbar.
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Selbstverständlich sind
ferner Flankenlinienkorrekturen 11 sowohl an Schräg- als auch
an Geradverzahnungen durch das Verfahren durchführbar. Weiterhin ist das Verfahren
auch auf Verzahnungen anwendbar, die nicht die Form einer Evolvente
aufweisen.