In 1 ist der Grundaufbau eines ersten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Maschine 10 zur CNC-gesteuerten spanabhebenden Bearbeitung von Spiralkegelrädern mit und ohne Achsversetzung, die hier als eine Wälzfräsmaschine ausgebildet ist, in perspektivischer Darstellung und in Ansicht von der Bedienerseite aus gezeigt. Auf einem Maschinenbett 12 ist ein erster Spindelträger oder Werkradspindelträger 14 in Richtung einer geraden Koordinatenachse Y verfahrbar. Der erste Spindelträger 14 weist ein Schwenkteil 16 auf, das um eine vertikale Schwenkachse (P) (Pivotachse) schwenkbar ist und eine Werkradspindel 18 mit einer Werkradspindelachse W zur drehbaren Lagerung eines Werkrades 22 trägt, das hier ein Ritzel ist.

Nur in dem hier dargestellten und beschriebenen Ausführungsbeispiel ist die Schwenkachse P vertikal. Die Maschine 10 könnte auch so ausgebildet sein, dass die Schwenkachse P beispielsweise horizontal liegt. Allgemein ist die Schwenkachse P zu einer Bezugsebene rechtwinkelig, die im Zusammenhang mit den 8 bis 10 noch näher beschrieben wird.

Auf dem Maschinenbett 12 ist weiter ein zweiter Spindelträger oder Werkzeugspindelträger 24 angeordnet, der entlang einer geraden Koordinatenachse X, die zu der Koordinatenachse Y orthogonal ist, horizontal und linear geführt ist. Der zweite Spindelträger 24 hat einen ersten Schlitten 26 und einen zweiten Schlitten 28. Der erste Schlitten 26 hat Wälzschuhe (in 1 nicht sichtbar), die mit einer Horizontalführung 30 in Form von Führungsleisten in Eingriff sind. Der zweite Schlitten 28 ist an dem ersten Schlitten 26 auf einer Führung 32 entlang einer geraden Koordinatenachse Z mittels eines Spindeltriebs 34 in der Höhe verfahrbar. Das Schwenkteil 16 des ersten Spindelträgers 14 ist auf einem dritten Schlitten 36 angeordnet, der entlang der Koordinatenachse Y auf einer Horizontalführung 37 linear geführt ist. Bei der in 1 gezeigten Schrägbett-Maschine ist die Z-Achse gegen die Y-Achse geneigt. Stattdessen könnte sie zu der Y-Achse auch orthogonal sein (nicht dargestellt). Der zweite Spindelträger 24 trägt eine Werkzeugspindel 38 zur drehbaren Lagerung eines Werkzeuges 42, das hier ein Messerkopf ist. Die Werkzeugspindel 38 ist in einer Schwenktrommel 44 drehbar gelagert. Die Schwenktrommel 44 ist ihrerseits in dem zweiten Schlitten 28 des zweiten Spindelträgers 24 um eine horizontale Orientierungsachse O drehbar gelagert.

Bei den vorstehend und im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispielen der Maschine 10 nach der Erfindung ist die Werkradspindel 18 durch den ersten Spindelträger 14 um die vertikale Schwenkachse P schwenkbar und in der Y-Richtung verschiebbar und die Werkzeugspindel 38 ist mit der Schwenktrommel 44, in der sie drehbar gelagert ist, durch den in einer der beiden anderen Richtungen, nämlich in X-Richtung verschiebbaren zweiten Spindelträger 24 drehbar gelagert und mit dessen zweitem Schlitten 28 in der dritten Richtung, nämlich in Z-Richtung verschiebbar geführt. Die Anordnung könnte weiter aber auch so getroffen sein, dass nicht beide Spindelträger 14, 24 horizontal geführt sind, sondern dass der erste Spindelträger 14 horizontal geführt verfahrbar ist und dass der zweite Spindelträger 24 mit einem ersten Schlitten in der Höhe verfahrbar geführt ist. Außerdem könnte bei dieser weiteren Anordnung, die nicht dargestellt ist, der zweite Spindelträger 24 einen zweiten Schlitten aufweisen, der an dem ersten Schlitten horizontal geführt ist und die Schwenktrommel 44 drehbar lagert. In diesem Fall könnte das Maschinenbett als Säule vertikal ausgebildet sein, wie es eingangs dargelegt ist. Diese weitere Anordnung ist zu der im Zusammenhang mit den hier beschriebenen Ausführungsbeispielen angegebenen Anordnung äquivalent und braucht deshalb nicht näher beschrieben zu werden. Bei der nicht gezeigten weiteren Anordnung könnte das Maschinenbett statt vertikal auch schräg gegen die Horizontale angeordnet sein. Sowohl bei der dargestellten Anordnung als auch bei der nicht dargestellten Anordnung sind die Werkradspindel 18 und die Werkzeugspindel 38 so angeordnet, dass bei dem Wälzfräsvorgang das Werkrad 22 und das Werkzeug 42 an einer Stelle in Eingriff kommen, die sich im Wesentlichen über einem horizontalführungsfreien Bereich der Maschine befindet, in welchem ein Spänesammler 46 vorgesehen ist, in den die Späne im Wesentlichen durch Schwerkraft gelangen. Dieser horizontalführungsfreie Bereich ist bei den dargestellten Ausführungsbeispielen ein Bereich, in welchem das in Draufsicht L-förmige Maschinebett 12 ausgespart ist, wie es in 1 zu erkennen ist.

Bei den dargestellten Ausführungsbeispielen bildet eine Achse T der Werkzeugspindel 38 einen für alle auf der Maschine 10 zu bearbeitenden Kegelräder festen, nicht einstellbaren Neigungswinkel &kgr; mit einer Orientierungsachse O. Die Werkzeugspindel 38 ist durch eine Schwenkvorrichtung 43 kontinuierlich um die Orientierungsachse O schwenkbar. Hingegen wird die Achse W der Werkradspindel 18 vor der Bearbeitung in ihrer Winkellage um die vertikale Schwenkachse P für ein auf der Maschine 10 zu bearbeitendes Kegelrad eingestellt und während der Bearbeitung nicht verändert. Die Wahl des Neigungswinkels &kgr; und der festen Winkellage werden im Folgenden mit Bezug auf die 7 bis 10 noch näher erläutert. Die Schwenkvorrichtung 43 weist eine um die Orientierungsachse O drehbare Schwenktrommel 44 auf, in welcher die Werkzeugspindel 38 drehbar um die Werkzeugspindelachse T gelagert ist.

In 2 ist ein erstes Ausführungsbeispiel der Schwenkvorrichtung 43 im Schnitt nach der Linie II – II in 1 dargestellt. In 2 ist der mit dem Spindeltrieb 34 in der Höhe verfahrbare zweite Schlitten 28 zu erkennen. In einer Bohrung 50 des zweiten Schlittens 28 ist die Schwenktrommel 44 mit zu der Y-Achse rechtwinkeliger Orientierungsachse O mit Hilfe eines Wälzlagers 52 und eines in einer Bohrung 54 vorgesehenen Hohlwellenmotors 56 drehbar gelagert bzw. drehbar. Der Hohlwellenmotor 56 zum Drehen der Trommel 44 ist so ausgelegt, dass diese nichtlinear oder ungleichförmig drehbar ist. Die Schwenktrommel 44 enthält eine Bohrung 58, die um den Winkel &kgr; schräg gegen die Orientierungsachse O angeordnet ist. An ihrem vorderen Ende hat die Bohrung 58 einen erweiterten Bohrungsteil 60, in welchem die Werkzeugspindel 38 durch Wälzlager 62 drehbar gelagert ist. In der Bohrung 58 ist ein Direktantrieb 64 vorgesehen, mit dem die Werkzeugspindel 38 und damit das Werkzeug 42 um die Werkzeugspindelachse T in Drehung versetzbar ist. Der Direktantrieb 64 ist ein Elektromotor, dessen Läufer ein Teil der Werkzeugspindel 38 ist.

3 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel der Schwenkvorrichtung 43, bei welchem die Werkzeugspindel 38 durch einen außerhalb der Schwenktrommel 44 vorgesehenen Drehantrieb 66 über ein Winkelgetriebe 68 in Drehung versetzbar ist. Im Übrigen sind in 3 gleiche Teile wie in 2 mit denselben Bezugszahlen versehen.

Unter Bezugnahme auf die 8–10 wird nun die Wahl des Neigungswinkels &kgr; und der fest einstellbaren Winkellage der Werkradspindel 18 näher beschrieben.

In 8 sind vier Grundwinkelschwenkbereiche 70, 71, 72 und 73, die auf einer herkömmlichen 6-Achsen-Maschine, bei der es sich um eine Maschine mit drei translatorisch beweglichen und drei Drehachsen, die während der Bearbeitung gleichzeitig gesteuert werden, handelt, bei der Bearbeitung von vier verschiedenen Kegelrädern vorkommen, gezeigt. Jeder der Grundwinkelschwenkbereiche 70–73 hat eine Winkelbreite &Dgr;&Ggr;, die in 8 jeweils zwischen zwei Maßpfeilen angegeben ist. Die Grundwinkelschwenkbereiche 70–73 geben an, wie bei der herkömmlichen 6-Achsen-Maschine während des Wälzfräsens die Werkradspindelachse W um die Schwenkachse P bewegt wird, damit eine vorherbestimmte Abwälzbewegung zwischen einem Werkrad und einem Werkzeug erzielt wird. In dem Grundwinkelschwenkbereich kann sich die Werkradspindelachse W nur in einer Richtung bewegen, wie zum Beispiel in dem Grundwinkelschwenkbereich 70. Es kann aber auch eine Bewegungsumkehr stattfinden, wie in den Grundwinkelschwenkbereichen 71, 72 und 73. Der Umkehrpunkt in dem Grundwinkelschwenkbereich legt einen maximalen Grundwinkel &Ggr;_max fest, gemessen gegen die Y-Achse. Für den Grundwinkelschwenkbereich 71 ist das in 8 angegeben. Unter den Grundwinkelschwenkbereichen 70–73 wird für die Zwecke der Erfindung der breiteste Grundwinkelschwenkbereich ausgewählt, was in dem in 8 gezeigten Ausführungsbeispiel der Grundwinkelschwenkbereich 71 ist, der die Winkelbreite &Dgr;&Ggr;_max hat.

In 9 ist für die herkömmliche 6-Achsen-Maschine der Eingriff zwischen dem Werkrad 22 und dem Werkzeug 42 gezeigt. Die Werkzeugspindelachse T ist zu der X-Achse und somit zu dem Maschinenbett parallel und zu der Y-Achse rechtwinkelig. Diese Lage behält die Werkzeugspindelachse T während des Wälzfräsens auf der herkömmlichen 6-Achsen-Maschine bei. Zum Ausgleich muss, wie eingangs beschrieben, die Werkradspindelachse W in einem Grundwinkelschwenkbereich bewegt werden, für den vier Beispiele für vier zu bearbeitende Kegelräder in 8 gezeigt sind.

Bei der Maschine 10 nach der Erfindung und dem erfindungsgemäßen CNC-Wälzfräsverfahren wird der Neigungswinkel &kgr; wenigstens gleich dem Größtwert &Dgr;&Ggr;_max von allen maximalen Grundwinkelschwenkbereichen 71–73, die bei der Bearbeitung von allen möglichen Kegelrädern auf der herkömmlichen 6-Achsen-Maschine vorkommen, gewählt. Dadurch lässt sich die Schwenkbewegung der geneigten Werkzeugspindelachse T um die Orientierungsachse O in jedem Fall ausreichend bemessen, um die notwendigen Relativbewegungen zwischen dem Werkzeug 42 und dem Werkrad 22 zu erzeugen, die für das Erzielen der vorherbestimmten relativen Abwälzbewegung erforderlich sind. Auf der Maschine 10 wird der maximale Grundwinkel &Ggr;_max um den Winkel &kgr; verringert, mit anderen Worten, das Werkrad 22 und das Werkzeug 42, die in Eingriff sind, sind in 10 gegenüber der Lage in 9 um die Schwenkachse P um den Winkel &kgr; nach rechts verschwenkt. Auf der erfindungsgemäßen Maschine 10 ist somit die Werkzeugspindelachse T nicht mehr zu der X-Achse parallel, sondern um den Winkel &kgr; geneigt, der gleich dem maximalen Grundwinkel &Dgr;&Ggr;_max ist. Die fest eingestellte Winkellage der Achse W der Werkradspindel 18, d.h. deren Grundwinkel &Ggr; entspricht somit in 10 einem Winkel, der gleich dem maximalen Grundwinkel &Ggr;_max ist, welcher sich für ein zu bearbeitendes Kegelrad auf der herkömmlichen 6-Achsen-Maschine ergibt, minus dem Neigungswinkel &kgr;. So wird mit Sicherheit vermieden, dass in der Schwenkbewegung der geneigten Werkzeugspindelachse T um die Orientierungsachse O eine Bewegungsumkehr erfolgt. Auf der neuen Maschine ist also gemäß 10 die Achse T des Werkzeuges 42 um den Winkel &kgr; gegen die Orientierungsachse O geneigt, welche zu der Y-Achse rechtwinkelig ist. Entsprechend liegt die Werkradspindelachse W um den Winkel &kgr; näher bei der Y-Achse, damit das Werkrad 22 und das Werkzeug 42 in 10 so wie in 9 in Eingriff sind. In 10 ist der Neigungswinkel &kgr; in natürlicher Größe zu erkennen. Wenn der Wälzfräsvorgang weiter von statten geht, bewegt sich die Werkzeugspindelachse T auf einer Bahn, die in 10 rechts als eine Ellipse angedeutet ist. Der Schwenkbereich der Werkzeugspindelachse T ist durch einen Pfeil 76 gezeigt. Die Bewegung von einer Ausgangslage aus bis in eine Endlage, die der Pfeil 76 angibt, entspricht in etwa dem bei der herkömmlichen 6-Achsen-Maschine angewandten Grundwinkelschwenken der Werkradspindelachse W. Dieser Vorgang ist gemäß 10 auf der erfindungsgemäßen Maschine 10 aber eine kontinuierliche Drehung der Werkzeugspindelachse T um die Orientierungsachse O von einem Punkt 78 bis zu einem Punkt 80. Die Ellipse, auf die in 10 von links her geschaut wird, veranschaulicht den durch den Pfeil 76 zwischen den Punkten 78 und 80 angegebene Bereich, in welchem sich die Schwenktrommel 44 drehen muss, damit die vorherbestimmte relative Abwälzbewegung zwischen dem Werkrad 22 und dem Werkzeug 42 erzielt werden kann. Während dessen bleibt die Lage der Werkradspindelachse W, die auf den Wert &Ggr;_max minus &kgr; eingestellt ist, fest. Die Werkradspindelachse W spannt mit der Orientierungsachse O allgemein eine Bezugsebene auf, zu der die Schwenkachse P rechtwinkelig ist. Der Grundwinkel &Ggr; wird dabei gegen die zu der Orientierungsachse O in der Bezugsebene rechtwinkelige Y-Achse gemessen. Der Neigungswinkel &kgr; wird gegen die Orientierungsachse O gemessen. Der Neigungswinkel &kgr; liegt bei der Maschine 10 in einem Bereich von größer als 0° und bis zu 35° und vorzugsweise von 5° bis 15° und beträgt vorzugsweise 10°. Bei der Bewegung der Werkzeugspindelachse T um die Orientierungsachse O findet vorzugsweise keine Bewegungsumkehr statt. Die Erzeugerradachse (nicht dargestellt), die bei der herkömmlichen Mehrachsen-Kegelrad-Wälzfräsmaschine nach der EP 0 374 139 B1 im Raum eine Taumelbewegung ausführt, bewegt sich bei der Maschine nach der Erfindung lediglich in einer Vertikalebene.

Bei der Ausführung des erfindungsgemäßen CNC-gesteuerten Verfahrens werden die Werkradspindelachse W und die Werkzeugspindelachse T in den drei Richtungen X, Y und Z translatorisch bewegt. Bei dem hier beschriebenen Ausführungsbeispiel wird die Werkradspindelachse W in ihrer Winkellage &Ggr; um die vertikale Schwenkachse P für ein auf der Maschine zu bearbeitendes Kegelrad eingestellt, und dieser Grundwinkel &Ggr; wird während der Wälzfräsbearbeitung beibehalten. Dann wird die Werkzeugspindelachse T um die Orientierungsachse O mit einem für alle auf der Maschine 10 zu bearbeitenden unterschiedlichen Kegelräder festen, von Null verschiedenen und nicht einstellbaren Neigungswinkel &kgr; gegen die Orientierungsachse O kontinuierlich geschwenkt, wobei der Grundwinkel &Ggr; und der Neigungswinkel &kgr; so gewählt werden, dass durch das kontinuierliche Schwenken eine vorherbestimmte Abwälzbewegung zwischen dem Werkrad 22 und Werkzeug 42 erzielt wird.

Bei dem vorstehenden Verfahren können ebenso wie bei der oben beschriebenen Maschine 10 die Werkradspindel 18 und die Werkzeugspindel 38 miteinander vertauscht werden. Mit anderen Worten, die Werkradspindel 18 könnte auf dem zweiten Spindelträger 24 und die Werkzeugspindel 38 auf dem ersten Spindelträger 14 angeordnet sein und zusätzlich könnten die Horizontalführungen der Spindelträger statt auf einem horizontalen Bett auf einem vertikalen Bett angeordnet sein.

4 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei dem das Werkrad 22, das durch das Werkzeug 42 bearbeitet wird, ein Tellerrad ist.

5 zeigt in der gleichen Darstellung wie in 4 den Fall, dass es sich bei dem Werkrad 22 um ein Ritzel handelt.

In 6 ist das Werkzeug 42 in einer Wechselposition gezeigt. Zum Beschicken der Maschine 10 mit einem neuen Werkrad 22 wird der erste Spindelträger 14 in 6 noch gedreht, bis die Werkradspindelachse W parallel zur Horizontalführung 37 verläuft, und der Schlitten 36 nach rechts verfahren.

7 zeigt, dass unter bestimmten Umständen auch in der Stellung der Schwenktrommel 44, die in 6 gezeigt ist, eine Bearbeitung eines Ritzels möglich ist. Diese Bearbeitungsposition ist der nach 5 vorzuziehen, weil sich in diesem Fall die Eingriffsstelle zwischen dem Werkzeug 42 und dem Werkrad 22 direkt über dem Spänesammler 46 (1) befindet.