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Fellows-Zahnformer-Fräser (US 579,708): Die 3D-Modelle
Übersetzt
3DBonanza

Erstellt von

3DBonanza

1. Oktober 2026US
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Fellows-Zahnformer-Fräser (US 579,708): Die 3D-Modelle

Sieben 3D-Modelle aus Edwin R. Fellows' Patent für den Zahnformer, US 579,708 (1897): der Zahnformer-Fräser aus Abb. 11 mit dem 40-zähnigen Zahnrad und dem 60-zähnigen Innenzahnkranz, den er schneidet, der Kettenradfräser aus Abb. 20 mit seinem Kettenrad sowie der vierlappige Fräser aus Abb. 21 mit dem quadratischen Stab, den er schneidet.

Jedes Modell hat seinen eigenen Schritt, direkt nach dem Schritt, der es erklärt. Der letzte Schritt behandelt den Druck aller sieben.

Fortgeschritten
Mehrere Stunden Druckzeit; der Slicer zeigt die genaue Dauer an

Anweisungen

1

Der Fräser in Abb. 11

Fellows' Fräser c ist ein „zahnradförmiger Körper aus gehärtetem Stahl“ mit abwechselnden Vorsprüngen 2 und Vertiefungen 3. Die Enden der Vorsprünge bilden eine Reihe von metallhobelnden Zähnen. Sein äußeres Ende 4 ist „leicht zurückgesetzt oder abgeschrägt“, sodass der Schneidwinkel jedes Zahns leicht spitz ist, was ihm Spanwinkel verleiht. Die Freiwinkel entstehen durch Neigung der Fräserachse gegenüber der Rohlingsachse und nicht durch Hinterschleifen der Zähne, daher verlaufen die Zähne gerade. In Abb. 11 bildet der Körper ein Stück mit einem konischen Schaft und besitzt an seinem Schneidende eine konische Hohlform.
2

Der Schneidrad-Fräser (Abb. 11) in 3D

Seine Proportionen sind aus Abb. 11 maßstabsgetreu übernommen. Die Patentschrift gibt keine Maße an, daher sind Zähnezahl, Modul und Eingriffswinkel als übliche Standardwerte angegeben. Es handelt sich um ein Anschauungs- und Lehrmodell, nicht um ein funktionsfähiges Werkzeug.

Drehen Sie den Fräser im Betrachter und betrachten Sie die muldenförmige Schneidfläche und den konischen Hohlraum. Er wurde in FreeCAD aus einem exakten Evolventen-Zahnprofil erstellt und als ein zusammenhängendes .blend-Netz gespeichert. Er lässt sich in der kostenlosen Software Blender öffnen.

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3

Wie der Fräser diese Zähne herstellte

In Fellows's Maschine wird der Rohling "schrittweise synchron mit dem Fräser gedreht", während der Fräser hin- und herbewegt über ihn gleitet, und jeder Hub hobelt ein wenig Metall ab. Seine Patentschrift nennt das Ergebnis: "Der Fräser erzeugt die Form der Kurve jedes am Rohling geschnittenen Zahnradzahns, sodass jeder geschnittene Zahn theoretisch korrekt ist", und "Eine Fräsergröße für eine gegebene Teilung schneidet jede beliebige Zahnradgröße." Dieses Modell wurde auf die gleiche Weise hergestellt. Der 24-zähnige Fräser wurde in 2.400 Positionen einmal vollständig um einen 105 mm großen Rohling gerollt, und jede Position wurde vom Rohling subtrahiert.
4

Das 40-Zähne-Zahnrad, das es in 3D schneidet

Kein Zahn wurde von Hand gezeichnet. Die Flanken entstanden als echte Evolventen, und die Spitzen des Werkzeugs hinterließen einen gekrümmten Übergangsradius am Fuß, wie bei einem real gestoßenen Zahnrad. Die Zähnezahl, die Zahnbreite und die Bohrung sind festgelegte Entscheidungen; das Patent gibt keine Maße an.

Drehen Sie das Zahnrad im Viewer und betrachten Sie die Kurve, an der jede Flanke auf den Fuß trifft. Die Spitzen des Werkzeugs haben diese Kurve erzeugt, gezeichnet hat sie niemand. Sie wurde in FreeCAD gebaut und als ein zusammenhängendes .blend-Netz gespeichert, das in der freien Software Blender bearbeitet werden kann.

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5

Ein Fräser, innen und außen

Fellows' Spezifikation: "Derselbe Fräser schneidet außen- oder innenverzahnte Zahnräder mit gleicher Leichtigkeit und Genauigkeit. Dies ist ein wichtiger Vorteil, da es sehr schwierig ist, Innenzahnräder mit einer der derzeit verwendeten Verzahnungsmaschinen korrekt zu schneiden." Um dieses Modell zu erstellen, wurde der veröffentlichte 24-Zahn-Fräser in 3.600 Positionen einmal vollständig innerhalb eines Ringrohlings abgerollt, und jede Position wurde subtrahiert. Innerhalb eines Rings drehen sich Fräser und Rohling in dieselbe Richtung.
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Das 60-zähnige Innenhohlrad, in 3D

Fellows zählte dies zu den Vorteilen seiner Maschine: Ein Werkzeug schneidet Innenverzahnungen ebenso wie Außenverzahnungen. Die Flanken entstanden als echte Innenevolventen. Die Zähnezahl, die Felgen- und die Zahnbreite sind festgelegte Entscheidungen; das Patent nennt keine Maße.

Drehen Sie das Hohlrad im Betrachter und sehen Sie sich die Zähne auf seiner Innenseite an. Das Werkzeug hat sie erzeugt, niemand hat sie gezeichnet. Es wurde in FreeCAD gebaut und als ein zusammenhängendes .blend-Mesh gespeichert, das sich in der kostenlosen Blender-Software bearbeiten lässt.

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7

Der Fräser in Abb. 20

Fellows: „In Abb. 20 zeige ich einen Fräser c3, der so geformt ist, dass er ein Kettenrad schneidet, wobei die Zähne länger sind als die dazwischenliegenden Lücken." Die Zeichnung zeigt c3 von seiner Schneidseite aus, wie er an einem Kettenradkranz an seinem Arm abrollt. Frühere Zähne des Kranzes sind bereits geformt, und der vor dem Fräser befindliche Zahn wird gerade erzeugt. Dieselbe Maschine und dieselbe Abwälzbewegung, die Zahnräder schneiden, schneiden auch Kettenradzähne. Nur das Profil des Fräsers ändert sich.
8

Das Kettenrad-Fräswerkzeug (Abb. 20) in 3D

Es hat sieben breite Zähne mit schmaleren Lücken dazwischen, wie es in seinem Text heißt: "the teeth being longer than the intervening recesses." Das Patent enthält weder Maße noch eine mathematische Zahnform für dieses Werkzeug, daher wurde sein Profil von der Patentzeichnung abgepaust. Der Körper hinter den Zähnen ist deshalb eine Annahme: Schaft, Hohlraum und konkave Stirnfläche wurden vom Zahnradfräser aus Abb. 11 übernommen. Es handelt sich um ein Anschauungs- und Lehrmodell, nicht um ein funktionsfähiges Werkzeug.

Drehen Sie das Werkzeug im Viewer und betrachten Sie seine Schneidfläche. Die sieben Zähne folgen dem eigenen Umriss von Fellows: Er wurde von der Patentzeichnung abgezeichnet, nicht neu gezeichnet. Es wurde in FreeCAD erstellt und als ein zusammenhängendes .blend-Mesh gespeichert, das in der freien Software Blender bearbeitet werden kann.

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Was Abb. 20 zeigt und was gemessen wurde

Abb. 20 zeigt Fräser c3, der an einem Arm an einem Kettenradkranz abrollt. Ein Zahn des Kranzes ist fertig, einer sitzt in einer Vertiefung des Fräsers, und eine gestrichelte Linie markiert den nächsten, bevor er geschnitten wird. Gemessen auf dem 300-dpi-Scan im Maßstab des Fräsers: Zwei benachbarte gezeichnete Zähne liegen 20,5 bis 21,0 Grad auseinander um den Mittelpunkt des Kranzes, je nachdem, wie der Mittelpunkt jedes Zahns bestimmt wird, was 17,2 bis 17,6 Zähne ergibt. Sowohl 17 als auch 18 wurden erzeugt und an die gezeichneten Zähne angepasst. Das Rad mit 18 Zähnen liegt näher: Sein mittlerer Abstand zur Zeichnung beträgt 1,0 mm, gegenüber 1,4 mm bei 17. Der Mittelpunkt des Fräsers liegt 119,4 mm vom Mittelpunkt des Rades entfernt. Die unbearbeitete Kranzfläche hat einen Radius von 93,6 mm. Mit diesen Werten ergab das Abrollen des Fräsers einen Fußkreis bei 81,95 mm, gegenüber der gezeichneten Fußkreislinie bei 82,26 mm.
10

Das Kettenrad, das es schneidet, in 3D

Die Zähnezahl, der Achsabstand und der Kranz stammen aus Messungen an der Zeichnung. Die Zeichnung zeigt den Kranz und einen abgebrochenen Arm, daher sind die Armzahl, die Nabe, die Bohrung und die Dicke festgelegte Entscheidungen.

Drehen Sie das Rad im Betrachter. Seine achtzehn Zähne wurden durch Abwälzen des Fräsers aus Abb. 20 am Kranz geschnitten und nicht gezeichnet. Über Fellows' Zeichnung gelegt, sitzen sie auf seinem fertigen Zahn, auf dem Zahn in der Aussparung des Fräsers und auf seiner gestrichelten Kontur. Das Rad wurde in FreeCAD erstellt und als ein zusammenhängendes .blend-Netz gespeichert, das in der freien Software Blender bearbeitet werden kann.

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11

Der Fräser in Abb. 21

Fellows: "In Abb. 21 zeige ich einen Fräser c' mit gekrümmten Zähnen oder Vorsprüngen, die so geformt sind, dass sie vier ebene Flächen c2 an einem ihm dargebotenen Rohling erzeugen." Die Zeichnung zeigt c' als vier abgerundete Lappen, die sich in Spitzen treffen und gegen einen quadratischen Rohling mit seinen vier mit c2 markierten Flächen drehen. Die Pfeile zeigen, dass sich die beiden in entgegengesetzte Richtungen drehen, wie ein kämmendes Paar: vier Lappen für vier Flächen, eine Umdrehung für eine Umdrehung. Dasselbe Abwälzen, das hier Zahnradzähne erzeugt, erzeugt hier ein Quadrat.
12

Was die Zeichnung misst und was die Simulation ergab

Am 300-dpi-Scan gemessen liegen die vier Lappen etwa 90 Grad auseinander, auf etwa 1 Grad genau, und jeder ist ein echter Kreisbogen. Der Bogenradius beträgt 116,7 px, sein Mittelpunkt liegt 110,9 px von der Achse entfernt, und der Bogen passt auf 0,11 px genau. Das gezeichnete Quadrat hat eine Seitenlänge von 292,4 px. Das Abrollen dieses Fräsers im Maßstab 1:1 gegen einen runden Rohling in einer Simulation prüft die Behauptung. Er schneidet tatsächlich vier Flächen, doch jede wölbt sich leicht nach innen, um etwa 2 % ihrer Breite, sodass sie nahezu eben, aber nicht exakt eben sind. Bei dem gezeichneten Mittelpunktsabstand (381 px) können die Lappen die Flächen des gezeichneten Quadrats nicht erreichen, und das Ergebnis ist flächenmäßig 13 % zu groß. Bei einem um 2,8 % kürzeren Mittelpunktsabstand (370,25 px) schneidet der Fräser Fellows' Quadrat mit einer Flächenabweichung von weniger als 2,5 %. Die Zeichnung kommt nahe heran, ist aber nicht exakt.
13

Der vierlappige Fräser (Abb. 21) in 3D

Die Größe ist eine angegebene Wahl. Abb. 21 zeigt den Fräser nur von seiner Schneidseite, daher wurde der Körper hinter den Lappen vom Zahnradfräser aus Abb. 11 übernommen.

Drehen Sie den Fräser im Viewer und betrachten Sie seine Schneidfläche. Die vier Lappen sind vier Kreise in Fellows' Proportionen. Er wurde in FreeCAD erstellt und als ein zusammenhängendes .blend-Netz gespeichert, das in der kostenlosen Software Blender bearbeitbar ist.

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Wie das Quadrat geschnitten wurde

Abb. 21 zeigt den Fräser c' im Eingriff mit einem quadratischen Rohling, dessen vier Flächen mit c2 markiert sind. Vier Nasen treffen auf vier Flächen, sodass sich die beiden im Verhältnis eins zu eins in entgegengesetzte Richtungen drehen. Um dieses Modell zu erstellen, wurde der Fräser, dessen Kontur aus der Zeichnung übernommen wurde, einmal vollständig gegen einen runden Rohling abgerollt. Der Radius des Rohlings entsprach dem halben Diagonalmaß des gezeichneten Quadrats. Jede der Positionen des Fräsers wurde abgezogen. Der verwendete Achsabstand ist derjenige, der das von Fellows gezeichnete Quadrat am besten wiedergibt; er ist 2,8 % kürzer als in der Zeichnung, wie auf der eigenen Konstruktionszeichnung des Fräsers ermittelt.
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Der quadratische Stab, den es schneidet, in 3D

Die Fellows nannten die Flächen "ebene Flächen". Die Simulation zeigt sie als nahezu eben: Jede weist etwa 1 mm sanfte Welligkeit über eine 47,6 mm breite Fläche auf. Die Länge des Stabs ist eine angegebene Wahl, da Abb. 21 nur seinen Querschnitt zeigt.

Betrachten Sie den Stab im Viewer von vorn auf das Ende. Jede Fläche ist nahezu gerade, mit einer sanften Welle, die die vier Lappen hinterlassen. Die Abrollbewegung schnitt jede Fläche, und keine wurde gezeichnet. Er wurde in FreeCAD erstellt und als ein zusammenhängendes .blend-Mesh gespeichert, das in der kostenlosen Blender-Software bearbeitet werden kann.

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Drucke sie aus

Die drei Fräser: Jeden auf seiner Schneidfläche mit dem Schaft nach oben aufstellen. Die gewölbte Fläche ist ein nahezu waagerechter Überhang, und die Mulde hat ein 24 mm flaches Dach, daher mit Stützen vom Druckbett aus drucken. Die echten Fräser bestehen aus gehärtetem Stahl.

Das Zahnrad mit 40 Zähnen: flach auf eine Seite legen. Es benötigt keine Stützen. Zwei Exemplare mit 100 mm Achsabstand haben kein Kopfspiel und kein Flankenspiel, wodurch kein Raum für Drucktoleranzen bleibt. Ein gedrucktes Paar eignet sich daher nur zum Studium der Zahnform.

Das Innenhohlrad: flach auf eine Seite legen. Es benötigt keine Stützen, das Druckbett muss jedoch mindestens 180 mm breit sein. Wegen der oben genannten Störung ist es als Hohlrad für das Zahnrad mit 40 Zähnen in der vorliegenden Ausführung nicht funktionsfähig.

Das Kettenrad: flach auf eine Seite legen. Es benötigt keine Stützen, das Druckbett muss jedoch mindestens 187 mm breit sein.

Die Vierkantstange: auf einem Ende aufstellen. Sie benötigt keine Stützen. Eine Richtlatte quer über eine Fläche halten, um die leichte Welligkeit zu erkennen, die der Fräser hinterlässt.

PLA ist für ein Anschauungsmodell in Ordnung.

Materialien für diesen Schritt:

PLA-FilamentPLA-Filament1 Set

Benötigte Werkzeuge:

3D-Drucker3D-Drucker

Materialien

1

Benötigte Werkzeuge

2

Designdateien

7
  • fellows-gear-shaper-cutter.blendBLEND
    1 ADA
  • fellows-generated-gear.blendBLEND
    1 ADA
  • fellows-internal-ring-gear.blendBLEND
    1 ADA
  • fellows-sprocket-cutter.blendBLEND
    1 ADA
  • fellows-generated-sprocket.blendBLEND
    1 ADA
  • fellows-square-cutter.blendBLEND
    1 ADA
  • fellows-generated-square-bar.blendBLEND
    1 ADA

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