CN102791410A

CN102791410A - 硬精加工齿轮的齿侧面的方法

Info

Publication number: CN102791410A
Application number: CN2010800593632A
Authority: CN
Inventors: H·穆勒
Original assignee: Klingelnberg AG
Current assignee: Klingelnberg AG
Priority date: 2009-10-22
Filing date: 2010-10-05
Publication date: 2012-11-21
Anticipated expiration: 2030-10-05
Also published as: CN102791410B; EP2314404A1; EP2314404B1; JP2013508174A; JP5851996B2; US8961268B2; US20120208436A1; WO2011047957A1; ES2387528T3; WO2011047957A4

Abstract

本发明涉及一种使用机器对齿轮的预制齿侧面(11)进行硬精加工的方法，所述机器包括至少五条被协同地控制的轴和一条额外的刀具轴(WA)。根据本发明，在所述机器侧驱动旋转对称刀具(20.1)，以将所述刀具设定为绕所述旋转轴(WA)旋转(R1)。另外，驱动所述被协同地控制的轴，使得所述刀具(20.1)的表面线的直线部分在生成运动中沿所述齿侧面(11)的切线方向被引导，而所述刀具(20.1)围绕所述刀具轴(WA)旋转(R1)而刮削掉所述预制齿侧面(11)的材料。所述生成运动跟随预定的运动向量(E)。

Description

硬精加工齿轮的齿侧面的方法

发明的技术领域

本发明的主题是一种硬精加工齿轮的预制齿侧面的方法。

发明背景、技术状况

生产齿轮一般分为“软加工”和“硬加工”。软加工是在硬化工件之前执行。然而，硬加工是在硬化后执行。

在软加工后，由于随后要进行硬化，所以可导致硬化变形。为了实现所需的几何图形、接触特性和表面质量，这样的齿轮因而往往要在硬的状态的情况下进行机械抛光。

图1示出了示例性的处理流程100的示意图。其涉及用于加工齿轮的一般实施例。在所示的实施例中，由毛坯开始(框101)执行下述软加工步骤。例如可以通过车削(框102)形成(中心)孔。然后可以将毛坯翻转作进一步加工(框103)。在翻转之后，接着可通过车削进行重新加工(框104)。这些步骤是可选择的，此处也被称为母材制作步骤(preform fabrication)。在所述母材制作步骤的框架内可执行其它步骤或替代步骤。在所述母材制作步骤结束时，该工件被称为齿轮坯或工件坯K1。可以例如在所谓的预加工机中或在几个不同的机器中执行步骤102或步骤102至104。

然后，一般会进行齿轮切削。在齿轮切削加工的情况下，使用粗加工刀具在大约的位置并且以大约的加工余量通过齿轮粗磨(框105)于伞齿轮坯K1切削出预定数量的齿隙。然后，可使用抛光刀具来进行齿切削抛光的可选步骤(框106)，通过所述抛光加工对所述齿隙及邻接的齿侧面分别提供带有预定准确度的理想的形状。然而，也有可能用仅仅一个步骤切削出齿侧面(而不是两个步骤105和106)。

步骤105和106可以例如在同一台机器或加工站中进行。因而不需要重新夹紧或传送工件坯K1。

如图1所示，前述的步骤被称为“软加工”。

随后，一般会对预制工件K2进行热处理(框107)。这种热处理一般不再被视为软加工。它旨在使预制工件K2变硬。然后进行已经提及到的机械抛光(框108)。在机械抛光中(其在本文中也被称为硬精加工)对齿系统进行硬加工。然后完成齿轮K3。

在现今的硬加工中，有时候使用端铣刀或球形头状铣床(ball-shaped head-likemillers)，它们被缓慢地引导经过待抛光的预制齿侧面的表面。研究显示，以这种方式加工完成的表面，在某些情况下可能会显示出明确的加工痕，并可能出现接触不良。特别地，当没有足够的时间完成抛光和/或当刀具被快速地引导经过待抛光的齿侧面的上面时尤为明显。此外，例如当两个以这种方式完成的齿轮被用作为一对齿轮时，还可能产生流体动力润滑问题。

发明概述

因此，本发明的目的是提供一种硬精加工齿轮的预制齿侧面的方法，其提供了更好的齿接触印痕或更好的齿侧面的表面特性，并具有良好的生产率。

根据本发明，这目的通过一种硬精加工预制齿侧面的方法来解决。这方法在包括至少五条被协同地控制的轴和一条额外的刀具轴的机器上使用。根据本发明，将旋转对称刀具，较佳为端铣刀或磨削棒，设定为绕刀具轴旋转。控制所述被协同地控制的五条轴中的一条或多条，以致于所述刀具的包络线(enveloping line)的直线部分在生成运动中沿所述齿侧面的切线方向在几个轨迹中被引导，而所述圆柱形刀具围绕所述刀具轴旋转而刮削掉所述预制齿侧面的材料。

在一个优选的实施方案中，所述生成运动跟随稍微弯曲运行的轨迹，其中这些轨迹近似于刀头的虚拟刀具轨迹，当使用铣头通过滚铣产生所述相应的齿侧面时形成这些轨迹。

较佳地，沿轨迹引导所述刀具，其中所述轨迹与所谓的轧制ISO线(rolling ISOline)相对应或近似于这些轧制ISO线。

特别设计根据本发明的方法用于在硬化处理之后因而在硬化状态中加工齿侧面。必须相应地对所使用的刀具进行选择。相关的方法因此被称为硬加工。由于在这里还涉及对已预制的齿侧面的机械抛光分别进行再加工，所述方法也被称为硬精加工。

根据本发明的方法的最重要优点在于确保了完全消除热处理引申的硬化变形，由此可以达到精确地限定轴承特性和突出的表面质量，其对工作寿命和已相应地加工的齿轮的无声运行具有积极的效果。当两个已根据本发明进行机械抛光的齿轮互相配对时，本发明还可对流体动力润滑具有积极的影响。

附图

以下将结合附图并通过实施方案对本发明的更多细节和优点作叙述，其中：

图1是一般齿轮加工的流程图；

图2A是齿轮的齿和根据本发明被引导的刀具的立体示意图；

图2B是图2A的齿和刀具的俯视示意图；

图3是齿轮的齿和根据本发明被引导的刀具的示意图，其中引导所述刀具以使它的旋转轴是垂直于生成轨迹；

图4是齿轮的齿和根据本发明被引导的刀具的示意图，其中以推进的方式引导所述刀具，以致于它的旋转轴与生成轨迹形成大于90度的角度；

图5是齿轮的齿和根据本发明被引导的刀具的示意图，其中以牵引的方式引导所述刀具，以致于它的旋转轴与生成轨迹形成大于90度的角度；

图6是具有可变齿高的齿轮和根据本发明被引导的刀具的示意图，其中以牵引的方式引导所述刀具；

图7A是具有恒定齿高的直齿圆锥齿轮(spur-toothed conical gear wheel)的示意图，图中示出了轧制ISO线；

图7B是具有可变齿高的直齿圆锥齿轮的示意图，图中示出了轧制ISO线；

图8是根据本发明的具有圆柱形基体的刀具的立体示意图；

图9是根据本发明的具有截锥形基体的刀具的立体示意图；

图10是根据本发明的具有圆柱形基体的另一刀具的示意图；

图11是直齿齿轮的凸齿和根据本发明被引导的刀具的正视示意图，其中所述刀具被交叉地引导；

图12是可使用本发明的门式加工机(portal machine)的立体图。

详细描述

与本说明有关的所使用的术语也被发现在专门的出版物和专利中使用。然而，应当注意的是，这些术语的使用仅仅是为了更好的理解。权利要求的创造性理念和保护范围不应当受到关于对这些具体选择的术语进行阐释的限制。本发明可以不另外费力地转用到其它专门名词的系统和/或专门技术领域。这些术语在其它专门技术领域有相似的运用。

以下将参考图2A和图2B，对根据本发明的用于硬精加工齿轮10的预制齿侧面11的方法进行叙述。图2A示出了直齿齿轮的单一齿的简化示意图，即它的齿侧面线没有任何弯曲。它是具有直齿廓的齿的非常图式化示意图。实际上，这样的齿往往具有曲线的齿形(例如齿形渐开线)。在这里可见，该齿具有右边齿侧面11且具有恒定齿高。左边(后方)齿侧面是不可见的。在图2A中，可以看见旋转对称刀具20.1(这里具有圆柱形基体)，较佳为圆柱形铣刀或磨削棒，将刀具设定为围绕刀具轴WA旋转R1。这种旋转R1由电动机M产生，所述电动机例如位于心轴中或位于机器100中(图中未显示)。在这里以非常简化的方式示出电动机M。图2A所示的直线轮廓是一种特殊情况，其中刀具20.1接触齿侧面11的整个长度，而在弯曲轮廓的一般情况下，刀具20.1仅仅接触齿侧面的一部分，所接触的那部分的长度取决于刀具插入所述齿侧面。

机器100是一台包括至少五条被协同地控制的轴和一条额外的刀具轴WA的机器(如所示图12)。现对所述被协同地控制的五条轴中的一条或多条进行控制(例如，通过机器100的数控控制器S)，以致于具有圆柱形基体的刀具20.1(在本文中也称为圆柱形刀具20.1)的直线包络线(在本文中也称为直线长度部分)在生成运动中沿齿侧面11的切线方向被引导。有关这方面的详情例如可参见示意图图3至图6或图7A、图7B。在附图中以多个向量E来表示所述生成运动。当旋转对称刀具20.1围绕刀具轴WA转动时进行所述生成运动。因为刀具围绕刀具轴WA旋转而刮削掉所述预制齿侧面11的材料，即得到了齿侧面11的加工抛光。因为刀具20.1的至少一个直线长度部分邻接待加工的齿侧面11的表面，所述分段或分区线接触都可以进行加工。所述分段或分区线接触的大小取决于相对于所述齿侧面的走线(lining)、在之前已完成的加工步骤(例如使用滚铣刀进行齿切削滚铣)以及刀具的基体的形状。在之前的加工步骤对齿侧面的表面状况始终有影响。由于在之前的加工步骤，通过所述齿侧面的部分大体上总是折线(polygonalline)，其中所述折线的各点之间的距离取决于进刀(在滚铣中通过轧制进刀)。然而，如果采用了所谓的轮廓磨削(成形磨削)，它必须不涉及折线。

在图2A和图2B中，生成运动由向量E表示，所述向量沿齿侧面11倾斜地延伸。连续向量E示出了刀具20.1的目前移动方向和生成运动。其它生成运动的轨迹由虚线向量表示。

应当注意的是，实际上生成运动的轨迹明显地较在图2A，图2B，图3，图4，图5，图6和图11所示的轨迹更彼此靠近(即距离A明显较小，例如在图7A和图7B所示)。另外，生成运动的轨迹的路线和形状较佳为近似于轧制ISO线，其导致轧制加工，如图7A和图7B所示。所述轧制ISO线是点的连接线，用相同的轧制角产生。

现在，描述刀具20.1的运动的相应进程。选好机器的设置，其中所述轴WA相对于理想的齿侧面11倾斜，以致于刀具20.1的至少一个短直线长度部分与齿侧面11相切。对于截锥形刀具20.2(即具有截锥形基体的刀具20.2，例如根据图9)，可相应地选择不同角度的设置。当使用刀具20.2时，走线角度可与截锥的包络线21和锥体的轴之间的角度相对应，在这里，所述走线角度对应于刀具轴WA

特别优选的是，刀具20的直线部分与直径相比是相对地长。较佳地，有效操作长度L1和半径R之间的比例大于5，即L/R＞5。因此，最好是根据图8所示的具有长的细长基体的刀具20.1。这样的刀具的优点在于如果所选择的走线角度足够陡峭，即如果刀具20.1的引导是陡峭(如图4所示)，可以毫无问题地将所述刀具插入毗邻的齿之间的齿隙。

取决于机器设置的类型，邻接的生成轨迹之间的距离A可略大或略小(见图2A，图2B，图3，图4，图5，图6和图11)。较佳地，两个直接相邻的生成轨迹之间的距离A(分别是相应的向量E)较刀具20的包络线的有效操作长度小。图3示出了刀具20.1的基体的包络线是理想的圆柱体以及其中所述包络线的有效操作长度L1与圆柱形刀具20.1的圆柱体的高度H1相应，即L1＝H1的情况。距离A最好在0.2*L1与0.8*L1之间。这些规范仅仅针对齿廓为直线和齿侧面线为直线的情况。在图3所示的例子中，距离A大约为0.25*L1。

不仅包络线的有效操作长度L1，而且齿侧面线和齿廓均可对距离A具有影响。还可以在距离A的定义中考虑走线角度W2的选择。较佳地，应用于以下的规则。如果走线角度W2大于或小于90度，则距离A相对于走线角度W2的正弦函数按比例地缩小。以下的方法有效，例如：A＝L1*(W2的正弦函数)。

采用这些数学关系一方面对表面质量带来有利结果，另一方面亦对所需的加工时间带来有利结果。然而，相应的规则是可选择的。还可以操作机器100，保持距离A恒定不变。也有可以使距离A与刀具20在齿侧面11的当前位置相关。表示所述生成运动的向量E可以是平行延伸的线(即各处的距离A都是相同的)。然而，向量E也可以是曲线且它们不一定是平行的(类似所述轧制ISO线)。

当确定所述生成运动时，即相应的三维运动路径，刀具20通过机器100的各轴相应的相互作用沿所述三维运动路径移动，需要考虑到齿的几何结构。除了所述齿侧面线和所述轮廓的进程之外，还需要考虑到在三维空间确定整个齿侧面11的齿侧面变化及其他方面。例如，如果所述齿侧面是凸起的，那么所述三维运动路径必须相应地适应所述机器的侧面(在这里由向量E表示)。例如具有可变齿高的齿和/或螺旋状或盘旋状齿轮的齿也需要作出相应的适应。

当距离A越小，齿侧面11的表面的机械抛光越精确。然而，所述生成运动配置得紧密(意味距离A是小的)意味着与距离A较大的生成运动相比，沿所述表面引导所述刀具更频密。当沿所述表面引导刀具20越频密，机械抛光的时间越长。

除了设定刀具轴WA的走线角度(其中取决于刀具20的基体的形状)，还可以对是否垂直(如图3所示)、推进方式(如图4所示)或者牵引方式(如图5所示)引导刀具20经过待加工的齿侧面11进行设定。对于根据图3所示的垂直引导，走线角度W2为90度，对于根据图4所示的推进引导，走线角度W2在90和135度之间，对于根据图5所示的牵引引导，走线角度W2在90和45度之间。

在附图中，在齿侧面的底部区域中(即接近齿根12)有一部分没有用刀具20进行抛光，该部分由虚线14表示。虚线14限定了到达齿根区域18的过渡。这种过渡是不明显的。

在图2A，图2B，图3，图4，图5，图7A和图11所示的齿都具有恒定齿高。然而，本发明还可以毫无问题地应用于其它更复杂的齿侧面。一般而言，如上所述，齿侧面在齿侧面的纵向线的方向以及在轮廓的方向上为曲线。因而必须对数控控制器S编程，使得所述向量E也相应地配合。

机器100包括控制器S，所述控制器产生用于相切地排列刀具20，20.1，20.2和执行所述生成运动的控制信号。

本发明特别有利地用于机械抛光伞齿轮的齿侧面。图7A示出了具有恒定齿高的直齿伞齿轮的侧面11。图7B示出了具有可变齿高的直齿伞齿轮的侧面。在这里，底部锥角较头部锥角小。上面讨论的内容均适用于此处。

本发明可应用于具有恒定或可变齿高的齿轮。通常它还可应用于直齿，螺旋齿和盘旋齿齿轮。

在本发明的优选的实施方案中，所述生成运动跟随最好彼此平行地延伸的直线或稍微弯曲向量E。这些向量E最好通过计算确定，以致于它们近似于例如棒状刀头的虚拟刀刃轨迹(由此它们不必是平行地延伸)，当滚铣产生相应的齿侧面时会形成所述棒状刀头的轨迹。滚铣时所述棒状刀头不仅围绕它的旋转轴(称为刀头轴)转动，而且它也沿轧制摆动轴(rolling swaying axis)被引导。所述轧制倾斜轴与虚拟冠齿轮的冠齿轴相应，其涉及相应的伞齿轮的数学定义。

在数学中，如果几个表面沿一条线彼此接触，这些表面被称为共轭表面。根据本发明，刀具20总是沿齿侧面11被引导，这是通过适当控制机器100的轴来执行，其中旋转对称刀具20的包络线的至少一个相应的短部分(在本文中简称为有效操作长度L1)与侧面表面的短部分是共轭的。通过沿所述侧面表面的切线方向引导刀具20，可以确保所述共轭。因为共轭达到了在刀具20的有效操作长度L1的全范围内进行切削机抛光。用显微镜观察根据本发明被机械抛光的齿侧面11，发现得到了侧面表面，所述侧面表面可被描述为与生成运动轨迹的向量E垂直的那部分的折线。按上述方式用刀具20加工之后，得到了折线P，所述折线由多条直线线段和/或曲线部分组成。

图10示出了另一种具有细长圆柱形基体的刀具20.1的示意图。这刀具20.1具有高度H1。因为所述刀具的头部区域18缩回变成截锥形式或者所述刀具具有头部倒角，其有效操作长度L1较短。相似地，截锥形刀具20.2当然可以具有高度H1，所述高度较有效操作长度L1大。

在这里，使用了术语“旋转对称刀具20”来定义刀具20，所述刀具的基体为圆柱形(例如见图8)或为截锥形(例如见图9)。图2A，图2B，图3，图4，图5，图6，图8，图10和图11示出了圆柱形刀具20.1。图9示出了截锥形刀具20.2。图2A，图2B，图3，图4，图5，图6，图8，图10和图11的实施方案的描述可以相应地应用到截锥形刀具20.2，其中只有所述走线角度必须根据刀具20.2的锥角进行选择。

对于例如具有冠(crowning)B的齿侧面11，最好沿彼此相交的向量E引导刀具20。图11示出了这原理。在图11中，冠B由椭圆形表示。刀具20可沿对称的平面S1-S1折叠，然后沿向量E^*(所述向量E^*与其它向量E相交)引导刀具20。

这样做的结果产生更好的表面特性，但同时机械抛光的时间亦变得较长。

在本文中，主要涉及具有旋转体(旋转对称基体)的旋转对称刀具，其中，所述旋转体的包络线已由直线21(称为母线)产生。可使用双曲面来替代截锥。在加工期间，所述刀具的一部分至少与待加工的工件部分地相切邻接。

最好在不同的实施方案中使用铣刀20。在本文中，铣削是指金属的切削加工。所述刀具20可以是研磨用的铣刀，或者它们可以是包括用于刮掉碎屑的切削刃或切削刀片的铣刀。

根据本发明，最好使用专门设计用于硬化切削加工的刀具20。

通过刀具20相对于预制齿侧面11旋转而产生用于产生或刮削掉碎屑所需的加工运动。通过刀具20相对于齿侧面11的相对运动产生用于成形所需的进刀运动(在向量E的方向)。机器100的数控控制轴提供这种相对运动。

根据本发明，刀具20可处于爬升切削状态或者处于抵靠所述进刀进行切削的状态。在所述爬升切削状态中，旋转刀具20的刀刃或者用磨削材料覆盖的刀具20的圆周表面于进刀运动的向量E的方向移进啮合区中。在抵靠所述进刀进行切削的状态中，它们以与进刀运动的向量E的方向相反的方向移进啮合区中。

本发明使用了旋转驱动的旋转对称刀具。在本文中，刀具轴WA围绕相对于预制和已硬化工件K2的多条轴移动。考虑设置相应的控制(较佳为数控控制器S)将各轴的相应运动耦合。结果，沿已写入程序的运动轨迹引导刀具20。

图12示出了可应用本发明的门式加工机100的立体图。这机器100特别设计成用于精机械抛光具有大模块的齿轮。将待机械抛光的齿轮(图中未显示)定位在工件台上。机器100具有五条数控控制轴。另外，机器100具有包括刀具20的心轴22，所述刀具绕额外的刀具轴WA旋转。在图12所示的简图中，刀具轴WA垂直地延伸。刀具心轴22可围绕水平轴转动并且可平行于垂直轴作向上和向下移位。机器100包括三条线性轴(由直线双箭头表示)和旋转台101的第一旋转轴。另外，使用圆锥形垫圈23进行旋转运动可以转动心轴22。在申请人于2009年9月10日提交的公开号为EP 09 169 933.0的对应欧洲专利申请中可以获得有关界面的详细情况。

附图标记列表：

权利要求书(按照条约第19条的修改)

1.一种使用机器(100)对齿轮(10)的预制齿侧面(11)进行硬精加工的方法，所述机器包括至少五条被协同地控制的轴和额外的刀具轴(WA)，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

-驱动旋转对称刀具(20；20.1，20.2)，将所述旋转对称刀具设定为绕所述刀具轴(WA)旋转(R1)，

-控制所述被协同地控制的五条轴中的一条或多条，以致于所述刀具(20；20.1，20.2)的包络线的至少一个短直线部分以在生成运动中沿所述齿侧面(11)的切线方向被引导，而所述刀具(20；20.1，20.2)围绕所述刀具轴(WA)旋转(R1)而刮削掉所述预制齿侧面(11)的材料，其中所述生成运动跟随预定的运动向量(E)，

其特征在于，所述生成运动跟随所述运动向量(E)，所述运动向量稍微弯曲地较佳为互相平行地延伸，其中这些运动向量(E)与刀头的虚拟刀具轨迹相对应或近似于刀头的虚拟刀具轨迹，较佳为与轧制ISO线相对应或近似于轧制ISO线，当滚铣产生所述相应的齿侧面(11)时形成这些刀具轨迹。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述机器(100)的控制单元(S)产生控制信号，以使所述刀具(20；20.1，20.2)与所述齿侧面的待加工表面相切地接合并进行所述生成运动。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述刀具(20；20.1，20.2)是具有圆柱形基体的刀具(20.1)。

4.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述刀具(20；20.1，20.2)是具有截锥形基体的刀具(20.2)，以及利用与所述刀具(20.2)的锥角对应的所述刀具轴(WA)的刀刃角来达到沿所述齿侧面(11)的切线方向引导所述刀具(20.2)。

5.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

-通过设定围绕所述刀具轴(WA)旋转的转速来设定切削速度。

6.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

-通过设定引导所述刀具(20；20.1，20.2)沿所述齿侧面(11)的进刀运动的速度来设定生产量。

7.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

-通过设定引导所述刀具(20；20.1，20.2)沿所述齿侧面(11)的进刀运动的速度以及设定毗邻的运动向量(E)之间的距离(A)来设定表面质量。

8.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

-通过设定引导所述刀具(20；20.1，20.2)沿所述齿侧面(11)的进刀运动的速度以及设定毗邻的运动向量(E)之间的距离(A)来设定加工精度。

Claims

-控制所述被协同地控制的五条轴中的一条或多条，以致于所述刀具(20；20.1，20.2)的包络线的至少一个短直线部分以在生成运动中沿所述齿侧面(11)的切线方向被引导，而所述刀具(20；20.1，20.2)围绕所述刀具轴(WA)旋转(R1)而刮削掉所述预制齿侧面(11)的材料，其中所述生成运动跟随预定的运动向量(E)。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其特征在于，所述生成运动跟随所述运动向量(E)，所述运动向量稍微弯曲地较佳为互相平行地延伸，其中这些运动向量(E)与刀头的虚拟刀具轨迹相对应或近似于刀头的虚拟刀具轨迹，较佳为与轧制ISO线相对应或近似于轧制ISO线，当滚铣产生所述相应的齿侧面(11)时形成这些刀具轨迹。

6.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

-通过设定围绕所述刀具轴(WA)旋转的转速来设定切削速度。

7.根据权利要求1至5中任一项所述的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

8.根据权利要求1至5中任一项所述的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

9.根据权利要求1至5中任一项所述的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：