CN103328145A - 用于加工工件的方法和设计用于该方法的加工工具 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于加工工件、尤其是带齿工件的方法，该工件绕工件轴线被驱动转动并且呈周期性结构的形式，其中带齿的加工工具以两个转动轴线之间的交叉轴线角而与工件滚动配合，该带齿的加工工具设有形成在其齿的端部边缘上的切削刃并且绕工具轴线被驱动转动，该工具轴线沿轴线间距的径向方向与工件轴线隔开，其中切削刃通过切削运动从工件去除材料，该切削运动具有平行于工件轴线的分量，且附加地使加工工具执行具有平行于工件轴线的分量的进给运动，以在期望的轴向范围内加工工件，其中进给运动和切削运动的平行于工件轴线的分量相对于彼此沿相反的方向定向。

Description

用于加工工件的方法和设计用于该方法的加工工具

本发明涉及一种用于加工工件、尤其是具有齿轮齿的工件的方法，该工件绕工件轴线被驱动转动且该工件的形状包括周期性结构，其中带齿切削工具在两个转动轴线之间的交叉角下与工件滚动配合，该带齿切削工具具有形成在其齿的前端处的切削刃并且绕与工件轴线径向隔开的切削工具轴线被驱动转动，其中切削刃通过切削运动从工件削除材料，该切削运动具有沿平行于工件轴线的方向的分量，并且，为了在期望的轴向范围内加工工件，切削工具附加地制造成执行具有平行于工件轴线的分量的进给运动。本发明还涉及一种设计用来执行该方法的加工工具。

如下一种加工方法已经已知了百年以上：其中，所包含的加工轴线的运动遵循此种运动学型式（参见DE 243 514）。这例如包括借助刮削轮利用外部或内部齿对圆柱形齿轮工件进行刮削（skiving）的过程。下文具体地涉及该示例，但它们也可用于其它应用，并且确切地也适用于根据权利要求1前序部分的更一般的过程。

类似于更为公众所知的滚铣过程，刮削过程可归入使用几何形状确定的切削刃的切屑去除生产过程的类别中。与加工过程仿效转动驱动机构领域中蜗轮的示例的滚铣过程不同，刮削过程可比照斜齿轮传递的示例，其特征在于，齿轮工件和刮削轮的相应转动轴线的偏斜设置。在本文中，两个轮之间的相对运动还称为螺旋型运动。

采用形成在刮削轮的齿侧的前端处、并且由此相对于与工件轴线正交的平面而位于以两个转动轴线之间的交叉角而倾斜的平面中的切削刃，则刮削轮和齿轮工件之间的滚动运动可用于产生转动切削运动，而通过该转动切削运动可在工件坯件上产生齿。该过程中的主切削方向沿着所产生的齿廓的齿间隙行进。

与滚铣不同，该过程具有显著的优点，即，以相同的切削通行速度来提供较高的切削速率，因为这些运动学特性在相同的时间量内产生更有效的切削配合。此外，刮削证明对于完成内齿轮齿的产生或加工过程尤其有利，其中滚铣仅仅能用于受限的程度，而刮削在关于加工时间的成形方面也提供优点。

另一方面，刮削过程在工具几何形状的构造方面具有缺点，因为在采用刮削时，并不总是能依赖于基准齿廓的原理。此外，刮削轮和齿轮工件之间的传动比与滚铣相比明显较小，而传动比中的微小误差会直接影响所产生齿轮的质量，从而需要极其精确的加工设定来实现较高的加工质量。

根据生产/修整正齿轮的已知技术状况，刮削轮构造成具有螺旋齿（具有螺旋角β₀），而交叉角Σ被选定为等于刮削轮的螺旋角β₀。如果所加工的齿轮工件要获得具有螺旋角β₂的螺旋齿，则螺旋角β₂叠置在轴线的交叉角Σ上，其中，如果刮削轮和齿轮工件的齿侧扭转具有相同的转动方向，则赋予β₂负号，而如果齿侧扭转具有相反的转动方向，则赋予正号。此外，根据传统的实践，在刮削轮的进给运动平行于工件轴线Z而行进的同时，工件的作为滚动配合的函数的基本转动需要伴随着附加的叠加转动模式，以避免沿轴向进给运动切削到工件齿侧中。例如，可在Thomas Bausch等人在专业出版社（Expertverlag）出版的《创新齿轮生产（InnovativeZahnradfertigung）》中找到刮削的以及还有已硬化的工件的运动学上类似的硬刮削的原理的更详细描述。

原则上，可以采用仅仅一个进给运动在单次操作中利用刮削过程来生产齿轮工件。然而，尤其是当需要削除大量材料或者为了减小刮削轮上的应力时，以多次作业操作中执行加工也是常用的，其中在任何两个进给运动之间，刮削轮通过后推运动返回至起始位置，且以沿轴线之间径向距离的方向的较大切削深度来执行下一进给运动。这例如在DE 10 2008 037 514A1中进行了描述。

然而，已发现采用前述的现有技术刮削方法，即使以若干次走刀（pass）中来执行该过程，所产生/修整的工件的质量仍无法完全令人满意。

因此，本发明的目的是提供一种切屑去除加工方法，该加工方法在基于刮削运动学的同时在所加工的工件中实现较高的质量水平。

从过程-工程学的角度来看，通过进一步开发背景技术中描述的方法来实现该目的，其中改进点的基本特征在于，进给运动和切削运动是以如下方式相协调的，这些运动各自平行于工件轴线的分量朝向相反的方向。

在产生本发明的研究中，发现通过采用如下进给运动，可获得以此方式加工的改进质量的切削表面，该进给运动平行于工件轴线的分量沿与由刮削轮的滚动配合而产生的切削运动平行于工件轴线的分量相反的方向定向。与传统的加工技术不同，尤其是在工具将被剥除的削屑推到其自身之前的本示例的刮削中，本发明的方法的特征在于工具的拉动动作。这会降低削屑变得卡在所加工的齿间隙中的风险，而这会不利地影响齿轮间隙的切削表面的质量。

此外，管理轴向进给和切削运动相对于它们平行于工件轴线的相应分量的关系的有关构造和运动学的已知条件也可用作根据本发明方法的指导方针。具体地说，可使用如下一种刮削轮：该刮削轮的基本本体形状是锥形的，因此已具有所需的间隙角来作为其固有的设计特征。然而，也可利用基本本体形状是圆柱形的刮削轮进行工作，在此种情形下，通过加工轴线的运动、尤其是通过刮削轮位置的移位（偏心“e”）来实现间隙角。

此外，该方法可适用于生产同时具有外齿轮和内齿轮的正齿轮以及斜齿轮，该正齿轮和斜齿轮同样需要工具轴线和工件轴线之间具有足够大的交叉角Σ，而这也适用于传统的刮削。切削刃也可构造成具有阶梯状的磨削刃。

在方法的较佳型式中，如本发明中所说明的沿“拉动”方向的进给走刀之前的是一次或多次沿相反进给方向的加工走刀，即传统的技术领域已知的“推进”的进给走刀。因此，在根据传统实践执行一个或多个粗切削走刀的加工过程中，由被卡住的切屑所产生的可能缺陷能至少部分地由后续修整走刀来弥补，该后续的修整走刀由根据本发明的“拉动”进给运动结合由滚动所配合产生的转动切削运动相组合来执行，其中不再会发生削屑被卡住的问题。

原则上，可设想将径向进给运动用于一个或多个加工走刀，藉此利用轴向进给运动来执行切削。然而，在一些情形中，尤其是制造在呈承载一个或多个齿廓的圆柱形轴的工件的情形中，有利的是还可执行径向进给运动，该径向进给运动可类似地叠加，以与轴向进给运动同时发生。具体地说，这产生在工件的齿间隙中切出期望形状的轴向渐入（phase in）和渐出（phase out）部分的可能性。

取决于如何控制进给运动的动态叠加，可产生切向地行进到齿间隙中的弧形渐入或渐出部分。作为替代，也可设想在各步骤中产生进入齿间隙的渐入或渐出部分。这为工具的轴向运动提供更大自由度。

该加工方法也可适用于已被硬化的工件（硬刮削）。然而，较佳地是在硬化过程之前使用该方法（刮削）。此外，通过采用刮削过程，能直接在坯件上执行切削，而无需预备加工。然而，也可对经受初始步骤的工件进行加工，在初始步骤中已形成齿的基本形状，而仅仅由本发明的过程来产生所期望的最终形状的齿。

取决于所要制造的工件的尺寸、刮削轮的尺寸以及由工件和刮削轮的螺旋角所规定的轴线交叉角，工具的进给运动可平行于工件轴线或者也可平行于工具轴线，其中后一种进给运动相对于工件轴线表示轴向和切向进给运动的组合。前一种类的运动尤其有利于生产内齿廓。当然，基于螺旋角和进给速度，工件需以传统的方式经受附加的转动，该附加的转动需叠加在滚动配合所需的基本转动上，从而对于工具在工件轴线上的每个位置Z都可获得正确的刮削配合条件。

通常，刮削轮能具有螺旋齿结构。另一方面，如果要在工件上产生的齿已具有足够大的螺旋角，则刮削轮也能较佳地具有正齿轮的齿结构。

从设备定向的角度来看，需获得专利保护的加工工具具有上述加工轴线以执行该方法，且该加工工具能够在计算机数字控制（CNC）下执行加工轴线运动，并包括控制系统，在该控制系统的指令下，能执行一个或多个前述方法的变型所需的加工轴线运动。

此外，保护范围还延伸到其基本形式是利用根据前述描述的方法制造或者根据本文所示出的又一些方面的一个或多个方面制造的工件。

在下文参照附图的描述中，本发明的进一步的特征结构、细节和优点变得显而易见，附图中：

图1示出在被加工的过程中刮削轮和齿轮工件之间的滚动配合；

图2a、2b是显示定向的图，以示出轴线之间的关系；

图3示出在根据本发明方法中发生的切削和进给运动的方向分量；以及

图4a、4b示意地示出工件的齿间隙的端部。

呈刮削轮0形式的图1所示工具用于对所加工的齿轮工件2进行刮削，该齿轮工件类似地在图1中示出。在该过程中，图1中的两个轮0和2彼此滚动配合，且工具轴线Z₀和工件轴线Z以交叉角Σ呈一定距离地彼此交叉，在图1所示的示例中，交叉角Σ与工件2上所生产的齿轮齿的螺旋角相对应。轴线之间的方向关系再在图2中以两个清楚的附图示出。

刮削轮0的基本本体形状是圆锥形的，因此，用于切削工件2所需的间隙角已是切削轮0的一体设计部分。以正齿轮的方式设计刮削轮0的齿，并且在滚动配合中，刮削轮0的齿具有与工件2的齿间隙相同的定向。形成在刮削轮0的齿的自由端处的切削刃在转动切削运动中产生工件2的齿间隙。为了覆盖工件2的整个齿宽，刮削轮0执行轴向进给运动，该轴向进给运动可平行于工具轴线Z₀或也可平行于工件轴线Z。除了工件2为了进行滚动配合所需的基本转动以外，会需要基于刮削轮0的轴向进给运动来叠加附加的转动模式，以在刮削轮0的每个位置Z都为所要产生的齿廓保持正确的刮削配合条件。在任何情形下，轴向进给运动会具有平行于工件轴线Z的分量f_Z。

在刮削过程中产生的在图1中示作v_c的主切削方向（切削速度）是由于在切削刃和待切削工件材料之间切削配合位置处的相应切向速度矢量v₀和v₂而获得的。切削方向v_c的平行于工件轴线Z行进且在图3中示作v_c,||的分量在图1中从左至右。

到现在为止，前述描述与现有技术的刮削过程相对应，其中轴向进给运动类似地具有在图1中从左至右平行于工件轴线的分量。如果以一个以上的走刀执行切削，则通过在各次走刀之间将刮削轮0拉回并通过调节轴线之间的距离来增加每次走刀时的切削深度，那么可将对材料的削除分散到若干次走刀之中。

与前文描述的现有技术刮削方法相反，本发明中提出的概念是以如下方式执行切削轮0的轴向进给运动，其使得该轴向进给运动平行于工件轴线的分量具有与切削运动的相对于同一工件轴线的分量相反的方向，即，轴向进给运动平行于工件轴线的分量在图1中从左至右，因此，进给运动代表“拉动”运动，这会降低切屑被卡住的风险。

在图3中示意示出的示例中，相对于现有技术的方法，在n次切削走刀中的最后那次走刀的中、即在修整走刀中执行此种“反向”进给运动，而以传统的进给运动来执行之前的n-1次走刀、例如粗加工走刀，其中，平行于工件轴线的进给分量沿与切削运动平行于同一轴线的分量（在图3的顶部示作v_c,||）相同的方向定向，该切削运动是由于以两个转动轴线彼此交叉的滚动配合而产生。

图3示出矢量分量v_c,||和平行于工件轴线的轴向进给分量，其中f_z(i)指代在第i次加工走刀中的相应轴向进给分量。

这些轴向进给运动f_z(i)能伴随有沿径向方向的附加叠加进给运动、即轴线之间的距离变化，以例如在齿间隙的轴向端部处产生期望的几何形状。在图4中示出利用叠加径向进给运动产生的具有渐入或渐出部分的齿间隙的示例，其中图4a示出弧形渐出部分，而图4b示出齿间隙的阶梯状渐入部分。图4中的虚线表示对于相继的切削走刀的相应切削深度，这些切削深度通过将径向行进或径向横切叠加在轴向进给运动上来实现。此种齿廓变型在齿间隙的端部处的较佳应用在圆柱形轴的加工中发生，该圆柱形轴承载在与齿宽相对应的轴向长度上延伸的齿廓，并且另外构造成限制切削工具的许可运动范围。这尤其适用于具有承载不同齿廓的不同部段的圆柱形轴。

对于前述粗切削走刀和修整走刀，可选择不同的设定参数，尤其是关于刮削轮和工件的绝对转动速率和/或关于进给速度。

本发明并不局限于在所示出实施例中讨论的细节。相反，在说明书和权利要求中单独地或以任何组合地描述的特征能证明基本上可在不同实施例中实现本发明。

Claims (14)

1.一种用于加工工件（2）、尤其是具有齿轮齿的工件的方法，所述工件绕工件轴线（Z）被驱动转动，且所述工件的形状包括周期性结构，其中

切削工具（0）以两个转动轴线（Z、Z₀）之间的交叉角（Σ）而与所述工件（2）滚动配合，所述切削工具（0）具有齿轮状的齿并且具有形成在其齿的前端处的切削刃，并绕切削工具轴线（Z₀）而被驱动转动，所述切削工具轴线沿径向距离的方向（X）与所述工件轴线（Z）隔开，其中，所述切削刃通过切削运动从所述工件（2）削除材料，所述切削运动具有平行于所述工件轴线方向的分量，并且，为了在期望的轴向范围上加工所述工件（2），所述切削工具附加地制造成执行具有平行于所述工件轴线的分量的进给运动，

其特征在于，

平行于所述工件轴线的进给运动分量和平行于所述工件轴线的切削运动分量相对于彼此沿相反的方向定向。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，以至少两次走刀来执行加工，所述至少两次走刀具有沿所述工具轴线和所述工件轴线之间距离的所述方向（X）的不同切削深度，且其中，在带有相反进给方向的加工走刀之后的后续走刀中执行所述进给运动，所述进给运动具有沿与所述切削运动分量反向定向的分量。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，以至少三次走刀来执行加工，其中所述后续走刀是最后一次加工走刀，而所有之前的走刀都利用相反的进给方向执行加工，其中，在两次此类加工走刀之间，发生所述工具后拉运动，在所述后拉运动过程中，不存在与所述工具的切削配合。

4.如权利要求1至3中任一项所述的方法，其特征在于，在轴向进给运动伴随有沿所述轴线之间的最短距离的方向的叠加径向进给运动时，所述进给运动具有平行于所述工件轴线的分量。

5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，通过所述两个进给运动的叠加，切出所述工件的齿间隙中期望形状的轴向渐入或渐出部分。

6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述齿间隙的渐入或渐出部分为切向地行进到所述齿间隙中的弧形形状。

7.如权利要求5所述的方法，其特征在于，在一系列步骤中形成所述齿间隙的渐入或渐出部分。

8.如前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述加工包括刮削。

9.如前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，加工/生产出具有外齿的齿轮，其中所述轴向进给运动尤其是平行于所述工具轴线。

10.如权利要求1至8中任一项所述的方法，其特征在于，加工/生产出具有内齿的齿轮，其中所述轴向进给运动尤其是平行于所述工件轴线。

11.如前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所加工/生产出的齿轮齿是螺旋齿，且所述切削工具的齿是正齿轮齿。

12.一种加工工具，包括：

限定工件轴线（Z）的工具心轴，工件可在所述工具心轴上被驱动转动，

限定工具轴线（Z₀）的工具心轴，所述工具轴线与所述工件轴线沿所述轴线的径向距离的方向（X）以可调节的距离隔开，其中所述工具轴线以可调节的轴线交叉角与所述工件轴线交叉，并且切削工具（0）能绕所述工具轴线（Z₀）被驱动转动，

并且还包括：

控制器，所述控制器以如下方式引导所述加工轴线的运动，即，使得切削工具与所述工件滚动配合，所述切削工具具有齿轮状的齿并且具有形成在所述齿的前端处的切削刃，其中所述切削刃通过切削运动从所述工件去除材料，所述切削运动具有沿平行于所述工件轴线的方向的分量，而所述切削工具附加地执行进给运动，所述进给运动具有沿平行于所述工件轴线的方向的分量，

其特征在于

所述控制器还以如下方式引导所述加工轴线的运动，即，使得平行于所述工件轴线的所述进给运动分量和平行于所述工件轴线的所述切削运动分量相对于彼此以相反的方向定向。

13.如权利要求12所述的加工工具，其特征在于，所述控制器还引导所述加工轴线的运动，以执行如权利要求2至11中任一项所述的方法。

14.一种工件、尤其是具有齿轮齿的工件，所述工件的形状包括周期性结构，且所述工件由如权利要求1至11中任一项所述的方法来生产和/或加工。

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