CN101085481B - 软加工锥齿轮的装置和方法及该装置的应用 - Google Patents

软加工锥齿轮的装置和方法及该装置的应用 Download PDF

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Abstract

一用于锥齿轮软加工的装置(10)，其具有一用来接纳锥齿轮坯(K1)的座(12)，并具有用来接纳一刀盘(13.2)的工具心轴(13.1)。装置(10)包括一具有一枢轴轴线(A1)的加工臂(11)，加工臂(11)在第一侧上具有用来接纳刀盘(13.2)的工具心轴(13.1)，加工臂(11)在第二侧上具有用来接纳端铣刀具(14.2)的工具心轴(14.1)。一CNC控制器(S)将端铣刀具(14.2)置于快速转动，以在锥齿轮坯(K1)上切削出预定数量的齿隙。在加工臂(11)枢转之后，可使用用作为锥齿轮抛光工具的刀盘(13.2)。在后加工过程中将端铣刀具(14.2)置于慢速的转动，使用锥齿轮抛光工具(13.2)加工锥齿轮坯(K1)。

Description

软加工锥齿轮的装置和方法及该装置的应用
技术领域
本发明涉及软加工锥齿轮的装置，尤其是，设计成干式加工的装置。本发明还涉及一对应的方法和该装置的使用。要求对以本申请的受让人名义于2006年6月6日提交的欧洲专利申请EP 06 115 040.5的优先权。
背景技术
存在有变化很大的用于制造锥齿轮和类似的齿轮的各种机器。在某一时间内，还有要求自动地加工甚至特别大模数的锥齿轮，例如，如在船舶或动力装置建造中所使用的锥齿轮。
一由此产生的问题在于，如此的机器不仅变得非常复杂和因此昂贵，而且变得非常庞大和笨拙。此外，大模数锥齿轮的加工需要相当大的精力准备组装(装备时间)。一昂贵的机器在该时间过程中是静止不动的，从经济观点上看，这是不利的。
发明内容
因此，本发明基于这样的目的，即，简化大型锥齿轮制造，此外，还加快制造而不必接受质量的损失。
本发明另一目的包括提供一方法和一对应装置，该装置设计成成本有效地加工大型锥齿轮。
根据本发明，这些目的通过以下做法得以实现
-如权利要求1的特征的装置
-应用如权利要求10的特征的装置
-如权利要求13的特征的方法。
有进一步优点的实施例源于相应的从属权利要求。
根据本发明的方法设计成特别地用来在硬化过程之前加工齿腹，即，处于软状态下。相应地选择所使用的工具。
当然，尽管该装置特别地设计用于大模数锥齿轮(最好具有的模数大于12)且对于该特殊使用特别地成本有效，但本发明也还可用于加工其它齿轮。
附图说明
下面参照附图详细地描述本发明的示范实施例。其中
图1示出根据本发明加工齿轮的方案；
图2示出根据本发明第一装置的示范的示意侧视图；
图3示出第一装置另一侧的示意图；
图4示出第一装置的示意的立体图；
图5示出第一装置的加工臂的示意图。
具体实施方式
结合本发明使用了各种术语，它们也可用于相应出版物和专利中。然而，应该指出的是，使用这些术语只是为了更好地理解。根据本发明的思路和专利权利要求书的保护范围不局限于由特定选择的术语所作的解释之中。本发明可以不用其它措施就转换到其它术语系统和/或专业领域内。这些术语可相应地适用于其它专业领域。
本发明涉及加工大模数的锥齿轮。根据本发明，该术语也包括冕形齿轮和斜齿小齿轮。没有轴向偏移的锥齿轮和有轴向偏移的锥齿轮、所谓的准双曲面齿轮也被包括在内。然而，本发明主要涉及生产冕形齿轮或具有大齿轮啮合的斜齿小齿轮。该类型的冕形齿轮和斜齿小齿轮具有的直径大于1米，并可达到3米。齿轮啮合可具有高达100mm或以上的齿高。
本发明基于以下的发现。有各种方面对加工大型锥齿轮的成本有效性提供了贡献。因为构件的尺寸和重量，机器上总的操作和组装(定向和夹紧)非常复杂(费时)。实验已经表明，必须为此程序计划高达2个小时。这导致机器不生产阶段较长，这又影响到总的操作的成本有效性。
直到现在为止，该类型的大型齿轮传动已经是湿式进行加工，即，在加工过程中提供润滑剂和/或冷却剂。然而，使用相应液体正日益变得不够理想，装置供应和除去液体所需的支出不可忽略。因此导致能使用干式加工生产甚至更大齿轮的需要。然而，迄今为止普遍使用的刀盘有明显的磨损点。这些刀盘包括一装备有多个刀具(诸如成形或杆刀片)的主体，它必须非常准确地调整，且其在刀具内的位置必须非常精确地设定。如果刀具被磨损，则刀盘必须拆下，重新磨刀具或用新的刀具更换。此后才可重新使用刀盘。这对于以下事实也有贡献，即，先前方法转向到“干式”将不是成本有效的。
本发明建立在如以下详细解释的诸点上。
图1示出一示范方法顺序100的示意图。本发明可有利地用于所示的情景中。如图所示，这是加工大模数冕形齿轮或斜齿小齿轮的一实例。从一坯料(方框101)开始，在所示实例中执行以下软加工步骤。例如，通过车床加工(方框102)可生产出一(中心)孔。然后，坯料可转动作进一步加工(方框103)。转动之后，可遵循重新开始的车床加工(方框104)。这些步骤是选项并在目前情形中称之为执行生产。其它步骤或替代的步骤也可在执行生产的范围内执行。执行生产结束时，工件被称之为一齿轮坯或工件坯K1。步骤102或步骤102-104可在一所谓的预加工机器或多个不同机器内执行。
然后进行所谓的齿轮切削。根据本发明，(干式)锥齿轮铣削(方框105)用作为铣削预定齿数间隙的方法，其在使用一端铣刀具14.2(例如，见图2)在预加工工艺范围内在逼近的位置内在锥齿轮坯K1上铣削预定齿数间隙，并使其具有近似的尺寸。用标号105标识的步骤这里也称之为(锥齿轮)预铣削。这后跟(锥齿轮)抛光步骤(方框106)，这根据本发明使用一锥齿轮抛光工具13.2来执行，并通过抛光加工给出齿隙或相邻齿腹、具有预定精度的理想形状。
步骤105和106根据本发明在同一机器10内执行。工件坯K1不必重新夹紧或传送。
其后通常紧跟一热处理(方框107)。该热处理一般地不再包括在软加工中。它用于硬化工件坯K1之目的。然后，可后跟可供选择的后加工和/或精加工(方框108)。因此，例如，可研磨或变硬轴承座和/或可执行齿轮硬加工。然后，完成大模数锥齿轮。
基于对一对应机器10的示范实施例及其使用的更为精确的描述，下面将描述本发明的其它的细节。
根据本发明机器10的各种视图示于图2、3和4中，该机器的示意部分显示在图5中。如从这些图中所见，机器10具有一垂直站立的机器部分8，该部分具有一垂直移动的导向件6(或替代地具有多个导向件)。一机器部分7侧向地附连到外壳8，如双箭头V1所示，外壳8可沿着导向件6向上和向下地位移(即，平行于y轴)。机器部分8又坐落在一水平机器床身9上，如双箭头V2所示，机器部分8可沿着该机器床身9沿z方向位移。机器部分7承载一加工臂11，该加工臂可围绕一枢轴轴线A1枢转。该枢轴轴线A1位于图2的图纸平面内，即，它平行于x轴移动。待加工的锥齿轮坯K1平躺(即，水平地在x-z平面内)在一座12(例如，呈一心轴或心轴台的形式)上或内的加工臂11下方，该座的转动轴线A2平行于y轴。
根据本发明，机器10因此是一垂直或对角地操作的机器(视加工臂11的位置而定)，其中，在齿轮切削过程中，具有齿轮坯K1的工件心轴位于具有齿轮切削工具13.2或14.2的工件心轴下方。
较佳地，座12和机器床身9坐落在一共享的机器平台或基础上，然而，平台或基础在图中未示出。
用来接纳一用作为锥齿轮抛光工具的刀盘13.2的第一工件心轴13.1设置在加工臂11的第一侧上。用来接纳一端铣刀具14.2且用作为一轮切削工具的第二工件心轴14.1附连到加工臂11的第二侧上。在图2的图示中，端铣刀具14.2显示为在锥齿轮坯K1预铣削之前，而刀盘13.2指向上且不在使用。
根据本发明，加工臂11具有一慢速的第一驱动器M1，其设计用于较大的转矩，以及一快速的第二驱动器M2，其设计用于较小的转矩，正如图5中示意地所示基于两个圆。这些驱动器M1和M2包括较佳地坐落在加工臂11内的马达和可能增速或减速的齿轮。还可以在机器10的其它部位处容纳驱动器的一部分，并使用轴实施进入加工臂11内的转动运动以及从其中出来到达心轴13.1和14.1的转动运动。
全部的结构这样进行设计，使第一工具心轴13.1可被第一驱动器M1所驱动，而第二工具心轴14.1可被第二驱动器所驱动，通常地，不是一个驱动器工作就是另一驱动器工作。
替代地，也可设置一单一的马达，其驱动两个心轴13.1和14.1，或者，用相应的驱动系提供所需的速度。
根据本发明，锥齿轮抛光工具较佳地以小于100rpm的速度驱动，而端铣刀具以800和2500rpm之间的速度驱动。
机器10包括一CNC控制器S，如图2中示意地所示，或者机器10连接到一外部CNC控制器S。CNC控制器S被编程，使它根据本发明控制个别运动的顺序。CNC控制器S使用第二驱动器M2将端铣刀具14.2设定到快速转动，而机器轴以这样一种方式(称之为馈给运动)移动，使端铣刀具14.2切入到工件坯K1，并在一产生预加工的过程中使用端铣刀具14.2加工锥齿轮坯K1。执行端铣刀具14.2和工件坯K1之间的一三维的相对运动，在锥齿轮坯K1上于近似位置切削出和/或铣削出具有预定形状并具有近似尺寸的预定数量的齿隙。
在该预加工过程中，后加工工艺过程开始之前，使用端铣刀具14.2在锥齿轮坯K1上铣削掉待加工齿隙区域内的50％和95％之间的材料。因此这是粗加工或拉削加工。因为这不是对齿隙的精确加工而只是预加工，所以，如果端铣刀具14.2出现某种磨损的外观，也并不特别重要，因为它对于后续的后加工过程很少或没有影响。
可见本发明的主要优点是，端铣刀具14.2不必满足特别高的要求。在大多数情形中，可使用一相对经济的标准端铣刀具或一合适的变化。如果端铣刀具14.2已磨损，那么可以极小的操作进行更换。为此目的，心轴14.1最好具有一快速卡盘夹紧装置。机器10的结构甚至允许在使用工具13.2进行抛光过程中更换待执行的端铣刀具14.2。
如图4所示，端铣刀具14.2最好在一轴向平面内具有锥形或梯形横截面。由硬质金属制成的端铣刀具14.2是特别首选的。端铣刀具14.2可具有一个或多个切割刃14.3。多个如此的切割刃可从图3中看清。此外，从图中还可看到，端铣刀具14.2具有比用作为锥齿轮抛光工具的刀盘13.2小得多的直径。较佳地，端铣刀具14.2的直径小于刀盘13.1直径的20％。应该指出的是，端铣刀具14.2必须小于它所产生的间隙。
最好使用直径在500和1300mm之间的锥齿轮抛光工具。而端铣刀具通常可具有这样的圆周，在下锥形端为10和25mm之间，而在上锥形端为80和100mm之间。
端铣刀具仅在一个路径上导向，该路径近似地对应于间隙，并因此产生对应于其形状的齿形。齿的最后外形使用刀盘通过抛光而形成。根据本实施例，锥齿轮坯K1可在每一齿隙预加工过程中围绕工件轴线A2容易地转动，或者锥齿轮坯K1可在每一齿隙预加工过程中静止不动。一旦跳到待加工的下一齿隙，锥齿轮坯K1总是围绕工件轴线A2作所谓的分度转动运动。
为了能连续地或一步一步地转动锥齿轮坯K1，设置一工件驱动器M3，其允许围绕工件轴线A2有控制地转动。该相应的驱动器M3示意地图示在图3中。
如上所述，在同一机器10内使用的第二工具是一刀盘13.2，其用作为锥齿轮抛光工具。该刀盘13.2装备有多个刀具13.3，它们的形状和位置应这样确定：一旦切入到具有预抛光齿隙的工件坯K1内，就执行抛光的加工。在抛光加工过程中，刀盘13.2围绕心轴轴线S1作转动运动，此外，锥齿轮坯K1也围绕工件轴线A2作转动运动。因此，在刀具13.3的切割刃和锥齿轮坯K1之间产生滚动运动。抛光也可用连续的或单一分度的方法执行。
例如，如图5所示，刀盘13.2的刀具13.3最好轴向地定向到刀盘13.2(即，它们平行于心轴轴线S1)。
根据本发明，根据应用对锥齿轮传动的加工可使用特定的工具，该工具用高性能钢、硬质金属、陶瓷或陶瓷合金(金属和陶瓷的组合)制成，各具有合适硬质材料涂层。
上述动作或运动顺序由所述CNC控制器S进行协调。
本发明的一优点是，每抛光一锥齿轮的工具成本比生产大型齿轮的普通方法更为合理。另一优点是，机器10的结构新颖，其在共享的加工臂11上具有两个工具13.2和14.2的结构，这能加工甚至特别大的锥齿轮，因为臂11可围绕水平定位的锥齿轮移动而毫无问题。
所述和显示的实施例是一6轴的机器10，它允许沿多个方向作相对运动。以下的运动是可能的：(侧向)位移V1、(水平)位移V2、围绕A1的枢转运动、第一工具13.2围绕心轴轴线S1的转动、第二工具14.2围绕心轴轴线S2的转动，以及工件K1围绕轴线A2的转动。
在一替代的实施例中，通过移动锥齿轮坯K1，可在y-z平面和x-z平面内执行一个或两个运动。在此情形中位移能力V1或V2不再是必要的。
各种轴都是数控的轴。因此，可用CNC控制器S数字化地控制个别的运动。较佳地，控制器S设计成使所有轴都数字化控制。重要的是，个别的运动顺序要以协调的方式发生。协调性由CNC控制器S实施。
通过合适地改变本发明关键的个别元件就可获得其它类似的实施例。
待加工的锥齿轮处于水平的位置也是有利的。由于该类型的结构(至少工具没有力作用在锥齿轮上)，使径向作用力不再存在，尤其是对于大的质量，采用垂直的夹持就会有问题存在。根据本发明，力只作用在轴向方向上，即，平行于轴线A2。此外，可以这样地选择各种数字控制的轴的位置，即，最大可能的运动自由度用于加工工件K1。
此外，可使用吊车或其它提升装置毫无问题地提供和移去沉重和巨大的锥齿轮坯K1。
使用一端铣刀具14.2是有利的，因为这样的刀具特别用于操作固体材料，即，换句话说，用于粗加工或拉削加工。
此外，可使用维护简单的端铣刀具14.2。对于具有小直径的端铣刀具14.2实施高速的驱动器M2，比对于大和重的刀盘13.2实施相应高速驱动器更为简单和成本更有效。而且，如上所述，工具的改变更为简单和迅速。此外，粗加工过程中作用在机器10上的力显著地较小。

Claims (20)

1.一种用于锥齿轮软加工的装置(10)，其具有用来接纳锥齿轮坯(K1)的座(12)，并具有用来接纳用作为锥齿轮抛光工具的刀盘(13.2)的第一工具心轴(13.1)，所述装置包括：
-CNC控制器(S)，
-由所述CNC控制器(S)控制的加工臂(11)，所述加工臂具有用于锥齿轮坯(K1)齿轮切削的枢轴轴线(A1)，所述加工臂(11)在第一侧上具有用来接纳所述用作为锥齿轮抛光工具的刀盘(13.2)的所述第一工具心轴(13.1)，所述加工臂(11)在第二侧上具有用来接纳用作为齿轮切削工具的端铣刀具(14.2)的第二工具心轴(14.1)，
-所述加工臂(11)具有设计用于较大转矩的低速第一驱动器(M1)以及设计用于较小转矩的高速第二驱动器(M2)，所述第一工具心轴(13.1)由所述第一驱动器(M1)驱动，而所述第二工具心轴(14.1)由所述第二驱动器(M2)驱动，
其中，控制所述加工臂(11)的所述CNC控制器配置成：
-通过命令所述加工臂(11)围绕所述枢轴轴线(A1)枢转，使带有所述端铣刀具(14.2)的所述第二工具心轴(14.1)朝向所述锥齿轮坯(K1)，然后命令所述第二驱动器(M2)高速转动以使用所述端铣刀具(14.2)切削出预定数量的齿隙，从而在所述锥齿轮坯(K1)上的近似位置以近似尺寸预加工出所述预定数量的齿隙，
-通过命令所述加工臂(11)围绕所述枢轴轴线(A1)枢转，使带有所述抛光工具(13.2)的所述第一工具心轴(13.1)朝向所述锥齿轮坯(K1)，然后命令所述第一驱动器(M1)低速转动，同时命令所述加工臂(11)运动以使所述抛光工具(13.2)与所述锥齿轮坯(K1)接合而用所述抛光工具(13.2)抛光所述预定数量的齿隙，从而后加工所述预定数量的齿隙。
2.如权利要求1所述的装置(10)，其特征在于，所述用作为锥齿轮抛光工具的刀盘(13.2)包括多个刀具(13.3)，所述多个刀具轴向地定向于所述刀盘(13.2)。
3.如权利要求1或2所述的装置(10)，其特征在于，所述端铣刀具(14.2)在轴向平面内具有锥形或梯形的横截面。
4.如权利要求3所述的装置(10)，其特征在于，所述端铣刀具(14.2)是硬质金属刀具。
5.如权利要求1所述的装置(10)，其特征在于，所述端铣刀具(14.2)具有一个或多个切割刃(14.3)。
6.如权利要求1或2所述的装置(10)，其特征在于，所述端铣刀具(14.2)具有比所述用作为锥齿轮抛光工具的刀盘(13.2)小的直径。
7.如权利要求1或2所述的装置(10)，其特征在于，所述锥齿轮坯(K1)被接纳在水平位置中并安装成可被所述座(12)转动，而所述加工臂(11)在锥齿轮坯(K1)上方安置于所述装置上。
8.如权利要求1或2所述的装置(10)，其特征在于，所述装置包括工件轴线(A2)和工件驱动器(M3)，在加工和/或中间的步骤中围绕所述工件轴线(A2)转动所述锥齿轮坯(K1)。
9.如权利要求1或2所述的装置(10)，其特征在于，所述加工臂(11)的所述第一侧和所述第二侧彼此在直径方向上相对，所述第一工具心轴(13.1)具有第一心轴轴线(S1)，而所述第二工具心轴(14.1)具有第二心轴轴线(S2)，它们彼此平行。
10.如权利要求1或2所述的装置(10)，其特征在于，所述装置(10)具有总共6个轴线。
11.如上述权利要求中任一项所述的装置的一种应用，用来加工大模数的锥齿轮。
12.如权利要求11所述的应用，其特征在于，其用来加工螺旋形齿的锥齿轮。
13.如权利要求11或12所述的应用，其特征在于，所述加工采用干式方法进行，即，不用润滑剂或冷却剂。
14.如权利要求11或12所述的应用，其特征在于，在所述后加工工艺过程开始之前，在所述预加工过程中，使用所述端铣刀具(14.2)在所述锥齿轮坯(K1)上铣掉待制造齿隙区域内的50％和95％之间的材料。
15.一种软加工锥齿轮的方法，具有如下步骤：
-将待加工的锥齿轮坯(K1)水平地引入到装置(10)内，
-通过执行锥齿轮坯(K1)和所述装置(10)的加工臂(11)之间的相对运动，馈送用作为预齿轮切削工具的端铣刀具(14.2)，所述加工臂(11)在第一侧上具有第一工具心轴(13.1)，在第二侧上具有第二工具心轴(14.1)，所述第一工具心轴用来接纳用作为锥齿轮抛光工具的刀盘(13.2)，所述第二工具心轴用来接纳用作为预齿轮切削工具的所述端铣刀具(14.2)，
-通过将所述端铣刀具(14.2)置于快速转动，并在产生的运动中将其切入到锥齿轮坯(K1)，以在近似位置内在锥齿轮坯(K1)上切削出预定数量的齿隙，并使其具有近似的尺寸，来使用所述端铣刀具(14.2)预加工锥齿轮坯(K1)，
-枢转所述加工臂(11)，并执行相对的馈送运动以使所述刀盘(13.2)进入到开始位置，
-使用所述刀盘(13.2)来后加工锥齿轮坯(K1)，所述刀盘(13.2)置于慢速转动，并通过滚动运动加工锥齿轮坯(K1)。
16.如权利要求15所述的方法，其特征在于，在将锥齿轮坯(K1)引入到所述装置(10)内之前，锥齿轮坯(K1)精确地夹紧或预定位在一单独的装置内。
17.如权利要求15或16所述的方法，其特征在于，如果已磨损或必须用另一个替换，则脱开并移去所述端铣刀具(14.2)。
18.如权利要求15或16所述的方法，其特征在于，如果已磨损或必须用另一个替换，则脱开并移去所述端铣刀具(14.2)，这是在所述刀盘(13.2)使用的同时执行。
19.如权利要求15或16所述的方法，其特征在于，在使用所述端铣刀具(14.2)来预加工锥齿轮坯(K1)的过程中，或者锥齿轮坯(K1)围绕轴线(A2)转动，或者锥齿轮坯(K1)在加工的瞬间静止。
20.如权利要求15或16所述的方法，其特征在于，在使用所述刀盘(13.2)来后加工锥齿轮坯(K1)的过程中，锥齿轮坯(K1)围绕轴线(A2)转动，并由此产生滚动运动。
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