CN102596497A - 刀具磨削机 - Google Patents

Abstract

一种用于铲齿磨削单头和多头带螺纹的滚刀(46)的多轴计算机控制的机床。机器包括成角度定向的主轴(65)，该主轴能成角度(回转)地定位，由此提供利用杯状磨削轮(55)和铅笔状磨削轮(52)来磨削滚刀和铣刀铲齿几何形状的灵活度，而不更换磨削主轴组件或更改机器构造来适应两种类型的磨削方法或利用附加的机器轴线来使主轴重新定向。

Description

刀具磨削机

技术领域

本发明涉及诸如刀具磨削机的机床，并特别涉及用于磨削转动切削刀具的铲齿齿廓的多轴、高精度、计算机控制机床。

背景技术

在磨削诸如模数大于8的滚齿刀、蜗轮滚刀、常法向基节滚刀以及铣刀之类的切削刀具的齿廓时，使用多个磨削轮来完成齿侧和齿顶特征上的整个齿廓。当模数从8增加到约16时，可根据期望的成品齿的再刃磨寿命和齿廓根部处的齿隙宽度来使用不同的磨削方法。齿的再刃磨寿命或凸轮铲齿齿面的长度可使用具有与长度相比直径相对较小的铅笔状圆锥形磨削轮来最大化。当沿滚刀螺纹的齿螺旋线或在铣刀的情况下沿分度位置来径向凸轮磨削铲齿时，齿面的铲齿长度取决于磨削轮与下一个相邻齿的干涉点。

根据齿隙的几何形状，必须考虑对于磨削的实际表面速度限制和铅笔状轮的梢端的弯曲/剪切强度减弱。当接近铅笔状轮磨削的实际应用限值时，可采用利用与宽度相比直径相对更大的杯状磨削轮的不同磨削工艺。克服磨削的表面速度和轮的磨削齿的齿根部的部分的强度。然而，杯状磨削轮的缺点在于它们较大的直径使凸轮铲齿齿面的长度限制到之前所述的干涉点。当模数增加到超过16并高达50时，杯状轮的使用由于轮与相邻齿的所述干涉而受到限制。在大多数情况下，对于模数大于16的滚刀必须使用铅笔状圆锥形磨削轮，以提供对于再刃磨寿命来说足够的齿铲齿长度。

目前刀具制造实践使用由多个磨削轮及轮形状产生的各轮廓的混合来分别以多个(例如，多达五个)装置磨削齿侧、齿顶半径和齿顶外直径。借助于CNC机器运动技术和转动精修/磨光装置，可以使上述铅笔状或杯状磨削轮的外廓包含多个特征，例如齿底部半径/突起、齿压力角侧面、齿顶部半径和齿顶部外直径。在所述示例中，精磨工艺可以减少到混合仅两个铅笔状或杯状磨削轮的轮廓。使用诸如具有声触感测技术的Renishaw(雷尼绍)3-D的探测器对轮廓的探测有助于磨削轮与左侧和右侧齿基准点的相对定位以及轮廓的混合以实现所要求的齿廓和齿厚。

由于以上原因，许多刀具制造设备采用专用于铅笔状轮或杯状轮的多个磨削机。一些设备包括允许更换主轴组件和驱动机构的机床设计，以适应铅笔状轮或杯状轮的物理定向。而大多数则需要使用具有仅能针对铅笔状轮或杯状轮磨削的物理定向的专用机器。如果不是所有也是在大多数情况下，机床上的凸轮铲齿运动利用一根轴线来提供凸轮铲齿的径向运动，这限制了机器的灵活度。

发明内容

本发明涉及一种具有成角度定向的主轴的机床，该主轴能成角度地定位(回转)由此提供利用杯状和铅笔状磨削轮来磨削滚刀和铣刀铲齿几何形状的灵活度，而不更换磨削主轴组件或更改机器构造来适应两种类型的磨削方法或利用附加的机器轴线来使主轴重新定向。

附图说明

图1(a)、1(b)和1(c)示出杯状磨削轮与通用模数的滚刀齿廓的导程设定角度关系。

图2(a)、2(b)和2(c)示出铅笔状磨削轮与通用模数的滚刀齿廓的导程设定角度关系。

图3示出相对于沿渐开线螺旋面从滚刀的正面轮廓到背面轮廓的径向凸轮铲齿运动(radial cam relieving motion)的设计平面。

图4示出从常基节滚刀齿廓的正面到背面的压力角的变化。

图5示出对于机器主要部件、滚刀工件和为使用铅笔状磨削轮而定向的磨削轮主轴组件的凸轮铲齿关系和方向。

图6示出对于机器主要部件、滚刀工件和为使用杯状磨削轮而定向的磨削轮主轴组件的凸轮铲齿的关系和方向。

图7是处于其在机器中的操作位置的、本发明的磨削主轴组件的放大图。

图8是附连于机器基座、用于在磨削主轴安装接口与储存工位之间更换磨削轮组和冷却剂歧管的自动轮更换单元的放大图。

具体实施方式

在对本发明的任何特征和至少一种构造进行详细说明之前，应理解的是，本发明并不局限于将其应用至下面说明书所述或附图中所示的构造细节和部件布置。本发明能够呈其它构造，并能够以各种方式来实践或实施。还有，应理解的是，这里所用的措词和术语是为了说明的目的，而不应被认作为是限制性的。

在此使用“包括”、“具有”和“包含”及其变型意味着包含了下文所列的物品及其等效物以及附加的物件。使用字母来识别方法或过程的元素仅仅为了识别，并不意味着指示各元素应以特定次序来进行。

尽管下文在描述附图时可参照诸如上、下、向上、向下、向后、底部、顶部、前、后等的方向，但出于方便可相对于附图(如通常所示)来进行参照。这些方向并不意在按文字上来取或以任何形式来限制本发明。此外，诸如“第一”、“第二”、“第三”等的术语在此用于描述的目的，而并不意在指示或暗示重要性或意义。

图1(a)、1(b)和1(c)示出在针对杯状磨削轮1的坐标系中磨削轮的角度关系，该磨削轮1沿单头或多头的螺纹路径4沿连续系列滚刀齿3中的一个的渐开线螺旋面2与由螺纹渐开线螺旋面2和直槽或螺旋槽6相交所形成的切削面处的正面轮廓5接触以及与长度由磨削轮1与相邻的滚刀齿9沿渐开线螺旋面2的干涉点8所限制的齿位置的刃磨限程终点附近的铲齿背面轮廓7接触。在图1(a)、1(b)和1(c)中定义的关系是磨削主轴组件的固定角HA(角10)、磨削轮压力角PA(角度11)以及滚刀齿的轴向压力角APA(角12)、渐开线螺旋面13从正面看的导程角LAS1和LAS2以及磨削架组件从正面看的回转设定角设定14以及相对于坐标系的铲齿方向15。

图2(a)、2(b)和2(c)示出针对铅笔状或圆锥形磨削轮16的坐标系中磨削轮的角度关系，该磨削轮16沿沿单头或多头螺纹路径19沿连续系列滚刀齿18中的一个的渐开线螺旋面17与由螺纹渐开线螺旋面17和直槽或螺旋槽21相交形成的切削面处的正面轮廓20接触以及与长度由磨削轮1与相邻滚刀齿24沿渐开线螺旋面17的干涉点23所限制的齿位置的刃磨限程终点附近的铲齿背面轮廓22接触。在图2(a)、2(b)和2(c)中定义的关系是磨削主轴组件的固定角25、在磨削轮上精修/磨光的压力角PA与滚刀齿的轴向压力角APA(角27)之差角B(角26)、渐开线螺旋面28从正面看的导程角LAS1和LAS2以及磨削架组件从正面看的回转设定角设定29以及相对于坐标系的铲齿方向30。

图3定义用于优化磨削轮几何形状以采用或不采用渐开线修正来减小与理论齿廓的偏差和滚刀齿磨削轮对齿压力角共轭接触点的固有误差的设计平面。设计平面限定在正面31、凸轮铲齿的中点32和背面33部段处。还示出有关的名义滚刀外半径34、名义滚刀中点半径35和刃磨限程终点的名义滚刀半径36。

图4示出由常规机床制造方法生产的渐开线轮廓的滚刀齿的特征误差。理论上，每次滚刀从正面刃磨到背面都产生不同的新滚刀。刃磨过的滚刀仅将齿轮切削成与新滚刀近似的形状。此外，滚刀背面刃磨得越多，误差越严重。图4示出滚刀齿渐开线螺旋面轮廓的两个轴向部段，为了说明而未作渐开线修正，这些部段表示新滚刀的理论上正确的正面位置37和沿齿渐开线螺旋面在刃磨限程终点附近的刃磨过的背面位置38。当本身具有固定几何轮廓的磨削轮或成形刀具在通过机器铲齿运动沿固定路径来驱动时试图在部段37和38处与此螺旋面接触时，出现固有误差39(误差A和误差B)。

从“Buckingham，Earl的正齿轮，纽约的麦格劳-希尔公司(McGraw-HillBook Co.Inc)，1928”中已知上述固有误差问题的识别和解决的努力，该文献讨论的是利用渐开线螺旋面的特定特征来铲齿滚刀齿面。借助于公开的方法，铲齿表面与磨削轮之间的接触将是渐开线螺旋面的直线母线，而铲齿表面本身将是渐开线螺旋面。然而，该方法不对诸如半修顶突起之类的修正、渐开线修正和凸起修缘进行规定。对于精密节距滚刀，固有误差是可忽略的，而对于低质量的粗糙节距滚刀，误差的幅度是不重要的。对于精确的滚刀，固有误差位点可用如下等式来识别：

当Q因数大于20时，它标记具有直线轴向轮廓的滚刀将切削为了所有实际目的而具有准确渐开线轮廓的齿轮的近似区域。当Q因数减小时，滚刀齿轴向轮廓变得更弯曲且固有误差的可能性增大。

对具有修正过的齿渐开线螺旋面的磨削轮接触斑迹、设定角度和磨削轮偏移的计算机分析能优化磨削工艺以减小但不能消除固有误差。在铲齿过程中改变压力角关系的校正机器运动能使固有误差最小化到可接受的水平以提供更精确、寿命更长的滚刀。本发明的磨削轮架组件40(图6)能提供与铲齿运动同步的磨削轮摆动运动以使固有误差最小化。

本发明的磨削机的CNC控制器(诸如Fanuc 160iB计算机控制)能操作以在磨削架组件围绕水平平面定位以使用杯状轮来磨削时提供从沿水平平面运动的单轴线的径向或偏移径向凸轮铲齿运动(offset radial cam relievingmotion)，或者在磨削架组件围绕垂直平面定位以使用铅笔状轮来磨削时使用多轴线以围绕垂直平面的复合角来提供凸轮铲齿运动。此外，磨削架组件能向磨削轮赋予叠加到径向或偏移径向凸轮铲齿运动上的摆动运动，该摆动运动起到改变磨削轮相对于滚刀齿廓的压力角回转定向的作用，由此相对于铲齿齿廓的正面和中点减小滚刀齿的背面处的齿压力角。这种运动可以制造常法向基节滚刀，而这种滚刀不能通过在本发明之前的现有滚刀磨削来生产。

图5示出本发明的机器，该机器具有工作台41、直接电动机驱动的主轴箱42、活顶尖尾座43、用于辅助装载心轴组件的中心架44、工件保持心轴45(图6)、滚刀工件46、直线电动机驱动的驱动纵向轴向滑动组件47、直线电动机驱动的垂直滑动组件48、直线电动机驱动的水平径向进给滑动组件49、为铅笔轮磨削而定向的磨削主轴回转组件50、带有主轴65的倾斜(较佳地为25度)磨削主轴外壳51以及具有主轴安装适配件66的铅笔磨削轮52。向量53示出相对复合角的径向铲齿运动(即，凸轮铲齿运动)。用于产生滚刀螺纹导程的纵向轴向滑动件47和主轴箱42、结合以产生凸轮铲齿运动53的垂直滑动组件48和水平滑动组件49以及叠加到凸轮铲齿运动53上的磨削轮回转组件50的可选摆动需要五轴同步，以使固有压力角轮廓误差最小化。

图6示出机器工作台41、直接电动机驱动的主轴箱42、活顶尖尾座43、用于辅助装载芯轴组件的中心架44、工件保持心轴45、滚刀工件46、直线电动机驱动的驱动纵向轴向滑动组件47、直线电动机驱动的垂直滑动组件48、直线电动机驱动的水平径向进给滑动组件49、为杯状轮磨削而定向的磨削主轴回转组件50、带有主轴65的倾斜(较佳地为25度)磨削主轴外壳51以及具有主轴安装适配件66的杯状磨削轮55。向量56示出相对复合角的径向铲齿运动(即，凸轮铲齿运动)。为了产生使用于产生滚刀螺纹导程的纵向轴向滑动件47和主轴箱42、用于产生凸轮铲齿运动56的水平滑动组件49需要三轴同步来形成凸轮螺纹铲齿定位。在杯状轮磨削时的凸轮铲齿过程中，磨削轮回转组件50的偏移设定角和垂直轴线48高度保持在固定位置。

为垂直运动而安装的磨削轮架组件40较佳地包括可变速高频磨削主轴并能经过至少正或负120度的垂直平面弧度自动摆动到期望的设定复合角，该复合角取决于磨削轮的轮廓、刀具的螺纹导程和磨削主轴的定向。磨削主轴外壳51相对于磨削轮架40的垂直回转平面定向，并定向在相对于垂直平面较佳为25度的固定角位置，此时磨削轮位置更接近于工件，而主轴65的直接驱动电动机远离工件。

当使用杯状磨削轮55(图6)时，磨削主轴65的较佳为25度的定向提供磨削主轴电动机外壳51和工件外直径之间的附加间隙，而磨削轮架40定位成相对于水平平面大致正或负30度，并且使用与转动和纵向运动结合的快速水平运动进行铲齿磨削。较佳定向成25度的磨削主轴还可便于铅笔状磨削轮52(图5)，其中磨削轮架40定位成大致相对于垂直平面正或负40度或者左右，从而导致使用与转动和纵向运动结合的快速水平和垂直运动来进行铲齿磨削。除了所述运动之外，磨削架组件可在铲齿运动过程中从设定角位置摆动大致正或负3％度，以生产粗糙模数法向基面节距滚刀，该滚刀将在背面及正面铲齿滚刀齿侧处具有校正的齿廓压力角。尽管磨削主轴较佳地定向为固定的25度，但本发明不限于此。其它角度定位是可设想的并在本发明的范围内。

图7示出附加的机器构造，该构造包括磨削轮更换箱57、包括倾斜磨削主轴51的磨削轮回转组件50、用于设定和检测功能的探测器58(例如，Renishaw 3D)以及安装于工作台的转动磨光(轮精修)组件59。滚刀的自动磨削和多个轮轮廓的混合较佳地包括安装于主轴适配件上的磨削轮组的循环更换、通过使用探测器58来确定相对于齿隙的对应齿侧上节距点的粗略磨削轮位置、使用声触感测技术来证实磨削轮轮廓与滚刀现有齿廓的接触位置、使用带有声触感测技术的机器轴来形成外廓以借助于安装于工作台的磨光机59根据许多磨削轮技术(包括像CBN的超级研磨剂)来产生磨削轮轮廓、用探测系统58测量磨削好的轮廓以进行混合与误差校正，以及对轮廓的误差校正进行自动分析和反馈。

图8示出具有安装于转动圆盘传送器61上的多个工位的自动轮更换机60，该圆盘传送器61储存组装到磨削主轴适配件(统称为62)的轮组和相关联的冷却剂歧管63。可编程的滑动组件64便于在磨削主轴51和圆盘传送器61上的多个工位之间同时更换轮组62和冷却剂歧管63。自动轮和冷却剂歧管更换装置60(位于机箱57内)附连于机床以便于完成滚刀或铣刀的自动磨削。自动轮更换装置可容纳有带有相关联的冷却剂歧管的安装于主轴适配件上的许多磨削轮并在装置和磨削主轴之间自动更换带有冷却剂歧管的磨削轮组，由此自动提供为完成整个滚刀或铣刀齿廓所需的许多轮。轮更换装置内的工位的标准数目较佳为8，但料斗储存装置可连接到轮更换机以增加带有可用的或仅由于空间限制所限定的冷却剂歧管的可用轮组的数目。包含探测系统(例如，Renishaw 3D)以向多个磨削轮提供齿隙设立定位以及具有用于精修/磨光的自动轮廓路径校正反馈的磨削后检查。还可设想根据当前AGMA和DIN国际上所接受的滚刀和铣刀标准的磨削轮廓质量的测量和报告。

本发明的机床能够磨削较佳为大于200毫米外直径且模数在约8到约50的范围内的单头和多头滚刀，且滚刀具有由多个直槽或螺旋槽(齿缝)来限定的齿切削面。机床还可铲齿磨削较佳为大于200毫米的较大铣刀，其中齿切削面和齿的轴向变位由多个直线或螺旋槽来限定。机床较佳地包含可编程的快速响应直接和直线电动机驱动轴，其具有以转动、垂直、水平、纵向和磨削架回转运动的限定组合方式的精薄玻璃级(precision glass scale)位置反馈，以铲齿磨削滚刀或铣刀的每个齿廓。还可磨削锥形的或有外廓的外直径滚刀和铣刀。为了磨削每个齿隙可能需要多个磨削轮来完成左和右齿侧、齿顶半径和齿顶直径。

尽管参照较佳实施例对本发明进行了描述，但应当理解，本发明并不限于其特定形式。本发明旨在包括对本发明所属领域的技术人员显而易见的各种改型，而不偏离所附权利要求书的精神和范围。

Claims (15)

1.一种用于磨削转动切削刀具的机器，所述机器包括：

工作台，

用于使工件绕工件轴线转动的工件主轴；

用于使刀具绕刀具轴线转动的刀具主轴；

具有朝向所述工件主轴的第一侧的垂直组件；

所述刀具主轴位于所述第一侧上并能沿所述垂直组件的所述第一侧垂直运动，所述刀具主轴能绕大致垂直于所述第一侧的回转轴线回转；

所述刀具主轴以一预定的倾斜角相对于所述第一侧成角度地定向。

2.如权利要求1所述的机器，其特征在于，所述垂直组件位于所述工作台上并能沿所述工作台的纵向和所述工作台的宽度方向中的至少一个方向运动。

3.如权利要求1所述的机器，其特征在于，所述倾斜角是25度。

4.如权利要求1所述的机器，其特征在于，所述刀具包括铅笔状磨削轮。

5.如权利要求1所述的机器，其特征在于，所述刀具包括杯状磨削轮。

6.如权利要求1所述的机器，其特征在于，所述刀具主轴位于回转组件内，而探测器定位在所述回转组件上。

7.如权利要求1所述的机器，其特征在于，还包括自动换刀装置，所述自动换刀装置包括多个刀具储存工位。

8.如权利要求1所述的机器，其特征在于，能操作成提供所述刀具相对于所述工件的径向凸轮运动和偏移径向凸轮运动中的至少一种运动。

9.如权利要求8所述的机器，其特征在于，能操作成附加地赋予所述刀具的、叠加到径向凸轮运动和偏移径向凸轮运动中的所述至少一个运动上的摆动运动。

10.如权利要求1所述的机器，其特征在于，所述工件包括单头滚刀、多头滚刀或铣刀。

11.一种用磨削机上的磨削轮来磨削转动切削刀具的方法，所述方法包括：

使所述转动切削刀具绕工件轴线转动；

使所述磨削轮绕刀具轴线转动；

提供所述转动切削刀具与所述磨削轮之间沿多达三个互相垂直的方向的相对运动；

使所述磨削轮绕回转轴线回转，所述回转轴线垂直于所述磨削机上的垂直组件的垂直定向的第一侧，所述第一侧朝向所述转动切削刀具，所述磨削轮以一预定的倾斜角相对于所述第一侧倾斜定向；

使所述磨削轮和所述转动切削刀具彼此配合，并使所述磨削轮和所述转动切削刀具相对于彼此运动，以实现径向凸轮运动和偏移径向凸轮运动中的至少一个运动。

12.如权利要求11所述的方法，其特征在于，还包括使所述磨削轮摆动，并将摆动叠加到所述径向凸轮运动和偏移径向凸轮运动中的至少一个运动上。

13.如权利要求11所述的方法，其特征在于，所述倾斜角是25度。

14.如权利要求11所述的方法，其特征在于，所述磨削轮包括铅笔状磨削轮或杯状磨削轮中的一个磨削轮。

15.如权利要求11所述的方法，其特征在于，所述工件包括单头滚刀、多头滚刀或铣刀。

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