CN102947037A - 齿轮的研磨加工方法以及加工装置 - Google Patents

Abstract

一种齿轮的研磨加工方法，使用能够向旋转进给轴方向分度的机床10对具有曲面形状的齿面S的齿轮W进行研磨，包括：设定步骤，基于被研磨加工的齿轮W的形状数据，在齿面上设定加工点P；演算步骤，演算在设定步骤中设定的加工点P处的、沿相对于齿面S垂直的方向延伸的法线矢量vτ，并且演算安装在机床10上的砂轮14a的旋转轴变为与法线矢量vτ平行那样的分度数据θA、θC；和控制步骤，基于在演算步骤中演算出的分度数据θA、θC来控制机床10，对齿轮W进行研磨加工。

Description

齿轮的研磨加工方法以及加工装置

技术领域

本发明涉及对渐开线齿轮等的齿面进行研磨的齿轮的研磨加工方法以及加工装置。

背景技术

以往，在通过安装在数控机床上的砂轮（磨具）的旋转对齿轮进行研磨加工的情况下，为了避免砂轮的磨损集中于砂轮的外周部，而随着沿齿面的加工点的移动、使砂轮的旋转轴相对于齿轮直线移动，使从砂轮的旋转轴向下到齿轮的中心的垂足的长度变化的研磨方法已为公众所知（例如参照专利文献1）。

但是，一般来说，齿轮的齿面形成为曲面形状，因此，在如上述专利文献1中记载的那样使砂轮的旋转轴相对于齿轮直线移动的结构中，砂轮相对于加工点处的齿面的接触方向不一致，不能形成理想的齿形。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：特开平8-252721号公报

发明内容

本发明为使用能够在旋转进给轴方向分度的机床、对具有曲面形状的齿面的齿轮进行研磨的齿轮的研磨加工方法，包括：设定步骤，基于被研磨加工的齿轮的形状数据，在齿面上设定加工点；演算步骤，演算在设定步骤中设定的加工点处的、沿相对于齿面垂直的方向延伸的法线矢量，并且演算安装在机床上的砂轮的旋转轴变为与法线矢量平行那样的分度数据；和控制步骤，基于在演算步骤中演算出的分度数据控制机床、对齿轮进行研磨加工。

另外，本发明为通过砂轮对具有曲面形状的齿面的齿轮进行研磨的加工装置，具备：机床、设定单元、演算单元和机械控制单元，所述机床具有相对于齿轮使砂轮沿直线进给轴方向以及旋转进给轴方向相对移动的所述移动单元和旋转驱动砂轮的驱动单元；所述设定单元，基于被研磨加工的齿轮的形状数据，在齿面上设定加工点；所述演算单元，演算由设定单元设定的加工点处的、沿相对于齿面垂直的方向延伸的法线矢量，并且演算砂轮的旋转轴变为与法线矢量平行那样的分度数据；所述机械控制单元，基于由演算单元演算出的分度数据来控制机床。

附图说明

图1是表示本发明的实施方式涉及的加工装置的结构的框图。

图2是表示图1的数控机床的概略结构的侧视图。

图3是表示处于研磨加工状态的工件与工具的一例子的图。

图4是图3的要部放大图。

图5是表示本发明的实施方式涉及的研磨加工装置的研磨步骤的示意的图。

图6A、图6B、图6C是分别表示预定的加工点处的工具的姿势与主轴的位置的图。

图7是加工点的设定位置的一例的工件的要部放大图。

图8是表示加工点处的切线矢量和法线矢量的一例的图。

图9是在机械坐标系中示出分度前的加工点的图。

图10是示出分度后的加工点的图。

图11是说明用于算出主轴位置的校正量的算出方法的图。

图12是表示分度后的加工点与主轴的基准点的位置关系的图。

具体实施方式

以下，参照图1~图12，对本发明的加工装置的实施方式进行说明。图1是表示本发明的实施方式涉及的加工装置的结构的框图。该加工装置具备：研磨加工齿轮的机床10；输入用于齿轮的研磨加工的各种信息的输入装置20；和基于来自输入装置20的信号来控制机床10的控制装置30。控制装置30具有：设定齿轮的加工点的设定部31；演算加工点的分度数据和与分度后的加工点相对应的主轴的位置数据的演算部32；和基于由演算部32演算出的分度数据和主轴的位置数据来控制机床10的机械控制部33。

机床10，使用例如五轴立式加工中心。图2是表示机床10的概略结构的侧视图。在床身11上竖立设置立柱12，在立柱12，将主轴头13能够经由直线进给机构沿上下方向（Z轴方向）和水平方向（Y轴方向）移动地支撑。在主轴头13，经由主轴朝下地安装研磨用工具14，工具14由主轴头13内的主轴马达旋转驱动。在床身11上，将工作台底座15能够经由直线进给机构沿水平方向（X方向）移动地支撑。直线进给机构，例如由滚珠丝杆15和旋转驱动滚珠丝杆的伺服马达构成。

在工作台底座15，能够经由旋转进给机构以X轴方向的旋转轴Lx为中心绕A轴方向摆动地安装有倾斜工作台16。在倾斜工作台16，能够经由旋转进给机构以Z轴方向的旋转轴Lz为中心绕C轴方向旋转地安装有旋转工作台17，在旋转工作台17上固定有工件W。旋转进给机构，例如由直接驱动马达和/或伺服马达构成。另外，图2表示倾斜工作台16的A轴方向的角度θA为0度并且旋转工作台17的C轴方向的角度θC为0度的基准状态。

图3表示处于研磨加工状态的工件W和工具14的一例子的图。图4是图3的要部放大图。在本实施方式中，使用具有凸曲面状的齿面S的伞齿轮作为工件W。该伞齿轮为淬火加工后的伞齿轮，在齿面S留有用于进行精加工的预定量的研磨余量。工件W，呈以工件旋转轴Lw为中心的大致对称形状，使工作旋转轴Lw与图2的工作台旋转轴Lz一致，工件W被安装在旋转工作台17。

工具14，为以主轴的旋转轴线L0为中心旋转的大致圆板形状的砂轮，在砂轮的下面周缘部设置有大致环状的砂轮14a，砂轮14a的底面（砥面14b）被延伸设置在与主轴的旋转轴线L0正交的XY平面内。根据以上的机床10的结构，工具14与工件W能够沿正交的3轴方向（X、Y、Z方向）相对移动，并且能够绕相互正交的2个轴心（A、C方向）相对转动。因此，能够相对于工作W的齿面S，将砂轮14a的砥面14b3维地按任意的角度倾斜，以对工作W进行研磨加工。

图5是表示本发明的实施方式涉及的研磨加工装置的研磨步骤的示意的图。图中，L1为在加工点P沿相对于齿面垂直的方向延伸的法线。在本实施方式中，调整旋转进给轴（A轴、C轴）的分度角度θA、θC，以使主轴的旋转轴线L0相对于法线L1变为平行。进而，调整正交3轴方向的进给量，以使主轴的旋转轴线L0与齿轮的从齿根部到齿顶部的齿形曲线（后述的渐开线曲线）的切线相交。

图6是表示随着沿齿面S的加工点P的移动、主轴的旋转轴线L0相对于工件W的姿势变化的图。另外，图中，使主轴的旋转轴线L0的倾斜度变化，实际上主轴的旋转轴线L0的倾斜度不变，工作W的倾斜度变化。如图6A~图6C所示那样，随着加工点P从齿根侧向齿顶侧移动，加工点P处的法线L1的倾斜度变化。随着该法线L1的倾斜度的变化，如图示那样使主轴的旋转轴L0相对于工件W的相对姿势变化。

工件W为例如以渐开线曲线形成齿形的渐开线齿轮。在图1的输入装置20，输入渐开线曲线的设定所必要的工件W的形状数据和/或工具14的形状数据、机床10的加工开始指令等。例如，输入：伞齿轮的模数、节圆直径、基圆直径以及节圆锥角、砂轮14a的半径、砥面14b的径向的宽度、还有表示工件坐标系中的工件原点O1与机械坐标系中的加工原点O2的位置关系的数据、表示从主轴的工具安装部到砥面14b的Z方向的距离的数据等。

工件原点O1被设定为伞齿轮的节圆锥角的起点，以工件原点O1为基准，沿X轴、Y轴、Z轴方向定义工件坐标系。另外，加工原点O2被设定在旋转工作台17的旋转轴Lz上，以加工原点O2为基准，沿X轴、Y轴、Z轴方向定义机械坐标系。因此，工件原点O1位于机械坐标系的Z轴上（参照图9），在输入装置20，输入两者之间的距离H作为表示工件原点O1与加工原点O2的位置关系的数据。

图1的设定部31，基于来自输入装置20的信号，沿工件W的齿面S设定多个加工点P。加工点P，被设定为以工件原点O1为基准的工件坐标系中的三维坐标（Xa、Ya、Za）。图7是表示加工点P的设定位置的一例的工件W的要部扩大图。加工点P（P1~P5），如图示那样沿齿向确定多条渐开线曲线Ci（虚线）之后，沿各渐开线曲线Ci设定N点（图中为5点）。

另外，加工点数N，既可以用户手动设定，也可以在设定部1自动设定。自动设定的情况下，可以使用例如图11所示的渐开线曲线Ci的开始点Pa以及终止点Pb处的切线相对于渐开线曲线Ci的角度φa以及φb，和成为加工点设定的基准的角度变化量Δφ，通过下式（I）演算N。

N=（φb-φa）/Δφ             （I）

演算部32，演算机械坐标系中的分度后的加工点数据。在这种情况下，首先，如图8所示，分别演算：在各加工点P处与渐开线曲线Ci相切、并且朝向与工件W的旋转中心相反侧的单位矢量（切线矢量）uτ；和在各加工点P处从齿部的内侧向沿相对齿面S垂直的方向延伸的单位矢量（法线矢量）vτ。

在此，将切线矢量uτ的X、Y、Z分量分别设为（Xu、Yu、Zu），将法线矢量vτ的X、Y、Z分量分别设为（Xv、Yv、Zv）。此时，这些矢量分量Xu、Yu、Zu、Xv、Yv、Zv，能够使用伞齿轮的节圆锥角、切线相对于渐开线曲线Ci的角度φ、切线相对于齿线的凸面（crowning）的角度，分别算出。

接着，分别算出法线矢量vτ变为与主轴的旋转轴线L0（Z轴方向）平行那样的A轴和C轴的分度角度θA、θC（分度数据）。分度角度θA、θC，能够使用法线矢量vτ的分量（Xv、Yv、Zv），通过例如下式（II）、（III）演算。

θA＝tan^-1{Zv/(Xv²+Yv²)^1/2}-π/2               （II）

θC＝-tan^-1(Xv/Yv)                             （III）

A轴以及C轴分度后，主轴的旋转轴线L0与法线矢量vτ变为平行，切线矢量uτ存在于机械坐标系的XY平面上。此时，若将分度后的切线矢量uτ与X轴所成的角度设为θR，则角度θR，能够使用切线矢量uτ的Z分量（Zu）与分度角度θA，通过例如下式（IV）算出。

θR＝sin^-1(Zu/sinθA)                          （IV）

进而，基于分度前的加工点P在工件坐标系中的位置坐标（Xa、Ya、Za）、和A轴、C轴的分度角度θA、θC，演算加工点P在分度后的机械坐标系中的位置坐标。图9是在机械坐标系中示出分度前的加工点P的图。若将工件原点O1与加工原点O之间的距离设为H，则分度前的加工点P在机械坐标系中的位置坐标（X0、Y0、Z0）能够用下式（V）表示。

（X0、Y0、Z0）=（Xa、Ya、H-Za）        （V）

按上式（II）（III）的分度角度θA、θC分度该加工点P。图10是表示按分度角度θA分度加工点P后的加工点Pm以及对按分度角度θC分度该加工点Pm后的加工点Pn。加工点Pm的位置坐标（Xm、Ym、Zm）以及加工点Pn的位置坐标（Xn、Yn、Zn）能够分别通过下式演算。

Xm＝(X0²+Y0²)^1/2cos{tan^-1(Y0/X0)-θC}

Ym＝(X0²+Y0²)^1/2sin{tan^-1(Y0/X0)-θC}

Zm＝Z0                                        （VI）

Xn＝Xm

Yn＝-(Ym²+Zm²)^1/2cos{tan^-1(Ym/Zm)-θA}

Zn＝(Ym²+Zm²)^1/2sin{tan^-1(Ym/Zm)-θA}         （VII）

如以上那样做，演算部32演算：加工点P在机械坐标系中的分度后的加工点数据、即法线矢量vτ变为与主轴的旋转轴线L0平行那样的分度后的加工点Pn的位置坐标（Xn、Yn、Zn）。

此外，演算部32，演算砂轮14a的砥面14b与分度后的加工点Pn接触那样的主轴的位置。即，砂轮14a位于从工具14的中心轴线（主轴的旋转轴线L0）分离的位置，而算出从主轴的旋转轴线L0到加工点Pn的距离W作为校正量。在这种情况下，算出校正量W，以使砂轮14a与齿面S的接触部位不是集中于砥面14b的径向的一部分，而是在砥面14b的径向整个区域。

图11是用于说明校正量W的算出方法的图。图中，Ta和Tb分别为砂轮14a的最外径的点（加工开始点）和最内径的点（加工终止点），Pa为渐开线曲线Ci的开始点即齿根的点，Pb为渐开线曲线Ci的终止点即齿顶的点。另外，图中，WL相当于砥面14b的径向的长度，WR相当于砂轮的半径，Pw相当于被设定在与砥面14b同一平面上的主轴的旋转轴线L0上的基准点。若使用通过上式（I）算出的沿渐开线曲线Ci的加工点数N，则能够通过下式（VIII）算出加工点P移动1点时的砂轮校正量ΔW。

ΔW＝WL/N                           （VIII）

因此，切线相对于渐开线曲线Ci的角度为φn时的自加工开始点Ta的校正量Wn为下式（IX）。

Wn＝ΔW·(φn-φa)/Δφ             （IX）

演算部32，使用上述（IX）的关系，通过下式（X）演算从主轴的旋转轴线L0起的校正量W。

W＝WR-Wn＝WR-WL·(φn-φa)/(φb-φa)  （X）

使用如以上那样做而求出的校正量W，演算部32演算基准点Pw的位置。图12是表示分度后的加工点Pn与基准点Pw的位置关系的图。将基准点Pw，使用通过上式（IV）算出的切线矢量uτ与X轴构成的角度θR，设定从加工点Pn起在切线矢量uτ的延长线上相距校正量W的位置。能够通过下式（XI），演算此时的主轴的基准点Pw的位置坐标（XL0、YL0、ZL0）。

XL0＝Xn+WcosθR

YL0＝Yn+WsinθR

ZL0＝Zn                               （XI）

控制装置30，基于由演算部32演算出的数据，制成数控程序，并将数控程序存储在存储器中。

机械控制部33，接受来自输入装置20的加工开始指令，执行数控程序，基于由演算部32演算出的加工点P的分度数据（θA、θC）、分度后的加工点Pn的位置数据（Xn、Yn、Zn）、和从该加工点Pn相距校正量W的基准点Pw的位置数据（XL0、YL0、ZL0）来控制机床10。即，将控制信号输出到旋转进给机构的伺服马达而进行加工点P的分度，并且，将控制信号输出到直线进给机构的伺服电机而控制主轴相对于工件W的相对位置。

由此，加工点P处的与齿面S垂直的法线L1跟主轴的旋转轴线L0变为平行，能够使砂轮14a在垂直方向上与齿面S的整个区域接触。因此，在研磨加工时，砂轮14a相对于齿面S的接触方向变为恒定，能够将砂轮14a的接触力保持恒定，能够抑制加工精度的波动。另外，由于砂轮14a在垂直方向上与齿面S接触，因此，能够防止砂轮14a的接触力的分散，能够增大作用于齿面S的接触力。其结果，能够高效率地研磨工件W，能够提高工件W的加工效率。

在研磨加工时，沿渐开线曲线Ci改变加工部位。例如以图7的P1、P2、……的顺序移动加工点。此时，加工点P与主轴的旋转轴线L0之间的校正量W根据加工点P的移动而变化。即，在研磨齿根侧的情况下，校正量W变大，在研磨齿顶侧的情况下，校正量W变小。因此，在研磨齿根侧的情况下，砥面14b的外径侧与齿面S接触，在研磨齿顶侧的情况下，砥面14b的内径侧与齿面S接触。由此，能够将砥面14b的整个区域用于研磨加工，砂轮14a均匀磨损，能够延长砂轮14a的使用寿命。

这样使砂轮14a的接触位置在整个砥面14b的径向变化的情况下，若将主轴的转速设为恒定，则加砂轮14a的直径越大工点P处的砂轮14a的周速越快。也就是，在研磨齿根侧的情况下，砂轮14a的直径大，因此，与研磨齿顶侧的情况相比，砂轮14a的周速变快。为了避免这种情况，优选，机构控制部33控制主轴（主轴马达）的转速，以使加工点P处的砂轮14a的周速变为恒定。具体来说，在加工齿根侧的情况下，与加工齿顶侧的情况相比，降低砂轮14a的转速。由此，能够抑制由砂轮14a的周速的不同导致的加工精度的波动，能够一边使用砥面14b的整个区域一边高精度地研磨加工工件W。

将以上内容归总来说，在本实施方式涉及的齿轮的研磨加工方法中，由控制装置30的设定部31，设定工件坐标系中的工件W的沿齿面的多个加工点P（设定步骤），由演算部32演算这些加工点P处的沿相对于齿面S垂直的方向延伸的法线矢量vτ，并且演算砂轮14a的旋转轴（主轴的旋转轴线L0）变为与法线矢量vτ平行那样的机械坐标系中的分度数据（演算步骤）。进而，演算主轴的位置以使砂轮14a与分度后的加工点Pn接触（演算步骤），由机械控制部33，基于演算出的分度数据与主轴的位置数据来控制机床（控制步骤）。由此，能够使砂轮14a在垂直方向与齿面S接触，使作用于加工点P的砂轮14a的接触力恒定，能够抑制加工精度的波动。

另外，在演算部32，将在分度后的加工点Pn处的切线矢量uτ的延长线上且自加工点Pn相距与砂轮14a的直径相应的校正量W的位置，演算作为主轴的旋转轴线L0的位置，因此，能够防止砂轮14a在加工点P以外与工件W接触，能够随着加工点P的移动，使砂轮14a的接触位置平滑变化。进而，在演算部32，随着加工部位沿工件W的齿形变化，使与砂轮14a的直径相应的校正量W变化，演算主轴的位置数据，因此，能够将砥面14b的整个区域用于研磨加工，能够不浪费地使用砂轮14a。除此之外，通过由机械控制部33控制主轴的转速，以使从加工点P到砥14a的旋转轴L0的距离越大、砂轮14a的转速越慢，由此，能够抑制由砂轮14a的周速的不同导致的加速精度的波动。

另外，在上述实施方式中，使用能够绕A轴方向与C轴方向进给旋转的5轴加工中心作为机床10，但只要能够使砂轮14a相对于工件W沿直线进给轴方向以及旋转进给轴方向相对移动，机床结构为何种结构皆可，例如，也可以使用6轴加工中心和/或、加工中心以外的机床。在控制装置30的设定部31，基于来自输入装置20的信号，在齿面上设定加工点P，但设定单元的结构不限于此，例如，也可以基于通过CAM生成的CL数据（刀具定位数据），设定加工点P。

本发明的研磨加工方法，在演算加工点P处沿相对于齿面S垂直的方向延伸的法线矢量vτ，并且演算分度数据θA、θC以使砂轮14a的旋转轴变为与法线矢量vτ平行、基于该分度数据控制机床方面，具有最大的特点，只要能够实现该特点，作为演算单元的演算部32以及作为机械控制单元的机械控制部33的结构不限于上述的结构。砂轮14a的形状也可以为大致圆板状以外的形状。

以上，对研磨加工伞齿轮的情况进行了说明。但在研磨加工其他的齿轮（例如正齿轮）的情况下，也可以同样地应用本发明的研磨加工方法。

根据本发明，使研磨齿面的砂轮的旋转轴变为与加工点处的法线矢量平行，因此，在加工点处砂轮相对于齿面的接触力变为恒定，能够抑制加工精度的波动。

附图标记说明：

10：机床；14a：砂轮；30：控制装置；31：设定部；32：演算部；33：机械控制部。

Claims (5)

1.一种齿轮的研磨加工方法，使用能够向旋转进给轴方向分度的机床，对具有曲面形状的齿面的齿轮进行研磨，包括：

设定步骤，基于被研磨加工的所述齿轮的形状数据，在所述齿面上设定加工点；

演算步骤，演算在所述设定步骤中设定的加工点处的、沿相对于所述齿面垂直的方向延伸的法线矢量，并且演算安装在所述机床上的砂轮的旋转轴变为与所述法线矢量平行那样的分度数据；和

控制步骤，基于在所述演算步骤中演算出的分度数据来控制所述机床，对所述齿轮进行研磨加工。

2.根据权利要求1所述的齿轮的研磨加工方法，其中，

在所述演算步骤中，还演算所述砂轮的旋转轴的位置数据，所述砂轮的旋转轴与所述加工点处的从所述齿轮的齿根部到齿顶部的齿形曲线的切线相交、并且从所述加工点起向所述齿轮的旋转中心的相反侧相距与所述砂轮的直径相应的距离；

在所述控制步骤中，基于在所述演算步骤中演算出的分度数据与所述砂轮的旋转轴的位置数据来控制所述机床。

3.根据权利要求2所述的齿轮的研磨加工方法，其中，

在所述演算步骤中，演算所述砂轮的旋转轴的位置数据，以使随着所述齿轮的加工部位在齿根部与齿顶部之间变化，使从所述加工点到所述砂轮的旋转轴的距离变化。

4.根据权利要求3所述的齿轮的研磨加工方法，其中，

在所述控制步骤中，控制所述机床，以使从所述加工点到所述砂轮的旋转轴的距离越大，所述砂轮的转速越慢。

5.一种齿轮的研磨加工装置，通过旋转的砂轮研磨具有曲面形状的齿面的齿轮，其中，具备：

机床，其能够使所述砂轮相对于所述齿轮，沿直线进给轴方向以及旋转进给轴方向相对移动；

设定单元，其基于被研磨加工的所述齿轮的形状数据，在所述齿面上设定加工点；

演算单元，其演算由所述设定单元设定的加工点处的沿相对于所述齿面垂直的方向延伸的法线矢量，并且演算所述砂轮的旋转轴变为与所述法线矢量平行那样的分度数据；和

机械控制单元，其基于由所述演算单元演算出的分度数据来控制所述机床。

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