CN105121084A - 展成或加工内齿轮齿的方法、运动改变装置以及机床 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种切削或加工可以绕其旋转轴线旋转并且径向界定自由空间的工件的内齿轮齿的方法，该自由空间在一侧轴向延伸超出内齿部分并且其径向延伸部分在至少一部分中沿延伸方向呈锥形。被驱动成绕其旋转轴线旋转的外齿刀具从另一侧、并且以交叉轴线角度与内齿部分滚动啮合，所产生的并经受离心力的切屑的运动通过在与离心力的来源相反的锥形部分的区域中的机械力改变。

Description

展成或加工内齿轮齿的方法、运动改变装置以及机床

本发明涉及一种在工件上进行去切屑展成或加工内齿轮齿的方法，该工件可绕其旋转轴线旋转并且径向界定自由空间，该自由空间至少轴向延伸到超过内齿区的一侧，并且其径向宽度在至少一个位置上沿其轴向延伸的方向变窄。本发明还涉及一种设计成用于执行该方法的运动改变装置以及具有执行该方法的能力的机床。

上述类型的内齿工件例如在汽车工业中被制造成为用于例如八速或九速变速器的自动变速器的组件并且通过齿轮成形的过程生产。自由空间的径向宽度的变窄例如从在内齿后面的工件的内侧上的凹槽产生，该凹槽用于容纳连接套筒。

本发明所具有的目的是提出上述类型的方法的另一先进版本，该版本特别从制造观点的角度看是有所提高的。

从方法导向的观点看，这个任务由通过如下想法的本发明解决，该想法是，被驱动成绕其旋转轴线转动的外齿刀具在轴线以不同于零的角度相互交叉的情况下从相反侧与内齿轮齿滚动啮合，并且通过机械力的施加，使得在工艺过程中产生并经受离心力的切屑在宽度变窄的区域之前的区域中以对准离心力来源的方式而改变其运动。

通过与外齿刀具的滚动啮合来展成齿轮齿的方法本身上是已知过程，其中轴线以一个角度相互交叉，虽然该工艺过程例如在DE102011009027A1中主要描述为用于外齿工件的过程，但原则上也可以用于生产简单设计几何形状的内齿工件。在这种运动学概念下运行的切削加工方法之一是借助刮削轮的刮削工艺过程，这代表实践根据本发明的方法的优选方式。在申请人的组织内，表述“动力刮削”是首选的，而不是术语“刮削”。

本发明基于出人意料的观察内容：借助引入机械力以用对准离心力来源的方式作用在变窄宽度的位置之前的区域中的切屑上的创造性想法，能够实施基于上述运动学原理的方法而没有对工件或刀具造成损坏。由于工件的非常高的转速(根据工件直径和轴线的交叉角)，该转速可达到600rpm以上，优选地1500rpm以上，尤其是2000rpm以上，但不排除速度高达3000rpm或以上，例如3500rpm的可能性，因此，若没有引起作用在切屑上的机械力的创造性想法，则具有对工件和/或刀具造成损坏或破坏的结果的在变窄宽度的区域之前的工件内切屑累积是不可避免的。作用在切屑上的离心力非常强，使得空气射流对去除所有切屑不再有效，该空气射流在简单设计几何形状的内齿工件的制造中用来将切屑从由内齿轮包围的自由空间吹出。

借助本发明的方法，这种切屑累积可以在任何情况下充分避免，使得工件或刀具将不再被损坏。

运动的改变优选地以切屑的方位角速度分量减小的形式发生。随着该速度分量减小，离心力以二次方的比例降低。具体地说，方位角速度可以减小一个或多个数量级并且实际上几乎降到零。

另一实施例可能牵涉到，运动的改变引起切屑的径向向内定向的速度分量。这致使切屑快速移动到自由空间的更加径向中心的区域中，由此又促进切屑去除。

在特别优选实施例中，机械力的施加因切屑与不参加旋转的更大质量的碰撞配对件碰撞而发生。相对于不参加旋转的参考系统，这个碰撞配对件表示对碰撞切屑的固定屏障。

宽度本身的变窄可以例如以台阶的形式发生。具体地说，台阶可以是在工件上的凹槽的后径向朝向的壁。

优选地，大质量碰撞配对件定位成径向靠近自由空间的空间边界并且具体地说与工件没有任何接触。在任何情况下，如果没有额外功能分配给碰撞配对件，则碰撞配对件应不能影响工件及其转动。

进一步优选的是，大质量碰撞配对件定位成轴向靠近宽度变窄的位置，但具体地说与工件没有任何接触。这提高机械力施加会达到其目的的可靠性。如果自由空间包括宽度增大的位置，同样优选的是，碰撞配对件定位成靠近宽度增大的位置，但具体地说与工件没有任何接触。换言之，碰撞配对件堵塞由工件上的凹槽形成的空间。

优选地，碰撞配对件保持在位，以伸进在内齿轮齿的区域中的自由空间，并且保持装置位于该区域中离开刀具一定距离。因此，由内齿轮齿包围的空间被除了外齿刀具外的额外物体占据，而外齿刀具通常占用三分之一至三分之二的可用径向宽度的自由空间。因这种布置而存在的物体和刀具之间的碰撞风险通过允许物体和刀具之间有足够安全距离而降低。

因此优选的是，只在大质量碰撞配对件已经到达其指定位置之后，促使工件和刀具彼此工作啮合。

作为实际措施，流体流、具体地说是空气流沿自由空间延伸的方向，具体地说在工件轴线的水平布置中被输送通过自由空间，以赋予切屑轴向速度分量。

从装置导向的观点看，提出一种用于改变在展成或精加工工件的内齿轮齿的加工过程中产生的切屑的运动的装置被并要求保护该装置，其中，该装置包括轴向延伸以伸进由内齿轮齿径向界定的自由空间的颈部部分、在颈部部分的自由端径向突出并承载为与切屑碰撞而设计的撞击面的头部部分、以及邻接颈部部分的相反端并且设计成将运动改变装置连接到可移动支承装置的底部部分，该可移动支承装置允许运动改变装置的受引导运动，该受引导运动具有在轴向方向上的第一矢量分量以及在径向方向上独立于第一矢量分量的第二矢量分量。

该装置的颈部部分是保持头部部分的那部分，其代表实际的碰撞配对件，并且在加工过程期间占据在由内齿轮齿包围的自由空间中与刀具平行的位置。在背对头部部分的一侧，运动改变装置邻接设计成联接到可移动支承装置的底部部分，该可移动支承装置允许运动改变装置移动到所需位置上。

在特别优选实施例中，头部部分的轴向尺寸至少部分符合地径向界定自由空间的轮廓，该轮廓延伸超过工件的内齿区。这又提高机械力施加会达到其目的的可靠性。

头部部分的撞击面基本上可以是径向定向的。然而，本发明还包括其中撞击面相对于径向方向至少部分倾斜、并且因此用作切屑的斜坡的实例。

头部部分的方位角尺寸同样仅受刀具的空间要求限制。原则上，由于工件的高转速，因此小角宽度、即与径向尺寸同一数量级的头部部分的方位角尺寸是足够的。然而，头部部分可以沿方位角方向延伸较大角度，诸如30°或以上，甚至60°或以上，尤其是90°或以上，乃至120°或以上。此外，头部部分还可以构造成多个部分。换言之，可以有几个方位角上彼此间隔开的头部部分。

在特别优选实施例中，头部部分是可移除的，并且尤其是可交换的。这将允许运动改变装置适于不同工件的生产批次而无需断开底部部分。

本发明还提供一套运动改变装置，其各自头部部分在其轴向尺寸和其径向突起的大小上彼此不同。这使得能够为在几何学上界定各自自由空间的方面可以与其它批次不同的每个不同生产批次的工件提供适当运动改变装置，使得最佳机械力施加可以在各种情况下实现。

此外，从装置导向的观点看，提出一种机床并要求保护该装置。这是使用外齿刀具展成或精加工在可以被驱动成绕其旋转轴线转动的工件上的内齿轮齿的机床，该外齿刀具可以被驱动成绕其旋转轴线转动，并且被设计用来在轴线以一个角度相互交叉的情况下与内齿轮齿滚动啮合，其中，机床具有：工件主轴，内齿工件可被夹到该工件主轴上；刀具主轴，刀具可被夹到该刀具主轴上；第一线位移轴线，工件主轴和刀具主轴之间的相对位置可以沿该第一线位移轴线改变，具有平行于工件的旋转轴线延伸的方向分量；第二线位移轴线，工件的旋转轴线和刀具的旋转轴线之间的距离可以沿该第二线位移轴线改变；以及旋转轴线，工件和刀具的各自旋转轴线之间的交叉角可以相对于该旋转轴线改变。机床的基本区别在于：可移动支承装置，根据上述构型之一的装置通过该可移动支承装置可以移动，具有平行于第一线位移轴线的运动的第一矢量分量以及尤其具有独立于并正交于第一矢量分量的第二矢量分量。

根据本发明的机床的优点是本发明方法的优点的结果，其中，机床设计成具有定位形成碰撞配对件的运动改变装置所需的运动轴线。

另外，在本发明的范围内，机床包括设计成控制在执行如上述方法导向的方面之一的方法的机床的控制装置。

本发明的另外的优点、区别特征和细节将从下列参照附图的描述中变得明显，其中，

图1示出包括机床的运动轴线的立体图；

图2示出图1的机床的一部分的水平剖视图；

图3示出图2的放大详图；以及

图4示出图3的进一步放大的部分。

在立体俯视图中，图1示出了机床的一部分，其中示出了机器的运动轴线。机床100设计成加工工件，其中，在工件上的齿轮齿展成通过刀具和工件之间的切削啮合发生，其中，工件和工具的各自轴线以一个角度相互交叉。在所示的实例中，机器用于内齿轮齿的刮削并且被称为刮削机。

刮削机100具有可旋转地支承在刮削机的机床上的固定位置的工件主轴2，其中，工件旋转的旋转轴线被标示为C。水平滑架4与刀具相关联，该水平滑架4可沿平行于工件主轴的轴线延伸的线位移轴线Z相对于机床移动。

水平滑架4承载另一水平滑架6，该水平滑架6可沿正交于滑架4的线位移轴线Z延伸的第二线位移轴线X移动。滑架4和6因此形成交叉滑动布置。

保持刀具主轴10的另一线性滑架8布置成具有绕平行于第二线位移轴线X延伸的旋转轴线A旋转的能力。可旋转滑架8的线位移轴线Y因此由绕A的转动的旋转位置确定。刀具绕平行于线位移轴线Y延伸的轴线B旋转。因此，借助绕轴线A旋转的能力，轴线的交叉角度被设置用来展成和加工工件的内齿轮齿。

在所示实例中，为工件主轴和刀具主轴各自的旋转C和B提供直接驱动。根据常例，沿X、Y、Z和绕A、B、C的运动在电脑数字控制(CNC)下进行。到目前为止所述的机床的构型属于已知技术现状。除了内齿轮齿或外齿轮齿的刮削外，机器还适合硬精加工操作以及剃刮(软剃)操作，在硬精加工操作中轴线以一个角度交叉。

然而，刮削机100包括相对于平面的另一运动装置，该平面由工件主轴和刀具主轴的各自轴线C和B限定，与刀具滑架装置4、6、8相对。该另一运动装置与滑架14实现为交叉滑动装置12、14，其中滑架14沿平行于第一线位移轴线Z延伸的第四线位移轴线Z4可移动地被约束在机床上。水平滑架14进而承载另一水平滑架12，该水平滑架12的线位移轴线X2平行于第二线位移轴线X延伸，作为刮削机100的第五线位移轴线。虽然未严格要求，但轴线Z4和Z的平行以及X2和X的平行是有利的。在该实施例中，重要的是，滑架12、14之一可以进行具有平行于第一线位移轴线Z的矢量分量的运动，而滑架12、14的另一个可以进行具有在第二线位移轴线X的方向上的矢量分量的运动。滑架12和14的驱动机构类似地在刮削机100的CNC控制下运行。

如从图2可以更清楚看到，可沿轴线X2移动的滑架12具有径向延伸、即沿方向X2延伸的臂16，臂16向被夹到刀具主轴上的刀具50伸出。臂16在该布置中被给定足够小的轴向尺寸，使得在图2所示的位置上，刀具或刀具主轴和臂16之间没有发生接触。

运动改变装置可松开地附连到臂16，其设计和功能在下面借助于图3和4的放大示意图描述。

在图3和4中，将有内齿轮齿形成在其上的工件用附图标记20标示。关于工件20的内齿轮22，附图标记24标示位于轴向剖面上的齿，该轴向剖面形成图4的图平面。在图2至4中示出到内齿轮22的左边并且紧邻后者，凹槽26形成在工件20上，使得由工件径向包围的空间40在该位置径向延伸。在凹槽26的后边界，工件20因此具有环形壁28，空间40因环形壁28而具有互补变窄锥形。关于由工件包围的空间40，在该区域中的空间部分48的直径因此小于轴向位于空间部分48和空间部分42之间的空间部分46的直径，空间部分42由内齿轮界定。

如图2可以看见的，臂16支撑可松开附连装置，该可松开附连装置根据其功能在下面被称为切屑止挡件30。切屑止挡件30具有带孔的底部部分32，切屑止挡件通过该孔借助诸如螺丝的紧固件连接到臂16。邻接于底部部分32，切屑止挡件的颈部部分34沿轴向方向延伸穿过空间40的部分42，刮削刀具50的外齿轮齿52位于该部分42中。因此，在加工过程中，工作刀具50以及切屑止挡件30同时存在于由内齿轮22包围的空间42中。

布置在颈部部分34的自由端的是切屑止挡件30的头部部分36，头部部分36径向向外突出并且因此伸进工件20的凹槽26，如可以在图4中更清楚看见的。在所示实例中，切屑止挡件30的头部部分36封闭凹槽26并且在该位置处将空间部分46从另外可用自由空间变成堵塞空间。

下面是切屑止挡件30的功能描述：

在刀具50相对于工件20被带到图3所示的位置之前，如由待进行的加工过程所要求的，切屑止挡件30通过沿位移轴线Z4和X2移动滑架14和12而被带到图3所示的位置，而刀具50仍在其缩回位置。沿轴线Z4的运动在滑架12从图3所示的位置沿向工件轴线的方向径向离开的情况下发生。仅在头部部分36已经到达直接面对凹槽26的位置之前，滑架12径向向外移动直到头部部分36封闭凹槽26抵靠环形壁28。

在切屑止挡件30已经由此移动到位之后，或者在任何情况下，在有足够剩余自由空间在切屑止挡件定位在自由空间40中之后可用来将外齿刀具50移动到位之后，刀具50与工件20如在传统刮削过程通过旋转工具和刀具一样通过相对于可用轴线的可控运动工作啮合以展成内齿齿轮22。

没有切屑止挡件30，加工过程中产生的切屑的一部分不会通过被提供来穿过空间部分48吹出切屑的压缩空气射流(未在图中示出)从自由空间40去除，而是会止于凹槽26中并且不再清扫壁28，因为它们经受高转速和由于工件的高转速而产生的离心力。累积在凹槽26中的切屑最终会到达刀具50的工作区，并且因此，当前展成的工件以及刀具会被损坏乃至破坏。这也是为什么具有向下呈锥形的自由空间的工件不能事先通过刮削生产的原因。

然而，由于切屑止挡件30平行于工件移动到位的结果，头部部分36在对应方位角位置处堵塞凹槽26。这具有如下后果：可能累积在凹槽26中的任何切屑会与切屑止挡件30碰撞，使得因为切屑质量的数量级小于切屑止挡件质量的数量级，所以其方位角速度与其之前的快速度相比将显著减低，甚至在撞击面已经形成之后降到接近零的水平。因此，作用在切屑上的离心力有效地降到零，并且切屑同样靠正在使用的压缩空气的作用从自由空间40移动离开。

虽然未在图中示出，头部部分36的撞击面可以以如下的方式相对于径向方向倾斜，即，使得径向内部部分沿工件旋转的方向方位角地向后倾斜。撞击面因此不必是平坦表面，而是也可以是弯曲的。由于这种倾斜定向，与撞击面的碰撞赋予切屑径向向内定向的速度分量，使得它们被压缩空气流更快速和有效地捕获并且能够离开空间40。然而，切屑止挡件30被证明，即使独立于撞击面的精确构型也是有效的。

借助所提出的切屑止挡件，刮削过程的应用领域因此扩展到具有上述构型的内齿轮齿的工件。

此外，借助对形状和材料的适当选择，切屑止挡件30也可以提供诸如例如后齿边缘的去毛刺的额外功能。其也可以用作车削刀具，特别是用于展成位于内齿轮齿后面的工件的轮廓，例如甚至凹槽26本身。因此，凹槽26和内齿轮22可以例如作为并行操作同时被展成，从而加工工件的总加工时间显著降低。关于去毛刺，一种可能性是展成如上所述的内齿轮22并随后使用设计成也用作去毛刺机的切屑止挡件30来去除在边缘轴向突出的材料(如果需要的话，在这个工作阶段期间缩回刀具50)。可能地，刮削刀具50可以缩回，以提供更多空间用于去毛刺切屑止挡件30的径向运动(沿X2定向)。在去毛刺之后，刮削刀具可以在精加工走刀中再次沿齿面移动，以去除因去毛刺而在齿边缘区域中沿方位角方向突出的多余材料。

本发明不限于已经借助于所示实例描述的建设性实现的实施例。相反地，说明书中以及权利要求书中阐述的、单独使用或组合使用的特征可以是本发明在其不同实施例中的实现必需的。

Claims (19)

1.对工件(20)上的内齿轮齿(22)进行去切屑展成或加工的方法，所述工件(20)可绕其旋转轴线(C)旋转并且径向界定自由空间(40)，所述自由空间(40)轴向延伸到超出内齿区的一侧，并且其径向宽度在至少一个位置上沿其轴向延伸的方向变窄，

其特征在于：

为了执行所述方法，被驱动成绕其旋转轴线(B)旋转的外齿刀具(50)在所述旋转轴线以一个角度交叉的情况下从相反侧与内齿区滚动啮合，并且通过机械力的施加，使得在工艺过程中产生并经受离心力的所述切屑在宽度变窄的区域中的区域中以对准所述离心力的来源的方式改变其运动。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述运动的改变包括所述切屑的方位角速度分量减小。

3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于：所述运动的改变产生所述切屑的径向向内定向的速度分量。

4.如权利要求1至3中一项所述的方法，其特征在于：所述机械力的施加因所述切屑与不参加旋转的更大质量的碰撞配对件(30、36)碰撞而发生。

5.如前述权利要求中的一项所述的方法，其特征在于：所述宽度的变窄以台阶(28)的形式发生。

6.如前述权利要求中的一项所述的方法，其特征在于：所述自由空间(46)的所述径向宽度在宽度变窄的位置之前增大并且离开后者一定的轴向距离。

7.如前述权利要求中的一项所述的方法，其特征在于：所述碰撞配对件(30、36)定位成径向靠近所述自由空间的空间边界，并且具体地说与所述工件没有任何接触。

8.如前述权利要求中的一项所述的方法，其特征在于：所述碰撞配对件(30、36)定位成轴向靠近所述宽度变窄的位置，但具体地说与所述工件没有任何接触。

9.如权利要求6至8中一项所述的方法，其特征在于：所述碰撞配对件定位成轴向靠近所述宽度增加的位置，但具体地说与所述工件没有任何接触。

10.如前述权利要求中的一项所述的方法，其特征在于：所述碰撞配对件(30、36)保持在伸进所述内齿轮齿的区域中的所述自由空间(42)的位置上，并且所述保持装置位于所述区域内，与所述刀具(50)间隔开一定距离。

11.如前述权利要求中的一项所述的方法，其特征在于：流体流、具体地说是空气流沿所述空间延伸的方向被送进所述自由空间。

12.用来改变在展成或精加工工件的内齿轮齿的加工过程中产生的切屑的运动的装置(30)，所述装置包括：

～颈部部分(34)，所述颈部部分(34)轴向延伸，以伸进由所述内齿轮齿径向界定的自由空间；

～头部部分(36)，所述头部部分(36)在所述颈部部分的自由端径向突出，并承载为与所述切屑碰撞而设计的撞击面；

～底部部分(32)，所述底部部分(32)邻接所述颈部部分的相反端，并且设计成将所述运动改变装置(30)联接到可移动支承装置，所述可移动支承装置允许所述运动改变装置的(30)引导运动，所述引导运动具有在轴向方向上的所述运动的第一矢量分量以及在径向方向上独立于所述第一矢量分量的第二矢量分量。

13.如权利要求12所述的装置，其特征在于：所述头部部分的轴向尺寸至少部分符合延伸超出所述工件的内齿区的所述径向界定的自由空间的轮廓。

14.如权利要求12或13所述的装置，其特征在于：所述撞击面相对于所述径向方向至少部分倾斜。

15.如权利要求12至14中一项所述的装置，包括多个以方位角分开的头部部分，所述多个方位角分开的头部部分一起在60°以上、优选地90°以上以及特别优选地120°以上的总方位角范围上延伸。

16.如权利要求12至15中一项所述的装置，其特征在于：所述一个或多个头部部分是可移除的并且尤其是可互换的。

17.成套的如权利要求12至15中的一项所述的装置，其各自头部部分在其轴向和/或径向尺寸上彼此不同。

18.用来展成或精加工在可以被驱动成绕其旋转轴线转动的工件(20)上的内齿轮齿的机床(100)，包括外齿刀具(50)，所述外齿刀具(50)可以被驱动成绕其旋转轴线转动，并且被设计用来在所述轴线的交叉角条件下与所述内齿轮齿滚动啮合，其中所述机床包括：

～工件主轴(2)，所述内齿工件(20)可以被夹到所述工件主轴上；

～刀具主轴(10)，所述刀具(50)可以被夹到所述刀具主轴上；

～第一线位移轴线(Z)，所述工件主轴和所述刀具主轴之间的相对位置可以沿所述第一线位移轴线改变，具有平行于所述工件的所述旋转轴线延伸的方向分量；

～第二线位移轴线(X)，所述工件的所述旋转轴线和所述刀具的所述旋转轴线之间的距离可以沿所述第二线位移轴线改变，以及

～旋转轴线(A)，所述工件和所述刀具的各自所述旋转轴线之间的所述交叉角可以相对于所述旋转轴线改变；

其特征在于：可移动支承装置(12、14)，如权利要求12至16中的一项所述的装置(30)能够借助于所述可移动支承装置移动，具有平行于所述第一线位移轴线(Z)的所述运动的第一矢量分量，并且尤其是具有独立于并正交于所述第一矢量分量的第二矢量分量。

19.如权利要求18所述的机床，包括控制装置，所述控制装置设计成控制执行权利要求1至11的所述方法的所述机床。