CN105171141A - 对工件的齿轮齿进行正面倒角的方法与装置 - Google Patents
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Abstract
用于在计算机数字控制多轴机床中对工件(20)的齿轮齿进行正面倒角的方法,具有以下步骤:在多轴机床中采用刀具(100),其中,刀具(100)具有至少一个切削齿(111),该切削齿具有第一前刀面(121.1)和第二前刀面(121.2),沿第一旋转方向驱动刀具(100),在刀具(100)沿第一旋转方向旋转的同时,执行计算机数字控制的第一相对运动,以利用刀具(100)的第一前刀面(121.1)对齿轮齿的第一齿(21.1)的第一正面边缘(24)进行倒角,在刀具(100)沿第一旋转方向旋转的同时,执行计算机数字控制的第二相对运动,以利用刀具(100)的第二前刀面(121.2)对齿轮齿的第一齿(21.1)或另一齿(21.2)的第二正面边缘(25)进行倒角。
Description
技术领域
本发明的主题是一种用于工件的齿轮齿正面倒角的方法和设备.
背景技术
用来制造齿轮的方法有很多.在芯片制造中,预先的软加工会在滚齿、齿轮成型、成型刨削以及动力刮齿(powerskiving)之间产生区别。滚齿和动力刮齿是所谓的连续方法.
动力刮齿方法不久前得到了复兴.该方法已经有近100年的基础.在动力刮齿中,如图1A所示,动力刮齿刀具10(也称为刮齿轮)的旋转轴线R1和工件20的旋转轴线R2之间的轴线相交角度为∑,其不等于零。所得的动力刮齿刀具10和工件20之间的相对运动是螺旋运动,它可以被分解为旋转分量(转动分量)和推力分量(平移分量).圆柱螺旋驱动器可以被认为是驱动技术的类推,其中,旋转分量对应于滚动,而推力分量对应于侧翼的滑动.轴线相交角度∑的绝对值越大,加工工件20所需要的平移运动分量就越大。具体地说,这会在工件20的两个侧翼方向上产生动力刮齿刀具10的一个切削运动分量.在动力刮齿过程中,螺旋轮传动装置的啮合齿轮的相对啮合运动的滑动分量被用来执行切削运动.在动力刮齿过程中,仅仅只需要工件20在与旋转轴线R2平行的方向上缓慢的轴向进给Sax,而所谓的成型运动被省略了,该成型运动是齿轮成型中是典型的.因此,在动力刮齿中不会也发生反向行程的运动.
在动力刮齿中的切削速度直接受到动力刮齿刀具10或者工件20的旋转速度以及由旋转轴线R1和R2产生的轴线相交角度∑的影响。上述各自的旋转运动在这被标记为ω1和ω2.轴线相交角度∑以及由此产生的滑动运动被选定为,使得在给定的旋转速度下,能够得到用于材料加工的最佳切削速度。
先前已知的动力刮齿方法中的运动序列和进一步的细节可以从上述图1A中的示意图中推出.图1A中示出了对于一个圆柱形工件20的外齿轮的动力刮齿过程.上述工件20和刀具10(这里是一圆柱形动力刮齿刀具10)以相反的方向旋转,正如从图1A中可以看到的,例如以角速度ω1和ω2旋转.
也会发生进一步的相对运动。上述缓慢的轴向进给Sax是必要的,以使得能够使用刀具10而加工工件20的整个齿宽.上述轴向进给导致刀具10相对于工件20在平行于工件20的旋转轴线R2的方向上产生一个位移.刀具10的该运动方向在图1A中被标记为Sax。如果需要在工件20上得到斜齿轮(也就是β2≠0),一个不同的进给SD被叠加到轴向进给Sax上,如图1A所示,其对应于工件20绕其旋转轴线R2的一个附加旋转.上述不同的进给SD以及轴向进给Sax在设计点上彼此相适应,由此得到的刀具10相对于工件20的进给发生在加工出的齿间隙方向上.另外,可以使用一个径向进给Srad,例如,用来影响工件20的齿轮齿的凸面加工。
在动力刮齿中,切削速度的矢量实质上导致两个速度矢量和的不同,它们以刀具10和工件20的旋转轴线R1和R2的轴线相交角度∑相对于彼此倾斜.是刀具10在圆周上的速度矢量,而是工件20在圆周上的速度矢量。上述动力刮齿过程的切削速度Vc可以随着轴线相交角度∑以及在螺旋轮传动装置中的旋转速度而变化.相对缓慢的轴向进给Sax,如上文已经述及的那样,仅仅对动力刮齿方法中的切削速度Vc具有很小的影响,其可以被忽略掉.因此该轴向进给Sax在图1A和的矢量图中未被考虑.
图1B示出了利用一锥形动力刮齿刀具10对工件20的外轮齿的动力刮齿过程.图1B再一次示出了轴线相交角度∑,切削速度的矢量刀具10在圆周上的速度矢量以及工件20在圆周上的速度矢量以及刀具10的倾斜角度β1和工件20的倾斜角度β2。这里的倾斜角度β2不等于零。在图1B中刀具10的齿顶用参考标记4指代.在图1B中齿面用参考标记5指代。旋转轴线R1和R2不相交,而是被设置为相对于彼此倾斜。在一个锥形动力刮齿刀具10中,由于上述动力刮齿刀具10倾斜以提供间隙并不是必要的,设计点AP被典型地选在与旋转轴线R1和R2二者都垂直的点。设计点AP在这里与所谓的接触点BP是重合的。上述螺旋轮传动装置的分度圆接触到该设计点AP。
在工件上的齿轮的成型过程中,相应的正面边缘相对于侧平面的两个侧翼会产生过渡区域,其有时会是非常尖锐以及明显的.这些边缘典型地在一个单独的方法步骤中被倒角.在轮齿的加工过程中,存在着许多不同的途径以对这样的边缘实施倒角。
与加工过程相关的毛刺也会在该边缘区域出现,其会在一个所谓的去毛刺加工步骤中被去除.
由于运动序列常常是相同的或近似相同的,倒角和去毛刺是相似的工艺.加工刀具也不必彼此不同。因此,下文中会经常提到倒角,其中,在这里去毛刺也被归入到该名词含义下。
一些专用刀具常常被用来倒角,其中的任一个刀具都必须在使用前在一个单独的方法步骤中被装夹到机床上.或者在该机床上一个单独的轴具有一个专用刀具用来倒角.为了能够对边缘区域中右边和左边的侧翼进行倒角,有时必须进行十分复杂的运动序列(刀具和工件间的相对运动)。另外,在动力刮齿中,例如当左边侧翼被使用刀具倒角后,常常需要执行旋转方向的反向.在旋转方向反向后,才能够执行右边侧翼的倒角.这样的旋转方向的转换是耗时的并且会导致更长的加工时间。然而,特别是在大量生产中,缩短加工时间是有利的。
发明内容
因此,本发明的目的是提供一种用于工件倒角的方法和设备,其能缩短加工时间.
本发明通过一种与动力刮齿相似的方法实现这一目的,其能够不进行旋转方向的反向而对右边和左边的侧翼进行倒角.另外,一个相应的最佳设备被提供来作为专用刀具。
根据本发明,在计算机数控多轴机床上的专用刀具被用来实现发明目的,它具有至少一个包括第一前刀面和第二前刀面的切削齿.
为了实现本发明的倒角,使用了上述专用刀具的下述的步骤被执行:
-沿第一旋转方向驱动该专用刀具;
-在刀具沿第一旋转方向旋转的同时,执行计算机数字控制的相对运动,以利用刀具的第一前刀面对齿轮齿的第一齿的第一边缘进行倒角。
-在刀具沿第一旋转方向(进一步地)旋转的同时,执行计算机数字控制的相对运动,以利用刀具的第二前刀面对齿轮齿的第一齿的第二边缘进行倒角.
第一边缘(一条或更多条)的倒角在第一机床设置中被执行,而第二边缘(一条或更多条)的倒角在第二机床设置中被执行.也就是说,机床设置在一个中间步骤中被改变.
本发明的方法特别适合于在与动力刮齿相似的过程中的齿轮齿的正面倒角,其中,不需要旋转方向的反向就能够对右边和左边的侧翼进行倒角。
如果上述专用刀具的旋转轴线和工件的旋转轴线的不为零的轴线相交角度被机床设置预先限定,这样一种方法被称为与动力刮齿相似的连续过程.
根据本发明,这样一个与动力刮齿类似的过程常常会导致专用刀具和工件的相对运动,其可以被分解为旋转分量(转动分量)和推力分量(平移分量).
根据本发明所有实施例的倒角中,更优选采用滑动分量来执行用于倒角的切削运动。
在本发明的倒角过程中,在所有实施例中优选执行下述的动作:
i.上述专用刀具在正确的分量高度上仅执行径向的下冲运动,同时上述边缘被完全倒角.然后上述专用刀具可以从齿间隙又一次退回。
ii.或者将上述刀具从工件的齿轮齿“上方”下冲(专用刀具朝着工件轴向地导向),并且执行一个小的轴向运动直到上述边缘被完全倒角。
iii.根据本发明,运动方法i和ii这二者也可以彼此结合.
根据本发明,与动力刮齿类似的倒角过程是一个连续过程,例如,在机床设置被改变之前,上述专用刀具的切削齿(一个或更多个)连续地对所有的右侧翼进行倒角,然后所有的左侧翼被倒角。
然而,根据本发明的去毛刺方法将在正面边缘的基础上在下文中提到.
本发明的方法可以在干式加工和湿式加工这两个范围内被实施。
附图说明
本发明更多的细节及优点,将在以下具体实施例的基础上结合附图进行描述:
图1A图1A示出了在动力刮齿过程中的一个直齿刮齿轮的示意图,该直齿刮齿轮具有与一个带有外齿的工件相啮合的圆柱形外部轮廓;
图1B图1B示出了在动力刮齿过程中的一个斜齿刮齿轮的示意图,该斜齿刮齿轮具有与一个带有外齿的工件相啮合的锥形外部轮廓;
图2图2示出了本发明的一个具有锥形外部轮廓的第一专用刀具的完全示意图,其中示出了单个切削齿;
图3A图3A示出了本发明的一个与内齿工件啮合的专用刀具对该内齿工件的右边侧翼进行正面倒角过程中的立体图,其与动力刮齿过程相似;
图3B图3B示出了图3A中的内齿工件的一个部分的立体图,其中对右边侧翼的正面倒角使用一个箭头进行说明;
图3C图3C示出了图3A中的上述专用刀具和内齿工件的左边侧翼进行正面倒角过程中的立体图,其与动力刮齿过程相似;
图3D图3D示出了图3A中的内齿工件的一个部分的立体图,其中对左边侧翼的正面倒角使用一个箭头进行说明;
图4图4示出了在进行左边侧翼和右边侧翼倒角之后的内齿工件的一个部分的立体图;
图5图5示出了一个齿轮切削刀具的主体的立体图,其在此只装有仅仅一个刀杆作为示例,其中本发明的一个专用刀具被设置在齿轮切削工件的前面与该齿轮切削刀具同轴。
具体实施方式
本发明所使用的术语也是在相关的出版物和专利中所使用的术语。然而,应当注意的是,这些术语的使用仅仅是为了更好的理解服务。要求保护的权利要求的发明思想和保护范围并不受限于这些特定选择的术语的解释。本发明可以容易地转化到其它术语系统和/或技术领域.这些术语将相应地应用到其它技术领域.
例如,旋转对称的、周期性的结构是具有内齿或外齿的齿轮(例如直齿轮)。然而,例如,这些也可以是制动盘、离合器或者传动元件,以及类似的原件.特别的,这涉及到小齿轮轴、蜗杆、齿轮泵、圆环接头轮毂(例如,圆环接头被用来在汽车转向系中将差动装置的力传递到车轮)、花键轴连接、滑动套筒、皮带轮、以及类似元件的制造。这里的周期性结构也指周期性重复的结构。
下面首先讨论齿轮、齿以及齿间隙。然而,本申请也可以转用到具有其它周期性结构的其它元件,如上文所提到的.在这些其它元件中,这里就不涉及到齿间隙,而是例如沟槽或通道。
上述的去毛刺方法的使用范围是广泛的,并且可以延伸到变化巨大的旋转对称周期性结构的制造中。
术语“倒角”被用在工件20被倒角和/或突出的毛刺被去除的过程中。这些可以是所谓的正面边缘,例如,发生在齿轮(一个或更多个)的正面上。
下文涉及到专用刀具100,其具有切削轮的形式或设计.图2示出了这样一个刀具100的第一个例子.这个例示性例子涉及到一个整体刀具,其中切削齿111是该刀具100的一部分。该动力刮齿刀具100可以具有多个切削齿111,其中在图2中所示的例示性实施例中仅仅提供了一个切削齿111.
根据图2,在所有的实施例中,切削齿111在平行于轴线R1的剖面上(优选在这里作为观察平面的平面)具有梯形或三角形的基本形状,其中该剖面与前刀面121.1和121.2二者都相交.图2示出了具有梯形基本形状的单个切削齿111.在实践中,该切削齿111实际的三维形状可以比这里的图中更加复杂。
在图2示出的示范性例子中,专用刀具100的主体110具有在圆锥台中的截锥盘或截锥板的形状.优选地,本发明的所有专用刀具110都具有在圆锥台中的截锥盘或截锥板的形状.因此,下文涉及到一种与切削轮类似的专用刀具100.
在所有的实施例中,专用刀具100的每个切削齿具有至少一个第一前刀面121.1以及一个第二前刀面121.2,如图2所示.也就是说,至少一个第一前刀面121.1以及一个第二前刀面121.2被提供在本发明中的每个切削齿111上.
下面来规定前刀面121.1和121.2等等的位置和方向:
·上述两个前刀面121.1或121.2(或者三个前刀面121.1、121.2、121.3,如果上述切削齿111具有另一种基本形状)被各自设置在切削齿111的不同侧的区域中;
·上述两个前刀面121.1或121.2的法线方向R.1、R.2(或者三个前刀面121.1、121.2、121.3的法线方向R.1、R.2、R.3)是不同的;
·法线方向R.1、R.2典型地围成一个角度ΔW,其在观察平面上大于90°。上述观察平面是与轴线R1平行且穿过切削齿参考点的平面。在这里切削齿参考点被定义为切削齿的“中点”.该观察平面也被用来描述上述梯形基本形状或一个三角形基本形状。
·图2中可以看到,该单个切削齿111相对于主体110的端面112、113倾斜。如该例示性例子所示,上述切削齿111顺时针倾斜大约45°.上述第一前刀面121.1在这里位于端面113的区域中,其也可以被认为是上述专用刀具100的“前侧”.上述第二前刀面121.2具有另一方向,如图2所示。在图2中显示了上述前刀面121.1和121.2的每一个法线方向R.1和R.2.
在所有实施例中,上述切削齿优选地位于主体110的外周表面或侧表面114的区域上或区域中。
图3A示出了本发明在一个内齿工件20的右边侧翼的倒角过程中的专用刀具100另一个实施例.专用刀具100被用来朝右旋转(也就是顺时针旋转),ω1表示绕着轴线R1的旋转。右边侧翼的倒角通过使用向下的切削方向(在图3B中,相应的前刀面121.1的法线方向R.1因此向下倾斜指向)被执行.上述刀具100的前侧113在图3A中朝向下。后侧112在图3A中是可见的。在示出的例子中,上述第一前刀面121.1位于前侧113的区域中,并且因此在图3A中不可见。除了本例中与动力刮齿类似之外,在倒角过程中,示出的轴线相交角度∑大约为12°,上述专用刀具100可以远离要被加工的内轮齿而倾斜,以形成间隙角。该倾斜是可以选择的。
在所有的实施例中,刀具轴线R1以及工件轴线R2的轴线相交角度∑具有在10°到30°范围内的绝对值。
图3B示出了图3A中的内齿工件20的一部分的端部的对角线顶视图,其中视图方向——与图3A相反——被定向在后侧对角线的工件20的端面上.为了更好的理解,专用刀具100没有示出。齿间隙的齿基26、右边侧翼22、以及左边侧翼23在图3B中是可见的。在所示的视图中,工件20的第一齿21.1位于齿间隙的右侧.边缘24位于右边侧翼22与端面汇合的位置,其使用本发明的方法进行倒角.相应的倒角面27在图3B中示意性地示出.如同已经述及的那样,在该例示性例子中,右边侧翼22的倒角通过使用向下的切削方向而被执行.在图3B中,使用的前刀面121.2的法线方向R.1用箭头表示,其从顶端右侧延伸到底端左侧。在边缘24上具有倒角角度大约30°的倒角面27导致了这里的特殊情况.
图3C示出了图3A中的专用刀具100,其在内齿工件20的左边侧翼倒角过程中.上述专用刀具100再次被用来向右旋转(也就是顺时针旋转).左边侧翼的倒角使用向上的切削方向而被执行.上述刀具100的前侧113在图3C中朝向下.后侧112在图3C中是可见的.在第二个例子中,上述第二前刀面121.2位于刀具100的后侧112的区域内.除了与动力刮齿类似之外,在倒角过程中,本例中示出的轴线相交角度∑现在被设置为-12°,专用刀具100可以选择性地远离要被加工的内轮齿而倾斜.
应该注意的是,如同图3A-3D的实施例的情况下,在右边侧翼和左边侧翼的倒角过程中,轴线相交角度∑不必在绝对值上相等.目前在右端边缘的倒角过程和左端边缘的倒角过程中的机床设置是预先限定的,因此,每一种情况下都能得到最佳的切削条件。
图3D示出了图3B中的工件20的齿间隙的视图。为了更好地理解,上述专用刀具100没有示出。在图3D中,齿间隙的齿基26、右边侧翼22以及左边侧翼23在图3B中是可见的。在示出的视图中,工件20的第二齿21.1位于齿间隙的左侧(在图像的右侧可以看见第一齿21.1)。边缘25位于左边侧翼23与端面汇合的位置,其使用本发明的方法进行倒角。如同已经述及的那样,在该例示性例子中,左边侧翼23的倒角通过使用向上的切削方向而被执行。相应的法线方向R.2在图3D中用一个箭头表示,其从底端右侧延伸到顶端左侧.在该特定情形下,形成的倒角面28在边缘25上具有的倒角角度为大约30°.
图4示出了内齿倒角工件20的一部分的顶部示意图.两个邻齿21.1以及在这两个齿之间的一个齿间隙可以在图4中看到。相应的齿间隙在这里被齿基26以及侧翼22和23限定.倒角面27、26现在位于边缘25、26处.倒角面27、28在这里用阴影示出,这样的倒角面27、28可以利用本发明的方法而形成.
在本发明一个特别优选的实施例中,专用刀具100的位置相对于齿轮切削刀具的旋转轴线R1*同心,该齿轮切削刀具以图5中所示的例子为基础.
图5以示意图方式示出了一个示范性齿轮切削刀具50的主体51的外壳形状。主体51在这里仅仅装设有一个刀杆60。上述刀杆60部分可见,这是因为它从工件侧的端面突出出来,或者从主体51的尾部58的锥形部分突出出来,该可见部分在图中使用实线表示。上述刀杆60的不可见部分,也就是,位于在相应的插孔开口61的主体51内部的部分,用虚线表示.上述插孔开口61在主体51的内部具有与刀杆60的不可见部分大致相应的形状.该齿轮切削刀具50可以具有中心通道开口53,例如,可以将上述齿轮切削刀具50固定在计算机数字控制机床的刀具主轴70上.上述刀具主轴70在图5中单独地示出。
专用刀具100相对于图5的示范性例子中的齿轮切削刀具50的旋转轴线R1*同轴,也就是,R1=R1*.上述专用刀具100在这里位于齿轮切削刀具50的工件侧端面52上方,而专用刀具100的背面112朝向工件侧端面52的方向。
专用刀具100的主体110优选地具有锥度,该锥度与齿轮切削刀具50的主体51的尾端58的锥度相反,如图5所示.
为了防止在这样一种背载式构型中专用刀具100和工件20的碰撞,在所有实施例中,专用刀具100的形状、尺寸以及位置(到端面52之间的空间A)优选地被选择为使得它们位于虚拟圆锥Ko中,该圆锥在图5中由虚线20表示。根据图5中的例子,明显满足该要求。上述虚拟圆锥Ko在这里被主体51的圆锥形状限定,其中刀杆60也被围在该虚拟圆锥Ko中。
在所有的实施例中,上述主体51的圆锥形状被优选地限定为使得:一方面刀杆60尽可能地被围住(位于插孔开口61深处);另一方面不会与要被加工的工件20发生碰撞。
使用背载式构型能够极大地缩短加工和二次时间,如图5所示,这尤其在大量生产的情况下有重要意义.
这样一种背载式构型尤其可以与德国实用新型DE202011050054U1中描述的刀头一起使用。
Claims (13)
1.一种用于在计算机数字控制多轴机床中对工件(20)的齿轮齿(21.1,21.2)进行正面倒角的方法,其特征在于以下步骤:
-在多轴机床中采用刀具(100),其中,刀具(100)具有至少一个切削齿(111),该切削齿具有第一前刀面(121.1)和第二前刀面(121.2),
-沿第一旋转方向驱动刀具(100),
-在刀具(100)沿第一旋转方向旋转的同时,执行计算机数字控制的第一相对运动,以利用刀具(100)的第一前刀面(121.1)对齿轮齿的第一齿(21.1)的第一正面边缘(24)进行倒角,
-在刀具(100)沿第一旋转方向旋转的同时,执行计算机数字控制的第二相对运动,以利用刀具(100)的第二前刀面(121.2)对齿轮齿的第一齿(21.1)或另一齿(21.2)的第二正面边缘(25)进行倒角。
2.如权利要求1所述的方法,其特征在于,在倒角过程中的计算机数字控制的相对运动是与动力刮齿过程类似的连续运动,同时刀具轴(R1)和工件轴(R2)之间的轴线相交角度(∑)的绝对值被预设定为在10°到30°的范围之间。
3.如权利要求1或2所述的方法,其特征在于,在倒角过程中,在工件(20)上执行刀具(100)的径向下冲运动,在倒角后,将刀具(100)从工件(20)处移出。
4.如权利要求1、2或3所述的方法,其特征在于,在倒角过程中,在对工件(20)执行刀具(100)的下冲运动的同时还伴随有轴向运动。
5.如权利要求1、2、3或4所述的方法,其特征在于,多轴机床在执行第一计算数字控制的相对运动过程时预先设定了第一机床设置,同时在执行第二数字控制的相对运动过程时预先设定了第二机床设置,其中,第一机床设置与第二机床设置不相同。
6.如权利要求5所述的方法,其特征在于,第一机床设置通过轴线相交角度(∑)而与第二机床设置不相同。
7.如权利要求1-6中的任一项所述的方法,其特征在于,第一正面边缘(24)是右边侧翼(23)的边缘,第二正面边缘(25)是左边侧翼(23)的边缘,或者反之。
8.如权利要求1-6中的任一项所述的方法,其特征在于,刀具(100)被配置成像一个刮齿轮,并且在其外周表面或侧表面(114)上具有至少一个切削齿(111),其中,该切削齿(111)具有第一前刀面(121.1)和第二前刀面(121.2)。
9.如权利要求1或8所述的方法,其特征在于,每一个切削齿(111)都具有梯形的或者三角形的基本形状。
10.如权利要求1或9所述的方法,其特征在于,刀具(100)与齿轮切削刀具(50)一起形成背载式构型,其中,权利要求1中的方法步骤跟随在对于工件(20)的齿轮切削的方法步骤之后。
11.一种对工件(20)的齿轮齿(21.1,21.2)进行正面倒角的装置,其中,该装置设计为被装夹在计算机数字控制多轴机床的刀具主轴(70)上,其特征在于,该装置包括:
-齿轮切削刀具(50),
-专用刀具(100),其与齿轮切削刀具(50)同轴设置,其中,在该同轴设置中从工件侧的观察点看,专用刀具(100)位于齿轮切削刀具(50)的前面,
并且其特征在于,刀具(100)被配置成像切削轮,并且在其外周表面或侧表面(114)上具有至少一个切削齿(111),其中,该切削齿(111)具有第一前刀面(121.1)和第二前刀面(121.2)。
12.如权利要求11所述的装置,其特征在于,齿轮切削刀具(50)具有主体(51),其在工件末端区域中包括锥形尾端(58),其中,专用刀具(100)在齿轮切削刀具(50)的锥形尾端(58)的前面并具有间隙(A)。
13.如权利要求12所述的装置,其特征在于,专用刀具(100)被配置成锥形,其中,相应的专用刀具(100)锥度与锥形尾端(58)的锥度沿相反方向延伸。
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