CN105290519B - 利用加工中心加工齿轮的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种利用加工中心加工齿轮的方法，该方法在利用加工中心加工齿轮时进一步延长该加工中心的工具的寿命。本发明的齿轮加工方法为利用加工中心加工平行轴齿轮(20)的齿轮加工方法，其一边改变加工中心的工具(10)与平行轴齿轮(20)的齿面(22)之间的距离(L)，一边使工具(10)沿着齿面(22)移动，从而对平行轴齿轮(20)的齿面(22)进行加工。

Description

利用加工中心加工齿轮的方法

本申请主张基于2014年6月20日申请的日本专利申请第2014-127140号的优先权。该日本申请的全部内容通过参考援用于本说明书中。

技术领域

本发明涉及一种利用加工中心加工齿轮的方法。

背景技术

专利文献1中公开有如图5(A)及图5(B)所示的利用加工中心加工齿轮的方法。

图5(A)及图5(B)所示的加工中心MC是特别为了对具有大模块组件的齿轮(参考图5(B))2进行精密加工而设计的。加工中心MC具有(以直线双向箭头图示的)3个正交轴和旋转台4的旋转轴。作为工件的齿轮2设置于旋转台4上。

该加工中心MC具有主轴9，该主轴9包含绕工具轴8C旋转的圆筒状的工具(刀具)8。工具轴8C相对于齿轮2能够绕多个轴旋转。加工时，工具8在齿轮2的齿面(被加工面)2A上的一部分上沿切线方向至少局部接触。

将工具8向加工扫描方向E送出的动作通过工具8相对于齿面2A的相对移动得以实现。这种相对移动通过加工中心MC的NC控制(数控)得以实现。

如图5(B)所示，在该加工中心MC中，使工具8边与齿轮2的齿面2A抵接边移动，从而对该齿轮2的齿面2A进行加工。在图5(B)的例子中，使工具8一边绕工具轴8C旋转一边向加工扫描方向E移动。即，使工具8向加工扫描方向E移动从而进行加工之后，使该工具8稍微向与加工扫描方向E几乎正交的方向位移δE，并使该工具8再次向加工扫描方向E移动，从而对整个齿面2A依次进行加工。由此，能够形成所希望形状的齿面。

专利文献1：日本特表2013-508174号公报(图12、图2)

在利用这种加工中心加工齿轮时，期待工具能够确保更长的寿命。

发明内容

本发明鉴于上述期待而完成，其课题在于提供一种在利用加工中心加工齿轮时能够进一步延长该加工中心的工具的寿命的加工方法。

为了解决上述课题，本发明为利用加工中心加工齿轮的方法，其中，一边改变所述加工中心的工具与所述齿轮的齿面之间的距离，一边使所述工具沿着所述齿面移动，从而对所述齿轮的齿面进行加工。

本发明中，使工具一边改变与齿轮的齿面之间的距离，一边沿着齿面移动。因此，工具不是连续施加高加工负荷而是组合施加高加工负荷与低加工负荷，从而抑制加工部中的温度上升。

因此，能够抑制该工具的劣化，能够进一步延长寿命。

根据本发明，在利用加工中心加工齿轮时，能够进一步延长该加工中心的工具的寿命。

附图说明

图1(A)及图1(B)为示意地表示本发明的实施方式的一例所涉及的利用加工中心加工齿轮的方法中的工具与齿面之间的位置关系的图，其中，图1(A)为立体图，图1(B)为从与齿线平行的方向观察工具时的剖视图。

图2为图1的加工方法中的从径向外侧观察工具时的俯视图。

图3为表示本发明的另一实施方式的一例所涉及的利用加工中心加工齿轮的方法的立体图。

图4(A)及图4(B)为表示本发明的又一实施方式的一例所涉及的工具的轨迹的示意图，其中，图4(A)为立体图，图4(B)为从齿线方向观察时的剖视图。

图5(A)及图5(B)表示以往的加工中心的例子，其中图5(A)为立体图，图5(B)为表示以往的加工方法中的齿轮的一个齿与工具之间的关系的立体图。

图中：10-工具，20-平行轴齿轮，21-齿，22-齿面，30-锥齿轮，31-齿，32-齿面，L-工具齿面距离，X-齿线方向，Y-齿高方向，J、K-产生滑动的方向。

具体实施方式

以下，根据附图对本发明的实施方式的一例进行详细说明。

在JIS B 0105中，加工中心被定义为“主要使用旋转工具，能够进行包含铣削、镗削、钻孔及攻丝的多种切削加工，并且能够按照加工程序自动更换工具的数控机床”。根据设备的结构有主轴为水平的卧式加工中心及主轴为垂直的立式加工中心。

作为实施本发明所涉及的加工方法的加工中心的具体硬件结构，例如可以采用具有上述图5所示结构的加工中心(MC)。

图1(A)、图1(B)及图2中示意地示出本发明的实施方式的一例所涉及的利用加工中心加工齿轮的方法。

加工中心(省略整体图示)的工具10由可绕轴心10C旋转的圆筒形状的切削体构成。自轴心10C到加工面10B的半径为r10。可通过NC控制调整工具10的位置和角度。

图1(A)、图1(B)及图2中示出了平行轴齿轮(省略整体图示)20的加工方法的例子，且示意地示出了加工中心的工具10相对于(待加工的)平行轴齿轮20的齿21的位置关系。图1(A)为立体图，图1(B)为从与齿线平行的方向观察齿21和工具10时的剖视图。并且，图2为从平行轴齿轮20的径向外侧观察工具10时的俯视图。另外，在该例子中，为了方便起见，将齿线方向称为X，齿高方向称为Y，齿面的法线方向称为Z。在图2中，纸面的下方相当于齿面的法线方向Z。

在该加工例中，基本上使工具10沿着齿线方向X移动，从而对齿面22进行加工。即，在该加工方法中，工具10为了加工齿21的齿面22而移动的方向为齿线方向X。另外，下面将工具为了加工齿轮的齿的齿面而移动的方向称为“加工扫描方向”。

通过图1(A)、图1(B)及图2的描述可知，该实施方式所涉及的利用加工中心加工平行轴齿轮20的方法中，一边改变工具10与平行轴齿轮20的齿面22之间的距离L(L1a、L2a、L1b、L2b、L1c、L2c、……)，一边使该工具10沿着齿面22移动，从而对平行轴齿轮20的齿面22进行加工。即，该加工中心的工具10与平行轴齿轮20的齿面22之间距离L并不恒定。在此，“工具与齿轮的齿面之间的距离”是指“工具的轴心与通过该工具的移动而要加工的齿面(进行该加工扫描时的被加工面)之间的距离”。另外，以下将该“工具与齿轮的齿面之间的距离”简称为“工具齿面距离”。

更具体而言，图2中波浪状的曲线L10C表示工具10的轴心10C的轨迹。该加工方法中，例如在加工时刻t1的工具齿面距离L为L1a，在加工时刻t2的工具齿面距离L为L2a。L1a≠L2a，工具齿面距离L并不恒定，而是随着加工时间t而变化。即，一边改变工具齿面距离L，一边使该工具10沿着齿面22移动，从而对平行轴齿轮20的齿面22进行加工。

在图1(A)、图1(B)及图2的加工方法中，从工具10的轴心10C至加工面10B的半径r10减去工具齿面距离L的值(r10-L)相当于切削余量δL。在该例子中的加工方法中，切削余量δL(＝r10-L)随着工具齿面距离L的变化而变化。即，切削余量δL并不恒定，而是随时间而变化。因此，可以将图1(A)、图1(B)及图2的加工方法理解成“一边改变切削余量δL一边使工具10沿着齿面22移动，从而对平行轴齿轮20的齿面22进行加工的加工方法”。

另外，切削余量δL的最小值可以为正值、零、负(-)值。当切削余量δL的最小值为正值时，表示正在进行预定的加工(切削)。当切削余量δL的最小值为零时，表示工具10与齿面22接触但存在不进行加工的瞬间。并且，当切削余量δL的最小值为负(-)时，表示工具10暂时离开齿面22。另外，在该例子中，切削余量δL的最小值为零。

下面，对图1(A)、图1(B)及图2的加工方法进行更详细的说明。

在图1(A)及图1(B)的加工方法中，工具10的轴心10C离齿面22最远时的分离侧极值L1分别为L1a、L1b、L1c、……。工具齿面距离L的分离侧极值L1在该例子中相同(L1a＝L1b＝L1c……)。并且，工具10的轴心10C离齿面22最近时的接近侧极值L2分别为L2a、L2b、L2c、……。工具齿面距离L的接近侧极值L2在该例子中也分别相同(L2a＝L2b＝L2c……)。即，工具10的轴心10C始终处于恒定的振幅W10的范围内。

并且，连结工具10的轴心10C的分离侧极值L1的线(连结L1a、L1b、L1c、……的线)LL1与齿面22平行。连结工具10的轴心10C的接近侧极值L2的线(连结L2a、L2b、L2c、……的线)LL2也与齿面22平行。

另一方面，在该加工方法中，工具齿面距离L的极值L1、L2的周期并非恒定。在此，所谓“极值的周期”是指“自特定分离侧极值到下一个分离侧极值为止的加工扫描方向上的距离”，或“从特定接近侧极值到下一个接近侧极值为止的加工扫描方向上的距离”。这里的加工扫描方向上的距离也可以理解为加工时间。

在该例子中，周期的排程在加工时刻t5处变化。具体而言，例如自分离侧极值L1a到分离侧极值L1b的周期C1a与自分离侧极值L1b至分离侧极值L1c的周期C1b相等(C1a＝C1b)。然而，自分离侧极值L1c到分离侧极值L1d的周期C1c比周期C1b长(C1b＜C1c)。并且，在此以后，周期(以较长的周期)恒定(C1c＝C1d)。即，在该图1(A)、图1(B)及图2的例子中，极值L1(或L2)的周期并非恒定，刚开始加工之后的周期设为更短。

但是，工具齿面距离L的极值L1、L2的周期的设定方法并没有特别限定，例如可以随机改变，或者也可以设定成始终保持恒定(后述)。

另外，对于工具齿面距离L为何值时开始齿面22的加工的问题，虽未特意提及，但在该图1(A)、图1(B)及图2的加工方法中被设定为，连接加工开始时的齿面22的端部22A的位置与工具齿面距离L的分离侧极值L1(L1a)的位置，并从分离侧极值L1(L1a)开始齿面22的加工。

接着，对加工扫描方向进行说明。

在图1(A)、图1(B)及图2的加工方法中，工具10的加工扫描方向(工具10为了加工齿面22而移动的方向)仅为齿线方向X。即，通过重复下列加工路径来加工平行轴齿轮20的齿面22：a)使工具10在齿面22的齿高方向Y的特定位置一边改变工具齿面距离L一边沿着齿线方向X移动；之后，b)使工具10的位置稍微沿齿高方向Y位移(δY)；接着，c)使工具10再次沿着齿线方向X移动。图1(B)中示出工具10的轴心10C的特定位置(例如工具10的轴心10C的前端)10Ca依此移动δY的情形。

但是，对于如何设定加工扫描方向的问题，并不限于该例(齿线方向X)。例如，在图1(A)、图1(B)及图2的例子中，也可以取代齿线方向X，或除了齿线方向X之外使工具10还向齿高方向Y移动从而对齿面22进行加工。

另外，由于图1(A)、图1(B)及图2的被加工齿轮为平行轴齿轮20，因此齿高方向Y相当于在该平行轴齿轮20与未图示的对象齿轮啮合时与该对象齿轮的齿面之间产生相对滑动的方向。因此，在加工图1(A)、图1(B)及图2的平行轴齿轮20时，将齿高方向Y作为加工扫描方向相当于使工具10一边向与对象齿轮的齿面之间产生相对滑动的方向(Y)移动，一边对该平行轴齿轮20的齿面22进行加工。

换言之，加工图1(A)、图1(B)及图2的平行轴齿轮20时，将加工扫描方向设为“齿线方向X及齿高方向Y这两者”是指使工具10向平行轴齿轮20与对象齿轮啮合时与该对象齿轮的齿面之间产生相对滑动的方向和与产生该相对滑动的方向正交的方向移动从而对平行轴齿轮20的齿面22进行加工。

接着，对图1(A)、图1(B)及图2的加工方法的作用进行说明。

以往利用加工中心加工平行轴齿轮20时，工具齿面距离L恒定。换言之，切削余量δL恒定。即，在较强的加工负荷连续施加于工具10的状态下进行齿面22的加工。因此，存在加工部的温度容易上升，且工具10容易劣化而导致寿命缩短的问题。并且，容易产生长且连续的切屑，因而切屑处理成为问题。

相对于此，在本实施方式所涉及的加工方法中，一边改变工具齿面距离L一边使工具10沿着齿面22移动，从而对平行轴齿轮20的齿面22进行加工。因此，切削余量δL随着工具齿面距离L的变化而变化，重复着强加工负荷状态与轻加工负荷状态而进行加工。由此，能够进一步减小加工部的温度上升，并且能够进一步抑制工具10劣化导致寿命缩短。

并且，由于切屑容易在工具齿面距离L的分离侧极值L1附近被切断，因此抑制产生长且连续的切屑，还能够获得切屑的处理变得更轻松的效果。尤其在该例子中，切削余量δL在分离侧极值L1处成为零，因此切屑一定会被切断。

此外，在齿面22上因切削余量δL的变化而产生细微的凹凸，因此能够进一步保持润滑剂，并且还能够延长组装于装置的情况下的平行轴齿轮20的寿命。并且，充足的润滑剂供给到齿面22与对象齿轮之间的滑动部，因而还能够确保啮合的顺畅性。

除了这种基本作用效果之外，在该图1(A)、图1(B)及图2的加工方法中，还可获得以下作用效果。

首先，工具10的轴心10C始终处在恒定振幅W10的范围内。因此，能够维持一定水平(相当于振幅W10的水平)的表面粗糙度。但是，振幅并非一定要恒定，振幅本身可以变。

接着，在该图1(A)、图1(B)及图2的加工方法中，连结工具齿面距离L的分离侧极值L1的线(连结L1a、L1b、L1c、……的线)LL1与齿面22平行。由此，能够使齿面22的最表面部成为同一平面，因此能够较高地维持与对象齿轮啮合时的啮合的顺畅性。

并且，在该图1(A)、图1(B)及图2的加工方法中，连结工具齿面距离L的接近侧极值L2的线(连结L2a、L2b、L2c、……的线)LL2与齿面22平行。因此，形成于齿面22的凹凸的底部的深度恒定，并且虽然是在齿面22形成凹凸的结构，但应力集中于该齿面22的一部分上的可能性较小。

但是，也并非必须将该分离侧极值L1及接近侧极值L2的值分别设定为相同的值，分离侧极值或接近侧极值可以是各不相同的值(或者，可以是按多个单位而不同的值)。

并且，在该图1(A)、图1(B)及图2的加工方法中，工具齿面距离L的极值L1、L2的周期设定成，刚开始加工之后的周期更短。因此，能够进一步减少刚开始加工之后的工具10的加工负荷，能够进一步延长工具10的寿命。

但是，如上所说，并非必须要如此设定该工具齿面距离L的极值L1、L2的周期，例如也可以使该周期随机变化，或者也可以设定成始终保持恒定。

此外，该图1(A)、图1(B)及图2的加工方法设定成，连接加工开始时的齿面22的端部22A的位置与工具齿面距离L的分离侧极值L1的位置并从分离侧极值L1a开始进行齿面22的加工。因此，能够减少加工开始时的工具10的负荷(能够顺畅地开始加工)，并且能够进一步减少在齿面22的端部22A产生缺口或毛刺的不良情况。

但是，并非一定要对该加工开始时的齿面的端部的位置与工具齿面距离的极值的位置进行控制上的连接，而且即便采用这种连接，也并不限定于上述例。

图3中示出本发明的另一实施方式的一例所涉及的利用加工中心加工齿轮的方法。图3中示出将本发明应用于锥齿轮30的齿面32加工的情况。

图3中，省略了锥齿轮30的整体图示，但该锥齿轮30的每一个齿几乎形成于节圆锥面上。通常，锥齿轮大多采用齿高相对于齿宽变化的设计，但该锥齿轮30形成为齿高相对于齿宽几乎恒定。另外，作为锥齿轮已知有齿线与节圆锥的母线一致的直齿锥齿轮(Straightbevel gear)和齿线相对于节圆锥的母线弯曲的曲线齿锥齿轮(Spiral bevel gear)，但该本实施方式的锥齿轮30为曲线齿锥齿轮。另外，本发明不仅能够应用于采用齿高相对于齿宽变化的设计的锥齿轮，并且还能够应用于齿线与节圆锥的母线一致的直齿锥齿轮。

针对这种锥齿轮30，通过一边改变加工中心的工具10与锥齿轮30的齿面32之间的距离，一边使工具10沿着齿面32移动，也能够获得与之前的实施方式相同的作用效果。

但是，在图3中，工具10的加工扫描方向采用相对于齿线方向X及齿高方向Y这两个方向倾斜的方向J、K，从而使工具10一边向相对于锥齿轮30的齿线方向X及齿高方向Y这两个方向倾斜的方向J、K移动，一边对锥齿轮30的齿31的齿面32进行加工。

具体而言，图3中的加工扫描方向J为从齿线方向X倾斜θ1并且从齿高方向Y倾斜θ2的方向。角度θ1与角度θ2均不为零，结果该图3的加工方法中的加工扫描方向J相当于相对于锥齿轮30的齿线方向X及齿高方向Y这两个方向倾斜的方向。同样，加工扫描方向K也相当于相对于锥齿轮30的齿线方向X及齿高方向Y这两个方向倾斜的方向。

其结果，可以说图3的加工方法是如下方法，即，使工具10分别沿着相对于锥齿轮30的齿线方向X及齿高方向Y这两个方向倾斜的加工扫描方向J、以及与该加工扫描方向J相交并且相对于锥齿轮30的齿线方向X及齿高方向Y这两个方向倾斜的加工扫描方向K这两个加工扫描方向移动，从而对锥齿轮30的齿面32进行加工的方法。

在此，若从另一观点说明上述加工扫描方向J、K，则加工扫描方向J与该锥齿轮30和未图示的对象齿轮啮合时与该对象齿轮的齿面之间产生相对滑动的方向一致。即，图3的加工扫描方向J是锥齿轮30与对象齿轮啮合时与该对象齿轮的齿面之间产生相对滑动的方向。

因此，用该观点可以将图3的加工方法说成如下方法，即，使工具10一边向锥齿轮30与对象齿轮啮合时与该对象齿轮的齿面之间产生相对滑动的方向移动，一边对锥齿轮30的齿面进行加工，并且使该工具10向与产生该相对滑动的方向交叉的方向K移动，从而对锥齿轮30的齿面32进行加工的方法。

利用加工中心进行的齿轮20、30的加工中，加工路径数是有限的，因此齿面22、32存在形成为多边形的倾向。然而如同上述例子，若使工具10向彼此相交的至少2个方向移动从而对齿轮20、30的齿面22、32进行加工，则能够缓和该倾向，使之成为更圆滑的齿面。

此时，若作为加工扫描方向采用齿线方向X与齿高方向Y这两个方向，则容易构筑控制程序。

并且，若作为加工扫描方向采用与对象齿轮的齿面之间产生相对滑动的方向及与产生该相对滑动的方向垂直(或相交)的方向，则在齿轮20、30与对象齿轮啮合时，能够供给充足的润滑剂，能够进一步延长齿轮20、30本身的寿命。

图4(A)及图4(B)中示出本发明的又一实施方式的一例。

以上实施方式中，在使工具向加工扫描方向移动时，仅改变了工具齿面距离(工具与齿轮的齿面之间的距离)(参考图4(B)中括号内的10Ca)，但在图4(A)及图4(B)中，使工具10一边改变工具齿面距离L一边还向“沿着锥齿轮30的齿面32的方向且与加工扫描方向(该例子中为齿线方向)X垂直的方向(该例子中为齿高方向)Y”移动，从而对锥齿轮30的齿面32进行加工。另外，在该图4(A)及图4(B)的例子中，由于加工扫描方向X与齿线方向一致，因此“沿着齿面32的方向且与加工扫描方向X垂直的方向”相当于齿高方向Y。

具体而言，如图4(A)所示，使工具10一边沿着齿面32以螺旋状移动，一边对锥齿轮30的齿面32进行加工。在图4(A)及图4(B)的例子中，从加工扫描方向(该例中为齿线方向)X观察工具10的轴心10C的特定位置(例如工具10的轴心10C的前端)10Ca时，该特定位置10Ca(相当于加工路径的投影线)在微小的直径为d10C的圆周C10C上移动。即，使工具10一边沿着齿面32以具有规定间距P10的“螺纹状”的加工路径进行移动，一边对锥齿轮30进行加工。

如此，若使工具10一边沿着齿面32以螺旋状移动一边对该齿面32进行加工，则能够边移动加工点(更广范围的加工点)边进行加工。由此，不仅能够减少工具10的加工部集中在极窄的范围的现象，还能够分散温度上升的部分，从而能够进一步延长工具10的寿命。并且，还能够更久地维持较高的加工精度。当然，由于工具齿面距离(L)也在变化，因此也能够获得上述改变工具齿面距离(L)所带来的作用效果，即，轻负荷加工周期性地产生从而间断地成为高负荷加工。

并且，在该实施方式中，进行使工具10沿着齿面32以螺旋状移动的控制时，使该工具10一边沿着齿面32以具有规定间距P10的“螺纹状”进行移动，一边对锥齿轮30的齿面32进行加工。因此，虽然工具10在进行极为复杂的动作，但由于是“螺纹状”的加工路径，因此数控程序的制作较为容易。

但是，加工路径也可以不是螺纹状的螺旋。例如可以是椭圆状的螺旋，即，使工具一边以破坏螺纹的螺旋状移动，一边对齿轮进行加工。而且，还可以是以如同将三角形或四边形等多边形倒角的形状环绕的螺旋。

当不采用“螺纹状”的螺旋时，可以根据齿轮的种类或形状，或者所要求的齿面的表面特性等更加灵活地设计工具齿面距离的长短(切削余量的大小)和工具的加工部的分散程度(工具的切削范围的宽窄)之间的平衡性。

另外，可以针对各加工扫描方向采用改变工具齿面距离的变化规律或与螺旋状移动时的螺旋的形状等有关的变化规律。换言之，当具有多个加工扫描方向时，每个加工扫描方向所采用的变化规律(工具齿面距离的变化规律或与螺旋状移动时的螺旋形状等有关的变化规律等)可以不同。

并且，上述实施方式中示出了加工扫描方向为1个或2个的例子，但加工扫描方向也可以是3个以上。即，也可以使工具向彼此相交的3个以上的方向移动，从而对齿轮的齿面进行加工。

并且，上述例子中示出了将本发明应用于平行轴齿轮及锥齿轮的例子，但本发明中，待加工的齿轮的种类并没有特别限定于上述种类。例如，同样也可以应用于螺旋齿轮、蜗轮或准双曲面齿轮等的加工，且能够获得相同的作用效果。

Claims (7)

1.一种利用加工中心加工齿轮的方法，其特征在于，

一边改变所述加工中心的工具与所述齿轮的齿面之间的距离，一边使所述工具沿着所述齿面移动，从而对所述齿轮的齿面进行加工。

2.根据权利要求1所述的利用加工中心加工齿轮的方法，其特征在于，

使所述工具一边沿着所述齿面以螺旋状移动，一边对所述齿轮的齿面进行加工。

3.根据权利要求2所述的利用加工中心加工齿轮的方法，其特征在于，

使所述工具一边沿着所述齿面以具有规定间距的螺纹状移动，一边对所述齿轮的齿面进行加工。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的利用加工中心加工齿轮的方法，其特征在于，

使所述工具一边向相对于所述齿轮的齿线方向及齿高方向这两个方向倾斜的方向移动，一边对所述齿轮的齿面进行加工。

5.根据权利要求1至3中任一项所述的利用加工中心加工齿轮的方法，其特征在于，

使所述工具一边向所述齿轮与对象齿轮啮合时在与该对象齿轮的齿面之间产生相对滑动的方向移动，一边对所述齿轮的齿面进行加工。

6.根据权利要求5所述的利用加工中心加工齿轮的方法，其特征在于，

使所述工具向彼此相交的至少2个方向移动，从而对所述齿轮的齿面进行加工。

7.根据权利要求6所述的利用加工中心加工齿轮的方法，其特征在于，

使所述工具向所述相对滑动的方向以及与该相对滑动的方向交叉的方向移动，从而对所述齿轮的齿面进行加工。