CN105431246A - 加工齿轮齿边的方法以及为此设计的加工台 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用具有齿廓的加工刀具来加工在齿轮的端面与齿面之间的齿边的方法，其中所述加工刀具具有齿，且为进行切削而绕其齿轮轴线旋转，并以在加工刀具的旋转轴线与待要加工的齿轮的旋转轴线之间的不等于零的交叉角而与待要加工的齿轮滚动啮合。

Description

加工齿轮齿边的方法以及为此设计的加工台
本发明涉及加工齿轮的轴向表面与齿面之间的齿边的方法以及设计成实施该方法的加工台和装备有所述加工台的切齿机。
这种类型的方法属于如例如DE102009019433A1所公开的已知现有技术。实施对齿边的加工作业是因为生成齿轮的切屑过程产生沿邻接轴向表面的齿边的毛刺。存在若干必须去除这种毛刺的理由。例如，齿轮的轴向端面将用作平面夹紧表面或参考面，而其平面度将受到毛刺危害。此外，存在如下的风险，即，在工件已经硬化之后，毛刺可能随后在齿轮在传动装置中运行时折断，由此齿面或传动装置的部件可能被损坏。此外，这种类型的毛刺还可能对处理齿轮或带齿工件的人员造成伤害。如果仅仅去除毛刺而没有对齿边本身进行作业，则所具有的风险是，在硬化处理中，齿边可能因渗碳而变成具有高硬度并在应力下断开。
为了消除这些缺点，在技术领域中已经开发了几种方法。例如，在EP1279127A1中公开的这种方法涉及将齿边塑性重塑成倒角，其中，在齿边区域中的工件材料由与工件滚动啮合的倒角轮推回。然而，在这个过程中产生的次生毛刺也必须随后去除，因为它们在诸如珩磨或研磨的后续齿面精加工过程也会存在问题，其中毛刺会导致相应的齿面精加工刀具过早磨损。这种次生毛刺可以由此去除的方法在DE102009018405A1中有所教导。
作为通过在触点压力下塑性变形来制作倒角的替代实施例，能够通过切削过程展成在齿边处的倒角。根据DE102009019433，具有至少一个切削刃的大致圆柱形刀具被夹紧到刀具主轴。在径向横进给运动已经将该倒角刀具与带齿工件的端面加工啮合之后，倒角在齿轮齿的边缘上展成。借助DE102009019433中公开的设计构型，倒角刀具在两个端面上的切削运动可以总是指向齿廓的中心。本发明的主题是对齿边的处理，其中，齿边上的倒角通过切削作业来制作。
本发明具有改进与上述相同的通用类型的方法以便提供也有关于待加工带齿工件的形状的更大灵活性的目的。
从方法导向的观点上看，本发明通过在上文中提到的方法的更先进版本来解决该任务，其基本上的特征在于，加工刀具具有齿廓，对于材料去除切削作业来说，绕该齿廓的轴线旋转的加工刀具与待加工的带齿工件滚动啮合，其中，加工中的加工刀具和带齿工件的旋转轴线以不等于零的轴线交叉角相对于彼此定位。
由于加工刀具具有齿廓，并且齿状刀具轮廓的轴线以轴线交叉角相对于其齿边正被加工的带齿工件的齿轮轴线倾斜，因此，与上述现有技术相比，本发明基于所涉及的机器轴线的完全不同运动学布置。在运动学上，这类似于交叉轴螺旋齿轮传动装置，其特征在于，所涉及的旋转轴线相对于彼此的偏斜位置。为了得到通常标记为Σ的轴线交叉角，将从旋转轴线的平行状态开始并接着使旋转轴线之一绕带齿工件和刀具的各自中心之间的连接线(垂直于两条旋转轴线的连接线)旋转。此外，本领域中的技术人员在任何情况下都熟悉轴线交叉角的重要性，例如在动力刮削的背景下。机械轴线、运动学和切削条件的图形描述以及术语的定义例如在EP2537615A1中找到。
因此，通过使轴线以交叉角相对于彼此旋转产生如下的切削机构，其中，切削速度取决于轴线之间的交叉角以及加工刀具的旋转速率。刀具的切削刃由刀具的齿边形成。
因此，由于轴线以不等于零的角彼此交叉，切削运动的切削方向可以具有沿邻接被加工齿边的齿面而在齿宽方向上移动的方向分量。
为了将正交于齿面方向的方向分量加到切削运动的切削方向，特别优选的过程是相对于正交于带齿工件的中心与刀具的中心之间的连接线延伸的平面以不等于零的倾角设定刀具的旋转轴线。因此，刀具沿朝向工件轴线Z的方向倾斜(图2)。这是获得在齿边上引导的轮廓成形接触线的特别简单的方式。倾角也对应于刀具平面相对于接触平面的倾角。
由此为加工啮合而确定的轴线的相互位置因此可以从轴线的平行位置开始通过绕两条线性的独立旋转轴线的旋转来设定。或者，轴线交叉角也可以通过进行绕仅一条轴线的旋转并将线位移与垂直于中心的连接线(正交于两条轴线的线)的、且垂直于带齿工件和加工刀具的旋转轴线之一的位移分量相加来设定。这种类型的位移的特征在于，轴线的交叉点(在投影中示出)与加工作业的啮合点(接触点)之间的非零偏置。遵循该位移，轴线之间的初始设定交叉角可以被认为是有效交叉角与倾角的合成。
此外，中心之间的连接方向是纯横向进给或横向切削进给的径向方向，其在本发明方法中也可以用作横向进给轴线方向。
在优选实施例中，轴线交叉角是至少4°，进一步优选地至少8°，尤其是至少12°。在另一方面，交叉角应不超过45°的合理极限并且应优选地不大于35°，尤其是不大于25°。这允许有足够快的切屑速度，同时不对加工刀具的设计强加过度要求。
关于倾角，优选倾斜度是至少8％，优选地至少16％，特别是至少24％。在另一方面，倾斜度应不超过80％并且优选地不大于60％，特别是不大于40％。这种倾角设定、尤其是与上面规定的交叉角设定接合，确保轮廓成形接触线遵循合适路径。
如上所述，加工刀具绕其旋转轴线的旋转速率是确定切削速度的因素之一。借助已经作出的其它运动的轴线的设定，加工刀具的旋转速率优选地设成切削速度是至少10m/min，优选地至少30m/min，尤其是至少50m/min所在的值。作为上限，可设想不大于450m/min，优选地不大于300m/min，尤其是不大于200m/min，但不排除150m/min的切削速度。这允许加工时间的经济性与刀具的充足运行寿命之间有合理的妥协。
为了确保齿面在任何情况下经受下齿面和上齿面之间的完整加工处理，轮廓成形接触线必须被推到齿隙的整个齿边区域上。根据本发明，主要有几种方式可以来实现它。
作为第一种可能性，刀具和带齿工件可以经受具有平行于工件的齿廓轴线的方向分量的相对于彼此的运动。这可以是沿齿廓轴线的或沿刀具轴线的运动，类似于动力刮削的过程。特别有利的是，如果倾角大，则使用这个版本。令人信服地，在此情形中，带齿工件的某些齿边、在任何情况下齿边的某些区域可能甚至不与例如布置在加工刀具的齿廓的齿边处的切削刃的某些区域接触。
在另一方面，即使这代表优选构型，加工刀具的齿廓也不一定沿整个周界延伸。原则上，携带切削刃的单齿将是足够的。在这种情况下，将必须选择适当小的轴向横进给速度。
或者，产生这种效果的结构也可以包含在加工刀具自身中。这种构思的细节将在装置权利要求的背景下在下面被描述。
借助这后者的可能性，在某些情况下，完全去掉例如平行于带齿工件轴线或刀具轴线定向的横进给运动可能是可行的。如果携带齿廓的工件也具有在后者附近的肩部，其中该肩部在精加工齿边的过程中必须保持安全不受损坏，则这是特别有利的。在这种情况下，刀具的几个不同齿与每个齿隙啮合，从而在滚动顺序中分段加工每个齿隙的两条齿边。
从装置导向的观点上看，本发明提供了对带齿工件的每个轴向端面与齿面之间的齿边进行精加工的加工台，其实质上区别特征在于：可以在刀具主轴线与工件主轴线之间设定不等于零的交叉角，并且提供了控制装置，该控制装置控制主轴的旋转运动，以便于带齿工件与刀具齿廓之间以不等于零的轴线交叉角滚动啮合。
该加工台的优点从本发明的方法的优点得出。因此，在优选实施例中的加工台可以具有用于横进给的直线运动轴线，尤其是具有径向于工件主轴线的方向分量的第一机器轴线。适当地，加工台也具有允许工件主轴与刀具主轴之间的相对运动、具有平行于工件主轴线的方向分量的机器轴线。这使其在一方面能够实现轴向横进给运动。作为另一有利方面，其允许加工刀具的轴向位置改变，这在加工不同齿宽的工件中是特别有利的。此外，这个特征还可以用于在一个轴向端面处的齿边的加工与相对端面处的齿边的加工之间改变刀具相对于工件的轴向位置。作为进一步优选特征，可以为刀具主轴线相对于正交于带齿工件轮廓的中心与刀具的中心之间的连接线延伸的平面设定不等于零的倾角。
在可想到实施例中，可设想另一旋转机器轴线，其包括正交于用来设定轴线交叉角的轴线且正交于工件主轴线的方向分量。因此，轴线交叉角与倾角通过两根旋转机器轴线来设定。
然而，另一更优选实施例具有第二机器轴线，该第二机器轴线具有位于正交于工件主轴线延伸的平面上的方向分量，其中，所述方向分量线性地独立于第一机器轴线在所述平面上的投影。在实际构型中，这可以是径向横进给方向X的和附加地正交于工件主轴线延伸的方向Y的交叉滑动台。当刀具主轴线的定向在位移过程中没有变化，同时工件和刀具的各自中心之间的连接轴线有变化时，作为滑动台在Y方向上的滑动阶段的位移的结果，最初通过绕径向轴线X的旋转而设定的轴线交叉角得到倾斜分量η。
关于刀具的形状，后者可以优选地是圆盘状，具体地说，具有不大于10cm，优选地不大于7cm以及尤其是不大于4cm的轴向尺寸。适当地，刀具齿廓具有步进研磨精修度(step-groundfinish)并且因此具有也有利于动力刮削的基本形状。
此外，加工刀具可以设计成具有产生平行于刀具轴线的横进给运动的效果的结构。这优选地通过如下设计来实现，其中刀具具有在其齿上的带不同高度的前刀面的区域的设计来实现。由于齿支撑具有切削刃的前刀面，因此作为本身就应该受到保护的想法，本发明还公开了通过在切削作业中从齿边去除材料来精加工每个端面与齿面之间的齿边的加工刀具，其中，邻接加工刀具的切削刃的前刀面具有在刀具旋转轴线的方向上测得的不同高度。
前述构思在加工刀具的具体实施例中实现，其中，刀具的前刀面至少不部分地以螺旋的方式上升。前刀面的基本形状附加地可以通过步进研磨来形成。
除了刀具旋转轴线和带齿工件旋转轴线相对于彼此的位置外，作为螺距的结果，在此情形中，在一圈中得到的高度是在没有额外横进给运动时由轮廓成形接触线扫过的边缘段的长度的决定性因素。
本发明还提供了具有如前述的加工台的用来加工带齿工件的切齿机。具体地说，该切齿机可装备有另一工作台，其用来通过例如滚铣、刨齿或动力刮削的软切削过程来展成在工件上的齿。此外，根据本发明的方法的保护还延伸到其中执行有该方法的控制程序。
根据本发明的方法可以用来加工内齿轮齿边以及外齿轮齿边。
本发明的进一步区别特征、细节和优点将从下列参照附图的描述中变得明显，附图中，
图1示意性示出了沿第一观察方向看见的刀具与待加工齿廓之间的啮合的几何形状；
图2示意性示出了沿第二观察方向看见的如图1所示的同一加工啮合；
图3a示出了齿边加工中所用的轴线位置；
图3b用于与图3a对比，示出了动力刮削中所用的轴线位置；
图4示出了与通过动力刮削展成基础齿廓的刀具轮廓相比的用来加工齿边的刀具轮廓；以及
图5示出了用来加工齿边的刀具的具体形式。
图1示出了发明方法所基于的机器轴线的基础运动学原理。具有齿廓2的工件在图1中示出，其齿轮轴线Z垂直定向，但齿廓2的各个齿未在图1的示意图中画出。在正交于径向横进给方向X的图1的绘图平面上的其投影图像中，齿廓2的齿轮轴线Z与刀具1的旋转轴线ZW围成轴线交叉角Σ。在所示实例中，Σ是20°。在该实例中，轴线X、Z和Y形成直角坐标系。
图2进一步示出了随着沿Y方向Y、即沿相对于图1的观察方向转90°的观察方向所看到的刀具与工件之间的啮合。如从图2明显看出，刀具1也倾斜抵靠正交于X方向延伸的平面，具体地说以在这种情况下是30°的角η倾斜。图2示出了加工位于齿廓2的齿面与在顶部的轴向端面3之间的齿边。为了加工在底面的齿边，工件可以翻转，使得图3中的底面变成顶面，而刀具位置保持与图2所示的工作情况相同。或者，工件与刀具之间的同样相对彼此定位也可以通过改变刀具位置来实现。这个能力具体地说可以通过其中刀具可以绕图2中标记为X的轴线旋转180°或以上的设计来实现。
原则上，切削可以从内而外(离开间隙)或相反方式(进入间隙)来定向。为了从一种切削变成另一种，旋转方向因此必须被反转。
如上所述，机器不需要第二旋转轴线来允许设定轴线的期望位置。相反，从图3b所示的位置开始，其中该位置用于动力刮削并且切削啮合的位置在图的投影视图中位于轴线的投影交叉的区域中，刀具可以经受移位运动(指向图3中的左边)。在这个移位运动中，刀具轴线的定向没有变化，但刀具的中心被移位。就图示而言，正交于中心之间的连接线而延伸的平面因此倾斜离开绘图平面，从而再次垂直于图3a中的新连接线，上述平面与图3b中的绘图平面一致。图3a中的刀具旋转轴线不再位于这个平面上，而是以一个角度从这个平面沿朝向工件旋转轴线的方向倾斜。
在图3a中，图3b所示的各个齿的轮廓已被省略。这旨在表示用来加工齿边的刀具的轮廓不匹配于图3b所示的动力刮削刀具的齿廓。相反地，齿边加工刀具的齿廓为此目的而被修正，由于倒角的展成，齿边在轴向端面的平面上必须被断开，并且因此速度矢量必须平行于表面的倒角。这种修正的实例在图4中示出，其中，实线表示用于动力刮削的刀具的齿廓，而虚线表示倒角刀具的对应轮廓。
使用图5所示刀具10消除了对在加工轴向端面上的齿边的过程中沿其轴线方向移动刀具的需求。刀具10的齿廓12绕旋转轴线ZW以连续上升螺旋的形式缠绕并因此具有在位置14处的不连续部16。刀具10绕其旋转轴线的单次完整旋转致使轮廓成形接触线被完全推到待加工齿廓的齿隙的两个齿边上，由此获得加工齿边的特别省时的方式。连续螺旋形状是优选的但不是必须的。具有步进地中断的多个分段的构型也是可能的。
原则上，与通过塑性变形的齿轮齿边的倒角不同，在齿边上的倒角通过切削作业的展成不需要跟着进行第二步骤。这缩短了工件的加工时间。
为了进一步阐明本发明，下列讨论的主要目的是允许读者可看到本发明的方法所基于的切削过程。
为了开始，在简化视图中，刀具切削刃的线条dl被视为位于加工刀具的齿轮齿廓的齿边上，即，在正交于刀具的旋转轴线ZW延伸的平面上。在瞬态图中，切削刃线条dl的方向矢量可以例如描述为(cosθ,sinθ,0)，其中θ表示切削刃线条相对于径向轴线的角度，在瞬态图中例如是相对于加工刀具的静止参考系(XW,YW,ZW)的轴线XW倾斜的角度。
相对于静止工件而沿切削刃自身的方向矢量的运动不会导致任何切削作用，并且切削刃线条dl总是在正交于旋转轴线ZW延伸的平面上移动。为了下列解释的目的，切削方向(在绝对参考系中)因此假设成其位于该平面上并且正交于切削刃线条dl定向。因此，这个切削方向可以由相对于加工刀具的静止参考系的方向矢量sW＝(-sinθ,cosθ,0)定义。
认为最初仅交叉角Σ已经被设定在旋转轴线之间，这表示刀具绕横进给轴线X倾斜的等效，使得不包括倾角η但包括轴线交叉角Σ的切削方向可以在空间固定坐标系(X,Y,Z)中表示为sΣ＝(-sinθ,cosθcosΣ,cosθsinΣ)。
该切削方向的矢量分量中的第三分量也表明平行于齿轮轴线的分量是如何取决于轴线交叉角的。
没有额外倾角η的轴线交叉角Σ的构型表示用于动力刮削中的机器轴线的基本群集，其中，鉴于已经通过具有最大径向横进给的动力刮削完成的齿面表面的形状，在抵抗加工中的类似旋转齿轮的相对运动中的切削方向不能具有正交于齿面的分量。如果这个要求就在绕齿轮轴线Z旋转的坐标系中的意义而言应用于瞬态图，则切削方向的第一分量表示正交于(在这种情况下空间固定的)分量的(等于零)分量，而沿齿面的第二分量表示齿高的方向，需要以角度χ的旋转，使得sΣ的第一分量等于零，即，满足条件tanχ＝tanθ/cosΣ的旋转。
然而，在本发明的优选实施例中，旋转轴线ZW在空间固定坐标系中额外地绕轴线Y、具体地说以倾角η倾斜。在空间固定坐标系(X,Y,Z)中，(绝对)切削方向的矢量因此采用如下形式：
sΣ,η＝(cosθsinΣsinη-sinθcosη,cosθcosΣ,cosθsinΣcosη+sinθsinη)。
改变到旋转角度χ的坐标系，其中切削方向采用形式sΣ,η,χ＝(s | ,s|,sZ)，则得到垂直于齿面的分量的下列表达式
s | ＝(sinΣsinηcosθ-cosηsinθ)×cosχ+cosΣcosθsinχ
因此，切削方向具有非零分量s | ，其具有在切削作用中轮廓线被推到齿边上的结果。为了透明起见，插入数值θ＝0，则s | 的结果被减至
s | │θ＝0＝sinΣsinη
用图形解释这个结果，则非零轴线交叉角Σ使其能够实现具有垂直于齿面的矢量分量的切削方向，在优选实施例中，该切削方向也包括额外倾角的正弦。因此，在该优选实施例中，垂直于加工中的齿轮齿廓的齿面定向的切削方向的矢量分量主要取决于因子sinΣ×sinη。
此外，本发明不限于在附图描述中介绍的实施例的实例。相反地，权利要求书的以及前面描述的特征可以是本发明在其不同实施例中实现所单独或组合必需的。

Claims (22)

1.加工在带齿工件(2)的轴向表面(3)与齿面之间的齿边的方法，其中，当所述带齿工件(2)绕其工件齿轮轴线(Z)旋转时，具有切削刀刃的刀具(1)通过切削作用从所述带齿工件(2)的所述齿边去除材料，
其特征在于，所述加工刀具具有齿廓，并且对于材料去除切削作业而言，绕其齿廓的轴线(ZW)旋转的所述加工刀具与待加工的所述带齿工件(2)滚动啮合，其中，加工中的所述带齿工件和所述加工刀具的所述旋转轴线(Z,ZW)以不等于零的轴线交叉角(Σ))相对于彼此定位。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，由于所述非零轴线交叉角，切削运动的切削方向具有如下方向分量，所述方向分量沿邻接所述被加工齿边的所述齿面在齿宽方向上延伸。
3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，由于所述刀具的所述旋转轴线相对于正交于所述工件齿廓的中心与所述刀具的中心之间的连接线而延伸的平面的非零倾角(η)，所述切削运动的所述切削方向具有正交于所述齿面而延伸的方向分量。
4.如前述权利要求中的一项所述的方法，其特征在于，所述轴线交叉角(Σ)为至少4°，优选地至少8°，尤其是至少12°，和/或所述轴线交叉角不大于45°，优选地不大于35°，尤其是不大于25°。
5.如前述权利要求中的一项所述的方法，其特征在于，所述倾角(η)为至少8°，优选地至少16°，尤其是至少24°，和/或所述轴线交叉角不大于80°，优选地不大于60°，尤其是不大于40°。
6.如前述权利要求中的一项所述的方法，其特征在于，切削速度为至少10m/min，优选地至少20m/min，尤其是至少50m/min，和/或所述切削速度不大于450m/min，优选地不大于300m/min，进一步优选地不大于200m/min，尤其是不大于150m/min。
7.如前述权利要求中的一项所述的方法，其特征在于，所述刀具(1)与所述带齿工件(2)经受相对于彼此的运动，所述运动具有平行于加工中的所述工件的所述齿轮轴线(Z)的方向分量并且用来完整地精加工所述齿边。
8.如前述权利要求中的一项所述的方法，其特征在于，所述刀具设计成具有如下结构，所述结构引起具有扩大的啮合区域的加工过程，尤其是引起对所述齿边的完整精加工。
9.如权利要求1至6中一项或8所述的方法，其特征在于，在加工轴向端面处的所述齿边的过程中，所述刀具和所述带齿工件不经历具有平行于加工中的所述工件的所述齿轮轴线的方向分量的相对运动。
10.加工在带齿工件(2)的每个轴向端面(3)与齿面之间齿边的加工台，其包括
被动旋转工件主轴，所述工件主轴用来保持具有待加工齿廓的工件，
被动旋转刀具主轴，所述刀具主轴用来保持刀具，
其特征在于，在刀具主轴线与工件主轴线(Z)之间能够设定有不等于零的轴线交叉角(Σ)，并且提供有控制装置，所述控制装置控制所述主轴的旋转运动，以便待加工的所述带齿工件(2)与所述刀具(1)的齿廓之间以不等于零的轴线交叉角(Σ)滚动啮合，尤其是根据如前述权利要求中的一项所述的方法。
11.如权利要求10所述的加工台，其特征在于，具有直线运动轴线，具体地说是具有方向分量的第一机器轴线(X)，所述方向分量径向于所述工件主轴线，具体地说是沿所述工件主轴线的径向方向延伸。
12.如权利要求10或11所述的加工台，其特征在于，提供有机器轴线，所述机器轴线实现所述工件主轴与所述刀具主轴之间的、具有平行于所述工件主轴线的方向分量的相对运动。
13.如权利要求10至12中一项所述的加工台，其特征在于，在所述刀具主轴线与正交于所述带齿工件轮廓的中心与所述刀具的中心之间的连接线延伸的平面之间能够设定有不等于零的倾角(η)。
14.如权利要求10至13中一项所述的加工台，其特征在于，提供有另一旋转机器轴线，所述另一旋转机器轴线包括正交于用来设定所述轴线交叉角(Σ)的所述旋转轴线且正交于所述工件主轴线的方向分量。
15.如权利要求10至13中一项所述的加工台，其特征在于，提供有第二直线机器轴线，所述第二直线机器轴线包括位于正交于所述工件主轴线延伸的平面上的方向分量，其中，所述方向分量线性地独立于所述第一机器轴线在所述平面上的投影。
16.如权利要求10至15中一项所述的加工台，其特征在于，所述刀具是圆盘状的。
17.如权利要求10至16中一项所述的加工台，其特征在于，所述刀具具有步进研磨轮廓。
18.如权利要求10至13中一项所述的加工台，其特征在于，所述刀具(10)构造成具有如下结构，该结构引起具有扩大的啮合区域的加工过程，尤其是引起在一个轴向端面处对所述齿边的完整精加工。
19.如权利要求10至14中一项所述的加工台，其特征在于，所述刀具(10)具有如下区域，所述区域具有在所述刀具的所述旋转轴线(ZW)的方向上测得的不同的其前刀面高度。
20.如权利要求15所述的加工台，其特征在于，所述刀具(10)的所述前刀面至少部分地以螺旋的形式上升。
21.加工带齿工件的切齿机，所述切齿机具有如权利要求10至20中的一项所述的加工台和/或具有控制所述切齿机来执行如权利要求1至9中的一项所述的方法的控制装置，尤其是具有通过例如滚铣、刨齿或动力刮削的软切割过程在加工中的工件上展成齿轮齿的加工台。
22.控制程序，当在加工站和/或切齿机的控制装置上执行时，所述控制程序控制所述加工台和/或切齿机来执行如权利要求1至9中的一项所述的方法。
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