CN105904037B - 齿轮加工装置以及齿轮加工方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供齿轮加工装置以及齿轮加工方法。齿轮加工装置(1)使用具有相对于加工物(W)的旋转轴线(Lw)倾斜的旋转轴线(L)的加工用工具(42)，边使加工用工具(42)与加工物(W)同步旋转边使加工用工具(42)向加工物(W)的旋转轴线(Lw)方向相对地进行进给操作而加工齿轮。而且，加工用工具(42)的刀刃(42a)的刃带(42b)相对于加工用工具(42)的旋转轴线(L)扭转地形成，刃带(42b)的扭转角(β)形成为在齿轮的扭转角(θ)加上加工用工具(42)的旋转轴线(L)与加工物(W)的旋转轴线(Lw)所成的交叉角(φ)后的角。

Description

齿轮加工装置以及齿轮加工方法

技术领域

本发明涉及使加工用工具以及加工物同步旋转并通过切削加工而加工齿轮的齿轮加工装置以及齿轮加工方法。

背景技术

作为通过切削加工而加工螺旋齿轮等的内齿以及外齿的有效的装置，例如，存在日本特开平1-159126号公报所记载的加工装置。该加工装置如下：使能够绕旋转轴线旋转的加工物与能够绕相对于加工物的旋转轴线以规定的角度倾斜的旋转轴线即具有交叉角的旋转轴线旋转的加工用工具例如具有刃带扭转的多个刀刃的刀具同步旋转，将加工用工具向加工物的旋转轴线方向输送而对加工物进行切削加工从而形成齿。而且，在日本专利第4468632号公报记载了在内齿轮加工中，以决定加工用工具的位置、旋转的方式设定交叉角。

通常，上述的加工用工具的刀刃的刃带的扭转角以作为被加工物的齿轮的扭转角与交叉角的差来表示。通常，交叉角设定在10度～30度的范围内，因此例如，在将齿轮的扭转角设为20度，将交叉角设为17度的情况下，刀刃的刃带的扭转角成为3度。而且，虽详细后述，但若刀刃的刃带的扭转角较小，则刀刃的刀尖宽度也变小。在上述的加工用工具中，刀尖在加工时容易变形，因此存在产生抖振而降低加工精度的问题。

发明内容

本发明的目的之一在于提供一种能够抑制使用在工具端面形成刀刃的加工用工具并通过切削加工而加工扭转齿轮时的抖振的齿轮加工装置以及齿轮加工方法。

作为本发明的一方式的齿轮加工装置是使用相对于加工物的旋转轴线具有倾斜的旋转轴线的加工用工具，边使上述加工用工具与上述加工物同步旋转边使上述加工用工具向上述加工物的旋转轴线方向相对地进行进给操作而加工齿轮的齿轮加工装置，上述加工用工具的刀刃的刃带相对于上述加工用工具的旋转轴线扭转地形成，上述刃带的扭转角形成为在上述齿轮的扭转角加上上述加工用工具的旋转轴线与上述加工物的旋转轴线的交叉角后的角。

根据上述结构，刀刃的刃带的扭转角增大，因此刀刃的刀尖宽度也增大。因此，刀尖在加工时难以变形，因此能够抑制抖振的产生而提高加工精度。

作为本发明的其他方式的齿轮加工方法是使用具有相对于加工物的旋转轴线倾斜的旋转轴线，且刀刃的刃带相对于上述倾斜的旋转轴线扭转地形成的加工用工具加工齿轮的齿轮加工方法，该齿轮加工方法具备：刀刃个数设定工序，在该工序中，设定上述刀刃的刀刃个数；扭转角演算工序，在该工序中，设定上述加工用工具的旋转轴线与上述加工物的旋转轴线的交叉角求得上述刃带的扭转角；刀尖宽度演算工序，在该工序中，基于上述设定的刀刃个数以及上述求得的扭转角求得上述刀刃的刀尖宽度；工具决定工序，在该工序中，基于上述求得的刀尖宽度成为规定值以上时的上述刃带的扭转角以及上述设定的刀刃个数，决定上述加工用工具的形状；工具制作工序，在该工序中，基于在上述工具决定工序中决定的形状，制作加工用工具；以及加工工序，在该工序中，使用在上述工具制作工序中制作的加工用工具，边与上述加工物同步旋转边向上述加工物的旋转轴线方向相对地进行进给操作而加工上述齿轮。

根据上述方式，起到与上述的齿轮加工装置的效果相同的效果。

附图说明

根据以下参照附图对实施例进行的详细说明可了解本发明的上述以及更多的特点和优点，在附图中，对相同的元素标注相同的附图标记。

图1是表示本发明的实施方式的齿轮加工装置的整体构成的图。

图2是用于对基于图1的齿轮加工装置的控制装置的处理进行说明的流程图。

图3A是从工具端面侧沿旋转轴线方向观察加工用工具的简要构成的图。

图3B是沿径向观察图3A的加工用工具的简要构成的局部剖视图。

图3C是图3B的加工用工具的刀刃的放大图。

图4A是表示通过图3A的加工用工具进行加工时的加工用工具与加工物的位置关系的图。

图4B是表示通过通常的加工用工具进行加工时的加工用工具与加工物的位置关系的图。

图5是表示在求得加工用工具的刀尖宽度时使用的加工用工具的各部位的图。

具体实施方式

在本实施方式中，作为齿轮加工装置的一个例子，列举五轴加工中心为例，参照图1来进行说明。该齿轮加工装置1是作为驱动轴而具有相互正交的三个直线运动轴(X、Y、Z轴)以及两个旋转轴(A轴、C轴)的装置。

如图1所示，齿轮加工装置1由台座10、机架20、滑动座架30、旋转主轴40、工作台50、倾斜工作台60、转台70、加工物保持件80、控制装置100等构成。此外，虽省略图示，但与台座10并排设置有已知的自动工具交换装置。

台座10由近似矩形状构成，并配置于地板上。在该台座10的上表面配置有用于沿X轴线方向驱动机架20的省略图示的X轴滚珠丝杠。而且，在台座10配置有驱动X轴滚珠丝杠使之旋转的X轴马达11c。

在机架20的与Y轴平行的侧面(滑动面)20a配置有用于沿Y轴线方向驱动滑动座架30的省略图示的Y轴滚珠丝杠。而且，在机架20配置有驱动Y轴滚珠丝杠使之旋转的Y轴马达23c。

旋转主轴40设置为能够通过收容于滑动座架30内的主轴马达41而旋转，并对加工用工具42进行支承。加工用工具42保持于省略图示的工具支架并固定于旋转主轴40的前端，伴随着旋转主轴40的旋转而旋转。加工用工具42伴随着机架20以及滑动座架30的移动而相对于台座10沿X轴线方向以及Y轴线方向移动。此外，加工用工具42的详细后述。

另外，在台座10的上表面配置有用于沿Z轴线方向驱动工作台50的省略图示的Z轴滚珠丝杠。在台座10配置有驱动Z轴滚珠丝杠使之旋转的Z轴马达12c。

在工作台50的上表面设置有对倾斜工作台60进行支承的倾斜工作台支承部63。而且，在倾斜工作台支承部63以能够绕与X轴线平行的A轴线旋转(摆动)的方式设置有倾斜工作台60。倾斜工作台60通过收容于工作台50内的A轴马达61而旋转(摆动)。

在倾斜工作台60以能够绕与A轴线垂直的C轴线旋转的方式设置有转台70。在转台70安装有对加工物W进行保持的加工物保持件80。转台70与加工物W以及加工物保持件80一同通过C轴马达62而旋转。

控制装置100具备工具设计部101、加工控制部102、存储部103等。此处，工具设计部101、加工控制部102以及存储部103也能够分别由单独的硬件构成，也能够作成在一个硬件中通过软件分别实现的构成。

工具设计部101详细后述，但以求得加工用工具42的刀刃42a的扭转角β(参照图3C)等的方式设计加工用工具42。

加工控制部102对主轴马达41进行控制，而使加工用工具42旋转，对X轴马达11c、Z轴马达12c、Y轴马达23c、A轴马达61以及C轴马达62进行控制，而使加工物W与加工用工具42绕X轴线方向、Z轴线方向、Y轴线方向、A轴以及C轴相对移动，从而对加工物W进行切削加工。

存储部103存储在设计加工用工具42时输入的刀刃42a的刀刃个数Z以及交叉角φ。另外，在存储部103预先存储有与加工用工具42相关的工具数据，即刀尖圆弧直径da、基圆直径d、刀刃顶部的高度ha、模数m、变位系数λ、压力角α、正面压力角αt、刀尖压力角αa以及用于对加工物W进行切削加工的加工数据。

在上述的齿轮加工装置1中，使加工用工具42与加工物W同步旋转，将加工用工具42向加工物W的旋转轴线方向输送并对加工物W进行切削加工，从而形成齿轮的齿。如图3A所示，从工具端面42A侧沿旋转轴线L方向观察加工用工具42时的刀刃42a的形状形成为与被加工的齿轮啮合的齿的形状，在本例中，为与渐开线曲线形状相同的形状。

而且，如图3B所示，在加工用工具42的刀刃42a设置有相对于在工具端面42A侧与旋转轴线L垂直的平面倾斜角度γ的前角，并设置有相对于在工具周面42B侧与旋转轴线L平行的直线倾斜角度δ的副后角。而且，如图3C所示，刀刃42a的刃带42b具有相对于与旋转轴线L平行的直线倾斜角度β的扭转角。

如在背景技术中说明的那样，通常，如图4B所示，将相对于与加工物W的旋转轴线Lw平行的直线倾斜的齿轮的扭转角θ(以下，称为加工物W的扭转角θ)与加工物W的旋转轴线Lw和加工用工具92的旋转轴线L的交叉角φ的差设为刀刃92a的刃带92b的扭转角β′(＝θ-φ)而设计加工用工具92(图4B的扭转角β′表示加工用工具92的近前侧(并非加工点)的角度)。但是，在该加工用工具92中，刀刃92a的扭转角β′变小，从而刀刃92a的刀尖宽度也变小，因此存在在加工时刀尖变形而产生抖振，从而使加工精度降低的可能性。

因此，在本实施方式中，增大刀刃42a的刃带42b的扭转角β，从而刀刃42a的刀尖宽度也增大。因此，如图4A所示，将加工物W的扭转角θ与交叉角φ的和设为刀刃42a的刃带42b的扭转角β(＝θ+φ)而设计加工用工具42(图4A的扭转角β表示加工用工具42的近前侧(并非加工点)的角度)。此外，图4A、图4B是在加工用工具42、92位于加工物W的近前侧的状态下从通过加工物W的加工点的径向观察的图，即从与加工物W的旋转轴线Lw直角并通过加工点的直线方向观察的图，交叉角φ是将加工物W的旋转轴线Lw与加工用工具92的旋转轴线L投影在与上述直线垂直的平面上时的角。

以下，对用于求得刀尖宽度的演算例进行说明。

如图5所示，刀刃42a的刀尖宽度Sa以刀尖圆弧直径da以及刀尖圆弧刃厚的半角Ψa来表示(参照式(1))。

Sa＝ψa·da (1)

刀尖圆弧直径da以基圆直径d以及刀刃顶部的高度ha来表示(参照式(2))，并且，基圆直径d以刀刃42a的刀刃个数Z、刀刃42a的刃带42b的扭转角β以及模数m来表示(参照式(3))，刀刃顶部的高度ha以变位系数λ以及模数m来表示(参照式(4))。

da＝d+2·ha (2)

d＝Z·m/cosβ (3)

ha＝2·m(1+λ) (4)

另外，刀尖圆弧刃厚的半角Ψa以刀刃42a的刀刃个数Z、变位系数λ、压力角α、正面压力角αt以及刀尖压力角αa来表示(参照式(5))。此外，正面压力角αt能够以压力角α以及刀刃42a的刃带42b的扭转角β来表示(参照式(6))，刀尖压力角αa能够以正面压力角αt、刀尖圆弧直径da以及基圆直径d来表示(参照式(7))。

ψa＝π/2·Z+2·λ·tanα/Z+(tanαt-αt)-(tanαa-αa) (5)

αt＝tan^-1(tanα/cosβ) (6)

αa＝cos^-1(d·cosαt/da) (7)

本实施方式的加工用工具42的刀尖圆弧直径da在为与以往的加工用工具92的刀尖圆弧直径相同的情况下，如根据式(5)～式(7)明确的那样，若刀刃42a的刃带42b的扭转角β增大，则cosβ变小，因此刀尖圆弧刃厚的半角Ψa增大。因此，如根据式(1)明确的那样，刀刃42a的刀尖宽度Sa增大。

具体而言，例如，在将以往的加工用工具92以及本实施方式的加工用工具42的刀刃个数Z、变位系数λ以及模数m设为相同，将加工物W的扭转角θ设为20度，将交叉角φ设为17度的情况下，以往的加工用工具92的刀刃92a的刃带92b的扭转角β′成为3度，因此根据式(1)～(7)，刀刃92a的刀尖宽度Sa成为0.16mm。另一方面，本实施方式的加工用工具42的刀刃42a的刃带42b的扭转角β成为37度，因此根据式(1)～(7)，刀刃42a的刀尖宽度Sa成为0.3mm，从而比以往的加工用工具92的刀刃92a的刀尖宽度0.16mm大。

参照图2对控制装置100的处理进行说明。此外，与加工用工具42有关的数据，即刀尖圆弧直径da、基圆直径d、刀刃顶部的高度ha、模数m、变位系数λ、压力角α、正面压力角αt以及刀尖压力角αa被预先存储于存储部103。

控制装置100的工具设计部101将由工作人员输入的加工用工具42的刀刃42a的刀刃个数Z存储于存储部103(图2的步骤S1)。这相当于刀刃个数设定工序。工具设计部101将由工作人员输入的加工物W的旋转轴线Lw与加工用工具42的旋转轴线L的交叉角φ存储于存储部103，并基于该交叉角φ求得加工用工具42的刀刃42a的刃带42b的扭转角β(图2的步骤S2)。这相当于扭转角演算工序。

工具设计部101基于存储的刀刃个数Z以及求得的扭转角β，求得刀刃42a的刀尖宽度Sa(图2的步骤S3)。这相当于刀尖宽度演算工序。工具设计部101从存储部103读取被预先存储的刀尖宽度Sa的阈值SS，对求得的刀尖宽度Sa是否成为阈值SS以上进行判断(图2的步骤S4)。

工具设计部101在求得的刀尖宽度Sa小于阈值SS时，返回步骤S1反复上述的处理，若求得的刀尖宽度Sa成为阈值SS以上，则基于求得的扭转角β以及存储的刀刃个数Z，决定加工用工具42的形状(图2的步骤S5)。这相当于工具决定工序。

该决定的加工用工具42的形状的数据显示于例如控制装置100的省略图示的显示部。因此，工作人员基于该显示数据制作加工用工具42(图2的步骤6)。这相当于工具制作工序。工作人员将制作的加工用工具42安装于旋转主轴40，并相对于加工物W设置交叉角φ。加工控制部102边使加工用工具42与加工物W同步旋转边使加工用工具42向加工物W的旋转轴线Lw方向相对地进行进给操作而加工加工物W，从而制作齿轮(图2的步骤S7)。这相当于加工工序。

本实施方式的齿轮加工装置1使用具有相对于加工物W的旋转轴线Lw倾斜的旋转轴线L的加工用工具42，边使加工用工具42与加工物W同步旋转边使加工用工具42向加工物W的旋转轴线Lw方向相对地进行进给操作而加工齿轮。而且，加工用工具42的刀刃42a的刃带42b相对于加工用工具42的旋转轴线L扭转地形成，刃带42b的扭转角β形成为在齿轮的扭转角θ加上加工用工具42的旋转轴线L与加工物W的旋转轴线Lw的交叉角φ后的角。

由此，刀刃42a的刃带42b的扭转角β增大，因此刀刃42a的刀尖宽度Sa也增大。因此，刀尖在加工时难以变形，因此能够抑制抖振的产生而提高加工精度。特别地，在加工物W的齿底宽度较窄时，在以往的装置中，刀刃42a的刀尖宽度Sa变窄，但在本实施方式的装置中，能够增大刀刃42a的刀尖宽度Sa。

另外，设定刀刃42a的刀刃个数Z，设定交叉角φ求得刃带的扭转角β，基于设定的刀刃个数Z以及求得的扭转角β，求得刀刃42a的刀尖宽度Sa从而形成加工用工具42。由此，能够获得具有刀尖宽度Sa的较大的刀刃42a的加工用工具42。

另外，本实施方式的齿轮加工方法是使用加工用工具42加工齿轮的齿轮加工方法，其中，加工用工具42具有相对于加工物W的旋转轴线Lw倾斜的旋转轴线L，且刀刃42a的刃带42b相对于倾斜的旋转轴线L扭转地形成该加工用工具42。而且，该齿轮加工方法具备：设定刀刃42a的刀刃个数Z的刀刃个数设定工序(图2的步骤S1)、设定加工用工具42的旋转轴线L与加工物W的旋转轴线Lw的交叉角φ，求得刃带42b的扭转角β的扭转角演算工序(图2的步骤S2)以及基于设定的刀刃个数Z以及求得的扭转角β求得刀刃42a的刀尖宽度Sa的刀尖宽度演算工序(图2的步骤S3)。

进一步具备：基于求得的刀尖宽度Sa成为阈值SS以上时的刃带42b的扭转角β以及设定的刀刃个数Z，决定加工用工具的形状的工具决定工序(图2的步骤S5)、基于决定的加工用工具的形状，制作加工用工具的工具制作工序(图2的步骤S6)以及边使制作的加工用工具42与加工物W同步旋转边使制作的加工用工具42向加工物W的旋转轴线Lw方向相对地进行进给操作而加工齿轮的加工工序(图2的步骤S7)。由此，刀刃42a的刃带42b的扭转角β增大，因此刀刃42a的刀尖宽度Sa也增大。因此，刀尖在加工时难以变形，因此能够抑制抖振的产生而提高加工精度。另外，刀尖的刚性较高，因此磨损较少，从而能够提高寿命。

在上述的实施方式中，作为五轴加工中心的齿轮加工装置1能够使加工物W绕A轴旋转。与此相对，五轴加工中心也可以作为纵式加工中心，而形成能够使加工用工具42绕A轴旋转的构成。另外，虽对将本发明应用于加工中心的情况进行了说明，但相对于齿轮加工的专用机也能够相同地应用。另外，作为加工物W，也可以为具有扭转角度的齿轮(螺旋齿轮)等，但即便是其他的齿轮也能够进行加工。

Claims (4)

1.一种齿轮加工装置，具备旋转主轴、倾斜工作台以及转台，所述旋转主轴对被主轴马达驱动而旋转的加工用工具进行支承，所述转台被安装在所述倾斜工作台上，所述转台经由加工物保持件对加工物进行保持，其中，

在所述齿轮加工装置中，所述转台的旋转轴线为所述加工物的旋转轴线，通过摆动倾斜工作台，使所述加工物的旋转轴线相对于所述加工用工具的旋转轴线倾斜，边使所述加工用工具与所述加工物同步旋转边使所述加工用工具沿所述加工物的旋转轴线方向相对地进行进给操作来加工齿轮，其中，

所述加工用工具的刀刃的刃带相对于所述加工用工具的旋转轴线扭转地形成，所述刃带的扭转角形成为在所述齿轮的扭转角加上所述加工用工具的旋转轴线与所述加工物的旋转轴线的交叉角后的角。

2.根据权利要求1的齿轮加工装置，其中，

设定所述刀刃的刀刃个数，设定所述交叉角而求得所述刃带的扭转角，基于所述设定的刀刃个数以及所述求得的扭转角，求得所述刀刃的刀尖宽度，基于这些因素形成所述加工用工具。

3.一种齿轮加工方法，使用加工用工具加工齿轮，所述加工用工具具有相对于加工物的旋转轴线倾斜的旋转轴线，且所述加工用工具的刀刃的刃带相对于所述倾斜的旋转轴线扭转地形成，

所述齿轮加工方法包括：

设定所述刀刃的刀刃个数的刀刃个数设定工序；

扭转角演算工序，在该工序中，设定所述加工用工具的旋转轴线与所述加工物的旋转轴线的交叉角，将在所述齿轮的扭转角加上所述交叉角后的角作为所述刃带的扭转角求得；

刀尖宽度演算工序，在该工序中，基于所述设定的刀刃个数以及所述求得的扭转角求得所述刀刃的刀尖宽度；

工具决定工序，在该工序中，基于所述求得的刀尖宽度成为规定的阈值以上时的所述刃带的扭转角以及所述设定的刀刃个数，决定所述加工用工具的形状；

工具制作工序，在该工序中，基于在所述工具决定工序中决定的形状，制作加工用工具；以及

加工工序，在该工序中，使用在所述工具制作工序中制作的加工用工具，边使所述加工用工具与所述加工物同步旋转边使所述加工用工具沿所述加工物的旋转轴线方向相对地进行进给操作来加工所述齿轮。

4.根据权利要求3所述的齿轮加工方法，其中，

在所述刀尖宽度演算工序中，所述刀刃的刀尖宽度使用式(1)～式(7)的关系式而求得，

Sa＝ψa·da (1)

da＝d+2·ha (2)

d＝Z·m/cosβ (3)

ha＝2·m(1+λ) (4)

ψa＝π/2·Z+2·λ·tanα/Z+(tanαt-αt)-(tanαa-αa) (5)

αt＝tan^-1(tanα/cosβ) (6)

αa＝cos^-1(d·cosαt/da) (7)

此处

Sa：刀刃的刀尖宽度；

da：刀尖圆弧直径；

Ψa：刀尖圆弧刃厚的半角；

d：基圆直径；

ha：刀刃顶部的高度；

Z：刀刃的刀刃个数；

β：刀刃的刃带的扭转角；

m：模数；

λ：变位系数；

α：压力角；

αt：正面压力角；

αa：刀尖压力角。