CN111515472A - 加工齿轮工件的方法 - Google Patents

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Abstract

一种用于在使用切削工具的机器中对齿轮工件进行产生切屑的加工的方法，该切削工具包括至少两个几何结构上限定的切削刃，这些切削刃在产生切屑的加工的范围内在齿轮工件上产生切屑形式的材料，其中通过方法参数定义限定产生切屑的加工，该方法具有以下方法步骤：(1)对在切削工具的多个切削刃上产生的切屑执行计算机辅助分析(V3)，(2)执行相关力的计算机辅助确定，相关力将在产生切屑期间在切削工具的多个切削刃上出现，(3)优化产生切屑的加工，以防止相关力超过预定极限值或达到极限范围，其中通过在优化范围内对方法参数中的至少一个进行调整来提供调整的方法参数，和(4)使用调整的方法参数或多个方法参数对齿轮工件(11)执行产生切屑的加工(V6)。

Description

加工齿轮工件的方法
技术领域
本发明的主题是一种用于(齿轮切削)加工齿轮工件的方法。
背景技术
存在很多大大不同的用于锥齿轮的齿轮切削的方法。用于制造锥齿轮的铣削方法的特征可以如下：
-分度方法
ο单分度方法(也称为间歇分度方法、间歇分度工艺、单分度工艺、或面铣削)，和
ο连续分度方法；
-滚动
ο滚动方法，和
ο不滚动的切入(plunging)方法。
此外，在完成方法和半完成方法之间进行区分，其中这涉及产生最终几何结构所需的必要步骤的数量。在完成的情况下，工具使用一种机器设置进行切削，在半完成的情况下，工具使用两种单独的机器设置进行切削。在半完成的情况下，一种机器设置用于切削凹齿面，另一种机器设置用于切削凸齿面。此外，存在在单侧上进行切削的方法，其中，具有一种机器设置的一个工具切削凹齿面，而具有其他机器设置的另一种工具切削凸齿面。
所提及的方法的这些属性可以彼此组合，并且在工业中的应用也很流行。
经常使用单分度完成方法和连续完成方法。图1A中以示例方式显示了单分度方法的基本原理。具体而言，这里是单分度完成方法。该单分度完成方法示意性地显示在图1A中。在这种情况下，为简化起见，在此未示出锥齿轮工件11和刀头20的常见滚动运动，该常见滚动运动比刀头20的旋转ω1慢得多。该图示是滚动过程的准快照。刀头20的外切削刃21.a和内切削刃21.i完成圆弧形式的连续运动。刀头20的旋转运动(这里为逆时针方向)由用ω1标识的箭头表示。工具主轴的旋转点或与附图平面的交点相应地由参考符号102标识。为了制造进一步的齿隙，刀头20缩回，而锥齿轮工件11旋转一分度角(称为分度旋转)。一步接一步的进一步旋转(这里为顺时针方向)在图1A中用箭头a、b和c表示。因此总是一次制造一个齿隙。
带扩张外摆线(也称为延伸外摆线)齿的锥齿轮通过连续分度方法(也称为连续齿轮滚齿加工、连续分度工艺或面滚齿加工)来制造。在图1B中示意性地示出了相应的示例。在这里使用棒状刀头30作为工具。
在以连续分度法生产外摆线时(参见图1B)，棒状刀头30的齿数与螺纹数之比(刀具组的数量)对应于基圆G的半径与G与节圆R的半径之比。如果棒状刀具的切削刃所在的刀头公称半径大于节圆R的半径，则表示延伸外摆线。在这种连续分度方法中，刀头30和工件11二者以时间顺序彼此适应的运动顺序旋转。因此，分度连续进行，并且所有齿隙几乎同时产生。在此，刀头30的旋转运动用ω2表示，而工件11的旋转运动用ω3表示。这些运动由所需的分度运动和滚动运动组成。图1B显示了滚动工艺的准快照。在图1B中可以看出，棒状刀头30的棒状刀具33.a、33.i通常成对布置(成组，每组具有两个刀具)。棒状刀具33.a、33.i的布置沿标称圆N不是同心的，如在图1A的棒状刀头20中那样。在图1B中可以看出，刀头30的节圆R沿着工件11的基圆G滚动。M在此标识了刀头30的中心点，而Z1标识了飞圆(flightcircle)半径。
图1A和图1B所示的方法如果是在不滚动的情况下进行的，则它们也可以用作制造冠状齿轮的切入方法。
此外，存在执行上述方法的各种过程的可能性。例如，有单滚动、切入滚动、双滚动等等。通过组合滚动过程和切入过程、起始值和结束值以及速度曲线，可以使用变化很大的变型。
在图1A和图1B的基础上，很容易看出这些方法的运动学有时可能非常复杂，因为多个运动顺序相互协调地发生。
从图1A和图1B也可以看出，根据快照，多个刀具可以处于切削接合状态。因此，可能会发生动态载荷变化。
图1C示出了根据现有技术的示例性单分度半完成方法的第一加工阶段的示意性截面图。在该第一加工阶段期间，锥齿轮工件11的左齿面53f被精切削，同时右齿面54v被粗切削。在第一加工阶段中，棒状刀具的有效区域26位于第一相对位置RP1中。在所示的时刻，外切削刃21.a的一部分、内切削刃21.i的一部分和头部切削刃21.k被用于去除切屑。被用于去除切屑的切削刃21.a、21.i、21.k的部分用点线突出显示。
图1D示出了根据现有技术的示例性单分度半完成方法的第二加工阶段的示意性截面图。在该第二加工阶段期间，锥齿轮工件11的右齿面54f和底部平台114的区域被精切削。在所示的时刻，外切削刃21.a的一部分和头部切削刃21.k被用于去除切屑。不使用内切削刃21.i。
从图1C和图1D可以看出，根据加工阶段，切削刃的不同区域可以被接合进行切屑去除。因此，由于加工面的变化，也会发生动态载荷变化。
图1A至1D的示意图仅在某种程度上能够说明动态变化载荷的复杂性。实际上，这些关系仍然要显然复杂得多。动态变化载荷取决于众多因素。尤其是，切屑厚度、每单位时间切削数量、切削速度、齿轮切削机器和工具的刚度、齿轮切削工具的刀具切削部分的刚度、齿轮切削工具的刀具切削部分的切削刃的形状和方向、以及齿轮工件的材料特性(例如，材料的可加工性)都起着作用，仅提及影响变量中的一些。
另外，存在供应商正在努力提高所描述的方法的生产率的事实。这些尤其是旨在提高切削速度。因此，对齿轮切削工具的材料和工具使用寿命的要求增加了。由于刀头系统具有更大的灵活性，因此它们的使用越来越频繁。
刀头是最常用的工具形式。取决于刀头类型和方法，可以使用棒状刀具、成形刀具或者具有切削板的刀具作为刀具。例如，棒状刀具被布置在所谓的刀具组中。刀具组可以由例如三个刀具(内刀具、中间或头部刀具、和外刀具)、两个刀具(内刀具和外刀具)、或者一个刀具(完整刀具或者内或外刀具)组成。
可以从图2A、2B和2C推断出示例性刀头系统的细节。因为这里是现有技术的刀头20，所以这里仍然使用相同的参考符号。
对应的刀头20可以承载例如多个棒状刀具组，每个棒状刀具组均具有至少一个内刀具21.i和至少一个外刀具21.a，已经如图1A所示。
图2A、2B和2C的刀头20可以承载例如多个棒状刀具23，每个棒状刀具23均具有一个内切削刃21.i和一个外切削刃21.a，如在图2A中可以看到的那样。与图1C和图1D相反，棒状刀具23的有效区域26在这里具有非对称形状。
根据齿轮切削方法，外切削刃21.a去除例如来自齿隙12的右齿面54v(参见图1C)的材料，以粗切削该右齿面54v。同时，根据齿轮切削方法，内切削刃21.i去除例如来自齿隙12的左齿面53f的材料，以精切削该左齿面53f(参见图1C)。
在随后的方法步骤中，外切削刃21.a则可以进一步去除来自齿隙12的右齿面54v(参见图1D)的材料，以精切削该右齿面54v。精切削的齿面由附图标记53f和54f标识。
为了能够去除来自齿隙12的齿面的材料，如已经提及的，通过其中使用了刀头20的齿轮切削机器来预定对应的机器设置。
下文基于图2A-2C解释了作为示例示出的刀头20的更多细节。这些在此仅仅是示例性说明。
棒状刀具23可以包括轴25，该轴固定在刀头20的基体22的容置开口中。棒状刀具23的前刀面由参考符号27标识。加工期间切屑在其上逸出的有效区域26的表面被称为前刀面27。参考符号28标识顶部释放表面，而参考符号28.a、28.i标识两个侧向释放表面。此外，还设置有头部切削刃21.k。
原则上，有效区域26的各个表面以及各个表面之间的角度由齿轮切削工具的假定切削方向和前进方向限定。基本术语可取自例如DIN规范DIN6581“Begriffe derZerspantechnik–Bezugssystem und Winkel am Schneidteil des Werkzeugs[加工技术术语–参照系统和工具的切削部分上的角度]”，Beuth–Verlag，柏林，1985年。但是，也可以使用其他定义和参照系统。
确切地说，有效区域26的切削刃(或多个切削刃)的三维几何结构主要由齿轮工件的待铣削的齿隙的三维几何结构以及由运动学方法限定。因此，对切削刃(或多个切削刃)的三维几何结构的设计/修改设置了相应的限制。
现代齿轮切削机器的NC控制器部分地设计成使得其能够缓慢旋转地加速齿轮切削工具(例如，棒状刀头)，或者在将齿轮切削工具切入齿轮工件的材料期间遵循预定的加速度曲线。以这种方式，例如，可以避免突然发生的载荷变化，或者可以减小突然发生的载荷变化对工具和工件的负面影响。因此有时可以延长工具的使用寿命。
另外，越来越多地使用(软件)模块，这些模块被设计成与齿轮切削机器的NC控制器相互作用。在这种情况下，这样的模块可以监测和调节例如轴驱动器(例如，工具主轴的旋转驱动器)的功率消耗。在这种方法中，假定功率消耗与作用在齿轮切削工具上的载荷成比例地增加。这样的模块可以暂时限制驱动器的功率供应，例如，以防止齿轮切削工具上的载荷达到峰值。
尽管采取了这些措施，但是仍可能发生明显的工具磨损或甚至齿轮切削工具的过早失效，或者例如在齿轮切削期间会出现意外的振动。
发明内容
因此，本发明的目的在于提供一种方法和装置，以便防止齿轮切削工具的过早工具磨损或甚至失效和/或抑制可能影响齿轮齿的表面质量的振动。
本发明的目的还在于使得能够优化工具的利用，其中术语“优化”不应在数学优化的意义上理解，而是应在技术优化或修改的意义上理解。
本发明从使得能够监测在齿轮切削工具的切削刃上的相关力作用的方法出发。
借助于这种方法，在实施例的至少一部分中，可以防止过大的力瞬时地和/或局部地出现在各个切削刃上。
此外，在实施例的至少一部分中，可以尽可能高效地分别使用工具或工具的切削刃，使得在切削刃处不超过极限值。但是，通过这种方法可以尽可能快地进行产生切屑的加工(chip-producing machining)而同时又不会超出极限值或离开极限范围。
本发明涉及使用切削工具对齿轮工件进行切削加工(也称为齿轮切削加工)，该切削工具包括至少两个几何结构上限定的切削刃。
在实施例的全部或至少一部分中，本发明的方法设计成用于在使用切削工具的机器中对齿轮工件进行产生切屑的(齿轮切削)加工，该切削工具包括至少两个几何结构上限定的切削刃，其中切削刃在产生切屑的加工的范围内在齿轮工件上产生切屑形式的材料。通过方法参数来定义产生切屑的加工，本发明的方法包括以下步骤：
(1)对切削工具的切削刃上产生的切屑进行计算机辅助分析，
(2)通过计算机辅助确定在产生切屑期间将在切削工具的切削刃上出现的相关力，
(3)优化产生切屑的加工以防止相关力超过预定极限值或达到极限范围，其中，通过在优化范围内对方法参数中的至少一个方法参数进行调整来提供调整的方法参数，和
(4)使用调整的方法参数(或多个调整的方法参数)对齿轮工件(11)进行产生切屑的加工(V6)。
在所有实施例中，所述至少两个几何结构上限定的切削刃可以布置在共同的刀具上或布置在不同的刀具上。
在实施例的全部或至少一部分中，本发明的方法分为准备步骤(1)–(3)和步骤(4)，该步骤(4)用于实际的齿轮工件的产生切屑的加工。
在实施例的至少一部分中，步骤(1)和(2)可以部分重叠地或者甚至同时地执行。
为了能够计划齿轮工件的产生切屑的加工以及随后能够以监测的方式进行产生切屑的加工，根据该方法和实施例，例如，相关力效应可以定义为切削刃的每单位长度的力、切削刃的每单位长度的扭矩、切削刃的每单位体积的力、切削刃的每单位体积的扭矩、或者取决于刀具的材料的相关力效应。
为了能够对齿轮切削工具的切削刃上的相关力效应做出陈述(statements)，根据本发明，在本发明的一部分或全部实施例中，在准备步骤(1)–(3)中解析确定方法力(例如，基于系统研究及其分析)，它们在切削加工期间作用在齿轮切削工具的刀具的有效区域的各个切削刃上。
因此，所有实施例都涉及相关变量(例如，力或扭矩)，该相关变量以某种形式与齿轮切削工具的切削刃相关。
在实施例的至少一部分中，在用于在齿轮工件上形成切屑的准备步骤(1)-(2)中，确定力，所述力导致齿轮工件的材料的剪切。在这种情况下，例如可以应用机械模型，其描述了剪切平面和/或剪切区的形成。即，在这种情况下，对于剪切平面和/或剪切区，遵循通过形成过程建模的路径。
在实施例的至少一部分中，在用于在齿轮工件上形成切屑的准备步骤(1)–(2)中，假定切屑厚度与对应的加工力之间呈线性关系，这有助于减少方法力的解析确定工作。
在实施例的至少一部分中，在用于在齿轮工件上形成切屑的准备步骤(1)-(2)中，也可以应用势模型(potential model)或指数模型。
例如，在形成过程的分析和/或建模期间或在使用线性、势或指数模型期间，可以利用现有的模型和/或数据，或可以应用自己的模型和/或数据，和/或可以执行自己的系统研究及其分析。
由于到目前为止尚无用于在锥齿轮铣削期间对形成过程建模的一般有效的解析公式，并且由于在锥齿轮铣削期间运动学条件可能发生显著变化，因此在根据本发明的所有实施例中，锥齿轮的铣削可以分解成各个独立的方法步骤(在此称为分段)以便更好地解析研究和分析。对于这些方法步骤(在此也称为段)中的每一个，则可以解析确定相关切削力，该相关切削力作用在有效区域的各个切削刃上或者作用在各个切削刃的较短部分上。
如果从本发明的方法得出的结果是，假设在齿轮切削工具的切削刃中的至少一个切削刃的至少一个点上产生力效应，
-该力效应超过极限值，
-该力效应达到极限范围或离开极限范围，
则因此该方法可以提供/触发以下反应中的一个或多个：
-发出警报(光学警报和/或声学警报)；
-在显示屏上生成(图形)表示，其中优选地，至少识别所述至少一个切削刃的所述至少一个点，在该点处预期有过大的力效应；
-发布消息(例如，在移动系统上或经由网络)；
-启动(更新的)设计程序，以能够修改加工方法的至少一个方法参数。
由于该方法可以通过过程仿真和切屑分析来计算预期的力效应，因此可以提供一软件模块，该软件模块在预期局部过载的情况下逆向确定那些方法参数导致该局部过载。一旦找到这些方法参数，软件就可以在可选步骤中建议修改。在这种情况下，可以提示用户接受所建议的修改。然后优选地使用修改的方法参数(或多个方法参数)再次执行步骤。在对应的优化结束时，该方法在齿轮工件的加工方向上分支返回。
在本说明书和权利要求书的意义中，尤其是，以下变量、参数、值可以理解为方法参数：
-切削速度，和/或
-前进速度，和/或
-切入速度，和/或
-滚动速度，和/或
-机器中的角速度(或多个角速度)，和/或
-机器中的其他线性运动速度，和/或
-机器的轴向运动的插补类型，和/或
-压力，和/或
-加速度(或多个加速度)。
在本说明书和权利要求书的意义中，调节变量和/或控制变量也被理解为方法参数。刀具(或多个刀具)的切削刃几何结构也被认为是方法参数，例如，切削刃位置、楔入角、前角、自由角和切削刃的准备。
在本说明书和权利要求书的意义中，刀头和/或刀头分度的选择、刀具的材料、和/或切削工艺(例如，代替单滚动的切入滚动)也被视为方法参数。
如果从本发明的方法得出的结果是假设在齿轮切削工具的切削刃中的至少一个切削刃的至少一个点上产生的力效应例如明显低于极限值或在极限范围之外，则因此为了优化方法而可以修改加工方法的至少一个方法参数，使得在相关的切削刃的该至少一个点上的力效应更接近极限值或在极限范围内。
由于该方法可以通过过程仿真和切屑分析来计算预期的力效应，因此可以提供一软件模块，该软件模块在切削刃载荷过低的情况下(例如，数值上迭代)逆向确定哪些方法参数导致这种过低载荷。一旦找到这些方法参数，软件就可以在可选步骤中建议修改。在这种情况下，可以提示用户接受所建议的修改。然后优选地使用修改的方法参数(或多个方法参数)再次执行步骤。在对应的优化结束时，该方法则在齿轮工件的加工方向上分支返回。
然而，还存在其他切削工具(例如，单件式刀头)，其可以在本发明的方法的范围内使用。一般而言，这些是包括位于一个刀具或两个不同刀具上的至少两个几何结构上限定的切削刃的切削工具。
通过使用本发明，可以有效且经济/高效地制造具有高质量表面的齿面，其中可以计划/监测各个切削刃上的力效应。
结果，本发明的使用提供了具有高精度和高质量表面的齿轮，例如带螺旋齿的锥齿轮，其中尽可能地利用切削工具的最大可能的使用寿命。
本发明尤其可以应用于齿轮切削工具，其中，以切屑去除的方式同时使用了多于仅一个的几何结构上限定的切削刃。特别地，本发明的所有实施例可以应用于装备有至少两个成形刀具或至少两个棒状刀具或至少两个切削板的齿轮切削工具。
通过有针对性的计划避免齿轮切削工具的热过载和/或机械过载，本发明使得能够利用切削工具的最大可能的使用寿命。
借助于本发明的方法，可以在切削加工方法的一部分或全部(时间)部分中确定预期的切削刃的载荷。如果应预测到过大的力，则例如因此可以选择其他方法参数(或多个方法参数)。如果应预测过小的力，则例如因此可以选择其他方法参数(或多个方法参数)以实现优化。
附图说明
以下参照附图更详细地解释了本发明的示例性实施例。
图1A示出了根据现有技术的单分度方法的示意图，用以能够描述单分度方法的基本原理。
图1B示出了根据现有技术的连续滚动分度方法(例如，摆线齿加工(cyclo-palloid)方法)的示意图，用以能够描述连续分度方法的基本原理。
图1C示出了根据现有技术的半完成单分度方法的第一加工阶段在锥齿轮工件的左齿面的精齿切削和同时右齿面的粗齿切削期间的示意性截面图。
图1D示出了根据现有技术的半完成单分度方法的第二加工阶段在图1C的锥齿轮工件的右齿面的精齿切削期间的示意性截面图；
图2A-2C示出了根据现有技术的来自Klingelnberg的示例性ARCON刀头的细节。
图3示出了前刀面和包围该前刀面的三个切削刃的示意性透视图。
图4示出了本发明的方法的步骤的示意性流程图。
图5示出了本发明的方法的示例性中间结果的表格表示。
图6示出了本发明的另一方法的示例性中间结果的表格表示。
图7A示出了前刀面和包围该前刀面的三个切削刃的示意性透视图。
图7B以示意图的形式示出了在三个切削刃上的力效应与距离x的关系。
图7C示出了根据图7B的本发明的方法的示例性中间结果的表格表示。
具体实施方式
为了能够更好地描述可能在齿轮切削工具上出现的动态变化的载荷，在下文中通过示例的方式并且仅示意性地参考了来自Klingelnberg的刀头系统。
在此，这是被设计成用于单分度齿轮切削方法(单分度方法)的刀头系统。这种单分度方法的基本方面在开始已经基于图1A进行了解释。本发明还可以应用于连续分度方法(如在开始基于图1B所解释的)以及其他工艺。
在开始描述的图2A中，切削力由箭头S表示(箭头的长度与力的大小成正比，箭头的取向表示力的方向)。切削力S基本上垂直于前刀面27。该切削力S是作为时间t的函数的矢量，因此这里也使用参考符号S(t)。
由于在此作用在工具20的切削刃上的力效应很重要，切削力S在图3中被分解为三个较小的箭头或矢量K.i、K.a和K.k，它们作用相反。在此进行力分配，以能够更准确地判断作用在各个切削刃上的力。
这三个矢量K.i、K.a和K.k与切削力S一起在三维空间中形成力平衡。K.i描述了作用在内切削刃21.i上的所有分力的总和，K.a描述了作用在外切削刃21.a上的所有分力的总和，K.k描述了作用在头部切削刃21.k上的所有分力的总和。但是，在此这只是时间轴上的非常简化的快照。
在使用工具20的切削刃对齿轮工件11进行齿轮切削期间，这些分力的总和经受连续变化。在这种情况下，不仅其大小可以改变，而且其取向也可以改变。此外，起点可以沿切削刃行进。各个分力K.i、K.a和K.k的总和起始的切削刃的点被称为起始点。
由于工具20由机器的工具主轴旋转驱动(其尺寸是已知的)，所以相关力也总是可以表述为相关扭矩。如果已知切削刃在空间中的取向和长度以及相关力至工具主轴的旋转轴线的距离，则可以将相关力转换成相关扭矩。
在所有实施例中，可以使用相关力和/或相关扭矩以能够判断在至少两个切削刃上的力效应。由于工具主轴的主轴驱动器被供给电流，因此在所有实施例中，例如，也可以使用主轴驱动器(或主轴驱动器的绕组)每毫米切削刃长度的功率消耗。
在切入工艺中，例如，线性齿面由齿轮切削工具20的线性切削刃形成在齿轮工件上。在滚动工艺中，齿面通过大量成形切削的包络形成在齿轮工件上。在这种情况下，运动明显更复杂，并且只能用明显更大的计算工作来确定在切削刃上出现的力。
如果例如在齿轮工件的齿轮切削期间执行齿面形貌的修改，则齿轮切削工具和齿轮工件的对应的相关运动因此仍然明显更复杂。
因此，切削力S的大小、取向和起始点也可以改变，其中切削力S与分力K.i、K.a和K.k形成力平衡，如已经提及的那样。因此，分力也是时间t的函数，如参考符号K.i(t)、K.a(t)和K.k(t)所示。
在所有实施例中，切削刃可以被分成较小的部分(例如，分成各个独立的线或点)。在这种情况下，相关力和/或相关扭矩和/或相关电流和/或功率消耗也被分成几部分。
如在开始结合图1A-1D所述的那样，通过在给定的时间点切削而操作的刀具的数量可以变化。即，工具20的工具主轴的主轴驱动器的总驱动力(或相应的功率消耗)被分解为多个切削力S，在使用中，这些切削力S均可以具有不同的大小、取向和在前刀面27上的不同的起始点。如果尽管在时间上改变了反作用力，齿轮切削工具20仍以例如工具主轴的恒定速度被驱动，则主轴驱动器的NC控制器必须永久性地重新调节电流。随着在切削刃上的分力的增加，主轴驱动器必须以较大的驱动扭矩来响应，即，必须增加所施加的电流。如果分力的总和减小，则必须减小电流以减小驱动扭矩，以便保持速度恒定。
本发明从使得能够尽可能准确地监测在齿轮切削工具的切削刃上的相关力效应以及使得恩能够给识别各个方法参数的关系/效应的方法出发。
根据本发明，在实际齿轮切削之前，可以根据时间来计算预期的力K.i、K.a和K.k。
如果假定每个切削刃仅有一个力效应并且为了简化起见假定该力作用在整个切削刃长度上(不适用于图1C的快照)，则可以计算相关力效应，因为当前作用的力在每种情况下均被绝对切削刃长度分割。作用在具有较短的切削刃长度的切削刃上的1000N比作用在具有较长的切削刃长度的切削刃上的1000N导致明显更高的相关力效应。
在所有实施例中，可以为每个切削刃限定一个特定于切削刃的最大力，和/或可以为每个切削刃限定一个相关的、特定于切削刃的最大力效应。
因此，所有实施例都涉及以某种形式与齿轮切削工具的切削刃相关的相关变量。
为了能够覆盖根据本发明的方法的不同变型，这些相关变量在这里被称为相关的、特定于切削刃的力规范，或者简称为相关的、特定于切削刃的力。也就是说，这些相关变量可以是例如与特定切削刃相关的(最大)力，或者可以是与特定切削刃的几何结构规范(例如，(部分)长度、(部分)面积或(部分)体积)相关的(最大)力。面积和体积直接与对应切削刃的(部分)长度相关。因此可以进行转换。
如已经提及的，代替力，扭矩和/或功率消耗也可以用作相关变量。
此外，作用在对应切削刃的(部分)长度上的力与作用在对应(部分)体积上用以切断切屑的切削功之间也存在直接关系。
在以与特定切削刃相关的相关力进行操作的实施例中，相关力可以例如对于工具20的第一刀具定义为用于内切削刃的K.i1[N]、用于外切削刃的K.a1[N]以及用于头部切削刃的K.k1[N]。然后，相关力对于同一工具20的第二刀具则定义为用于内切削刃的K.i2[N]、用于外切削刃的K.a2[N]以及用于头部切削刃的K.k2[N]。因此，可以将相关力分配给工具20的每个刀具的每个切削刃。这里所使用的命名应理解为仅是示例。
如果工具20包括例如多个刀具组(例如，外刀具、中间刀具和内刀具)，则在所有实施例中，可以将所述相关力例如分配给这样的组中的每个刀具。
为了防止切削刃的暂时过度应变或甚至断裂，在所有实施例中，可以分别为每个切削刃独立地指定最大值(作为极限值)。
如果相应的切削刃的长度大小是已知的，则力可以分别表述为以N为单位的绝对值。长度例如为20mm的外切削刃21a可以被分配为例如最大相关力K.amax＝2000N(在此上下文中，词语“相关”表示该力在与特定切削刃相关)。原则上，这对应于相管的特定于切削刃的最大力rK.amax＝2000N/20mm＝100N/mm。
通过这种方法，可以防止在齿轮工件的齿轮切削期间在各个切削刃上瞬时地和/或局部地产生过大的力。
为此，根据方法和实施例，例如，相关力效应也可以定义为切削刃的每单位长度的力、切削刃的每单位长度的扭矩、切削刃的每单位体积的力、切削刃的每单位体积的扭矩、或切削刃的每单位长度的功率消耗。为了保持先前从力K.amax＝2000N出发的数值示例，可以将相关力效应确立为该切削刃的每单位长度的力，其具有最大值100N/mm(作为极限值)。
基于图4描述了本发明的方法的第一实施例的示例性步骤，图4以示意形式示出了流程图。
在所有实施例中，该方法可以例如以齿轮切削工艺的模拟(这里也称为计划)开始。在图4中以附图标记V1提供了第一准备步骤。例如，在此，锥齿轮工件的齿轮滚齿可通过计算(即，计算机辅助)来模拟。例如，可以使用合适的软件来模拟齿轮切削工艺(例如，借助FEM运行的软件)。
步骤V1中的计算(即，计算机辅助)模拟可以例如由数据{D}提供，如图4所示。这些数据{D}可以从存储器150中获取。可以通过计算机和软件151的组合预先提供数据{D}，例如在待加工的齿轮工件的设计范围内。数据{D}也可以通过计算机和软件151的组合直接(无(中间)存储)传送至步骤V1。
在所有实施例中，可以为步骤V1中的计算(即，计算机辅助)模拟供给例如用于齿轮工件的三维定义的规范/数据，这里标识为WG。
在所有实施例中，可以为步骤V1中的计算(即，计算机辅助)模拟供给用于齿轮切削工具20和/或相关切削刃的三维定义的规范/数据，这里标识为VG。规范/数据可以描述例如配备有棒状刀具23的切削头20的几何结构和切削刃的几何结构(例如，描述为横向二维或三维多边形)。
在所有实施例中，可以为步骤V1中的计算(即，计算机辅助)模拟供给例如用于机器和/或运动学的定义的规范/数据，这里标识为KG。
这些变量在此概括地称为方法参数。
在图4中示出了可以为步骤V1中的模拟供给规范/数据WG和/或VG和/或KG。
在接下来的步骤V2中，例如，可以执行一种分段。在此，分段是指一种分割方法，其使得能够将齿轮切削工艺分解为时间窗口和/或长度部分和/或体积尺寸部分。
分段V2的结果在图4中由多个正方形表示，这些正方形具有参考符号Δ1至Δn。n在此标识段数。段数n越大，关于切屑形成以及在有效区域26的切削刃的各个部分上出现的力的陈述就越准确。
齿轮切削工艺越复杂，即，在齿轮切削期间预期的动态载荷变化越大，则要应用的段Δn(例如，时间窗口和/或长度部分和/或体积尺寸部分)就越多。仅受到很小载荷变化的齿轮切削工艺可以通过几个时间窗口、长度部分和/或体积尺寸部分足够准确地定义。相比之下，承受大量载荷变化的齿轮切削工艺应该由更多的时间窗口、长度部分和/或体积尺寸部分来定义。
对于n个段中的每个段，在所有实施例中，例如，可以通过计算确定预期的切屑的几何结构。切屑的几何结构的确定例如可以基于穿透计算来进行，其中，该穿透计算描述了有效区域26的切削刃穿过齿轮工件的材料的运动。在穿透计算中，例如，对于当前工具包络本体的n个段中的每个段，可以基于切削刃的几何结构和运动学通过减法计算两个表面或本体。切屑的几何结构可以例如根据当前工具包络主体来计算。在穿透计算的范围内，例如，还可以针对n个段中的每个段计算通过工具切削刃的哪个(长度)部分切削工件的哪个区域。如果本发明的方法考虑了与当前使用的切削刃长度相关的力效应(例如，以N每毫米为单位)，则需要对应的长度规范。
在随后的步骤V3中执行计算机辅助切屑分析。
例如，如果在n个段中的一个段中形成多于一个的切屑(例如，由于发生切屑断裂)，则可以在切屑分析V3的范围内形成该段的所有切屑的平均值。照这样下去，对于对应步骤，可以获得平均假想切屑的几何结构。然后，可以在进一步的步骤中使用该平均假想切屑的几何结构。
例如，如果在n个段中的一个段中形成多于一个的切屑，则可以在切屑分析V3的范围内对该段的所有切屑进行统计分析。照这样下去，获得了对应段的统计假想切屑的几何结构。然后，可以在进一步的步骤中使用该统计假想切屑的几何结构。
例如，如果在n个段中的一个段中形成多于一个的切屑，则可替换地，可以在切屑分析V3的范围内进行最大值观察，例如以确定对应段的最大(最厚)切屑。然后可以在进一步的步骤中使用该最大(最厚)切屑的几何结构。在最大值考虑中，假定在产生最大(最厚)切屑期间，最大的力也会出现在有效区域26的切削刃上。
切屑分析V3在所有实施例中可以如图4所示设计为功能块或模块，其中该功能块或该模块分别分析n个段的切屑的几何结构。如果不对几何结构变量进行分段，则功能块或模块可以分析切削刃的切屑的几何结构。
在所有实施例中，切屑分析V3可以基于对切屑的几何结构的计算、评估或考虑进行(图4中的可选步骤V3.2)。在随后的步骤中(例如，图4中的分步骤V4.1、V4.2)，然后通过几何结构对在有效区域26的切削刃处出现的力做出陈述。
极限值和/或极限范围可以是预先确定的(例如，它们可以从存储器加载)，或者可以提示用户输入一个或多个极限值(例如，rKmax)，这在图4中由可选步骤V4.3表示。
然而，在所有实施例中，切屑分析V3还可以基于对切屑形成过程的计算、评估或考虑(图4中的可选步骤V3.1)。在后续步骤中，基于切屑形成过程，然后对在有效区域26的切削刃处出现的力进行陈述(例如，图4中的分步骤V4.1、V4.2)。
在所有实施例中，切屑分析V3还可以包括n个平行的功能块或模块，其中每个功能块或模块准并行地分析切削刃之一或n个节段之一的切屑的几何结构。
为了能够进行有关齿轮切削工具的切削刃上的相关力效应的陈述(例如，图4中的分步骤V4.1、V4.2)，在本发明的一部分或全部实施例中，方法力被解析地确定(例如，根据切屑的几何结构V3.2和/或根据切屑形成的过程V3.1)，该方法力在切屑去除齿轮切削期间作用在刀具的有效区域26的各个切削刃上。
为了能够进行有关齿轮切削工具的切削刃上的相关力相应的陈述(例如，图4中的分步骤V4.1、V4.2)，在本发明的一部分或全部实施例中，方法力被动态地解析确定，即，随着时间t变化的相关运动也被结合到分析中。
在至少一部分实施例中，为了在齿轮工件上形成切屑(图4中的可选步骤V3.1)，确定力，该力导致齿轮工件的材料被剪切掉。在这种情况下，例如可以使用机械模型，该机械模型描述了剪切平面和/或剪切区的形成。即，在这种情况下，遵循通过形成过程建模的路径。
在至少一部分实施例中，为了在齿轮工件上形成切屑(图4中的可选步骤V3.1)，假定切屑厚度与对应的加工力之间呈线性关系，这有助于减少用于解析确定方法力的工作。
在至少一部分实施例中，为了在齿轮工件上形成切屑(图4中的可选步骤V3.1)，也可以应用势模型或指数模型。
在对形成过程进行建模时或者在使用线性模型、势模型或指数模型时，例如，可以使用现有模型和/或数据，或者可以应用自己的模型和/或数据和/或分析。数据可以例如根据经验值预先定义和/或通过实验和/或经验和/或解析确定。
如例如图4所示，力的确定可以可选地分割为两个分步骤V4.1、V4.2，其中，为了更好地说明，这里仅进行了该分割。对应的力也可以在一个步骤中确定。
在步骤V3中进行切屑分析之后，可以确定绝对力(分步骤V4.1)，该绝对力在齿轮工件的加工期间出现。可以确定例如随时间而变化的这些力，或者可以例如对于每个段n确定这些力。
然后可以在分步骤V4.2中根据这些力确定相关力。如已经描述的那样，相关力的区别在于，它们参考了所使用的切削刃。
上面已经描述了用于识别相关力的可能的命名，其可以在这里应用。该命名仅应理解为示例，并且可以用于更好地解释这些关系。
在图5中基于n个表显示了分步骤V4.2的结果(这些表中的每个表都反映了针对段1至n之一出现的相关力)。n个表中的每个表都在最上面一行中指定了相关段(例如，Δ1)。接着是三列K.i1、K.a1、K.k1，其中，K.i1表示以[N]为单位作用在内切削刃21i上的相关力，K.a1表示以[N]为单位作用在外切削刃21.a上的相关力，K.k1表示以[N]为单位作用在头部切削刃21.k上的相关力。
如在图5中可以看到的那样，这n个表包括最下面一行，其中可以为这三个切削刃21.i、21a、21.k中的每一个指定一独立的最大力作为极限值，单位为[N]。在本数值示例中，对于n个段中的每个段，将2000N预定为用于每个切削刃21.i、21.a的上限值。对于n个段中的每个段，将500N预定为用于每个头部切削刃21.k的上限值。
这些数字示例的考虑形成以下图。在第一段n＝1期间，所有力分别明显低于2000N或500N。然而，在第二段n＝2期间，作用在外切削刃21.a上的力比2000N大500N。该表的对应字段具有灰色背景。在最后一个段n中，所有力分别再次低于2000N或500N。
优选地，在所有实施例中，以计算机辅助的方式确定相关力(步骤V4.2)，以能够在使用工具的切削刃对齿轮工件进行实际切削加工之前判断预期的力。
步骤V4.2将在所示示例中向机器的操作员或另一用户指示或传达例如在第二段n＝2期间在外切削刃21a上可能出现的不允许的高力效应的情况。
操作者/使用者现在可以决定他是否仍然希望以计划的形式对齿轮工件进行切削加工，或者他是否希望修改例如用于工艺模拟的规范，其被标记为步骤V1。为此目的，该方法可以例如引导返回计算机和软件151的组合，例如以使得能够进行不同的设计和/或预定不同的运动学(例如，具有减小的切削深度)。这里不同设计和/或不同运动学的选择被称为方法参数的调整。
在图4中，对步骤V4.2的结果的计算、评估或观察用参考符号V5标识。如果所有值都没问题(OK)，或者如果操作者/用户仍然希望以计划的形式进行齿轮工件的切削加工，则在步骤V6中进行齿轮切削加工。
如果值中的至少一个有问题，则该方法可以分支返回到设计，例如，如图4中分支152所示。
图5中的箭头153表示该方法一般可以在此分支(例如，如图4所示)。
如果从本发明的方法得出的结果是，假设在齿轮切削工具的切削刃中的至少一个切削刃的至少一个点上形成的力效应高于极限值，则该方法因此可以提供/触发下列反应中的一种或多种：
-发出警报(光学警报和/或声学警报)；
-在显示屏上生成(图形)表示，其中优选地，至少识别所述至少一个切削刃的所述至少一个点，在该点处预期有过大的力效应；
-发布消息(例如，发布到移动系统或经由网络)；
-启动(更新的)设计程序，以能够改变加工方法的至少一个方法参数。
由于该方法可以借助于工艺模拟V1和切屑分析V3来计算预期的力效应，因此还可以可选地提供一软件模块，该软件模块在预期局部过载的情况下逆向确定哪些方法参数导致该局部过载。一旦找到这些方法参数，软件就可以在可选步骤中建议修改(例如，在显示屏上示出)。在这种情况下，可以提示用户接受建议的修改(例如，通过致动键组合)。然后优选地使用修改的方法参数再次执行步骤V1-V5。在步骤V5中，该方法然后在V6的方向上分支。
在更新的设计之后或在修改的设计之后，即，一旦提供了修改的方法参数，就可以再次执行步骤V1直至V5并包括V5。
由于切屑几何结构或切屑厚度的计算在切屑去除方法的各个阶段期间不能总是完全精确的，因此在本发明的所有实施例中都可以考虑切屑厚度的变化。如果例如实验已表明计算出的切屑厚度可以变化±10％，则可以提供这些表的当前确定的值，例如，以±10％的变化(缩写为Var.)。对应的数字示例如图6所示。
对图6的这些数字示例的观察结果如下面的图所示。在第一段n＝1期间，所有力分别明显低于2000N或500N。但是，在第二段n＝2期间，外切削刃21.a上的力可以比2000N大750N，而头部切削刃21.k上的力可以比500N大28N。表的对应字段具有灰色背景。该方法在这里分支返回，如箭头153所示。在最后一个段n中，所有力分别再次低于2000N或500N。
基于另一示例，图7A和7B示出了另一实施例的细节。与图3类似，图7A示出了例如棒状刀具的有效区域26的细节。如已经描述的，该棒状刀具的三个切削刃设有附图标记21.a、21.i和21.k。图7B示出了这三个切削刃21.a、21.i和21.k的线性布置，其中相关力rK(例如，以[N/mm]为单位)被绘制在竖直轴上，距离x被绘制在水平轴上。切削刃21.a、21.i和21.k上的力效应可以表示为距离x的函数。然而，在图7B示出的示例中，相应作用在外切削刃21.a的四个点和内切削刃21.i的四个点处的相关力由一个柱表示。作用在头部切削刃21.k上的相应力由两个柱表示。
在这里，时间点t＝ta已建立为段Δ2，其可以例如定义一时间窗口。
在所有实施例中，可以以一个或多个离散值(在此由柱表示)的形式确定每个段Δn在切削刃21.a、21.i和21.k上的力效应，或者在所有实施例中，可以例如以距离x的函数的形式确定每个段Δn在切削刃21a、21.i和21.k上的力效应。
如果例如根据距离x提供力效应，则在所有实施例中可以基于最大值研究来确定对应曲线轮廓的最大值。然后，可以使用该最大值来确定是否超过了作为极限值的预定最大值(例如，100N/mm)。
在图7C中基于2个表显示了分步骤V4.2的结果，这2个表中的每一个表都反映了在段Δ1和Δ2之一上出现的相关力。2个表中的每一个表都在最上一行中承载了相关段(Δ1和Δ2)的标识。然后跟着三列K.a1、K.k1、K.i1，其中，对于K.i1，以[N/mm]为单位指定了作用于内切削刃21.i的相关力的数据集，对于K.a1，以[N/mm]为单位指定了作用于外切削刃21.a的相关力的数据集，对于K.k1，以[N/mm]为单位指定了作用于头部切削刃21.k的相关力数据集。在此，外切削刃21.a和内切削刃21.i的这两个数据集均包括四个离散值，而头部切削刃21.k的数据集包括两个离散值。
对图7C的这些数字示例的观察结果如下图所示。在第一段n＝1期间，所有力均明显低于100N/mm，100N/mm已被预先确定为极限值rKmax。在第二段n＝2期间，在外切削刃21.a上的相关力比100N/mm大10N/mm左右的值或5N/mm的值。该表的对应值具有灰色背景。该方法在这里也分支返回，如箭头153所示。
代替表，交互式图形表示也是可以的，其中根据时间、滚动角度和/或切入距离(经由控制器可交互式位移)以图形方式(颜色编码和高度编码)显示切削刃上的相应的相关载荷(例如，作为在图纸平面或3D平面上的投影)。
如在图7A-7C的示例的基础上所示，这里优选地将切削刃分割成多个长度部分。因此可以通过对数据集的分析来识别，其中在切削刃的长度部分中瞬时出现最高局部力。
除了分割成多个长度部分之外，可以附加地或替代地分割成多个时间段。
在所有实施例中，可以从相应的切屑厚度计算在切削刃上出现的相关力。在这种情况下，作为简化，可以假定最大切屑厚度的产生也需要在对应的切削刃上施加最大的力。因此，在这些实施例中，为简化起见，优先从切屑厚度和相关力之间呈直接比例关系出发。
然而，在所有实施例中，替代仅切屑厚度，可以替代地更精确地分析切屑的形成(可选步骤V3.1)和/或切屑的三维几何结构(可选步骤V3.2)。在这种情况下，例如，可以观察到各种类型的切屑形成或在切屑形成中观察到切屑上的各个区。例如，已知在前刀面27和与其相邻的自由面(例如，自由面28.a)之间的过渡区域中，在主切削刃前方的切削楔处形成停滞和切断区。作用在切削刃上的力在此处最大，即相关力典型在此处也具有最大值。该区在此是材料被切断的区。
除了停滞和切断区之外，还可以观察到前刀面27上的剪切区。那里的相关力稍微小于停滞和切断区的区域中的相关力。
在使用工具的切削刃对齿轮工件进行切削加工期间，这些切削刃经受一定的磨损。在这种情况下，已知磨损的形式变化很大。通常在各个切削刃的各个长度部分中形成的磨损形式可以基于磨损的工具来确立。例如，如果头部切削刃的磨损形式(例如，开裂)不同于例如外切削刃和内切削刃(例如，由于磨损而使切削刃变圆)。因此，特别是对于头部切削刃相比对于例如外切削刃和内切削刃而言尤其可以确立不同的最大值。这种方法最终可以改善整个(棒状)刀具的使用寿命。
参考符号
Figure BDA0002380028190000231
Figure BDA0002380028190000241
Figure BDA0002380028190000251

Claims (10)

1.一种用于在使用切削工具(20)的机器中对齿轮工件(11)进行产生切屑的加工的方法，所述切削工具(20)包括至少两个几何结构上限定的切削刃(21.a，21.i，21.k)，这些切削刃其在产生切屑的加工的范围内在齿轮工件(11)上产生切屑形式的材料，其中产生切屑的加工由方法参数限定，所述方法具有以下步骤：
(1)对在所述切削工具(20)的多个切削刃(21.a，21.i，21.k)上产生的切屑执行计算机辅助分析(V3)，
(2)执行相关力的计算机辅助确定，所述相关力将在产生切屑期间在所述切削工具(20)的多个切削刃(21.a，21.i，21.k)上出现，
(3)优化产生切屑的加工，以防止相关力超过预定极限值或达到极限范围，其中，通过在优化范围内对方法参数中的至少一个方法参数进行调整来提供调整的方法参数，和
(4)使用调整的方法参数或多个调整的方法参数对齿轮工件(11)执行产生切屑的加工(V6)。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤(1)至(3)的范围内，针对切削加工的一部分或全部(时间)部分确定在所述切削工具(20)的多个切削刃(21.a，21.i，21.k)上的预期载荷。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在步骤(1)之前执行的或者作为步骤(1)的一部分执行的一方法步骤中进行分段。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，通过所述分段将所述切削刃(21.a，21.i，21.k)分割成多个时间点、多个时间部分或多个长度部分，其中接着在步骤(2)的范围内确定这些段中的每个段的相关力。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其特征在于，在步骤(2)的范围内，进行计算机辅助的切屑分析(V3)，所述切屑分析包括确定切屑形成的过程(V3.1)和/或确定切屑的几何结构(V3.2)。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的方法，其特征在于，在步骤(2)的范围内，基于以下方案中的一种或多种，进行计算机辅助的切屑分析(V3)：
-机械模型，所述机械模型描述了剪切平面和/或剪切区的形成，
-假定切屑厚度与产生切屑的加工所需的对应力之间呈线性关系，
-势模型，
-指数模型。
7.根据权利要求1至5中任一项所述的方法，其特征在于，预定至少一个极限值和/或至少一个极限范围，或者提示用户输入至少一个极限值和/或至少一个极限范围(V4.3)。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的方法，其特征在于，在优化产生切屑的加工的范围内执行以下步骤：
(3a)检查(V5)相关力中的一个相关力是否超过预定极限值或达到极限范围，
o如果相关力中的一个相关力超过预定极限值或达到极限范围，则通过对方法参数中的所述至少一个方法参数进行调整来进行对齿轮工件(11)的计划的产生切屑的加工进行至少一次改变，以使相关力中的所述一个相关力低于预定极限值或在极限范围之外，
o只要相关力中的所述一个相关力超过预定极限值或达到极限范围，就重复步骤(3a)，
o如果没有相关力超过预定极限值或没有达到极限范围，则执行步骤(4)。
9.根据权利要求1至7中任一项所述的方法，其特征在于，在优化产生切屑的加工的范围内执行以下步骤：
(3b)检查相关力中的一个相关力是否低于预定极限值或极限范围，
o如果相关力中的一个相关力低于预定极限值或在极限范围之外，则通过对方法参数中的所述至少一个方法参数进行调整来进行对齿轮工件(11)的计划的产生切屑的加工进行至少一次修改，以使相关力中的所述一个相关力接近预定极限值或在极限范围之内，
o重复步骤(3b)，直到相关力中的所述至少一个相关力达到预定极限值或在极限范围之内，
o如果相关力中的所述一个相关力达到预定极限值或在极限范围之内，则执行步骤(4)。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的方法，其特征在于，所述用于在使用切削工具(20)的机器中对齿轮工件(11)进行产生切屑的加工的方法是单分度法或连续分度法。
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