CN112139775A - 用于制造啮合部件的方法和磨齿机 - Google Patents
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Abstract
在制造齿轮时，要加工的工件通常贯穿多步过程链，该多步过程链包括至少一次软加工和随后的硬精加工。本发明的目的在于创造一种方法，该方法的突出之处在于以成本有效且缩短周期的方式制造啮合部件。为此，提出一种用于制造啮合部件的方法，在该方法中：在软加工过程中，将具有相对于最终齿部4固定的加工余量7的预制齿部3引入到坯件中，从而产生半成品2；在精加工过程中，磨削掉加工余量7并且制造啮合部件的最终齿部4，其中在一步式辊磨方法中借助于研磨工具1磨削掉加工余量7，其中研磨工具1在单一的行程运动H中完全地磨削掉加工余量。
Description
技术领域
本发明涉及一种具有权利要求1的前序部分所述特征的用于制造啮合部件的方法。此外，本发明还涉及一种用于执行该方法的磨齿机。
背景技术
在制造齿轮时，要加工的工件通常贯穿多步过程链，该多步过程链包括至少一次软加工和随后的硬精加工。在此，在该软加工中产生预制齿部，而在该硬精加工中产生最终轮廓。已知硬精加工的各种方法、例如珩磨或辊磨，其中尤其在辊磨的情况下，通常在两步式研磨过程中对该工件进行加工，该两步式研磨过程由粗加工行程(Schrupphub)和精整加工行程(Schlichthub)组成。
可能形成最接近的现有技术的文献DE 10 2008 035 525B3公开了一种用于制造具有柱形基本轮廓的工件的方法，在该工件的外周上布置有(尤其螺旋压缩机转子的)螺旋形的型材，该方法具有如下步骤：a)通过引入具有相对于该最终轮廓存在的加工余量的型材，对该工件进行预加工；在粗加工工序中，在研磨机中对该型材进行预磨，其中磨削掉该加工余量的一部分；以及c)在精整加工工序中，在该研磨机中对该型材进行精磨，其中磨削掉剩余的加工余量并且制造该型材的最终轮廓，其中藉由蜗杆形的研磨工具以连续辊磨方法执行预磨和/或精磨。
发明内容
本发明的基本目的在于，创造一种开篇所述类型的方法，该方法的突出之处在于：在保持不变的品质、尤其在有关金相和齿轮几何形状的特性方面保持不变的品质下以成本有效且缩短周期的方式制造啮合部件。此外，本发明的目的在于，提出一种对应的用于执行该方法的磨齿机。
这个目的通过一种具有权利要求1特征的方法以及通过一种具有权利要求13特征的磨齿机来实现。有利的设计方案自从属权利要求、附图和/或说明书中得出。
本发明的主题是一种适用于制造啮合部件的方法。要制造的啮合部件尤其为齿轮，优选为行星轮。
在该方法的第一步骤中，在软加工过程中将预制齿部引入到坯件中。尤其以切削的方式(优选以几何形状确定的切削刃)将该预制齿部引入到该坯件中。优选地，该预制齿部由被引入到该坯件中的齿槽几何形状限定，该齿槽几何形状具有接近最终轮廓的形状。特别优选地，该坯件具有柱形的基本轮廓，其中将该预制齿部引入到该坯件的罩面中。设有该预制齿部的工件在下文中尤其被称为半成品。
该预制齿部具有相对于最终齿部固定的加工余量。该加工余量尤其被限定为后续加工层，该后续加工层在后续的过程中被去除。该加工余量优选仅被设置在该预制齿部的齿廓处，其中该预制齿部的齿底在该软加工过程之后已被加工成最终轮廓。特别优选地，在该软加工过程中在齿根区域(尤其在齿底和/或齿根处)产生所谓的突起，由此防止在磨削掉该加工余量时在该齿根区域中形成凹口和/或裂纹。在此，突起应被理解为该齿根区域中的修圆部和/或底切。特别地，以如下方式选择预制齿部的品质(尤其是加工余量)，使得不损害和/或可以经济地进行后续的精加工。特别优选地，可以将该加工余量选择得尽可能小。
在另一个步骤中，在精加工过程中(尤其通过硬精加工)磨削掉该加工余量并且制造该啮合部件的最终齿部。该精加工过程尤其用于补偿从先前的过程中产生的、由制造所导致的尺寸偏差和形状偏差，用于完全去除该部件的、由先前的过程中产生的受到热学影响的边缘层，并且用于实现高的表面品质。优选以切削的方式(优选以几何形状上不确定的切削刃)磨削掉该加工余量。优选在该精加工过程中仅磨削掉这些齿廓上的加工余量，其中省去了齿底加工。该最终齿部例如可以形成为直齿轮或斜齿轮(例如渐开线齿轮或摆线齿轮)。
在本发明的范围内提出，在一步式辊磨方法中借助于研磨工具磨削掉该加工余量。尤其在该一步式辊磨方法中通过连续辊磨来均匀地磨削掉该加工余量。该研磨工具优选形成为旋转的研磨工具，该研磨工具在运行时围绕工具旋转轴线旋转。该研磨工具优选具有几何形状不确定的切削刃，该切削刃由许多经结合的磨料颗粒形成，这些磨料颗粒的边缘用作切削刃。在该精加工过程中，基于该研磨工具与该要加工的半成品之间的相对运动进行切削加工，其方式为，相对刚性的磨料颗粒以预先规定的轨道插入到这些齿廓的后续加工层中并且磨削掉该加工余量。在此，该研磨工具在单一的行程运动(Hubbewegung)中完全磨削掉该加工余量。该行程运动尤其为研磨行程(Schleifhub)，其中该研磨工具与要加工的该半成品平行地行进。该一步式辊磨方法尤其描述了在具有恒定的调整变量且因此还有恒定的切削量的行程中对该半成品进行加工。单行程辊磨方法的前提条件是该半成品的严格限定的几何状态，该几何状态尤其在软加工过程中并且通过在适当时选择的硬化方法来产生。
本发明的优点在于，通过具有仅一个研磨行程的一步式辊磨方法可以在至少保持不变的齿轮几何形状品质的情况下明显减少研磨时间。由此，可以更加成本有效地制造这些啮合部件。此外，可以明显减小研磨工具的荷载并且因此明显提高研磨工具的使用寿命。此外，可以相对于现有技术实施更有效的且更经济的过程控制。另一个优点在于，减少对边缘区域的热学影响，由此改进该啮合部件的品质。
在一个具体的实施方式中提出，该研磨工具在行程运动时以反向研磨模式运行。该研磨工具尤其以类似于精整加工的反向运行来磨削掉该加工余量，其中该研磨工具的切削刃几乎切向于限定该最终齿部的目标几何形状插入该后续加工层中，并且这些切削刃在该后续加工层的表面处再次离开。反向研磨尤其用于该最终加工或精加工，其中该最终齿部通过反向研磨产生。然而还可以提出的是，在反向研磨之后进行另一个制造步骤，例如抛光。
因为磨料颗粒在反向运动时已插入该后续加工层中并且由此在那里掉落少量的碎屑，所以与同向研磨模式相比，借助这种研磨模式可以产生更好的表面品质。此外，由于与减少的加工余量相关的所获得的相对较小的平均单位时间切削量(Zeitspanvolumen)，可以避免该边缘区域中的危险的热量输入。
在另一个实施方式中提出，在该软加工过程中产生最大50微米的加工余量。该加工余量尤其小于50微米、优选小于40微米、特别地小于30微米。替代性地或任选补充地，该加工余量尤大于30微米、优选大于35微米、特别地大于45微米。
因此，通过减少该加工余量并且因此还减少该研磨工具所需要的进给，可以直接通过特征性的研磨变量来影响该研磨过程。
在一个优选设计方案中，该研磨工具形成为研磨蜗杆。该研磨蜗杆尤其形成为多线的、优选至少三线的研磨蜗杆。原理上，该研磨蜗杆可以具有刚玉(Al2O3)、碳化硅(SiC)或合成金刚石作为颗粒材料。该研磨工具优选具有立方氮化硼(CBN)作为颗粒材料。特别地，这些磨料颗粒可以作为刚玉磨料颗粒存在于陶瓷结合物中或者作为CBN磨料颗粒存在于金属或陶瓷结合物中。该磨料颗粒优选具有三角形的或杆形的轮廓。
根据这个设计方案，通过研磨工具与半成品之间的滚压运动磨削掉该加工余量。尤其，该研磨蜗杆和该半成品类似于蜗杆变速器滚压到彼此中，其中蜗杆对应于该研磨蜗杆，而涡轮对应于该半成品。优选地，由半成品实施的旋转滚压分量和由该研磨蜗杆实施的平移滚压分量产生了滚压前进。
通过将该研磨工具设计为研磨蜗杆可以实现非常高的单位时间切削量。此外，通过设计为多线研磨蜗杆可以同时研磨多个齿廓，由此缩短加工时间并且由于单独研磨颗粒的明显缩短的接触时间而减少了研磨火灾风险。
在本发明的另一个实施方式中提出，要加工的该半成品尤其在精加工过程期间围绕工件轴线旋转，其中该行程运动被实施为相对于该工件轴线轴向地定向的运动。该行程运动尤其为平行于该工件轴线的直线运动。该行程运动优选至少在该预制齿部的整个齿宽上进行。在该加工过程期间，该半成品围绕该工件轴线旋转，而该研磨工具围绕相关的工具轴线旋转，其中该研磨工具在该加工过程期间实施该行程运动，而该半成品保持固定不动。
因此，通过该行程运动可以在该预制齿部的整个齿宽上实施完整的加工，从而在正好一个完整的研磨行程后产生该最终齿部。
在一个改进方案中提出，将该研磨工具以进给运动进给到该半成品，其中与该工件轴线垂直地进行该进给运动。尤其，该进给运动相对于该半成品径向地进行，其中该研磨工具在该进给时与该预制齿部产生接合。
此外提出的是，该研磨工具在该行程运动之前、期间或之后以移位运动相对于该半成品运动，其中该移位运动相对于旋转的半成品切向地进行。该移位运动尤其与该行程运动同时或依次进行。特别地，为了实施该移位运动，该研磨工具要么在每个经加工的部件之后要么只有在达到一定的磨损值时才移动固定限定的量。优选在该一步式辊磨方法中省去所谓的移位跃变(Shiftsprung)。
通过该移位运动可以进一步提高该研磨蜗杆的利用率并且因此可以进一步延长使用寿命。此外，使该工具更均匀地升温，从而可以进一步减少在这些边缘区域处的热量输入。
在另一个具体的实施方式中提出，在该软加工过程中借助于一步式或多步式辊铣方法将该预制齿部引入至该坯件中。尤其借助于轴向辊铣、径向辊铣、径向-轴线辊铣、切向辊铣或对角线辊铣将该预制齿部引入至该坯件中。为此，旋转的辊铣工具可以选择性地以同向或反向来运行。在此，该切削运动由该铣制工具的旋转和叠加的前进运动组合而成。特别地，可以在二行程的加工(也被称为两次切削加工)中将该预制齿部引入到该坯件中，其中在一个行程上进行粗加工，在返回行程上进行精整加工。该铣制工具例如可以在该粗加工中以同向运行并且在该精整加工中以反向运行。
因此，本发明考虑提出一种方法，该方法的突出之处在于特别通用和简单的软加工过程。
在本发明的另一个实施方式中提出，在该软加工过程之后并且/或者在该精加工过程之前，借助于硬化方法将被该半成品硬化。尤其借助于根据DIN EN 10084标准的表面硬化将该半成品硬化。优选地，借助于低压方法或高压方法来对该半成品进行表面硬化。原则上可以使用根据DIN EN 10083标准的调质钢作为用于该啮合部件的材料。原则上可以使用根据DIN EN 10084标准的表面硬化钢作为用于该啮合部件的材料。在随后的精加工过程中在同时满足几何形状要求和表面要求的情况下尽可能少磨削掉经硬化的(尤其在这些齿廓处的)边缘层，其中为此，如已经所描述的，将该加工余量对应地选择得较小。
通过对该半成品进行硬化，提出一种方法，该方法的突出之处在于，在该啮合部件的部件芯中有高韧性的同时提高了耐磨损性和侧面承载能力。用于硬化的方法优选被设计为低翘曲的方法。
在一个替代性或任选补充的实施方式中提出，在该软加工过程之后在去毛刺过程中将该半成品去毛刺。尤其该去毛刺过程用于去除由于铣制加工而残留在该预制齿部上的毛刺以及将该预制齿部的边缘修圆。尤其借助于电化学去毛刺对该半成品进行去毛刺。该去毛刺过程优选在过程链中排在软加工过程与硬化过程之间。
因此提出了一种方法，该方法的突出之处在于，由于该去毛刺过程，在后续的精加工过程中以对工具特别温和的方式加工该半成品。因此，可以进一步提高该研磨工具的使用寿命。
在另一个具体方案中提出，在两步式修整过程中借助于修整工具对该研磨工具进行修整。为此，尤其使用旋转的修整工具，该修整工具与该研磨工具的型材产生接合。该修整工具可以被设计为型材滚轮或成型滚轮或修整轮。特别优选地，该修整工具被设计为多沟槽的、尤其三沟槽的全型材轮。在该修整过程中的旋转运动优选与径向前进运动重叠。如果该修整工具未覆盖该研磨工具的整个宽度，那么还需要该修整工具的侧向前进。
根据这个实施方式，该研磨工具在第一步中成型并且在第二步中被磨锐。在该第一步中尤其再次确保该研磨工具的粗略几何形状。在该第二步中尤其产生该研磨工具的目标几何形状和表面。
在该第一步中，例如可以在最多九个行程中再次确保该研磨工具的几何形状，其中在该第二步中，在最多两个行程中产生对于该研磨加工而言最佳的研磨蜗杆表面。
在另一个具体改进方案中，该研磨工具在修整运动中以同向修整模式运行。由此应产生该研磨工具的更流线型的形貌。尽管由此该部件的可生产的表面品质变差，但是该研磨工具的粗糙表面致使较少的热量产生。特别优选地，通过将研磨加工中的速度关系从磨削工具的同向转变为反向，可以补偿对该表面品质的负面影响。
本发明的另一个主题涉及一种磨齿机，该磨齿机被设计和/或适用于在半成品上利用研磨工具实施精加工过程，其中该半成品具有带有相对于最终齿部固定的加工余量的预制齿部。该磨齿机尤其用于根据前述方法进行精加工过程和/或修整过程。该磨齿机为此具有控制装置，其中该控制装置被设计为用于在一步式辊磨方法中控制该研磨工具，以便在单一的行程运动中完全磨削掉该半成品的加工余量，从而制成啮合部件的最终齿部。
附图说明
本发明的其他特征、优点和效果由以下对本发明的优选实施例的说明得出。在附图中：
图1作为本发明的一个实施例示出研磨工具和要加工的工件的示意性图示；
图2示出研磨工具与工件之间的接合区域的细节视图。
具体实施方式
图1以示意性图示示出用于磨齿机(未示出)的研磨工具1、以及要加工的工件2(下面被称为半成品)，该工件呈齿轮(例如行星轮)的形式。在所示出的实施例中展示了精加工过程，其中半成品2先前已经历了软加工过程，由此半成品2已经具有环绕的预制齿部3。在该软加工过程中，借助于辊铣将预制齿部3引入至柱形的坯件(未示出)中。预制齿部3例如为被引入到该坯件的罩面中的、接近最终轮廓的齿槽几何形状，该齿槽几何形状在该精加工过程中被加工成最终轮廓。
任选地，半成品2可以在该软加工过程之后并且在该精加工过程之前另外经历去毛刺过程和/或硬化过程。该去毛刺过程例如紧接该软加工过程，其中在该去毛刺过程中对设有预制齿部3的半成品2去毛刺。例如借助于电化学去毛刺方法来进行去毛刺。该硬化过程例如紧随该软加工过程或去毛刺过程，其中在该硬化过程中将半成品2硬化。例如可以借助于表面硬化将半成品2硬化。
在随后的精加工过程中，通过研磨工具1对预制齿部3进行加工，从而产生所制造的啮合部件的最终齿部4。研磨工具1在所示出的实施例中形成为多线研磨蜗杆，该研磨蜗杆在其外周上具有与该预制齿部处于接合的蜗杆型材5。在此，通过连续辊磨对预制齿部3进行加工，其中通过蜗杆型材5在要加工的预制齿部3中的连续滚压以切削的方式产生最终齿部4。
在精加工过程期间，使半成品2围绕工件轴线A1旋转并且使研磨工具1围绕工具轴线A2旋转。在进给运动Z中，为了开始该精加工过程，研磨工具1被进给到半成品2，其中蜗杆型材5与预制齿部3产生接合。在此，进给运动Z在径向上朝向半成品2的方向上进行。
在辊磨期间，研磨工具1和半成品2类似于蜗杆变速器滚压到彼此中，其中蜗杆对应于研磨工具1，而涡轮对应于半成品2。在此，由半成品2实施的旋转滚压分量和由研磨工具1实施的平移滚压分量产生了滚压前进。附加地，研磨工具1在行程运动H中相对于半成品2运动，其中行程运动H被实施为关于工件轴线A1的轴向的运动。在此，仅在单一的行程运动H中就在半成品2的预制齿部3的整个齿宽度上进行完整的加工。然而，这种过程设计的前提条件为准确地匹配所有的调整变量，从而满足对最高表面品质的要求并且确保无损伤的金相状态。为此，需要预制齿部3的严格限定的几何状态，该几何状态通过软加工和后续的硬化产生。
在研磨过程期间，半成品2在工件旋转方向D1上围绕其工件轴线A1旋转，并且研磨工具1在工具旋转方向D2上围绕其工具轴线A2旋转。在此，由研磨工具1以所谓的反向方式进行加工，其中半成品2的前进速度矢量和研磨工具1的切削速度的矢量是反向的。换言之，行程运动H和研磨工具1的工具旋转方向D2是同向的。
附加地，研磨工具1可以藉由移位运动S与半成品2切向地运动。该移位运动例如为在轴向方向上关于工具旋转方向A2定向的运动。移位运动S可以在行程运动H之前、期间或之后执行。通过移位运动S可以提高研磨工具1的利用率并且因此可以延长其使用寿命。移位运动S例如可以在所述辊磨期间连续地执行。然而替代性地，移位运动S还可以在对一个或多个半成品2进行加工之后或者在达到一定的磨损值的情况下执行。
图2以细节图示示出研磨工具1的研磨型材5与半成品2的预制齿部3之间的接合区域。在连续辊磨中，由于研磨工具1与工件2之间的高度重叠，总是存在多个同时处于接合的接触点P1至P4。在此，这两个接触点P1、P2一直处于研磨工具1与工件2之间的第一接合线L1上，并且这两个接触点P3、P4一直处于该研磨工具与该工件之间的第二接合线L2上。
预制齿部3在其齿廓6处具有加工余量7，该加工余量在精加工过程的范围内被研磨工具1去除，从而产生最终齿部4。在此，加工余量7被设置在齿廓6上，其中预制齿部3的齿底8和齿顶9在该软加工过程之后已经被加工成最终轮廓。
在该精加工过程的范围内，一步式辊磨方法描述了在具有恒定的调整变量和因此还具有恒定的切削量的行程中对半成品2进行的加工。该一步式辊磨方法的突出之处在于节省时间、更小的工具荷载以及由此实现的效率提高。由于加工余量7的减少，该精加工过程的效率应进一步提高，而同时在几何形状和金相的性能方面的品质水平应提高。
因为加工余量7是对该单位时间切削量的最重要的主影响变量之一，所以通过减小齿廓加工余量可以明显降低单位时间切削量。该加工余量例如被减小到至少或正好0.045mm。在此，加工余量7和由研磨工具1所进行的加工受限于经硬化的齿廓6，这是因为仅这些齿廓在稍后的安装状况中与对应的配合齿廓产生接触。
此外，预制齿部3在齿根区域10处具有所谓的突起，该突起由在齿根区域10中的倒圆部或底切形成。由此，防止在磨削掉加工余量7时在齿根区域10中形成凹口和/或裂纹。此外，在该精加工过程中还省去由研磨工具1对齿底8的加工。在此，在磨削到加工余量7时，研磨工具1未接触齿根区域10中的修圆部，由此避免在齿底8中进行加工。
在精加工过程中，在行程运动H的情况下可与精整加工相当地磨削掉加工余量7，该精整加工以上述反向方式来进行，以便实现尽可能高的表面品质。
该研磨过程还可能受该研磨蜗杆的磨料颗粒的选择的影响。该磨料颗粒例如呈现小的三角的形状，例如所谓的3M精确成型颗粒(3M Precision-Shaped Grain，PSG)。因此，可以进一步提高该单位时间切削量并且因此还进一步提高该过程的经济性。
此外，在修整过程(未示出)中，研磨工具1可以通过以反向修整模式进行修整而设有更流线型的形貌，由此尽管该部件的可产生的表面品质变差，但是产生较小的热量。因此，可以减小齿廓6的边缘区域中的热量输入。通过在精加工过程中对半成品2进行反向加工，可以再次补偿对该表面品质的不利影响，从而实现在热量输入和表面品质方面经改善的研磨过程。
该精加工过程例如可以藉由另外的调整变量(例如该行程运动的更高的进给和/或更高的切削速度)进行修改。除了在整个工具寿命期间稳定的研磨过程设计之外，其前提条件在于从软加工经由硬化到连续辊磨的有效而稳定的过程链，从而尽可能避免加工余量7的超出公差的波动。
附图标记清单
1研磨工具
2半成品(工件)
3预制齿部
4最终齿部
5研磨型材
6齿廓
7加工余量
8齿根
9齿顶
10齿根区域
A1工件轴线
A2工具轴线
D1工件旋转方向
D2工具旋转方向
L1，L2接合线
P1-P4接触点
H行程运动
S移位运动
Z进给运动
Claims (13)
1.一种用于制造啮合部件、尤其齿轮的方法，在所述方法中：
-在软加工过程中，将具有相对于最终齿部(4)固定的加工余量(7)的预制齿部(3)引入到坯件中，从而产生半成品(2)，
-在精加工过程中，磨削掉所述加工余量(7)并且制造所述啮合部件的最终齿部(4)，
其特征在于，
在一步式辊磨方法中借助于研磨工具(1)磨削掉所述加工余量(7)，其中所述研磨工具(1)在单一的行程运动(H)中完全地磨削掉所述加工余量。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述研磨工具(1)在所述行程运动(H)中以反向研磨模式运行。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在所述软加工过程中产生具有最大值为100微米的所述加工余量(7)。
4.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述研磨工具(1)形成为研磨蜗杆，其中通过研磨工具(1)与半成品(2)之间的滚压运动磨削掉所述加工余量(7)。
5.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，使所述要加工的半成品(2)围绕工件轴线(A1)旋转，其中所述行程运动(H)相对于所述工件轴线(A1)轴向地进行。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，将所述研磨工具(1)以进给运动(Z)进给到所述半成品(2)，其中与所述工件轴线(A1)垂直地进行所述进给运动(Z)。
7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述研磨工具(1)在所述行程运动(H)之前、期间或之后以移位运动(S)相对于所述半成品(2)运动，其中所述移位运动(S)相对于所述旋转的半成品(2)切向地进行。
8.根据权利要求1、2、6、7之一所述的方法，其特征在于，在所述软加工过程中借助于辊铣方法将所述预制齿部(3)引入至所述坯件中。
9.根据权利要求1、2、6、7之一所述的方法，其特征在于，在所述软加工过程之后在硬化过程中将所述半成品(2)硬化。
10.根据权利要求1、2、6、7之一所述的方法，其特征在于，在所述软加工过程之后在去毛刺过程中将所述半成品(2)去毛刺。
11.根据权利要求1、2、6、7之一所述的方法，其特征在于，在两步式修整过程中借助于修整工具对所述研磨工具(1)进行修整，其中所述研磨工具(1)在第一步中被成型并且在第二步中被研磨。
12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，以同向修整模式对所述研磨工具(1)进行修整。
13.一种用于使用研磨工具(1)在半成品(2)上实施精加工过程的磨齿机，其中所述半成品(2)具有带有相对于最终齿部(4)固定的加工余量(7)的预制齿部(3)，其特征在于，所述磨齿机具有控制装置，其中所述控制装置被设计为用于在一步式辊磨方法中控制所述研磨工具(1)，以便在单一的行程运动(H)中完全磨削掉所述半成品(2)的加工余量(7)，从而制造啮合部件的最终齿部(4)。
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