JP6509163B2 - 歯先領域における傘歯車の仕上げ加工方法、傘歯車加工用機械、及びそれに応じて設計された研削工具 - Google Patents

歯先領域における傘歯車の仕上げ加工方法、傘歯車加工用機械、及びそれに応じて設計された研削工具 Download PDF

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Description

本発明の主題は、歯先(tooth head)又は複数の歯先の領域における傘歯車の仕上げ加工方法、及び、歯先又は複数の歯先の領域において傘歯車を加工するために設計される機械である。本発明は、更に、それに対応して設計された研削工具にも関する。
幾何形状や精度等に関して特殊な規格を要求する傘歯車の用途分野がある。傘歯車の先端縁(head edge)の形態は、多数の用途においては従属的な役割のみを果たすが、例えば、ヘリコプター仕様の傘歯車は、歯側面(tooth flanks)と歯先の間に精密に画定された移行部を要求する。
従って、例えば、これらの傘歯車の仕様は0.005インチ(0.127mm)〜0.015インチ(0.381mm)の範囲の先端縁の半径を要求する。一例として述べた前記範囲における傘歯車の生産は、複雑であり、エラーが発生する可能性がある。
従って、本発明は、前述のことを考慮して以下の目的を有する。本発明の目的は、傘歯車の先端縁が1mm未満の範囲の公差をもって精密にかつ再現性よく製造されることを可能にするアプローチを発見することである。好ましくは、公差が500μm〜1μmの範囲にある先端縁が、本発明の方法を使用して製造される。特に、当該アプローチは、傘歯車の歯側面の部分的に自動化又は完全に自動化された加工を利用可能にするアプローチであるべきである。
本発明により提供される方法の特徴は、請求項1から推論されうる。
本発明により提供される機械の特徴は、請求項7より推論されうる。
研削工具もまた本発明により提供され、その特徴は、請求項10より推論されうる。
先端縁が生産されるべき公差に基づいて、本発明の方法は、柔軟な材料(すなわち、加工物の温度処理前)又は硬化材料(すなわち、加工物の温度処理後)について実行され得る。
更に好適な実施形態は、それぞれの従属項より推論され得る。
本発明の更なる詳細及び利点は、例示的な実施形態を基にして、及び、図面を参照して、以後説明される。
曲がり歯傘歯車又はハイポイド歯車の2つの歯及び1つの歯間(tooth gap)の模式図。 更なる傘歯車又はハイポイド歯車の1つの歯の垂直断面における模式図。(先端面取部(head chamfer)が当該傘歯車上に備えられている。(これらの先端面取部は、明瞭のために特に大きく示されている)) 更なる傘歯車又はハイポイド歯車の1つの歯の垂直断面における模式図。(当該歯は、本発明に係る仕上げ加工の実行前のものを示す) 本発明に係る仕上げ加工を実行した後の図3Aの歯の模式図。 更なる傘歯車のピニオンの垂直断面における拡大された模式図。(円形先端縁(head edge rounding)形状の先端面取部が当該傘歯車上に備えられている。(補助円が左円形先端縁のために示されている)) 更なる傘歯車又はハイポイド歯車の一部の模式的な斜視図。(全ての歯は、先端面取部を備えている) 更なる傘歯車又はハイポイド歯車の単一の歯の模式的斜視図。(当該歯は凹面に先端面取部を備えている) 更なる傘歯車又はハイポイド歯車の斜め上方からの模式図。(図示している瞬間において、従来の研削工具(半径断面に示す)は、歯側面を加工するために、歯間の1つに斜めに突入している) 図7Aの(軸断面に示す)従来の研削工具の模式的な断面図。 本発明の研削工具の軸断面を伴う図2の歯の模式図。(研削工具の凹型リング形状領域は、示している瞬間において右歯側面の先端面取部を加工している) 本発明の更なる研削工具(軸断面を示す)の模式的な断面図。(ここではディスク形状を有する) 従来の研削工具と本発明の研削工具を有する2軸研削機械(工作機械)の一部の模式的な側面図。(研削機械は、(選択的に)特殊なドレッシングディスク(dressing disc)を備える) 軸の名称を伴う本発明の加工工具の模式図。
関連する刊行物及び特許においても使用される用語は、本明細書についても併せて使用される。しかしながら、これらの用語の使用は、より良い理解のためのみに役に立つことに留意されたい。本発明の構想及び特許請求の保護範囲は、用語の特殊な選択による解釈に限定されるべきではない。本発明は、他の用語体系及び/又は技術分野に容易に変換し得る。用語は、他の技術分野において適宜適用されるべきである。
図1は、傘歯車1の歯の模式図であり、傘歯車1は、歯間8の右及び左のそれぞれについて歯3を有する。図1のイラストは、ISO23509標準からの抜粋である。更に、標準DIN3960の詳細を使用した。図1におけるねじれ歯車歯を図示した形状で図示可能にするために、ねじれ歯車歯をコンピュータによって多数の垂直断面に分解し、これらの垂直断面を、順次横断面風に置く。以下の用語は、引用した標準に従って以下のように定義される。歯先2、(先端)縁4、歯側面5、歯底9(tooth base)、歯幅b(tooth width)、歯先厚さSta(tooth head thickness)(図2参照)。傘歯車1の外端は図1の正面にあり、内端は背面にある(従って、図1では見えない)。
図2は、他の傘歯車の歯3の模式図である。いわゆる先端面取部6が先端縁4の領域に設けられている。図示されている歯3は、よりよく説明するのために、過度に張り出した歯側面5及び過大な寸法の先端面取部6を有する。歯先厚さStaは、いわゆる仕上げ加工の範囲内での、先端縁4上の先端面取部6の仕上げに起因して、薄くなっている。結果として生じる残余歯先厚さは、ここでStakと表される。図2において、仕上げ前の先端縁4の紙面に対する通過点を2つの小さな×印で示している。
単語「先端面取部」は、全ての実施形態において、切断先端縁6.1及び円形先端縁6.2の両方の一般的な概念として理解されるべきである。切断先端縁6.1は、垂直断面からみると、直線形状である(図2参照)。切断先端縁6.1は、割線と定義されてもよく、割線は、歯3の歯先2において材料の一片を取り除く(先端縁4の領域において)。円形先端縁6.2は、湾曲しており、垂直断面からみると凸形状である(例えば、図3B参照)。
図3Aは、更なる傘歯車又はハイポイド歯車の垂直断面における歯3の模式図を示しており、ここで、当該歯3は、本発明に係る仕上げ加工を実行する前に示されている。湾曲した歯側面5は、先端面7と交差し、先端面7が歯先2を先端において画定している。対応する交線は、ここで先端縁4と示される。歯先2は、示しているスナップショットにおいて歯先厚さStaを有している。
図3Aに示す状態に続いて、本発明に係る仕上げ加工がここで実行される。その結果、図3Bに示される歯が結果として生じる。図3Bの例において、円形先端縁6.2は、材料の切断除去によって、実行される。2つの補助円HKは、破線で示されており、このように、2つの円形先端縁6.2の曲率半径ρを図示することが可能になる。結果として生じた残余歯先厚さStakは、歯先厚さStaよりも小さい。
図4は、更なる傘歯車1の歯3の垂直断面における大いに拡大された模式図である(ここで、傘歯車のピニオンである)。この歯3もまた過度に張り出した歯側面5と、底部丸み14とを有する。図4における2つの先端面取部6は、図2及び3Bの図に図示したものよりも現実に近い寸法を有している。円形先端縁6.2の形状の先端面取部6は、図4の傘歯車上に順次備えられている。補助円弧HKは、左円形先端縁6.2に示されている。補助円弧HKの曲率半径ρは、ここでは、図3Bよりも非常に大きい。図4の補助円弧HKの中心点は、示された領域の外側に位置する。
図5は、曲がり歯傘歯車1(右ねじれピッチ)の一部の模式的斜視図であり、ここで、全ての歯3は、先端面取部6を備えている。先端面取部6は、図5中においておおよそ原寸大で示している。
図6は、更なる曲がり歯傘歯車1の単一の歯3の模式的斜視図であり、ここで、この歯3は、先端面取部6を有する凹形状側面を備える。先端面取部6の寸法は、図6においておおよそ原寸大で示されている。歯3は外端から内端へテーパを有している。外端における歯の高さhpFは、内端における歯の高さhpZよりも大きい。しかしながら、外端から内端までの先端面取部6の寸法は、そのような傘歯車においてさえも、歯幅bに渡って均一に維持されている。空間に斜めに位置されている工具回転軸A2が図6に示されており、工具回転軸A2は、本発明の研削工具10を使用して、図示された先端面取部6を研削可能なように予め定められている。図示された工具回転軸A2の配置は、スナップショットである。
図7Aは、斜め上方からみた、更なる傘歯車又はハイポイド歯車1の模式図である。図示している瞬間において、従来の研削工具20は、傘歯車又はハイポイド歯車1の歯間の1つに斜めに突入している。研削工具20は、ここでは、半径断面において示されている、すなわち、工具回転軸A1は、図面の平面に垂直である。加工物回転軸Bは示していない。加工物回転軸Bは、工具回転軸A1に対して傾斜しており、図7Aの画像において図面の平面の外側に右上方に突出している。
図7Aは、従来の研削工具20の背面側からの眺めであり、研削工具20は、ここではカップ形砥石として具体的に表現してある。当該研削工具20の詳細は、図7Bにおいて軸断面における模式的な断面図で示してある。研削工具20がカップ形を有しているということは、図7Bにみられる。このカップ形は、環状円周端面のカップ形端から生じたものであり、ここでは、参照符号12を付して示してある。示してある実施形態では、このカップ形端部12は、基部本体15の最外周の近傍にあり、基部本体15は円筒状か、又は円錐台の形状である。
プランジ加工の代わりに、歯側面5を加工するその他の方法(例えば、創成法)は、全ての実施形態において、本発明と併せて使用されうる。
(例えば、図7A及び図7Bにおいて示されるように)歯側面5の(プランジ加工又は創成)加工に用いられる工具20に加えて、特殊工具10が使用される。特殊工具10の詳細は、例示的な実施形態に基づいて以後説明される
特殊工具10は、全ての実施形態において工具回転軸A2に関して回転対称に設計される。特殊工具10は、全ての実施形態において、湾曲している加工領域11を有している。加工領域11は、リング形状を有しており、このリング形状は、2つのリング形状領域13及び16に起因する。これら2つのリング領域は、図8及び9において、図面の平面における交線又は曲線として見られる。
前述したリング形状領域13は及び16は、円K1において互いに交差しており、円K1は工具回転軸A2と同心円をなしている。この円K1の図面の平面を通る経路は、図8及び9において小さな×印で見ることができる。
全ての実施形態において、2つのリング領域(ここでは領域13)の少なくとも1つは、いわゆる加工領域として使用される。少なくとも当該領域13は、研磨材を備えている。加工領域13は、全ての実施形態において工具回転軸A2に関して同軸状に配置されている。
本発明の方法の詳細は、図8から図11を基にして説明される。
本発明の方法は、歯3の歯先2の領域における傘歯車1の仕上げ加工方法に特に関する。本発明の方法は、全ての実施形態において、少なくとも以下のステップを備える。前記仕上げ加工を高い精度で実行可能にするために、傘歯車1は、仕上げ加工の前に掴み変えられない。すなわち、傘歯車1は、(例えば、図7A及び7Bに示されるように、工具20を使用して実行される)従来の加工の範囲においても使用されていた同一のチャックに維持されている。
本発明の方法は、好ましくは、2つの例に基づく図10及び図11において示されるような、2軸機械100において実行される。第1の(工具)スピンドル101は、側面3の加工用の(従来の)工具20を備える。第2の(工具)スピンドル103は、面取部6の加工用の特殊工具10を備える。本発明の方法は、しかしながら、1つの(工具)スピンドル101のみを備える機械100においてもまた実行され得る。この場合では、面取部6の加工の前に、(従来の)工具20は、取り外される必要があり、特殊工具10は、1つのスピンドル101に締結される必要がある。
本発明の方法が実行される前に、傘歯車1は、例に基づく図11に示されるように、ワークピーススピンドル102に締結される。傘歯車1は、全ての実施形態において、例えば、図7A及び7Bに示されるような第1の加工工具20を使用して、(事前に)加工されている。第1の加工工具20を使用して傘歯車1を(事前に)加工することを可能にするために、第1の加工工具20は、例えば、工作機械100の第1の工具スピンドル101に備えられる。傘歯車1の加工(例えば研削加工)は、その後、第1の加工工具20を使用して既知の方法で実行される。工具20の対応する回転運動は、角速度ω1として示され、対応する工具スピンドルは、A1で示される。
本発明の仕上げ加工は、この時点で初めて実行される。全ての実施形態において、仕上げ加工は、工具20を使用した加工の直後に実行されてもよく、そうでなければ、仕上げ加工は、更なる(中間)ステップが実行された後に実行されてもよい。仕上げ加工のために、研削工具10は、工作機械100の第1の工具スピンドル101、又は、工作機械100の第2の工具スピンドル103に備えられている。
傘歯車1は、その後、ワークピーススピンドル102の加工物回転軸B回りに回転するように駆動させられ、研削工具10は、第1の工具スピンドル101の回転軸A1回りに、又は、工具スピンドル103の工具回転軸A2回りに回転するように駆動させられる。工具10の対応する運動は、角速度ω2として示される。
研削工具10は、研削工具10の凹型加工領域11を、歯先2の領域において、縁4と切屑除去動作可能な接続(chip-removing operational connection)にするために、傘歯車1に対して(例えば、軸X2及び/又は軸Y及び/又は軸Z及び/又は軸Bの運動を実行することで)前進させられる。その後、切屑除去動作可能な接続が生じ、先端面取部6は、研削加工によって歯3の当該縁4に生じる。
研削工具10は、リング形状領域16が、研削加工の間に歯3の先端領域7上に平らに載せられるように、図8の例示的な実施形態において、具体化される。領域16は、必ずしも研磨材として具体化される必要はない。反対に、先端領域7は、先のステップにおいて十分に精密に既に画定されているため、この先端領域7は、本発明に係る加工の範囲において更なる(仕上げ)加工を受ける必要がない。
図8は、本発明の例示的な研削工具10の軸断面と共に、図2の歯3の模式図を示している。工具回転軸A2は、加工物回転軸B(図8において図示していない)に対して傾斜している。図示している瞬間において、右側歯側面5の先端面取部6.1は、研削工具10の凹型加工領域11によって現在加工されている。左側歯側面5の先端面取部6.1は、先のステップにおいて適宜既に加工されている。
凹型リング形状領域11は、本発明の意味において、研削工具10の軸断面において凹型形状を有している研削工具10の領域である。言い換えるならば、凹型リング形状領域11は、研削工具10の軸断面に示されている円周の収縮又は円周の減少である。凹型領域11は、全ての実施形態において、生産される先端面取部6の凹んだ形状として理解されるべきである。すなわち、凹型領域11は、例えば、図8の例に基づいて認識可能なように、全ての実施形態において、研削加工の間、歯3の歯先2に対して押しつけられるように設計されている。
凹型加工領域11は、本発明の全ての実施形態において、例えば、カップ形研削工具10の外周又は内周に配置され得る。この場合において、しかしながら、工具10の基本形状は、被研磨先端縁4に衝突自由な接近が可能であることに留意されたい。図8の研削工具10は、外周に凹型加工領域11を有するリング形状を有している。
図9の研削工具10は、外周上に凹型加工領域11を有しているディスク形状を有している。図9の研削工具10において、2つの凹型加工領域11は、外周上に備えられている。研削工具10は、従って、凹型加工領域11の1つが万一摩耗したとき、反転させてもよい。
研削工具10と傘歯車1の衝突を回避するために、研削工具10は、例えば、図6及び図8において認識されるように、全ての実施形態において、傾斜している。研削工具10は、好ましくは、全ての実施形態において、先の加工ステップの範囲において典型的に使用されている工具20よりも小さい。工具10の大きさの工具20との違いは、例に基づく図10において認識される。反対に、工具10の大きさは、加工される面取部6の大きさ及び形状によって画定される。一方で、工具10は、非制御的な方法で歯側面5に接触しないように、衝突することなく先端縁4の方向に前進することができる。
全ての実施形態において、研削工具10は、好ましくは、ドレッシング可能な研削工具10である。すなわち、研削工具10は、少なくともリング形状加工領域13の1つの領域において研磨材を伴って備えられており、これによりドレッシング工具(例えば、ドレッシングロール形)を使用して複数回ドレッシング可能になる。しかしながら、典型的なドレッシング工具は、本発明の研削工具10をドレッシングするのに適していない。これは、研削工具10の凹型領域11が、明らかに著しいキャビティ(cavity)を有しているためである。典型的なドレッサでは、そこまで深く進入してリング領域13(及び選択的にリング領域16)をドレッシングできない。
図10は、(ここでは一般的に工作機械100として参照する)研削機械100の一部の模式図であり、研削機械100は、2軸工作機械100として設計されている。第1の工具スピンドル101は、(ここでは研削カップの形状の)研削工具20を備えている。第2の工具スピンドル103は、(例えば、ここでは図9の研削工具10の形状の)研削工具10を備えている。工作機械100は、ドレッシング工具50を更に備えている。このドレッシング工具50は、断面図で示されている。従来のドレッシング工具と対比すると、本発明のドレッシング工具50は、好ましくは、全ての実施形態において、ドレッシングインサート51(dressing insert)、凸状外形輪郭、及び、ドレッシングインサート51が研削工具10の凸状加工領域11をドレス可能なように選択されている寸法を有している。
ドレッシングインサート51は、全ての実施形態において、(図10に示すように)ドレッシング工具50の軸方向の穿孔52に挿入可能であると共に、そこで締結可能である。ドレッシングインサート51は、また、全ての実施形態においてドレッシング工具50の一体部品であってもよい。しかしながら、適切な凸状外形輪郭及び寸法を有しているドレッシング工具50は、全ての実施形態において、ドレッシングインサート51の代わりに使用されてもよい。
凸状加工領域11をドレッシングするためのドレッシング工具50を使用可能にするために、ドレッシング回転軸R3は、例えば図10に示すように、研削工具20に対して傾斜していてもよい。ドレッシング工具50が工具20をドレッシングするために選択的に設計されてもよいことを示すために、図10に示すスナップショットにおいて、ドレッシング工具50は、工具20に隣接して配置されている。
更なる例示として、CNC−制御工作機械100が、図11に示されている。対応するCNCコントローラ110は、セパレートモジュールとして示されており、前記セパレートモジュールは、通信接続111を介して工作機械100に接続されている。例として示されているこの工作機械100は、第1の鉛直研削スピンドル101(A1軸)を有している。研削工具20は、この研削スピンドル101(例えば、研削カップが、ここで工具20として使用されている)に締結されている。工作機械100は、第2の鉛直研削スピンドル103(A2軸)を更に有している。本発明の特殊研削工具10は、研削軸103上に締結されている。カップ形状を有している研削工具10は、図11に示されており、凸状領域を表している。加工される加工物(傘歯車1)は、軸Bに据え付けられ、ワークピーススピンドル102に締結される。
しかしながら、ここで説明され請求される発明は、他の研削機械においても実行することができる。更に、この工作機械100は、旋回軸Cを有しており、当該旋回軸Cにより、傘歯車1を旋回させることができる。更に、図11に示すように、複数の直線軸X1,X2,Y及びZがある。
機械100は、傘歯車1を加工するために特に設計されており、全ての実施形態において、ワークピーススピンドル102を有している。ワークピーススピンドル102は、加工物回転軸B回りに回転するために駆動されてもよい。ワークピーススピンドル102は、傘歯車1を収容するように設計されている。更に、工作機械100は、全ての実施形態において、(ここでは、鉛直方向に吊り下げられた構造で)少なくとも1つの工具スピンドル101を有する。工具スピンドル101は、工具回転軸A1回りに回転するように駆動されてもよい。この工具スピンドル101は、研削工具20及び/又は研削工具10を収容するように設計されている。機械100のNCコントローラ110は、特に本発明の方法を実行するために設計されている。ドレッシング工具50は、(図10における例のように示されている)ドレッシング用に選択的に備えられており、このドレッシング工具50は、ドレッシング回転軸R3回りに回転可能である。この選択的なドレッシング工具50は、図11に示されていない。
1 傘歯車
2 歯先
3 歯
4 縁
5 歯側面
6 先端面取部
6.1 切断先端縁
6.2 円形先端縁
7 先端面
8 歯間
9 歯底(根本)
10 研削工具
11 凹型加工領域
12 カップ縁
13 リング形状加工領域
14 底部(根本)丸み
15 主本体
16 リング領域
20 第1(加工)工具
50 ドレッシング工具
51 ドレッシングインサート
52 軸方向の穿孔
100 工作機械
101 (第1の)工具スピンドル
102 ワークピーススピンドル
103 (第2の)工具スピンドル
110 コントローラ
111 通信接続
A1 研削軸/回転軸
B ワークピース軸/回転軸
C 旋回軸
HK 補助円
hpF 外縁における歯の高さ
hpZ 内縁における歯の高さ
K1 円
R3 ドレッシング回転軸
A2 研削軸/回転軸
b 歯幅
ρ 曲率半径
Sta 歯先厚さ
Stak 残余歯先厚さ
S1−S1 交線
ω1 角速度
ω2 角速度
X1,X2,Y,Z 直線軸

Claims (9)

  1. 歯(3)の歯先(2)の領域において傘歯車(1)を仕上げ加工する方法であって、
    傘歯車(1)を工作機械(100)のワークピーススピンドル(102)に設けることと、
    前記傘歯車(1)を前記ワークピーススピンドル(102)の加工物回転軸(B)回りに回転駆動することと、
    第1の加工工具(20)を前記工作機械(100)の第1の工具スピンドル(101)に設けることと、
    前記第1の加工工具(20)を使用して前記傘歯車(1)を加工することと、
    研削工具(10)を、第2の加工工具として、前記第1の工具スピンドル(101)又は前記工作機械(100)の更なる第2の工具スピンドル(103)上に備え付けることと、
    リング形状を有し、工具回転軸(A1,A2)に対して同軸性に配置されている凹型加工領域(11)を備える前記研削工具(10)を、前記第1の工具スピンドル(101)又は前記第2の工具スピンドル(103)の工具回転軸(A1又はA2)回りに駆動することと、
    研削加工によって、縁(4)上に先端面取部(6)を作るために、前記研削工具(10)の前記凹型加工領域(11)を、前記縁(4)と切屑除去動作可能な接続とするために、前記研削工具(10)を前記傘歯車(1)に対して前進させることと、
    を備え、
    前記縁(4)は、前記歯(3)の歯側面(5)と歯先(2)との間の移行部を画定すると共に、前記歯(3)の歯幅(b)に沿って延在しており、
    前記傘歯車(1)は、前記第1の加工工具(20)での前記傘歯車(1)の加工と、前記研削工具(10)を使用した研削加工との間で掴み変えられない、方法。
  2. 前記縁(4)は、前記傘歯車(1)の前記歯先(2)の前記領域にあることを特徴とする、請求項1に記載の方法。
  3. 切断先端縁(6.1)又は円形先端縁(6.2)は、前記縁(4)における研削加工によって、前記先端面取部(6)として製造されることを特徴とする、請求項1又は2に記載の方法。
  4. 残余歯先厚さ(Stak)は、前記縁(4)の研削加工によって前記歯先(2)に製造され、本発明に係る方法のステップを実行する前の歯先厚さ(Sta)よりも薄いことを特徴とする、請求項1又は2に記載の方法。
  5. 前記研削工具(10)は、前記研削工具(10)の軸断面において、凹型であることを特徴とする、請求項1から請求項4のいずれか1つに記載の方法。
  6. 加工物回転軸(B)回りに回転するように駆動されることが可能で、傘歯車(1)を収容するように設計されているワークピーススピンドル(102)と、
    工具回転軸(A1,A2)回りに回転するように駆動されることが可能で、研削工具(10)を収容するように設計されている、少なくとも1つの工具スピンドル(101,103)と、
    請求項1から請求項5のいずれか1つに記載の方法のステップを実行するようにプログラムされているNCコントローラ(110)と
    を備える、傘歯車(1)を加工する機械(100)。
  7. 少なくとも1つの工具スピンドル(103)に加えて、更なる工具スピンドル(101)を更に備える、請求項6に記載の機械(100)。
  8. 前記研削工具(10)をドレッシングするように設計されているドレッシング工具(50)を備えることを特徴とする、請求項7に記載の機械(100)。
  9. 前記ドレッシング工具(50)は、前記研削工具(10)の前記凹型加工領域(11)をドレッシングするように設計されているドレッシングインサート(51)を備えることを特徴とする、請求項8に記載の機械(100)
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