KR102064893B1 - 원통형 기어의 스카이빙 - Google Patents

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KR102064893B1
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헤르만 요트. 슈타트펠트
로버트 티. 도넌
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더 글리슨 웍스
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Abstract

스카이빙 툴은 커터 헤드(2)로서, 복수의 커터 블레이드 장착 및 위치결정 슬롯을 커터 헤드의 외주부(7) 둘레로 바람직하게는 등간격으로 이격 배열시키고, 블레이드 슬롯(8) 및 그에 따른 절삭 블레이드(4)가 바람직하게 커터 헤드의 회전 축선(A)에 대해 수직방향으로 배향되는 커터 헤드(2)를 포함한다. 선택적으로, 블레이드 슬롯들은 수직방향 배향으로부터 50도 미만으로, 바람직하게는 20도 미만으로 경사져 원추형 커터를 형성할 수도 있다. 또한, 블레이드 슬롯들은 커터 헤드 축선으로부터 반경방향으로 뻗어 있도록 위치결정될 수 있으며, 이에 의하면 커터 블레이드의 길이방향 축선은 커터 헤드 축선과 교차하게 될 것이다. 혹은, 블레이드 슬롯들은 커터 헤드 축선으로부터 반경방향으로 오프셋될 수도 있다. 블레이드 슬롯들은 정사각형, 직사각형 또는 각각 90도 미만으로 경사진 한 쌍의 장착 표면(12, 14)을 구비한 대체로 V자 형상인 시팅 표면(10)을 가진 형태와 같은 임의의 단면 형상을 가질 수 있다. 공지의 절삭 블레이드와 대조적으로, 본 발명의 절삭 블레이드(4)는 그것의 절삭면(16)을, 절삭 블레이드의 시팅 표면들 즉 시팅 표면(13, 15)의 반대쪽에 배치되는 절삭 블레이드(4)의 하나의 표면에 형성시킨다.

Description

원통형 기어의 스카이빙{SKIVING OF CYLINDRICAL GEARS}
본 발명은 원통형 기어의 절삭에 관한 것이며, 보다 상세하게는 스카이빙에 의해 원통형 기어를 절삭하는 것에 관한 것이다.
원통형 기어의 스카이빙("호브 필링(hob peeling)"으로도 알려짐)은 스카이빙은 주로 인터널 링 기어를 제작하기 위해 오랫동안 존재해온 절삭 공정이다(예컨대 DE 243514 참조). 호닝과 마찬가지로, 스카이빙은 축선이 경사진 2개의 "원통형 기어" 간의 상대 슬라이딩 운동을 이용한다. 스카이빙 커터는 대개 가공될 원통형 기어의 나선각과 다른 예컨대 20°의 나선각을 갖는 셰이핑 커터와 유사하다(예컨대 US 2011/0268523). 다른 스카이빙 툴들은 예컨대 US 2012/0282055에 개시된 바와 같이 쌍곡면에 따라 커터 헤드에 배열되는 바 형상(bar-shape) 또는 스틱 형상(stick-shape) 절삭 블레이드를 포함한다.
스카이빙에서의 연속 칩 제거로 인해, 이 공정은 셰이핑보다 수 배 더 신속하고 브로칭보다 더 유연성이 있지만, 머신과 툴에 한 가지 과제를 부여한다. 절삭 에지와 기어 이 슬롯 간의 구름 운동이 머신 스핀들 RPM으로 발생하지만, 상대 축선방향 절삭 운동은 대개 단지 커터의 원주 속도의 약 3분의 1일뿐이다. "스파이럴 필링(spiral peeling)"을 낳는 구름과 절삭의 절삭 성분들은 절삭 공정 지정 스카이빙에 의해 나타난다.
가공 머신의 기어 트레인의 상대적으로 낮은 동강성(dynamic stiffness)과 더불어 비코팅 커터의 급속한 마모로 인해, 원통형 기어의 스카이빙은 최근까지 셰이핑 또는 호빙에 대비하여 비약적 발전을 성취하는 데 실패하였다. 직접 구동 트레인과 강성의 전자 기어 박스를 구비한 최신의 머신 툴이 스카이빙 공정을 위한 최적의 기반을 제공한다. 복잡한 툴 기하형상과 최신의 코팅 기술이 원통형 기어의 소프트 스카이빙에 최근의 비약적 발전을 제공하는 데 기여하고 있다.
본 발명은 커터 헤드로서, 복수의 커터 블레이드 장착 및 위치결정 슬롯(블레이드 슬롯)을 커터 헤드의 외주부 둘레로 바람직하게는 등간격으로 이격 배열시키고, 블레이드 슬롯 및 그에 따른 절삭 블레이드가 바람직하게 커터 헤드의 회전 축선에 대해 수직방향으로 배향되는 커터 헤드를 포함하는 스카이빙 툴에 관한 것이다. 선택적으로, 블레이드 슬롯들은 수직방향 배향으로부터 50도 미만으로, 바람직하게는 20도 미만으로 경사져 원추형 커터를 형성할 수도 있다. 또한, 블레이드 슬롯들은 커터 헤드 축선으로부터 반경방향으로 뻗어 있도록 위치결정될 수 있으며, 이에 의하면 커터 블레이드의 길이방향 축선은 커터 헤드 축선과 교차하게 될 것이다. 혹은, 블레이드 슬롯들은 커터 헤드 축선으로부터 반경방향으로 오프셋될 수도 있다. 블레이드 슬롯들은 정사각형, 직사각형 또는 각각 90도 미만으로 경사진 한 쌍의 장착 표면을 구비한 대체로 V자 형상인 시팅 표면을 가진 형태와 같은 임의의 단면 형상을 가질 수 있다. 공지의 절삭 블레이드와 대조적으로, 본 발명의 절삭 블레이드는 그것의 절삭면을, 절삭 블레이드의 시팅 표면들 즉 V자 형상 시팅 표면들의 반대쪽에 배치되는 절삭 블레이드의 하나의 표면에 형성시킨다.
도 1은 스카이빙의 기본 기하구조 및 동특성을 예시하고 있다.
도 2는 가공물과 툴의 피치 원통을 도시하고 있다.
도 3은 절삭 속도의 연산을 예시하고 있다.
도 4는 툴 기준 프로파일의 연산을 위한 과정을 도시하고 있다.
도 5는 머신 세팅의 연산을 예시하고 있다.
도 6은 코팅된 솔리드 고속도강 스카이빙 커터를 도시하고 있다.
도 7은 절삭 속도 연산을 예시하고 있다.
도 8(a)-8(d)는 카바이드 절삭 블레이드들을 구비한 스틱 블레이드 스카이빙 커터를 도시하고 있다.
도 9는 커터 직경과 절삭 블레이드의 수를 결정하기 위한 표이다.
도 10은 스카이빙 커터 상의 가상의 툴 이를 도시하고 있다.
도 11은 셰이핑, 호빙 및 스카이빙에 대한 생산성의 비교도이다.
본 명세서에서 사용되는 "발명" 및 "본 발명"이란 용어는 본 명세서 및 청구범위의 모든 발명의 대상을 광범위하게 이르는 것을 의도한다. 이들 용어를 포함한 기재들은 여기에 설명되는 발명의 대상을 제한하거나 청구범위의 의미와 범위를 제한하는 것으로 이해되어서는 안된다. 또한, 본 명세서는 특정 부분, 단락 기재 또는 출원 도면으로 청구범위에 의해 커버되는 발명의 대상을 기술하거나 제한하고자 하는 것이 아니다. 발명의 대상은 전체 명세서, 모든 도면 및 청구범위를 참조하여 이해되어야 한다. 본 발명은 다른 구성으로 이루어질 수 있으며, 다양한 방식으로 실시 및 실행될 수 있다. 또한, 여기에 사용되는 용어는 설명을 위한 것으로 이해되어야 하며, 한정하는 것으로 간주되어서는 안된다.
이제 본 발명을 단지 예시로서 설명하는 첨부도면을 참조하여 본 발명을 살펴보기로 한다. 도면들에서는, 유사한 세부 구성부 또는 구성요소가 도일한 참조번호로 설명될 것이다. 본 발명의 보다 명확한 이해와 용이한 보기를 위해, 출입문 및 내외 보호구는 도면에서 생략되었다.
여기서 사용되는 "구비하는", "가지는", "포함하는"의 표현 및 그 변형된 형태의 표현은 그 뒤에 열거되는 항목들과 그 항목들에 균등한 것뿐만 아니라 부가적인 항목도 포괄하는 것을 의미한다. 방법 또는 공정의 요소들을 식별하기 위한 단어들의 사용은 단순히 식별을 위한 것으로, 그 요소들이 특정 순서로 실행되어야 한다는 것을 나타내지 않는다.
도면을 설명함에 있어 상, 하, 상방, 하방, 후방, 바닥부, 상부, 전방, 후방 등과 같은 방향에 대한 언급이 이하에 이루어지겠지만, 이러한 언급은 편의를 위해 도면(일반적인 방향에서 본)에 대해 이루어지는 것이다. 이러한 방향들은 문자 그대로 받아들여지거나 어떤 형태로 본 발명을 한정하는 것으로 의도된 것이 아니다. 또한, "제1", "제2", "제3", 등과 같은 용어들은 설명을 위해 여기에 사용되는 것으로 중요도나 심각성을 나타내거나 부여하는 것으로 의도된 것이 아니다.
인터널 링 기어에 대한 스카이빙 커터의 기하학적 설정이 도 1에 도시되어 있다. 창성 기어 시스템의 정면도가 좌상부에 도시되어 있다. 링 기어는 그것의 회전 축선이 Y 축선과 공선상에 있는 상태로 주 좌표계 내에서 배향된다. 커터 중심(Rw의 원점)이 X4-Z4 평면 내에서 반경방향 거리 벡터(Ex)만큼 Y4의 중심으로부터 벗어나 위치결정된다. 커터의 피치원과 링 기어의 피치원은 피치원의 최하점에서 접선방향으로 접촉한다. 툴 경사각 즉 축각을 보여주는 상면도가 정면도 아래에 도시되어 있다. 스퍼 기어의 경우에는, 스트로크 운동은 Y 축선을 따라 정향된다. 절삭 운동이 도 1에 도시된 좌표계에서 축각(Σ)을 가지고 X4 축선 둘레로 발생될 때 상대 속도가 요구된다. 헬리컬 기어의 경우에는, 커터 경사가 나선각에 독립적으로 선택될 수 있다. 하지만, 20°이상의 나선각은 그것을 축각(Σ)과 일치시키고, 스카이빙 작업에 단순한 스퍼 기어형 셰이퍼 커터를 사용하는 가능성을 제공한다. 이 경우에도, 스트로크 운동은 Y 방향으로 배향되지만, 스트로크 이송에 따른 증분 회전(ω2)이 ω1에 추가되어야 한다. 축각(Σ)은 나선각과 다르게 정해질 수도 있으며, 이 경우에도 여전히 동일한 증분(ω2)을 필요로 하지만, 툴 전면 배향(tool front face orientation) 및 측면 여유각이 나선각과 축각(Σ) 사이의 차이로부터 연산되어야만 한다. 도 1의 우측의 측면도는 틸트각(tilt angle)이라 불리는 두 번째 가능한 툴 경사를 도시하고 있다. 이 툴 틸트각은 블레이드와 슬롯 사이의 유효 여유각을 증가시키는 데 사용될 수 있고, 또한 최소 여유각으로 긴 스퍼 기어형 셰이퍼 커터의 배면 간의 간섭을 제거하는 데도 이용될 수 있다. 한계 내에서, 압력각 보정을 위해 틸트각을 이용하는 것도 가능하다.
도 2의 3차원 측면도는 인터널 헬리컬 기어를 가공물과 툴 사이에 축각(Σ)을 가진 상태로 도시하고 있다. 도 2는 가공물의 기초 각속도(ω1) 및 그것의 연산을 위한 공식을 나타내고 있다. 도 2는 또한 증분 각속도(ω2) 및 나선각과 축선방향 이송 운동(스트로크 운동)으로부터 그것을 연산하기 위한 공식을 포함하고 있다. 절삭 속도는 절삭 구역에서의 가공물과 툴의 원주 속도 벡터들 사이의 차이 벡터로서 연산된다. 도 3은 속도 벡터들을 가진 툴과 가공물 사이의 구성의 상면도를 도시하고 있다.
툴의 기준 프로파일이 도 4에 도시된 과정을 적용하여 가공물의 기준 프로파일로부터 결정된다. 압력각(α1, α2)과 그 지점 폭(Wp)을 가진 가공물의 기준 프로파일이 축각(Σ)의 평면을 가지고서 절삭된 사다리꼴 채널(도 4의 우상부)로서 도시되어 있다. 평면과 채널 간의 교선들에 의해 한정된 프로파일이 툴의 기준 프로파일을 나타낸다. 이 툴 기준 프로파일이 툴 절삭 전면의 인벌류트(도 4의 우하부)를 창성하기 위해 사용된다.
머신 세팅 연산이 예컨대 US 672566에 개시된 머신과 같은 베벨 기어 절삭 머신의 예를 기초로 도 5에 도시되어 있다. 도면에서의 공식의 기호들의 설명은 다음과 같다.
X-Y-Z ... 머신 축선 방향들(Y는 지면에 수직한 방향)
Σ ... 커터와 가공물 사이의 축각
CRT ... 커터 기준 높이
B ... 커터 스윙각
PZ ... B=0°인 경우에 Z 방향의 스핀들 전면까지의 피벗 거리
PX ... B=0°인 경우에 X 방향의 스핀들 중심선까지의 피벗 거리
Z1, Z2 ... Z 방향 성분들
가공물과 커터의 나선 방향들에 따라, 절삭은 B 축선각을 90°미만으로 유지시키기 위해 가공물 기어 중심선 아래 또는 위에서 발생한다. 아무런 보정이 없는 경우, 커터 축선과 가공물 축선 사이의 교점은 커터 기준 평면 내에 위치한다.
통상적으로, 상술한 바와 같이, 스카이빙은 일반적인 기어 셰이퍼 커터로 실행된다. 스카이빙에 사용되는 여러 가지 다양한 툴들이 도 6에 도시되어 있다. 첫 번째 커터(좌측)는 절삭 이에 나선각 없이 약간 테이퍼진 샤프트 형태이다. 이 커터는 나선각을 가진 기어용으로 사용될 수 있다. 커터와 가공물 사이의 축각은 가공물의 나선각으로 설정될 것이다. 이는 또한 가공물의 나선각이 충분한 절삭 속도를 발생시키기 위해 10°를 넘어야만 한다는 것을 의미한다. 절삭 이의 직선성으로 인해, 작은 직경과 큰 치폭을 가진 가공물 피스는 슬롯과 절삭 블레이드의 선단 사이의 간섭을 일으킬 수 있을 것이다. 도 6의 중심부의 스카이빙 커터는 몇 차례 다시 날세우기 가공될 수 있는 웨이퍼형 커터(바람직하게는 TiN 코팅됨)이다. 이 커터의 절삭 이도 직선형이며, 이는 이 커터 역시 나선각을 가진 가공물 피스용에만 적합하게 한다. 이 웨이퍼 커터는 매우 짧은 절삭 이를 가지고 있으며, 이는 작은 직경의 가공물 피스 둘레로 나선형성되는 헬리컬 슬롯의 경우에는 간섭 문제를 방지할 것이다. 도 6의 우측의 스카이빙 커터는 톱날형 블레이드 전면과 나선각을 구비하여 배향된 이들을 가지고 있다. 바람직하게는, 도 6의 우측의 스카이빙 커터는 TiAlN 코팅으로 코팅된다.
가공물 피스의 나선각이 15°이고, 툴 나선각이 20°인 경우에는, 스카이빙 커터와 가공물 사이의 축각은 5°로 설정되어야 한다(동일 나선 방향). 나선 방향이 서로 반대인 경우에는, 35°의 축각이 사용되어야 한다. 흥미로운 사례는 가공물의 기어 나선각이 커터 나선각과 일치하는 경우에(동일한 크기 및 동일한 방향) 발생한다. 이 경우에는, 커터와 가공물 사이의 축각은 0이며, 어떠한 스카이빙 운동도 발생되지 않는다. 가공물의 나선각(β)과 축각(Σ)에 따른 절삭 표면 속도의 연산이 도 7에 도시되어 있다. 도 7의 상부는 스퍼 기어용으로 지정된(도 7의 우측부도 참조) 이와 슬롯을 구비한 펼쳐진 상태의 피치 원통을 나타내고 있다. β=0이므로, 공식은 첫 번째 특수한 경우로 단순화된다. 도 7의 하부는 두 번째 특수한 경우에 대한 단순한 공식을 나타내며, 이것은 나선각(β)이 축각(Σ)과 같을 때 발생한다. 절삭 속도 공식은 가공물 기어 피치원 직경에서의 원주 속도 다음으로 가공물의 나선각(β)과 가공물과 스카이빙 커터 사이의 축각(Σ)을 고려한다. 절삭 속도 벡터는 도 7의 공식이 적용되는 경우에 자동적으로 플랭크 리드(flank lead) 방향으로 정향된다. 상기 공식이 Σ와 β 간의 상호작용을 나타내고 있지만, 충분한 절삭 속도의 발생을 위한 주요 파라미터는 가공물 축선과 툴 축선 사이의 축각(Σ)이다.
스틸 블레이드(4)를 사용하는 커터 헤드(2)가 특히 스카이빙을 위해 개량되었다(도 8a-8c 참조). 블레이드 재료는 바람직하게는 카바이드이며, 블레이드 프로파일은 3면 연삭되고, 전체 둘레에, 다른 코팅이 배제되는 것은 아니지만, 바람직하게는 TiAlN(티타늄 알루미늄 나이트라이드) 코팅으로 코팅된다. 블레이드 프로파일(6)은 도 4의 툴 기준 프로파일로부터 유도된 인벌류트를 닮아 있다. 블레이드들은 도 6에 도시된 커터들의 프로파일들과 꼭 같은 전체 프로파일 블레이드들로서 연삭될 수 있으며, 또는 충분한 측면 경사각들을 구현하게 해주는 교번적인 좌측 플랭크-우측 플랭크 블레이드들(as alternating left flank - right flank blades)로서 연삭될 수 있다. 교번적인 블레이드 구성은 매우 우수한 툴 수명과 대단히 매끄러운 절삭 작업을 제공한다. 하지만, 생산성은 전체 프로파일 블레이드들을 사용하는 것보다 약간 더 낮다.
본 발명의 바람직한 커터가 도 8c에 예시되어 있으며, 전면(3) 및 후면(5)을 가진 커터 헤드(2)를 포함하고 있으며, 복수의 커터 블레이드 장착 및 위치결정 슬롯(블레이드 슬롯)(8)이 커터 헤드의 외주부(7) 둘레로 바람직하게는 등간격으로 이격 배열되어 있다. 블레이드 슬롯(8) 및 그에 따른 절삭 블레이드(4)는 커터 헤드의 회전 축선(A)에 대해 수직방향으로 배향되는 것이 바람직하지만, 수직방향으로부터 50도 미만으로, 바람직하게는 20도 미만으로 경사져 원추형 커터를 형성할 수도 있다. 또한, 블레이드 슬롯들은 커터 헤드 축선으로부터 반경방향으로 뻗어 있도록 위치결정될 수 있으며, 이에 의하면 커터 블레이드의 길이방향 축선은 커터 헤드 축선(A)과 교차하게 될 것이다(도 10). 혹은, 블레이드 슬롯들은 커터 헤드 축선으로부터 반경방향으로 오프셋될 수도 있다. 블레이드 슬롯들은 정사각형, 직사각형 또는 각각 90도 미만으로 경사진 한 쌍의 장착 표면(12, 14)을 구비한 대체로 V자 형상인 시팅 표면(10)을 가진 형태(예컨대 US 5,890,946 참조)와 같은 임의의 단면 형상을 가질 수 있다.
하지만, 공지의 절삭 블레이드와 대조적으로, 본 발명의 절삭 블레이드는 그것의 절삭면(16)을, 절삭 블레이드(4)가 커터 헤드 내에 장착될 때 절삭 블레이드의 시팅 표면(13, 15)(도 8d의 블레이드 단면도 참조)의 반대쪽이면서 또한 그에 따라 커터 헤드(2)의 V자 형상 시팅 표면(12, 14)의 반대쪽에 배치되는 절삭 블레이드(4)의 하나의 표면에 형성시킨다. V자 형상 시팅 표면(12, 14)은 전면(3)을 향한 방향으로 개방되어 있고, 절삭 블레이드(4)의 절삭면(16)은 대체로 전면(3)을 향해 배향되어 있다. 이러한 구성으로, 절삭 시에 생기는 힘들이 V자 형상 시팅 표면(12, 14)으로 전달되고, 이로 인해 커터 헤드(2) 내에서의 절삭 블레이드(4)의 시팅을 강화함으로써 절삭 공정 중의 절삭 툴의 향상된 안정성을 가져다 준다. 도 8d에서는, 측면 경사각과 여유각은 단순한 도시를 위해 생략되었으며, 각도 K(도 8c에도 도시됨)가 대체로 축각(Σ)과 같은 블레이드(4)의 절삭면 각도이다.
도 8a-8c의 커터 헤드의 디자인으로 인해, 블레이드들은 그들 사이에 기준 프로파일의 이두께보다 큰 스페이스들을 가진다. 커터는 커터 헤드의 블레이드들이 기준 프로파일의 매 2번째, 3번째 또는 4번째 슬롯마다 나타나도록 특정 모듈의 기어로 구성될 수 있다. 작은 가공물 피스 런아웃과 높은 스페이싱 품질과 관련하여, 이론적 스카이빙 커터 잇수와 가공물 기어 잇수 간의 공약수를 회피하는 것이 바람직하다. 물론 솔리드 스카이빙 커터에도 동일한 규칙이 적용된다.
다양한 기어들에 대해 최소한의 상이한 커터 헤드 종류의 사용을 가능하게 해주는 과정이 개발되었다. 예를 들어, 피치원 직경 제한이 없는 익스터널 기어 또는 약 330 mm 이상의 최소 피치원 직경을 갖는 인터널 링 기어는 9 인치(228.6 mm) 직경의 외주면 커터 헤드로 스카이빙될 수 있다. 도 9의 표는 초기 툴 피치원 직경(D02)을 나타내기 위해 0.5 mm 단차로 2 mm로부터 7 mm까지의 모듈들을 사용하고 있다. 유효 툴 모듈(mtool)은 툴 회전 평면(즉 축각(Σ))의 각도 배향(예컨대 20°)을 설명하는 도 4의 방정식으로부터 연산되고, 그로부터 이론적 툴 잇수(Z2)가 D02/mtool에 의해 결정된다. 툴 잇수(Z2)는 이의 하나의 정수(선택 Z2)에 도달하기 위해 올림 또는 버림되어야만 하고(1 이상의 정수값만큼), 그 하나의 정수로부터 툴의 유효 피치원 직경이 다음과 같이 결정된다. (선택 Z2) X mtool = D02*. 개발된 스틱 블레이드 시스템은 약간의 작은 크기만큼의 늘리거나 줄이는 블레이드 스틱의 조절이 선택 잇수에 요구되는 피치원 직경을 맞추는 것을 가능하게 해준다.
하지만, 9 인치 치수족의 커터에 속하는 바람직한 커터 헤드는 일반적으로 15, 17, 19, 21 또는 23의 블레이드 슬롯수를 구비한다. 표의 다음 열들에는, 2와 5 사이에 존재하는 모든 정수 비율(fraction)들이 결정된다(이 범위는 6, 7, 8 이상으로 확대될 수 있다). 그 목표는 최대 생산성을 확보하기 위해 9 인치 직경 계열의 커터에 유효한 최대 슬롯수를 찾아내는 데 있다. 다시 말해, 스카이빙 커터는 슬롯수로 이론적 툴 잇수를 나타내는 것이 아니라 그 일정 비율로만 나타낸다. 이론적 툴 잇수는 이론적 툴 잇수는 그 비율만이 커터 헤드에 나타나는 가상의 툴 잇수가 된다. 하나의 수가 선택되어 스프레드시트에 기입되면, 슬롯과 이론적 잇수의 실제 비율 다음에 최종적인 커터 슬롯수가 마지막 열에 나타내진다. 이 수가 기존의 커터 헤드와 맞지 않으면, 알맞은 커터가 발견될 때까지 제2, 제3의 수가 선택되어야 한다. 경우에 따라서는(예컨대 도 9의 모듈(3, 5, 5.5 및 7), 당면의 올림 및/또는 내림 정수(immediate up and/or down rounded integer)가 수용가능한 커터 슬롯수를 제공할 수 없어, 적합한 커터 슬롯 수가 얻어질 때까지 올림과 내림이 계속된다. 전술한 실시예가 9 인치 직경 커터를 기반으로 하고 있지만, 예컨대 4.5 인치(114.3 mm), 7 인치(177.8 mm) 및 8 인치(203.2 mm)와 같은 다른 커터 헤드 직경도 본 발명에 의해 의도된다.
가공물 기어의 잇수에 따라, 가상의 툴 잇수는 짝수이면서 소수(prime number)가 아닐 수 있다. 이는 가공물과 가상의 커터 사이에 헌팅 투쓰(hunging tooth) 관계가 주어지기만 한다면 문제가 없을 것이다. 이 경우, 가공물과 실제 커터 사이에도 헌팅 투쓰 원리가 존재한다. 외주형 스틱 블레이드 커터 디자인은 물리적으로 가상의 수의 블레이드들이 서로 나란히 설치되는 것을 허용하지 않을 것이다. 도 10의 커터는 점선으로 그려진 (가상의) 블레이드들이 실제 블레이드들 사이에 표시된 서로간의 이를 나타내고 있다.
TiAlN 코팅을 구비한 M48과 같은 고속도강(HSS)로부터 제작된 솔리드 커터가 대체로 습식 스카이빙 환경에서 약 100 m/min까지의 표면 속도에 적합하다. TiAlN 코팅을 구비한 카바이드 스틱 블레이드(예컨대 10%Co-90%WC)는 "임계 속도(critical speed)"로 생각될 수 있는 약 300 m/min 표면 속도를 허용한다. 하지만, 툴 마모와 관련하여, 스카이빙에 있어 소정의 표면 속도를 성취하기 위해서는 매우 높은 툴 회전 속도가 요구된다는 점이 고려되어야 한다. 이는 결국 절삭 속도에 중첩되는 프로파일 슬라이딩(profile sliding)을 발생시킨다. 프로파일 슬라이딩은 긴 칩 제거 결합 경로를 거치기도 하는 블레이드 팁에서 최고값을 가지고, 이로 인해 블레이드 팁을 추가적인 측면 여유 마모에 취약하게 만든다.
절삭 시험들은 스카이빙에서 표면 속도를 임계 속도보다 낮은(즉 임계 속도 미만인(Under-Critical Speed; UCS)) 150 m/min과 200 m/min 사이까지 감소시키면서 생산성을 높게 유지하고 그러면서도 툴 수명의 상당한 향상을 취득한다는 것을 보여주었다.
하나의 실시예로서, 모듈 4.0 mm 기어가 TiAlN 코팅된 카바이드 블레이드를 가지고 172 m/min 표면 속도로 습식 UCS 스카이빙에 의해 절삭되었다. 첫 번째 황삭 패스(roughing pass)는 5 mm의 송입(infeed) 세팅과 블레이드당 0.045 mm의 이송 속도를 사용하였다. 칩은 컸고 약간만 만곡되었다. 각각의 칩은 하나의 플랭크와 톱니 슬롯 바닥면의 일부를 나타낸다. 두 번째 패스는 3 mm의 송입 세팅과 블레이드당 0.28 mm의 이송 속도를 사용하였다. 이때의 칩은 바닥부에 의해 연결된 2개의 플랭크로 이루어진다. 정삭 패스는 1.00 mm의 송입과 블레이드당 0.015 mm의 이송 속도를 사용하였다. 이때의 칩도 연결되어 U자 형상을 형성하는 2개의 플랭크 및 바닥부 칩부를 가졌다.
또 다른 실시예에서는, 동일한 종류의 기어가 TiAlN 코팅된 카바이드 블레이드 및 172 m/min 표면 속도를 이용하여, 습식 절삭에 적용된 것과 동일한 송입값들과 이송 속도들을 이용하는 3 패스 건식 절삭 공정으로 절삭되었다. 공정 열로 인한 색깔 변화를 제외하고는, 건식 칩은 대체로 습식 절삭에 의한 칩과 동일한 형상을 가진다.
코팅된 카바이드 스틱 블레이드에 의한 습식 스카이빙 공정과 건식 스카이빙 공정 간의 비교는 건식 공정이 유리한 것으로서 나타난다. 공정 열이 전단 작용 시에 칩을 소성변형시키는 것을 돕는다. 공정 파라미터들과 툴 기하형상이 공정 열을 칩 내로 그리고 칩에 의해 툴과 가공물 피스에서 이탈하게 이동시키도록 선택된다면, 냉간 스카이빙 공정의 결과로 된다. 건식 스카이빙은 보다 우수한 표면 정삭을 제공하고, 습식 공정보다 균등하거나 균질한 더 적은 툴 마모를 낳는다. 또한, 전단된 측에 인접한 측의 칩 표면이 더 매끄럽고, 머신 전력 판독값이 건식 스카이빙 시의 스핀들 전력보다 15% 더 낮음을 보였다. 현시점에서의 스카이빙 개량사항은 건식 스카이빙이 더 우수한 툴 수명을 제공하는 것을 나타고 있으며, 이는 베벨 기어의 건식 절삭보다 훨씬 더 현저한 것으로 파악된다.
코팅된 카바이드 블레이드에 의한 건식 UCS 스카이빙이 적은 툴 마모와 적은 스카이빙 시간 사이의 최적의 조합을 낳는다. 한 가지 추가적인 장점은 중간 속도의 고 토크 스핀들(예컨대 600 mm 외경의 머신 치수에 대해 최대 1000 RPM)를 갖는 머신이 예컨대 낮은 RPM과 고 토크를 요하는 베벨 기어용 머신의 성능을 저하시키는 일없이 적용될 수 있다는 점이다. 이러한 장점은 제조업자가 베벨 기어 절삭 머신 상에서 스카이빙을 실시하는 경우에 중요하다. 제조업자는 모든 베벨 기어 가공을 위한 적정 머신 성능을 기대하면서, 동일한 머신 상에서의 효율적인 스카이빙 공정을 실시하는 능력도 인지한다.
중간면에서의 황삭 패스 중에 촬영된 상기 실시예에서의 건식 스카이빙의 열 영상은 107℉(42℃)의 최고 온도가 커터 둘레와 커터로부터 멀어지는 가공물 기어 부위에서 발생한다는 것을 보여준다. 이는 또한 사이클 후의 부품 및 커터에서 측정될 수 있는 온도이다. 건식 UCS 공정이 칩내로의 최적의 열전달을 가지고, 커터 및 가공물 고정구의 다소 낮은 정상 상태 온도에 신속하게 도달한다고 결론지어질 수 있다.
통상적인 공정들인 호빙과 셰이핑 그리고 스카이빙 공정의 3가지 형태 간의 생산성 비교가 도 11에 도시되어 있다. 각각의 공정에 대해 동일한 기초를 구축하기 위해, 상기 실시예들에서의 기어 데이터와 동일한 기어 데이터를 갖는 익스터널 링 기어가 모든 공정에 대해 사용되었다. 목적은 5 ㎛ 이하의 스캘럽(scallop) 즉 창성 평면 진폭을 갖는 정삭 품질이었다. 셰이핑 공정은 HSS 재료로부터 제작되고 34개의 이를 가지며 TiAlN 코팅된 세이퍼 커터를 사용하였고, 3 절삭 정삭 사이클로서 설정되었다. 동일한 셰이퍼 커터가 습식 스카이빙에 사용되었고, 여기서 절삭은 4 패스로 이루어졌다. 호빙 공정에 대해서는, 역시 TiAlN 코팅된 HSS 재료로부터 제작된 16개의 홈을 갖는 1줄 호브가 2 절삭 사이클에 이용되었다. TiAlN 코팅된 H10F 카바이드 블레이드에 의한 건식 스카이빙은 도면에서 양자 모두가 3 패스 사이클로 설정된 172 m/min의 UCS 스카이빙과 300 m/min의 고속 스카이빙으로 나타내져 있다. 건식 스카이빙 바들은 24 블레이드 및 9 직경 커터 헤드에 기반하고 있다. USC 스카이빙의 경우의 칩 두께는 고속 스카이빙의 경우의 칩 두께보다 10% 내지 20% 더 두껍고, 이것이 두 공정 간의 생산성 차이를 감소시키며, 또한 USC 스카이빙에 툴 수명의 장점을 제공한다. 도 11은 스카이빙이 셰이핑의 6 내지 12배의 생산성과 호빙의 1.6 내지 3.3배의 생성성을 가진다는 것을 나타내고 있다.
바람직한 실시형태를 참조하여 본 발명을 설명하였지만, 본 발명은 특정 실시형태에 한정되는 것이 아님을 이해해야 한다. 본 발명은 첨부의 청구범위의 사상과 범위에서 벗어남이 없이 당업자에게 명백한 변형을 포함하는 것으로 한다.

Claims (12)

  1. 기어 스카이빙 커터 헤드로서, 회전 축선을 중심으로 회전가능하고,
    전면 및 후면;
    상기 전면과 상기 후면 사이에 배치되는 외주 표면으로서, 상기 외주 표면 내에 배열되어 길이방향에 있어 상기 커터 헤드 회전 축선을 향해 내부로 뻗어 있는 복수의 절삭 블레이드 장착 및 위치결정 슬롯을 구비하고, 상기 절삭 블레이드 장착 및 위치결정 슬롯의 각각이 상기 전면을 향한 방향으로 개방된 V자 형상을 한정하는 시팅 표면들을 구비하도록 되어 있는 외주 표면;을 포함하는 것을 특징으로 하는 커터 헤드.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 복수의 절삭 블레이드 장착 및 위치결정 슬롯 중의 적어도 하나에 배치되는 절삭 블레이드를 더 포함하고,
    상기 절삭 블레이드는 길이방향으로 연장된 일정 길이를 가지고 상기 길이의 한쪽 단부에 배치되는 절삭면을 구비하는 바 형상이고, 상기 절삭면은 상기 외주 표면으로부터 외측으로 돌출하여 상기 전면을 향한 방향으로 배향되고,
    상기 절삭 블레이드는 또한 상기 길이의 적어도 일부를 따라 뻗어 있는 V자 형상을 한정하는 한 쌍의 경사진 장착 표면을 구비하고, 상기 절삭면은 상기 한 쌍의 경사진 장착 표면의 반대쪽에 배치되고,
    상기 한 쌍의 경사진 장착 표면은 상기 커터 헤드의 상기 V자 형상 시팅 표면들 내에 위치결정되며 상기 V자 형상 시팅 표면들과 상보적인 것을 특징으로 하는 커터 헤드.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 복수의 절삭 블레이드 장착 및 위치결정 슬롯의 상기 길이방향은 상기 커터 헤드 회전 축선과 교차하는 것을 특징으로 하는 커터 헤드.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 복수의 절삭 블레이드 장착 및 위치결정 슬롯의 상기 길이방향은 상기 커터 헤드 회전 축선에 대해 반경방향으로 오프셋되는 것을 특징으로 하는 커터 헤드.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 복수의 절삭 블레이드 장착 및 위치결정 슬롯은 상기 커터 헤드 회전 축선에 대해 수직방향으로 배향되는 것을 특징으로 하는 커터 헤드.
  6. 제 5 항에 있어서, 상기 복수의 절삭 블레이드 장착 및 위치결정 슬롯은 상기 커터 헤드 회전 축선에 대한 수직방향으로부터 50도 미만의 각도로 배향되는 것을 특징으로 하는 커터 헤드.
  7. 제 6 항에 있어서, 상기 복수의 절삭 블레이드 장착 및 위치결정 슬롯은 상기 커터 헤드 회전 축선에 대한 수직방향으로부터 20도 미만의 각도로 배향되는 것을 특징으로 하는 커터 헤드.
  8. 기어 스카이빙을 위한 절삭 블레이드로서,
    길이방향으로 연장된 일정 길이를 가지고 상기 길이의 한쪽 단부에 배치되는 절삭면을 구비하는 바 형상을 구비하고,
    상기 절삭 블레이드는 또한 상기 길이의 적어도 일부를 따라 뻗어 있는 V자 형상을 한정하는 한 쌍의 경사진 장착 표면을 구비하고, 상기 절삭면은 상기 한 쌍의 경사진 장착 표면의 반대쪽에 배치되는 것을 특징으로 하는 절삭 블레이드.
  9. 스카이빙에 의해 톱니형 가공물을 생산하는 방법으로서,
    커터 헤드를 포함하는 툴을 제공하는 단계로서, 상기 커터 헤드가 회전 축선을 중심으로 회전가능하고, 전면, 후면 및 상기 전면과 상기 후면 사이에 배치되는 외주 표면을 포함하고, 상기 외주 표면이 상기 외주 표면 내에 배열되어 길이방향에 있어 상기 커터 헤드 회전 축선을 향해 내부로 뻗어 있는 복수의 절삭 블레이드 장착 및 위치결정 슬롯을 구비하고, 상기 절삭 블레이드 장착 및 위치결정 슬롯의 각각이 상기 전면을 향한 방향으로 개방된 V자 형상을 한정하는 시팅 표면들을 구비하도록 되어 있는 커터 헤드를 포함하는 툴을 제공하는 단계;
    상기 복수의 절삭 블레이드 장착 및 위치결정 슬롯 중의 적어도 하나에 배치되는 절삭 블레이드를 제공하는 단계로서, 상기 절삭 블레이드가 길이방향으로 연장된 일정 길이를 가지고 상기 길이의 한쪽 단부에 배치되는 절삭면을 구비하는 바 형상이고, 상기 절삭면이 상기 외주 표면으로부터 외측으로 돌출하여 상기 전면을 향한 방향으로 배향되고, 상기 절삭 블레이드가 또한 상기 길이의 적어도 일부를 따라 뻗어 있는 V자 형상을 한정하는 한 쌍의 경사진 장착 표면을 구비하고, 상기 절삭면이 상기 한 쌍의 경사진 장착 표면의 반대쪽에 배치되고, 상기 한 쌍의 경사진 장착 표면이 상기 커터 헤드의 상기 V자 형상 시팅 표면들 내에 위치결정되며 상기 V자 형상 시팅 표면들과 상보적이도록 되어 있는 절삭 블레이드를 제공하는 단계;
    상기 툴과 상기 가공물을 맞물림시키는 단계;
    스카이빙에 의해 상기 가공물 상의 톱니를 기계가공하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  10. 제 9 항에 있어서, 상기 기계가공은 150-200 m/min의 표면 속도로 실행되는 것을 특징으로 하는 방법.
  11. 제 9 항에 있어서, 상기 절삭 블레이드는 카바이드로 이루어지는 것을 특징으로 하는 방법.
  12. 제 9 항에 있어서, 상기 절삭 블레이드는 TiAlN으로 코팅되는 것을 특징으로 하는 방법.
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