KR102169824B1

KR102169824B1 - 스틱 블레이드의 반경방향의 조정기능을 가진 기어 커터

Info

Publication number: KR102169824B1
Application number: KR1020157011411A
Authority: KR
Inventors: 헤르만 제이 슈타트펠트; 안토니 제이 노르셀리
Original assignee: 더 글리슨 웍스
Priority date: 2012-11-09
Filing date: 2013-11-05
Publication date: 2020-10-27
Also published as: CN104768688B; EP2916986B1; JP6431846B2; WO2014074495A1; JP2015533667A; RU2650365C2; BR112015010132B1; US10035200B2; IN2015DN02950A; RU2015121971A; US20150290725A1; KR20150079666A; MX357653B; EP2916986A1; MX2015005261A; CN104768688A; BR112015010132A2

Abstract

정면 호빙가공 및 정면 밀링가공을 위한 베벨 기어 제작용 정면 커터 헤드(2)에 있어서, 상기 정면 커터 헤드는 양의 블레이드 배치면(16, 18)과 절삭 블레이드가 미리 클램프로 고정되고 축방향으로 배치된 후에 절삭 블레이드(8)를 양의 블레이드 배치면에 단단히 클램프로 고정시키고 절삭 블레이드를 반경방향으로 조정하는 능력을 포함하고 있다.

Description

스틱 블레이드의 반경방향의 조정기능을 가진 기어 커터{GEAR CUTTER WITH RADIAL ADJUSTABILITY OF STICK BLADES}

본 출원은 전체 내용이 본 명세서에 참고로 포함되어 있는, 2012년 11월 9일자로 출원된 미국 가특허 출원 제61/724,531호의 우선권 주장 출원이다.

본 발명은 기어 제작에 관한 것이며 특히 정면 호빙가공과 정면 밀링가공을 위한 베벨 기어 정면 커터 헤드에 관한 것이다.

베벨 기어와 하이포이드 기어는 단일 또는 단속적인 인덱싱 공정(indexing process)(정면 밀링가공)이나 연속적인 인덱싱 공정(정면 호빙가공)으로 절삭될 수 있다. 창성(generating) 또는 크레이들 평면(cradle plane)에서의 기본적인 절삭 구성(cutting setup)은 정면 커터 헤드의 중심을 창성 기어 중심(generating gear center)(크레이들 축)으로부터 소위 반경 거리(radial distance)만큼 떨어져 있는 위치에 배치시킬 것이다. 커터 블레이드의 윤곽은 커터가 회전하는 동안 창성 기어의 한 개의 톱니를 나타낸다. 베벨 기어를 절삭하는 통상적인 정면 커터는 수 개의 블레이드 그룹을 가지고 있고, 각 그룹은 한 개 내지 네 개의 블레이드를 가지고 있다. 가장 흔한 커터는 블레이드 그룹당 한 개의 외측 블레이드와 한 개의 내측 블레이드가 교번하는(완비된) 커터이다. 절삭 공정 동안 모든 내측 블레이드와 모든 외측 블레이드의 동일한 칩 로드(chip load)를 달성하기 위해서, 모든 외측 블레이드의 절삭 날은 바람직하게는 동일한 반경방향의 위치에서 서로 뒤따른다. 또한 모든 내측 블레이드는 동일한 반경방향의 위치에서 서로 뒤따라야한다. 다시 말해서, 한 종류(내측 또는 외측)의 모든 절삭 날은 커터가 회전하는 동안 동일한 원뿔면(cone surface)을 만들어내야 한다.

정면 커터 헤드 몸체의 제작 공차, 블레이드 블랭크(blank) 그리고 블레이드 모방 연삭(profile grinding)에 있어서의 편차는 한 개의 커터 헤드에서의 상이한 블레이드에 대한 상이한 절삭 날 위치를 도입할 것이다.

구식의 정면 커터 시스템은 반경방향의 블레이드 위치의 조정을 허용하였지만, 현재의 스틱 블레이드 시스템(stick blade system)은 직접적인 반경방향의 조정을 달성하기 위해서 어떠한 설비도 가지고 있지 않다. 그러나, 절삭 날 위치의 반경방향의 변형을 달성하는 알려진 기술은 아래의 두 가지 방법을 포함한다:

방법 1. 스틱 블레이드가 공칭 위치(nominal position)와 다른 축방향 위치로 이동되면, 커터 기준면(reference plane)의 반경이 대략 ΔR = Δs·tanα만큼 증가하거나 감소하고, 상기 식에서 Δs는 스틱 블레이드의 양의 축방향 운동 또는 음의 축방향 운동이고 α는 블레이드 압력 각도이다(예를 들면, US 5,839,943를 참고).

방법 2. 스틱 블레이드가 두 개의 고정 나사(상부 나사와 하부 나사)로 고정되면, 스틱 블레이드가 정확하게 직선이 아니거나 수직의 슬롯 벽이 정확하게 평면이 아닌 경우에는, 상부 나사 또는 하부 나사의 토크의 증가가 블레이드 팁을 약간 반경방향으로 이동시킬 수 있다.

상기 방법 1의 단점은 축방향으로 이동된 모든 블레이드의 블레이드 팁이 자신들의 공통 팁 평면(common tip plane)으로부터 벗어나게 이동될 것이라는 점이다. 블레이드 조정이 반경방향의 절삭 날 위치를 개선시키지만, 블레이드 팁의 런아웃(runout)을 유발한다. 블레이드 팁 런아웃은 블레이드의 조기 팁 마모의 원인이 된다.

상기 방법 2의 단점은 커터가 각 블레이드 당 두 개의 고정 나사를 필요로 한다는 점과 이들 두 개의 고정 나사의 토크가 블레이드와 슬롯의 각각의 부정확성에 따라 선택되어야 한다는 점이다. 블레이드와 슬롯의 특정 형상으로 인해, 블레이드 반경의 증가 또는 블레이드 반경의 감소와 같은 블레이드 반경의 변화가 생기지 않을 수도 있다. 이러한 경우에, 특정의 슬롯/블레이드 조합체의 조정은 가능하지 않을 수 있다. 방법 2는 시간 소모가 많은 시행 착오 루프(trial and error loop)에 의해서만 제어될 수 있는 우연의 일치성에 기초한다.

본 발명의 목적은 스틱 블레이드의 반경방향의 조정기능을 가진 기어 커터를 제공하는 것이다.

본 발명은 정면 호빙가공 및 정면 밀링가공을 위한 베벨 기어 제작용 정면 커터 헤드에 관한 것으로서, 상기 정면 커터 헤드는 양의 블레이드 배치면과 스틱 블레이드가 미리 클램프로 고정되고 축방향으로 배치된 후에 스틱 블레이드를 양의 블레이드 배치면에 단단히 클램프로 고정시키고 스틱 블레이드를 반경방향으로 조정하는 능력을 포함하고 있다.

본 발명의 커터 헤드는 대체로 원반 형상이고 커터 헤드 축을 중심으로 회전가능하다. 상기 커터 헤드는 제1 측면과 제2 측면을 포함하고 있고, 하나 이상의 절삭 블레이드 위치결정 슬롯이 상기 커터 헤드에 배치되어 있으며 상기 하나 이상의 블레이드 위치결정 슬롯의 각각은 상기 제1 측면과 상기 제2 측면 사이에 형성되어 있다. 상기 하나 이상의 블레이드 위치결정 슬롯은 각각 상기 제1 측면과 상기 제2 측면 사이에 뻗어 있는 적어도 하나의 블레이드 배치면을 가지고 있고, 상기 블레이드 배치면은 변형된 형태를 가지고 있고 상기 제1 측면으로부터 상기 제2 측면까지 뻗어 있으며, 상기 변형된 형태는 상기 제1 측면으로부터 상기 제2 측면까지 뻗어 있는 연속적인 직선 형상의 배치면의 형상으로부터 벗어나 있다.

바람직하게는, 상기 변형된 형태의 배치면은 상기 제1 측면 또는 상기 제2 측면 중의 하나로부터 상기 제1 측면과 상기 제2 측면 사이의 미리 결정된 위치까지 뻗어 있는 제1 형상을 가지고 있는 제1 부분과, 상기 미리 결정된 위치로부터 상기 제1 측면 또는 상기 제2 측면 중의 다른 하나까지 뻗어 있는 제2 부분을 포함하고 있고, 상기 제2 부분은 상기 제1 부분의 형상과 상기 제2 부분의 형상이 함께 상기 제1 측면으로부터 상기 제2 측면까지 뻗어 있는 연속적인 직선(전체에 걸쳐서 동일한 경사를 가짐)을 그리지 않도록 하는 형상을 가지고 있다. 상기 제1 부분은 바람직하게는 직선 형상이고 상기 제2 부분은 바람직하게는 만곡 형상이다.

도 1은 스틱 블레이드용 커터 헤드 슬롯의 복수의 상이한 배치면 변형 형상을 나타내고 있다.
도 2(a)는 상부 고정 나사만 토크를 받는 상태에서 클램프 블록과 두 개의 고정 나사에 의해 커터 헤드에 연결되어 있는 스틱 블레이드를 가진 커터 헤드의 단면을 나타내고 있다.
도 2(b)는 하부 고정 나사가 상부 고정 나사보다 큰 토크를 가진 상태의 도 2(a)와 동일한 단면을 나타내고 있다.
도 3은 커터 헤드 슬롯에 오각형 형상의 단면과 양의 배치면을 가진 절삭 블레이드의 3차원 도면을 나타내고 있다. 양쪽 블레이드 배치면의 하부 부분이 변형되어 있다.
도 4는 커터 헤드 슬롯에 오각형 형상의 단면을 가진 절삭 블레이드의 2차원 평면도를 나타내고 있다. 파선(dashed line)은 배치면의 하부 부분(보이지 않음)에서 양쪽 배치면의 변형 형태를 나타낸다.
도 5는 커터 헤드 슬롯에 오각형 형상의 단면을 가진 절삭 블레이드의 2차원 평면도를 나타내고 있다. 파선은 배치면의 하부 부분(보이지 않음)에서 배향된 절삭원에 대해서 더욱 접선방향으로 배치되어 있는 배치면의 변형 형태를 나타낸다.
도 6은 커터 헤드 슬롯에 오각형 형상의 단면과 양의 배치면을 가진 절삭 블레이드의 3차원 도면을 나타내고 있다. 배향된 절삭원에 대해 더욱 접선방향으로 배치되어 있는 배치면의 하부 부분이 변형되어 있다.
도 7은 커터 헤드 슬롯에 오각형 형상의 단면과 양의 배치면을 가진 절삭 블레이드의 3차원 도면을 나타내고 있다. 배향된 절삭원에 대해 더욱 접선방향으로 배치되어 있는 배치면의 하부 부분이 변형되어 있다. P는 블레이드 조정을 위한 블레이드의 회전축이고

는 블레이드 조정을 위한 블레이드의 회전 방향이다. V_PT는 블레이드 조정 전의 피벗-팁-거리 벡터이고, V_PT* 는 블레이드 조정 후의 피벗-팁-거리 벡터이다.
도 8은 도 2(b)에 있어서의 변형된 블레이드 배치면 대신에 클램프 블록-블레이드-배치면 방식의 단면도를 나타내고 있고, 오른쪽에는 블레이드 배치면을 왼쪽(커터 중심쪽)에는 피벗 장치를 가지고 있는 피벗 블록을 나타내고 있다.
도 9는 절삭 블레이드를 가진 세 개의 블레이드 슬롯을 나타내는 도 8의 커터 헤드의 일부분의 평면도이다.
도 10은 도 2(b)에 있어서의 변형된 블레이드 배치면 대신에 클램프 블록과 블레이드-배치면 방식의 단면도를 나타내고 있고, 기계적인 피벗 축 대신에 유연한 요소(compliance element)를 가진 피벗 블록을 나타내고 있다. 상기 유연한 요소는 배치면이 피벗운동할 수 있도록 하기 위해서 강의 선형 탄성(linear elastic property)을 이용한다. 오른쪽에는 블레이드 배치면이 있고 왼쪽(커터 중심쪽)에는 피벗 장치가 있다.
도 11은 절삭 블레이드를 가진 세 개의 블레이드 슬롯을 나타내는 도 10의 커터 헤드의 일부분의 평면도이다.

본 명세서에 사용된 "발명", "이 발명" 및 "본 발명" 이라는 표현은 본 명세서의 주요 대상(subject matter) 모두와 아래의 임의의 청구항을 광범위하게 언급하려고 하는 것이다. 이러한 표현을 포함하는 문장은 본 명세서에 기술된 주요 대상을 제한하거나 아래의 임의의 청구항의 의미나 범위를 제한하는 것으로 이해되어서는 안된다. 더욱이, 본 명세서는 임의의 청구항에 의해 보장되는 주요 대상을 본 출원의 임의의 특정 부분, 단락, 문장 또는 도면으로 기술하거나 제한하려고 하는 것은 아니다. 본 발명의 주요 대상은 전체 명세서, 모든 도면 및 아래의 청구항을 참고하여 이해하여야 한다. 본 발명은 다른 구성으로 될 수 있으며 다양한 방식으로 실시되거나 실행될 수 있다. 또한, 본 명세서에 사용된 표현과 용어는 본 발명을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하는 것으로 간주되어서는 안된다는 사실을 알아야 한다.

본 발명의 상세한 내용은 단지 예시로서 본 발명을 나타내는 첨부된 도면을 참고하여 이하에서 논의한다. 도면에서, 유사한 부분 또는 구성요소는 유사한 참고 번호로 표시된다.

본 명세서에서 "포함하는", "가지고 있는" 및 "...으로 이루어지는" 이라는 표현과 이들 표현의 변형 형태의 사용은 열거된 항목과 이들의 등가물 뿐만 아니라 추가적인 항목을 포함하는 것을 의미한다. 방법 또는 프로세스의 여러 요소를 식별하기 위해 문자를 사용하는 것은 단지 식별을 위한 것이며 상기 요소가 특정 순서로 수행되어야 한다는 것을 나타내기 위한 것은 아니다.

도면을 설명하는데 있어서, 상부, 하부, 위쪽, 아래쪽, 뒤쪽, 바닥부, 정상부, 전방, 후방 등과 같은 방향에 관한 표현을 아래에서 언급할 수 있지만, 편의상 (통상적으로 보이는) 도면과 관련하여 언급이 이루어진다. 이러한 방향에 관한 표현은 문자 그대로 받아들여지도록 의도하거나 본 발명을 일정 형태로 제한하기 위한 것은 아니다. 또한, "제1", "제2", "제3", 등과 같은 표현은 설명의 목적으로 본 명세서에 사용되어 있으며 명시되어 있지 않는 한 중요성이나 중대성을 나타내거나 시사하기 위한 것은 아니다.

본 발명은 부작용이 없거나 최소의 부작용을 가진 상태로 정해진 방식으로 반경방향으로 조정될 수 있는 하나 이상의 절삭 블레이드를 가진 베벨 기어 커터 헤드의 개발에 관한 것이다. 상기 부작용은 블레이드 팁 높이 변화, 블레이드 오프셋 변화(offset variation), 공간상의 모든 세 개의 축(X, Y, Z) 둘레로의 블레이드 회전, 및/또는 블레이드 배치 스티프니스(blade seating stiffness)의 손실이 될 수 있다.

블레이드 배치면은 자신의 직선(평면)의 초기 형상으로부터, 도 1에 도시된 것과 같은, 오목부, 하부(또는 상부) 부분의 경사, 볼록한 통(barrel) 형상, 하부(또는 상부) 부분의 만곡된 오목부, 하부(또는 상부) 부분에서 상승하는 직선 형상, 하강 및 상승 직선 형상, 하부(또는 상부) 부분에서 상승하는 만곡 형상, 오목한 형상 또는 고차(higher order) 변형 형태를 포함하는 여러가지 변형 형태로 변형될 수 있다.

도 1은 스틱(stick) 또는 바(bar)형 절삭 블레이드용 커터 헤드(2)의 절삭 블레이드 위치결정 슬롯의 배치면(4)의 상이한 변형 형태의 여러가지 예를 나타내고 있다. 직선 배치면은 최신형이고 본 발명은 커터 헤드의 양 측면 사이의 연속적인 직선 배치면의 직선 형상에서 벗어난 형상(예를 들면, 도 1의 "직선" 형상과 "하부 만곡" 형상을 비교하라)을 가지고 있는 배치면을 제공한다. 하부 오목부, 하부 경사, 하부 만곡부, 상승하는 직선 및 상승하는 만곡부는 튀어나온 절삭 날에 더 가까운 배치면의 상부 구역에 만들어질 수도 있는 변형 형태이다. 처음의 배치(seating)는 바람직하게는 배치면의 변형된 부분이 아니라 직선 부분에 의해 제공된다. 오목한 구역에 배치되어 있는 고정 나사의 토크의 증가는 블레이드 팁의 반경방향의 위치를 변경시키는 블레이드 경사(및 약간의 블레이드 굽힘)을 초래한다. 하강 및 상승 직선 형상은 일점 쇄선에서 자신의 저점을 가지며, 일점 쇄선에서 고점을 가지기 위해서 하강 및 상승 직선 형상이 반전될 수 있다. 오목한 형상과 고차(higher order) 변형 형태 뿐만 아니라 하강 및 상승 직선 형상은 나사가 일점 쇄선에 존재하고 블레이드를 탄성적으로 변형시키면 반경방향의 블레이드 팁 운동을 허용한다.

도 2(a)와 도 2(b)는 상부면(3), 바닥면 또는 배면(5)을 가지고 있고, 커터 축(A)을 중심으로 회전가능하며, 커터 반경(R)을 가지고 있는 커터 헤드(2)와 관련하여 본 발명의 블레이드 조정 원리를 나타내고 있다. 변형된 배치면을 가지고 있는 블레이드 위치결정 슬롯이 상부면(3)과 하부면(5) 사이에 뻗어 있는 것으로 도시되어 있다. 스틱 블레이드(8)는 하부 나사(12)로부터 토크를 받지 않은 상태(도 2a)로나 상부 나사(10)로부터의 토크보다 더 큰 하부 나사(12)로부터의 토크를 받는 상태(도 2b)로 클램프 블록(6)에 의해 변형된 배치면(예를 들면, 도 1의 "하부 만곡 형상")에 가압되어 있다. 상부 나사(10)의 블레이드 조임력이 상부 고정 나사의 탄성으로 인해 일정하거나 거의 일정하게 유지될 수 있으면, 변형된 배치면 상의 절삭 블레이드(8)를 효과적으로 시계방향으로 롤링(rolling) 운동시킴으로써 절삭 블레이드(8)를 스윙(swing)시키기 위해서 하부 나사(12)의 조임 토크(clamping torque)가 증가될 수 있다. 상부 고정 나사의 탄성은 상부 부분에서 현저한 조임력 증가를 방지하고 블레이드 휨(deflection) 보다는 블레이드 롤링운동이 발생되게 한다. 상부 고정 나사(10)가 충분한 탄성을 가지고 있지 않으면, 블레이드 휨과 블레이드 롤링운동의 결합 형태가 발생하고, 이는 여전히 절삭 블레이드(8)의 반경방향의 조정을 가능하게 한다. 양자의 경우에 있어서, 블레이드와 배치면 사이의 틈새(14)가 하부 부분(도 2a)에서 상부 부분(도 2b)으로 옮겨진다. 도시된 배치면이 고정 나사의 축방향과 수직이면, 조임 스티프니스(clamping stiffness)의 감소를 초래한다.

고정 나사 또는 압력 포인트의 갯수(예를 들면 한 개, 두 개 또는 세 개)에 따라, 반경 방향(R)으로의 블레이드 팁 운동(ΔR)은 클램프 설비(도 2b 참고)의 토크에 따라 달성될 수 있다. 한 가지 부작용은

만큼의 절삭 날 압력 각도의 변화이다. 두번째 부작용은 배치면의 상부 부분 또는 하부 부분에서 블레이드와 슬롯 사이의 틈새(14)이고, 이는 블레이드 배치 스티프니스(blade seating stiffness)를 감소시킬 수 있다.

본 발명의 커터 헤드 형태(design)는 바람직하게는 오각형 형상의 블레이드 단면을 가지고 있는 유형의 스틱 블레이드 시스템를 수용한다. 도 3은 본 발명의 커터 헤드 슬롯에 오각형 형상의 단면(예를 들면, US 5,890,846 또는 US 6,120,217에 개시된 것과 같은 종류의 오각형 형상의 단면)과 양의 배치면(positive seating)을 가진 절삭 블레이드의 3차원 도면을 나타내고 있다. 커터 헤드 슬롯의 각각의 블레이드 배치면(16, 18)의 하부 부분은 각각의 만곡된 오목부(20, 22)를 가지는 형태로 변형되어 있다. 배치면의 하부 부분이 예를 들면 특정 크라우닝(crowning)을 가지는 형태로 변형되면, 블레이드를 회전시켜서 블레이드 팁의 위치를 반경방향으로 조정하기 위해서 하부 고정 나사에 의해 발생된 힘을 사용할 수 있다. 토크 T1은 스틱 블레이드(8)를 배치면(16, 18)의 편평한 상부 부분에 고정시키는 반면에, 토크 T2는 상기 스틱 블레이드를 시계 방향으로 롤링운동시키고, 이는 블레이드 팁을 양의 Z 방향으로 이동시킨다. 이러한 블레이드 회전은 상기 틈새를 하부 오목부로부터 상부 부분으로 이동시키고, 이는 블레이드 배치 스티프니스를 감소시킬 수 있다.

도 4는 커터 헤드 슬롯에 오각형 형상의 단면을 가진 블레이드에 대한 2차원 평면도를 나타내고 있다. 파선은 배치면의 하부(보이지 않음) 부분에서 양측 배치면(16, 18)의 변형 형태(20, 22)를 나타내고 있다. 이 도면에서 두 개의 고정 나사(10, 12)는 서로 겹쳐져 있다. 하부 고정 나사(12)에 대해 토크가 아직 작용하고 있지 않기 때문에 절삭 블레이드(8)는 배치면(16, 18)의 상부에 밀착되어 있다.

본 발명의 발명자는, 예를 들면, 도 4와 도 5에서 배치면(16, 18)으로 도시되어 있는 것과 같이 비대칭적으로 배향되어 있는 복수의 배치면을 가진 오각형 형상의 절삭 블레이드 장착 슬롯을 가지고 있는 커터 헤드에 대해서, 커터 반경(R)에 대해 수직방향에 보다 가깝게 배향되어 있는 배치면이 효과적인 블레이드 운동을 할 수 있게 하는 본 발명에 따라 변형되기에 바람직한 배치면이라는 것을 알아내었다. 예를 들면, 도 4와 도 5에서, 배치면(16)이 배치면(18)보다 커터 반경(R)에 대해 수직방향에 보다 가깝다. 따라서, 배치면(16)을 변형시키는 것이 바람직하다. 배치면(16)의 하부 부분이 변형되어 있고 하부 고정 나사(12)가 토크(F₂)를 받아서 변형된 그리고 "보다 수직으로 배향된" 배치면(16)으로 향하는 조임력 성분(F_2a)의 결과로 절삭 블레이드(8)의 팁의 위치의 반경방향의 조정이 이루어진다는 것을 보여준다. 상기 힘 성분 F_2a은 하부 블레이드 부분을 변형된 오목한 구역(20)으로 이동시키고, 힘 성분 F_2b은 절삭 블레이드(8)와 "덜 수직으로 배향된" 배치면(18) 사이의 일정한 접촉상태(constant contact)를 보장한다.

도 4 및 도 5에 도시된 실시례에서는, "덜 수직으로 배향된" 배치면(18)이 변형되지 않을 것이다. 고정 나사의 힘 성분 F_2b은 동시에 블레이드를 보다 가파른 배치면에 충분히 밀어붙일 것이다. 배치면(18)에 작용하는 힘은 절삭 블레이드와 커터 헤드의 면 분리(surface separation)를 막을 것이다. 또한, 절삭력의 대부분은 배치면(18)에 대해 지향되고 이것은 블레이드(8)를 양호한 배치 스티프니스로 잘 고정시킬 것이다.

도 6은 커터 헤드 슬롯에 오각형 형상의 단면과 양의 배치면을 가진 블레이드의 3차원 도면을 나타내고 있다. 커터 반경(R)에 대해 보다 수직으로 배향되어 있는 배치면의 하부 부분만 변형되어 있다. 조임력은 양측 배치면에 작용하는 힘 성분을 가지고 있다. 하부 고정 나사(12)에 작용하는 토크가 증가되면, 블레이드(8)는 여전히 "덜 수직으로 배향된" 배치면(18)과 접촉 상태를 유지하고 이 배치면을 따라 오목한 구역(20)으로 미끄러지듯이 이동할 것이다. 하부 고정 나사(12)에 의한 증가된 조임의 결과로, 오목한 배치면(16)의 하부에 있는 틈새는 감소하고 동일한 배치면의 상부에 있는 틈새는 벌어진다(예를 들면, 도 2a 와 도 2b의 14를 참고).

"덜 수직으로 배향된" 배치면(18)은 절삭 블레이드(8)에서 분리될 수 없기 때문에, 힘 성분 F_2a(도 5)은 절삭 블레이드의 하부 부분을 "보다 수직으로 배향된" 배치면(16)(도 6)의 오목부(20)로 이동시키고 블레이드는 덜 수직으로 배향된 배치면(18)에 수직인 수평방향 축 "P"(도 7)을 중심으로 회전할 것이다. 이러한 방식이 본 발명의 커터 헤드 슬롯 형태의 한 가지 바람직한 실시례이다.

도 7은 커터 헤드(2)의 절삭 블레이드 슬롯에 오각형 형상의 단면과 양의 배치면(표면 16, 18)을 가진 블레이드의 3차원 도면을 나타내고 있다. 커터 반경(R)에 대해 보다 수직으로 배향되어 있는 배치면(16)의 하부 부분이 변형되어 있다. P는 블레이드 조정을 위한 블레이드의 회전축이고

는 블레이드 조정을 위한 블레이드의 회전 방향이다. V_PT는 블레이드 조정 전의 피벗-팁-거리 벡터이고, V_PT* 는 블레이드 조정 후의 피벗-팁-거리 벡터이다. 상기 조정은 블레이드를, 블레이드 팁 위치의 바람직한 반경방향의 변화인, ΔΖ 방향으로 이동시킨다. 절삭 블레이드(8)의 회전식 미끄럼이동(rotational sliding)으로 인해, Y축 방향으로의 변화 뿐만 아니라 X축 방향으로의 수반하는 변화가 발생할 것이다. X축 방향의 위치 변화와 Y축 방향의 위치 변화의 양자는 대체로 바람직하지 않은 것으로 생각될 수 있지만, 본 발명의 발명자는 이러한 변화는 작으며 절삭 공정에 의해 형성된 치형 기하구조(tooth geometry)에 무시해도 될 정도의 영향을 미친다는 것을 알아내었다. 본 발명의 블레이드 조정의 추가적인 부작용은 블레이드 회전(또는 롤링운동) 각도

와 대체로 동일한 크기의 절삭 날의 각도 변화이다. 그러나, 0.010 mm의 반경방향의 블레이드 조정은 유효 절삭 날 압력 각도를 약 1도의 극히 작은 각도만큼만 변화시킨다. 이러한 블레이드 마다의 차이도 절삭 성능과 만들어진 이뿌리면 기하구조(tooth flank geometry)에 무시해도 될 정도이다.

한 가지 예로서, 조정의 결과인 블레이드 팁 운동의 수학적인 표현은 도 7에서의 절삭 블레이드 및 슬롯과 함께 도시된 좌표계를 이용하여 만들어졌다. 수평방향 회전축 P는 덜 수직으로 배향된 배치면과 수직이다. 수평방향 회전축 P를 중심으로 회전을 달성하기 위해서, 수평방향 회전축 P의 방향이 도 7의 좌표계의 X-축과 정렬되어 있고, 이것은 P-방향과 X-축 사이의 각도의 크기만큼 Y-축 둘레로의 한 번의 회전을 필요로 한다. 오각형 형상의 스틱 블레이드에 있어서 이 각도는 -

(통상적으로 -30°)이다. 그 다음에, 크지만 실제적인 회전량

(배치면 변형의 크기에 따라 좌우됨)만큼의 X-축 둘레로의 회전이 선택되는데, 예를 들면, 0.08°이다. 이러한 회전 후에, 수평방향 회전축 P의 원래 방향으로의 역회전(back rotation)이 수행되는데, 이것은 30°의 Y-축 둘레로의 회전

를 필요로 한다.

-

의 Y-축에 대한 회전 행렬은

이다.

의 X-축에 대한 블레이드 조정 회전은

이다.

의 Y-축에 대한 역회전 행렬은

상기 행렬에서

= 30°

= 0.08°

이다.

중간 피치 블레이드(medium pitch blade)에 대한 초기 피벗-팁-거리 벡터(pivot-tip-distance vector)는

이다.

왼쪽에서 오른쪽으로의 회전 순서로 회전 행렬을 곱하면 세 개의 회전 모두를 포함하는 행렬(ROT):

이 된다.

행렬(ROT)와 피벗-팁-거리 벡터의 곱:

은 수평방향 축 P 둘레로의 피벗-팁-거리 벡터의 정확한 회전을 참작할 것이다.

벡터-행렬 곱의 결과는 일반적인 형태로 아래에 표시되어 있다.

V_PT의 벡터 성분과 각도

및

가 상기의 3성분 식에 대입되면, 조정 후의 피벗-팁-거리 벡터에 대한 결과를 얻을 수 있다

조정 후의 피벗-팁-거리 벡터에서 조정 전의 피벗-팁-거리 벡터를 빼면 조정으로 인한 블레이드 팁 위치 변화의 성분이 나온다.

블레이드 압력 각도 변화는 아래의 식:

으로 계산될 수 있다.

도 6의 좌표계의 Y-축은 커터 회전축과 평행하게 선택되었고 Z-축의 왼쪽 방향(음의 방향)의 연장선은 커터 회전축과 교차한다. 이론적인 블레이드 앞면은 Y-축과 Z-축에 의해서 형성되는 평면으로 배향되어 있다. 실제 커터 헤드에서 스틱 블레이드는 보통 Y-축에 대해 자신의 길이 방향과 경사져 있고 Z-축에 대해 자신의 이론적인 앞면(front face)과 오프셋되어 있지만, 조정의 원칙적인 기능(principle function)은 변하지 않을 것이며 결과적으로 얻은 블레이드 팁 위치 및 각도 변화는 일 퍼센트만 다를 것이다.

각각의 블레이드에 내측 절삭 날과 외측 절삭 날을 가진 블레이드를 이용하는 블레이드 시스템은 특별한 반경방향의 블레이드 조정을 필요로 한다고 생각된다. 블레이드 팁 반경이 증가하면, 상기 블레이드의 양측 절삭 날은 보다 큰 반경으로 이동한다. 그러나, 조정가능한 블레이드 반경에 대한 본 발명은 한 개의 블레이드의 양측 절삭 날의 반경방향의 위치에 대해 최적의 타협점을 찾고 이를 실현하기에 적합하다.

또한 본 발명의 방법의 바람직한 실시례는 블레이드 팁 반경을 증가시키는 하지만 감소시키지는 않을 것이라고 생각된다. 커터 헤드는 커터 헤드를 기준 블레이드에 대해 조정하기 위해서 블레이드 팁 반경의 감소 또는 증가를 필요로 할 수 있다. 기준 블레이드는 통상적으로 임의로 선택되기 때문에(예를 들면, "1" 이라고 표시된 슬롯 내의 블레이드를 외측 기준 블레이드로 하고, "2" 라고 표시된 슬롯 내의 블레이드를 내측 기준 블레이드로 한다), 가장 큰 반경을 가진 외측 블레이드와 내측 블레이드를 기준 블레이드로 선택할 수 있다. 이러한 방법에 의하면, 팁의 위치를 각각의 기준 블레이드의 반경쪽으로 조정함으로써 한 종류의 모든 블레이드(내측 블레이드 또는 외측 블레이드)를 항상 개선시킬 수 있을 것이다. 이론적으로 정확한 커터 반경과 임의로 선택된 기준 블레이드의 유효 반경 사이의 변경 차이는 대개의 경우에 0.002mm 미만이고 기계가공된 치면(tooth surface)에 눈에 띄는 영향을 미치지 않는다.

변형된 배치면에 대하여, 오목부 또는 변형 깊이의 크기는 절삭 공구와 절삭 공정의 파라미터에 따라 임의의 크기로 될 수 있다. 그러나, 바람직한 범위는 0.010 mm에서 0.050 mm이다. 오목부 또는 변형된 구역의 높이는 바람직하게는 조임 길이(clamping length)의 약 50% 내지 약 75%이다. 본 발명의 커터 헤드는 클램프 블록을 가진 공구 시스템이나 클램프 블록이 없는 공구 시스템에 적용된다.

대체 실시례로서, 도 8은 오른쪽에 블레이드 배치면을 가지고 있고 왼쪽(커터 중심쪽)에 피벗 장치를 가지고 있는 피벗 또는 회전 블록(swivel block)(24)을 포함하는 클램프 블록-블레이드-배치면 장치의 단면도를 나타내고 있다. 피벗 중심은 피벗 핀(26)에 의하거나 단지 피벗면(28, 30)의 만곡 끼워맞춤(curved fit)에 의해 만들어질 수 있다. 상부 고정 나사(10)는 블레이드가 슬롯 내에 들어간 후에 지정된 토크로 조여진다. 그 다음에 하부 고정 나사가 동일한 토크로 조여진다. 반경방향의 블레이드 위치 측정 후에, 상부 고정 나사는, 예를 들면, 5°(나사 회전)만큼 바깥쪽으로 회전한다. 그 다음에, 하부 고정 나사가 동일한 양만큼, 예를 들면 5°만큼 안쪽으로 회전한다. 이것은 나사산(screw thread)의 리드(lead)에 따라, 블레이드 팁을 예를 들면 약 0.039 mm만큼 반경방향으로 바깥쪽으로 이동시킬 것이다.

도 9는 세 개의 블레이드 슬롯과 절삭 블레이드(8)를 가진 도 8의 커터 헤드의 일부분에 대한 평면도를 나타내고 있다. 회전 블록(24)은 배치면의 왼쪽에 보인다.

다른 실시례로서, 도 10은 도 9에서와 같은 기계적인 피벗 축 대신에 유연한 요소(compliance element)를 가진 피벗 블록(32)을 포함하는 클램프 블록-블레이드-배치면 장치의 단면도를 나타내고 있다. 상기 유연한 요소는 배치면이 피벗운동할 수 있도록 하기 위해 커터 헤드 재료(예를 들면, 강)의 선형 탄성(linear elastic property)을 이용한다. 블레이드 배치면은 피벗 블록(32)의 오른쪽에 배치되어 있고 피벗 장치는 피벗 블록(32)의 왼쪽(커터 중심쪽)에 배치되어 있다. 본 도면에서 피벗 중심은 상부 유연한 슬롯(36)과 하부 유연한 슬롯(38) 사이의 리브(rib)(34)에 의해 만들어진다. 상기 유연한 슬롯은 "보다 수직으로 배향된" 배치면(도 4 및 도 5 참고)에 조력하도록 배향되어 있다. 양쪽 고정 나사(10, 12)는 블레이드(8)가 슬롯 내에 들어간 후에 지정된 토크로 조여진다. 반경방향의 블레이드 위치 측정 후에, 상부 고정 나사(10)는, 예를 들면, 5°(반시계 방향으로 나사 회전)만큼 바깥쪽으로 회전할 수 있다. 그 다음에, 하부 고정 나사(12)가 동일한 양만큼, 예를 들면 5°만큼 시계 방향으로 안쪽으로 회전할 수 있다. 이것은 나사산의 리드에 따라, 블레이드 팁을 예를 들면 약 0.039 mm만큼 반경방향으로 바깥쪽으로 이동시킬 것이다.

도 11은 세 개의 블레이드 슬롯과 절삭 블레이드를 가진 도 10의 커터 헤드(2)의 일부분에 대한 평면도를 나타내고 있다. 유연한 요소는 배치면의 왼쪽에서 틈새 또는 슬롯(36)으로만 볼 수 있다. 유형 1(참고번호 42로 표시되어 있음)은 제어가능한 양호한 컴플라이언스(compliance)를 (설계 파라미터(design parameter)에 의해) "보다 수직으로 배향된" 배치면에 제공한다. 유연한 슬롯과 배치면 사이의 점선 연결부(40)는 블레이드 조정 절차 동안 충분한 피벗식 회전(swivel rotation)(도 10의 회전식 화살표 참고)을 보장하는 (예를 들면, 와이어 방전가공(wire EDM)에 의해 제조된) 선택적인 얇은 슬롯을 나타낸다. 유형 2(참고번호 44로 표시되어 있음)는 양측 배치면 아래에 일반적인 컴플라이언스(general compliance)를 제공한다. 유형 3(참고번호 46으로 표시되어 있음)은 제어가능한 양호한 컴플라이언스를 (설계 파라미터에 의해) 양측 배치면에 제공한다. 바람직하게는, 유연한 슬롯(36, 44, 46)의 폭은 한 측 또는 양 측 블레이드 배치면의 폭과 대체로 동일하고 한 측 또는 양측 블레이드 배치면과 평행하거나 커터 반경에 수직으로 위치될 수 있다.

재료 연결 리브(34)의 위치가 피벗축을 만든다. 피벗축의 위치 및 조정 원리는 도 2, 도 3, 도 5, 도 6 및 도 7과 관련하여 설명한 원리와 유사하다. 유연한 변형 형태를 가진 배치면의 중요한 차이점은 "보다 수직으로 배향된" 배치면과 절삭 블레이드 사이에 분리가 일어나지 않고 양 방향으로 (보다 작은 반경으로 뿐만 아니라 보다 큰 반경으로) 블레이드 조정이 이루어질 수 있다는 점이다. 참고번호 42로 표시된 장치는 "보다 수직으로 배향된" 배치면에만 영향을 미치는 유연한 슬롯 방향을 이용한다. 컴플라이언스의 양은 리브의 두께에 의해 그리고 유연한 슬롯(36)과 "보다 수직으로 배향된" 배치면의 양 단부 사이의 선택적인 얇은 연결부(40)(도 11에서의 점선)에 의해 제어될 수 있다. 상기 조정을 제어하기 위해서, 유연한 슬롯이 도 11에서 참고번호 44로 표시되어 있는 것과 같이 (양측 배치면에 영향을 미치는) 도 8 및 도 9의 피벗 블록과 같이 배향될 수 있다. 유연한 슬롯 설계형태의 다른 가능성은 도 11에서 참고번호 46으로 표시되어 있다.

본 발명이 바람직한 실시예와 관련하여 기술되어 있지만, 본 발명은 상기 바람직한 실시예의 상세한 내용으로 제한되는 것은 아니다. 본 발명은 본 발명의 주요 대상과 관련된 기술 분야의 전문가에게 자명한 변형사항을 포함한다.

Claims

베벨 및 하이포이드 기어의 정면 호빙가공 및 정면 밀링가공을 위한 베벨 기어 정면 커터 헤드로서, 상기 커터 헤드는 원반 형상이고 커터 헤드 축(A)을 중심으로 회전할 수 있고,
제1 측면 및 제2 측면(3, 5)을 포함하고,
하나 이상의 절삭 블레이드 위치결정 슬롯으로서 클램프 설비하에 블레이드(8)가 유지되고 각각의 블레이드 위치결정 슬롯이 상기 제1 및 제2 측면 사이에 뻗어서 상기 커터 헤드에 배치되는, 상기 하나 이상의 절삭 블레이드 위치결정 슬롯을 포함하고,
상기 블레이드 위치결정 슬롯 각각은 상기 제1 및 제2 측면 사이에 뻗어 있는 적어도 하나의 블레이드 배치면(16, 18)을 갖고,
상기 적어도 하나의 블레이드 배치면은 변형된 형상을 갖고 상기 제1 측면으로부터 상기 제2 측면까지 뻗어 있고, 상기 변형된 형상은 상기 제1 측면으로부터 상기 제2 측면까지 뻗어 있는 연속적인 직선 배치면의 형상으로부터 벗어나고,
블레이드 팁의 반경방향 위치를 변경시키기 위한 블레이드 조정 구조로서, 상기 구조의 블레이드의 조정 원리는 상기 클램프 설비의 토크에 의해 달성되고, 블레이드 팁 운동은 상기 변형된 형상을 갖는 상기 블레이드 배치면의 상기 절삭 블레이드의 적어도 부분적인 롤링에 의한 상기 절삭 블레이드의 스윙에 의하는 것을 특징으로 하는 베벨 기어 정면 커터 헤드.
제1항에 있어서, 상기 변형된 형상은
상기 제1 측면 또는 상기 제2 측면 중의 하나로부터 상기 제1 측면과 상기 제2 측면 사이의 미리 결정된 위치로 뻗어 있으며, 제1 형상을 가지고 있는 제1 부분, 그리고
상기 미리 결정된 위치로부터 상기 제1 측면 또는 상기 제2 측면 중의 다른 하나로 뻗어 있는 제2 부분을 포함하고 있고,
상기 제2 부분은 상기 제1 부분의 형상과 상기 제2 부분의 형상이 함께 상기 제1 측면으로부터 상기 제2 측면까지 뻗어 있는 연속적인 직선을 그리지 않도록 하는 형상을 가지고 있는 것을 특징으로 하는 베벨 기어 정면 커터 헤드.
제2항에 있어서, 상기 제1 부분과 상기 제2 부분 중의 적어도 하나의 형상은 만곡되어 있는 것을 특징으로 하는 베벨 기어 정면 커터 헤드.
제2항에 있어서, 상기 제1 부분과 상기 제2 부분 중의 적어도 하나의 형상은 직선형인 것을 특징으로 하는 베벨 기어 정면 커터 헤드.
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제2항에 있어서, 상기 제1 부분에 힘을 가하도록 위치된 제1 고정 나사와 상기 제2 부분에 힘을 가하도록 위치된 제2 고정 나사인 두 개의 고정 나사를 포함하는 것을 특징으로 하는 베벨 기어 정면 커터 헤드.
제1항 내지 제4항 및 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 하나 이상의 절삭 블레이드 위치결정 슬롯은 오각형-형상의 단면을 형성하고 있는 것을 특징으로 하는 베벨 기어 정면 커터 헤드.
제8항에 있어서, 상기 하나 이상의 절삭 블레이드 위치결정 슬롯은 두 개의 블레이드 배치면을 포함하는 것을 특징으로 하는 베벨 기어 정면 커터 헤드.
제9항에 있어서, 상기 두 개의 블레이드 배치면 중의 하나에 대해 힘을 가하도록 위치된 적어도 하나의 고정 나사를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 베벨 기어 정면 커터 헤드.
제10항에 있어서, 상기 힘은 커터 반경 기준 벡터 R에 대해 수직에 가장 가깝게 배향되어 있는 상기 두 개의 블레이드 배치면 중의 하나의 블레이드 배치면에 대해 가해지고, 상기 하나의 블레이드 배치면은 변형되는 것을 특징으로 하는 베벨 기어 정면 커터 헤드.
제11항에 있어서, 상기 두 개의 블레이드 배치면 중의 다른 하나는 변형되지 않는 것을 특징으로 하는 베벨 기어 정면 커터 헤드.
베벨 기어 정면 커터 헤드에 위치된 적어도 하나의 절삭 블레이드의 트루잉 방법으로서,
원반 형상이고 커터 헤드 축을 중심으로 회전가능한 베벨 기어 정면 커터 헤드를 제공하는 단계를 포함하되, 상기 커터 헤드는 제1 측면과 제2 측면, 그리고 상기 커터 헤드에 배치된 하나 이상의 절삭 블레이드 위치결정 슬롯을 포함하고 있고, 상기 하나 이상의 절삭 블레이드 위치결정 슬롯은 각각 상기 제1 측면과 상기 제2 측면 사이에 뻗어 있고, 상기 하나 이상의 절삭 블레이드 위치결정 슬롯은 각각 상기 제1 측면과 상기 제2 측면 사이에 뻗어 있는 적어도 하나의 블레이드 배치면을 가지고 있고, 상기 적어도 하나의 블레이드 배치면은 변형된 형상을 가지고 있으며 상기 제1 측면으로부터 상기 제2 측면까지 뻗어 있고, 상기 변형된 형상은 상기 제1 측면으로부터 상기 제2 측면까지 뻗어 있는 연속적인 직선 배치면의 형상으로부터 벗어나고,
절삭 블레이드를 상기 하나 이상의 절삭 블레이드 위치결정 슬롯 중의 적어도 하나에 삽입하여 상기 절삭 블레이드를 상기 적어도 하나의 블레이드 배치면과 접촉시키는 단계를 포함하고,
상기 절삭 블레이드의 팁이 상기 축으로부터 반경 거리에 배치되도록 상기 절삭 블레이드를 상기 적어도 하나의 배치면에 고정시키기 위해서 상기 절삭 블레이드에 힘을 가하는 단계를 포함하고,
상기 베벨 기어 정면 커터 헤드의 블레이드 조정 구조를 통하여 상기 절삭 블레이드에 추가적인 힘을 가함으로써 절삭 블레이드 팁의 반경방향 변경을 초래하는 단계를 포함하되, 상기 구조의 블레이드 조정 원리는 클램프 설비의 토크에 의해 달성되고, 블레이트 팁 운동은 상기 변형된 형상을 갖는 상기 블레이드 배치면의 상기 절삭 블레이드의 적어도 부분적인 롤링에 의한 상기 절삭 블레이드의 스윙에 의하는 베벨 기어 정면 커터 헤드에 위치된 적어도 하나의 절삭 블레이드의 트루잉 방법.
베벨 및 하이포이드 기어의 정면 호빙가공 및 정면 밀링가공을 위한 베벨 기어 정면 커터 헤드로서, 상기 커터 헤드는 원반 형상이고 커터 헤드 축을 중심으로 회전할 수 있고,
제1 측면과 제2 측면, 그리고
상기 커터 헤드에 배치된 하나 이상의 절삭 블레이드 위치결정 슬롯을 포함하고 있고,
상기 하나 이상의 절삭 블레이드 위치결정 슬롯은 각각 상기 제1 측면과 상기 제2 측면 사이에 뻗어 있고,
상기 하나 이상의 절삭 블레이드 위치결정 슬롯은 각각 상기 제1 측면과 상기 제2 측면 사이에 뻗어 있는 적어도 하나의 블레이드 배치면을 가지고 있고,
상기 적어도 하나의 블레이드 배치면은 상기 제1 측면으로부터 상기 제2 측면까지 뻗어 있는 피벗 블록에 배치되어 있고, 상기 피벗 블록은 절삭 블레이드를 반경방향으로 조정하기 위하여 상기 제1 측면과 제2 측면 사이에 배치된 피벗운동 수단을 중심으로 피벗운동가능한 것을 특징으로 하는 베벨 기어 정면 커터 헤드.
제14항에 있어서, 상기 피벗운동 수단은 피벗 핀을 포함하는 것을 특징으로 하는 베벨 기어 정면 커터 헤드.
제14항 또는 제15항에 있어서, 상기 피벗운동 수단은 상기 피벗 블록 또는 상기 커터 헤드 중의 하나에는 만곡된 피벗면을 포함하고 있고 상기 피벗 블록 또는 상기 커터 헤드 중의 다른 하나에는 대응하는 형상의 만곡된 오목부를 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 베벨 기어 정면 커터 헤드.
제14항에 있어서, 상기 피벗운동 수단은 상기 피벗 블록과 상기 커터 헤드를 연결시키는 유연한 요소를 포함하고 있고, 상기 커터 헤드는 상기 유연한 요소와 상기 제1 측면 사이에 배치된 제1 유연한 슬롯 및 상기 유연한 요소와 상기 제2 측면 사이에 배치된 제2 유연한 슬롯을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 베벨 기어 정면 커터 헤드.