KR20120140634A - 스카이빙 방법과 스카이빙 공구를 포함하는 대응하는 장치 - Google Patents

스카이빙 방법과 스카이빙 공구를 포함하는 대응하는 장치 Download PDF

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KR20120140634A
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rotation
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마르크스 하트무스
올라프 보겔 닥터.
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클린게인베르크 아게
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Abstract

본 발명은, 회전 대칭의 규칙적인 구조가 스카이빙 공구(100)의 적용과 함께 제조되는 공작물(50; 70)에 대해 스카이빙 공구(100)를 위쪽에 인입하고 플런징하기 위한 방법 및 장치에 관한 것으로, 스카이빙 공구(100)가 처음에 공작물(50; 70)과 접촉하고 있도록 공작물(50)의 방향으로의 반경방향 이송 운동이 수행되고, 회전 대칭의 규칙적인 구조의 적절한 스카이빙이 수행되기 전에 스카이빙 공구(100)가 반경방향 플런징 운동에서 소정의 깊이에 이르기까지 제1 접촉의 순간으로부터 플런징되도록 되어 있다.

Description

스카이빙 방법과 스카이빙 공구를 포함하는 대응하는 장치{Robust method for skiving and corresponding apparatus comprising a skiving tool}
본 발명의 주제는, 이빨 시스템 또는 다른 규칙적인 구조를 스카이빙하는 방법과 스카이빙 공구를 포함하는 대응하는 장치이다.
기어 휠을 제조하기 위한 많은 방법이 있다. 칩 절삭 소프트 예비가공에서, 호빙, 기어 세이핑, 제네레이팅 플레이닝 및 스카이빙(파워 스카이빙이라고도 불림)들 사이를 구분할 수 있다. 호빙과 스카이빙은 이하에서 상술되는 바와 같이 소위 연속적인 방법이다.
기어 휠의 칩-절삭 제조에서, 중단된 인덱싱공정(또는 단일 인덱싱 공정으로도 불림)과, 연속적인 인덱싱공정 또는 면(face) 호빙이라고도 부분적으로 불리는 연속적인 방법 사이에는 구별이 된다.
예컨대, 연속적인 방법에서, 공작물의 측면(flank)들을 절삭하기 위하여 대응하는 커터들을 포함하는 공구가 적용된다. 공작물은 준비되어 연속하여, 즉 중단되지않은 방법으로 하나의 클램핑으로 절삭된다. 연속적인 방법은, 복잡한 결합된 순서의 운동들에 기초하는바, 공구와 가공하고자 하는 공작물은 서로에 대하여 연속 인덱싱 운동을 수행한다. 인덱싱 운동은, 부합하는 기계의 조화된, 각기 결합된 몇몇 축 드라이브의 구동으로부터 얻어진다.
단일 인덱싱 공정에서, 하나의 이빨 간격(gap)이 가공되고, 그 다음 예컨대 공구의 상대운동 및 공구에 대하여 공작물이 회전하는 소위 인덱싱 운동(인덱싱 회전)이 일어나는바, 그 이전에 다음 이빨 간격이 가공된다. 그리하여, 기어 휠이 단계적으로 제작된다.
초기에 언급된 기어 성형방법은 원통형 기어전동 시스템에 의하여 기재되거나 또는 나타내어질 수 있는바, 왜냐하면 도 1에 개략적으로 나타낸 바와 같이, 성형공구(1)의 회전축(R1)과 공작물(2)의 회전축(R2) 사이의 교차각(축의 교차각이라고도 불림)은 0도가 된다. 만일 축들의 교차각이 0도가 된다면, 2개의 회전축(R1, R2)은 서로 평행하게 연장한다. 공작물(2)과 성형공구(1)는, 그들의 각각의 회전축(R2, R1)을 중심으로 연속하여 회전한다. 회전운동에 추가하여, 성형공구(1)는 도 1에서 이중 화살표(shx)로 표기된 왕복(stroke)운동을 수행하고, 또 이러한 왕복운동 동안에 공작물(2)로부터 칩을 제거한다.
얼마 전에, 스카이빙(skiving)이라고 불리는 방법이 시행되었다. 그 기초는 약 100년 정도이다. 이러한 주제에 대한 번호 DE 243514를 갖는 첫 특허출원은 1912년으로 거슬러 올라간다. 시작연도의 초기 고려 및 조사 후, 스카이빙은 더 이상 추가로 진지하게 채택되지 않았다. 그때까지, 부분적으로 경험적이었던 복잡한 공정들이, 스카이빙 방법을 위하여 적절한 공구 기하학을 찾기 위하여 필요하였다.
약 1980년 대에, 스카이빙은 다시 채택되었다. 오늘날의 시뮬레이션 방법과 기계들의 현대적인 CNC-제어 기술이 있기 까지는, 스카이빙의 원리는 생산적이고, 재생산가능하며 확고한 방법으로 구현되지 못하였다. 오늘날의 공구재료의 높은 내마모성, 거대한 높은 정적 및 동적 강성 및, 현대적인 기계들의 동시운전의 높은 성능이 추가로 구현되게 되었다.
도 2a에 도시된 바와 같이, 스카이빙에서, 스카이빙 공구(10)(스카이빙 휠로도 불림)의 회전축(R1)과 공작물(20)의 회전축(R2) 사이의 축의 교차각(Σ)은, 미리 정해져 있고, 이 각도는 0과는 다르다. 스카이빙 공구(10)와 공작물(20) 사이의 결과적인 상대운동은 헬리컬(helical)운동이고, 이는 회전부분(회전운동)과 전진부분(병진운동)으로 분해될 수 있다. 생성된 헬리컬 타입 기어전동은, 구동기술 관련된 유사한 예(analogon)로 생각될 수 있고, 여기서 회전부분은 구름(rolling)에 대응하고 또 병진부분은 측면의 미끄러짐(gliding)에 대응한다. 축의 교차각(Σ)의 절대값이 커질수록, 공작물(20)의 제작을 위해 요구되는 병진운동의 부분이 더욱 증가한다. 이는 공작물(20)의 이빨 측면의 방향에서 스카이빙 공구(10)의 절삭날들의 운동부분에 영향을 준다. 따라서, 스카이빙할 때, 대등한 헬리컬 기어전동의 맞물리는 기어휠의 상대적인 조합운동의 미끄럼부분은, 절삭운동을 수행하기 위하여 이용된다. 단지 느린 축방향 전진이 스카이빙에서 요구되고 또 기어성형을 위하여 일반적인 소위 가압운동은 필요없게 된다. 그리하여, 스카이빙에서 역방향의 왕복운동은 일어나지 않는다.
스카이빙에서 절삭속도는, 스카이빙 공구(10)와 공작물(20)의 회전속도와 회전축(R1, R2)의 사용된 축의 교차각(Σ)에 의하여 직접 영향을 받는다. 축의 교차각(Σ)과 미끄럼부분은, 재료의 가공을 위하여 주어진 회전속도에 대하여 최적의 절삭속도가 얻어지도록 선택되어야 한다.
이미 공지된 스카이빙 방법의 동작사이클과 추가적인 상세내용은 도 2a의 이미 언급된 개략도로부터 얻을 수 있다. 도 2a는 원통형상 공작물(20)에서 외부 이빨 시스템을 스카이빙하는 것을 도시한다. 공작물(20)과 공구(10)(여기서, 원통형 스카이빙 공구(10)는 반대방향으로 회전한다.
추가적인 상대운동들이 부가된다. 공구(10)로써 공작물(20)의 전체 이빨 시스템 폭을 가공할 수 있도록 하기 위하여 축방향 이송(sax)가 요구된다. 만일 공작물(20)에 헬리컬 기어가 필요하다면(즉, β2≠0), 축방향 이송(sax)에 다른 이송(sD)이 중첩된다. 공작물(20)의 이빨 시스템의 극대화(crowning)에 영향을 주기 위하여 반경방향 이송(srad)이 채용될 수 있다.
스카이빙에서, 절삭속도의 벡터(
Figure pat00001
)는 본질적으로 축의 교차각(Σ)에 의해 서로에 대하여 경사진 공구(10)와 공작물(20)의 회전축의 2개의 속도 벡터(
Figure pat00002
,
Figure pat00003
)의 차로서 얻어진다.여기서,
Figure pat00004
은 공구(10)의 원주에서의 속도벡터이고 또
Figure pat00005
는 공작물(20)의 원주에서의 속도벡터이다. 따라서 스카이빙 공정의 절삭속도(
Figure pat00006
)는, 헬리컬 기어전동에서 축의 교차각(Σ)과 회전속도에 의하여 변할 수도 있다. 축방향 이송(sax)은, 절삭속도(
Figure pat00007
)에 단지 작은 영향을 주고, 이는 무시될 수 있으며 따라서 도 2a에서 벡터(
Figure pat00008
,
Figure pat00009
,
Figure pat00010
)들을 갖는 벡터 다이어그램에 도시되지 않는다.
원추형 스카이빙 공구(10)을 사용하여 공작물(20)의 외부 이빨 시스템을 스카이빙하는 것이 도 2b에 도시된다. 도 2b에서, 축의 교차각(Σ)과, 절삭속도(
Figure pat00011
)의 벡터, 공구(10)의 원주에서의 속도벡터(
Figure pat00012
), 공작물(20)의 원주에서의 속도벡터(
Figure pat00013
)뿐만 아니라 공구(10)의 나선각(β1)과 공작물(20)의 나선각(β2)도시된다. 도 2a에서, 나선각(β2)은 0과 다르다. 공구(10)의 이빨 헤드는 도 2b에서 참조부호 4로 표기된다. 이빨 측면(breast)은 도 2b에서 참조부호 5로 표기된다. 2개의 회전축(R1, R2)은 서로 교차하지는 않지만, 서로에 대하여 비스듬히 배열된다. 원추형 스카이빙 공구(10)에서, 계산점(AP)은 이제까지 2개의 회전축(R1, R2)의 조인트 직선부가 되도록 통상적으로 선택되는바, 왜냐하면 릴리프(relief)각도를 제공하기 위하여 스카이빙 공구(10)의 굽힘이 필요하지 않기 때문이다. 계산점(AP)은 여기서 소위 접촉점과 일치한다. 대등한 헬리컬 기어전동의 롤링 서클(circle)들은 이러한 계산점(AP)에서 서로 접촉한다.
스카이빙에서 측면 라인의 수정을 얻기 위하여 느린 축방향 이송에 반경방향으로 지향된 운동을 중첩할 수 있음이 독일 특허출원 DE 3915976 A1으로부터 알려져 있다. 이렇게 하여, 이빨 시스템의 극대화가 영향을 받을 수 있다.
또한, 축방향 이송을 반경방향 운동과 중첩시킴으로써 이빨 시스템이 생성될 수 있고, 이빨의 홈들이 각각의 단부에서 이빨이 형성되지않은 공작물의 표면에 반경방향 및 축방향으로 위상에 맞춰지는 것이, 국제특허출원 WO 2010/060733 A1으로부터 알려져 있다. 언급된 국제특허출원은 도 3에 개략적으로 도시된 바와 같이, 주로 소위 다중-절삭방법에 관한 것이다. 도 3에서, 대응하는 공작물(8)의 이빨 홈(7)의 위상 맞추기가 도시된다. 도 3은, 다중-절삭방법 도중에 스카이빙 공구가 공작물(8)에 형성한 몇몇 흔적들을 도시한다. 축방향 이송의 반경방향 운동과의 중첩으로 인하여, 이빨 홈(7)의 단부에서 위상찾기 프로파일이 생기고, 이 프로파일은 영역(9)에서 몇몇 굴곡진 세그먼트들로 구성된다. 언급된 국제특허출원은 완전히 생성된 이빨 간격의 생성에는 관계하지 않는다.
스카이빙의 생산성을 가능한한 증가하기 위하여, 예컨대 건식 가공용 경(hard)금속과 같은 현대의 절삭재료들을 사용할 때, 스카이빙 공구와 공작물 사이의 상대운동의 미끄럼부분은 충분히 높은 절삭속도를 생성하여야 한다. 스카이빙에서, 절삭속도(
Figure pat00014
)는, 대등한 헬리컬 기어전동의 회전속도에 의하여, 공작물과 공구의 유효반경에 의하여, 또 회전축(R1, R2)의 축의 교차각(Σ)에 의하여 직접 영향을 받는다. 여기서, 가능한 회전속도는 사용된 가공장치(스카이빙 기계)의 허용된 회전속도에 의하여 제한된다. 공작물의 크기는 고정적으로 미리 정해진다. 공구의 가능한 사이즈는 가공장치(스카이빙 기계)의 작업공간에 의하여 또 내부 이빨 시스템에 대하여는 이빨 시스템 자체의 내부 공간에 의해서도 제한된다. 따라서 충분히 높은 절삭속도는, 대응되게 큰 축의 교차각(Σ)에 의해서만 종종 생성될 수 있다.
스카이빙에서, 적어도 하나의 기하학적으로 결정된 절삭날을 포함하는 공구(10)가 적용된다. 절삭날/절삭날들은 도 2a와 2b에는 도시되지 않는다. 절삭날들의 형상 및 구성은 그러한 관점들에 속하고, 이는 실제로 구체적인 디자인에 고려되어야 한다.
또한, 스카이빙에서, 공구 자체는 커다란 적절성(relevance)이 내재된다. 도 2a에 도시된 예에서, 스카이빙 공구(10)는 곧은 이빨이 형성된 스퍼(spur)휠의 형상을 갖는다. 도 2a에서 베이스 바디의 외부윤곽은 원통형상이다. 그러나 이는 도 2b에 도시된 바와 같이, 베벨 형상(또한 원추형으로 불림)일 수도 있다. 스카이빙 공구(10)의 하나 또는 복수의 이빨이 절삭날의 전체 길이를 따라 맞물리기 때문에, 절삭날에서 공구(10)의 각 이빨은 충분한 릴리프 각을 필요로 한다.
도 4a와 4b에 도시된 바와 같이, 곧은 이빨이 형성된 또는 나선형으로 이빨이 형성된 원추형 스카이빙 공구(10)로부터 시작하면, 이러한 스카이빙 공구(10)가, 이 스카이빙 공구(10)의 원추형 베이스형상으로 인하여 소위 구조적인 릴리프 각을 가짐을 알 수 있다. 즉, 원추형 스카이빙 공구(10)의 헤드 및 측면에서 릴리프 각이 스카이빙 공구(10)의 기하학으로 인하여 미리 정해진다. 그러나 원추형 스카이빙 공구(10)의 절삭날들의 프로파일은 실제로 재연마를 가능하게 하기 위하여 특정 조건들을 만족해야 한다. 도 4a와 4b에서, 공작물(20)에 외부 이빨을 절삭 중인 원추형 스카이빙 공구(10)가 도시된다. 원추형 스카이빙 공구(10)의 커터헤드에서 소위 구조적인 릴리프 각(αKO)을 도 4b에서 볼 수 있다. 스카이빙 공구(10)와 공작물(20)의 롤링 서클(circle)의 축의 교차점(AK)과 접촉점(BP)이 도 4a에서 일치하고 또 회전축(R1, R2)의 조인트 직선부(GL)(도 4a와 4b에서는 각각 보이지 않음)상에 놓인다.
도 5에서, 곧은 이빨이 형성된 또는 나선형으로 이빨이 형성된 원추형 스카이빙 공구(10) 및 원통형상 공작물(20)의 추가적인 설명이 도시되는바, 도 5는 2개의 회전축(R1, R2)이 서로에 대하여 기울어져 있지만 양쪽의 회전축(R1, R2)이 평행하게 연장하도록 선택된다. 도 5에서, 2개의 회전축(R1, R2)의 조인트 직선부(GL)를 볼 수 있다. 접촉점(BP)은 도 5에 도시된 바와 같이 조인트 직선부(GL)위에 놓인다.
도 6a와 6b에서, 원통형 스카이빙 공구(10) 및 외부이빨을 포함하는 공작물(20)이 도시된다. 스카이빙 공구(10)는 공작물(20의 회전축(R2)에 대하여 경사질 뿐만 아니라(대응하는 축의 교차각(Σ)에 기초하여 도 6a에서 알 수 있듯이), 작은 각도(αKi)로 공작물로부터 벗어나 경사지도록 공작물(20)에 대하여 위치된다. 스카이빙 공구(10)로부터 삽입함(insetting-in)으로써, 유효 릴리프 각이 생성되고, 이는 αKi 로서 헤드 절삭날에 대하여 도 6에 도시된다. 또한 공구의 측면 절삭날들에서, 삽입에 의하여 유효 릴리프 각이 만들어진다. 그러나 이들은 헤드 절삭날에서 보다 더 작은 것으로 밝혀졌다. 일반적으로, 이러한 릴리프 각들은 단지 크기가 반이다.
도 6a와 6b에 도시된 바와 같이, 곧은 이빨이 형성된 또는 나선형으로 이빨이 형성된 원통형 스카이빙 공구(10)로부터 시작하면, 이러한 스카이빙 공구(10)가, 헤드 또는 측면에 소위 구조적인 릴리프 각을 갖지 않음을 알 수 있다. 만일 이러한 원통형 스카이빙 공구(10)가 통상적인 방식으로 클램프된다면, 아무런 릴리프 각이 제공되지 않을 것이다. 스카이빙 공구(10)의 삽입에 의하여, 이미 기재된 바와 같이 운동학적 릴리프 각이 생성될수 있다. 실제로 스카이빙 공구(10)의 삽입은, 축의 교차점(AK)으로부터 절삭면의 오프셋을 가져오기 위하여 기계에서 스카이빙 공구(10)를 편심 클램핑함으로써 이루어진다. 스카이빙 공구(10)의 삽입으로 인하여, 스카이빙 공구(10)와 공작물(20)의 롤링 서클들의 접촉점(BP)은 회전축(R1, R2)의 조인트 직선부 상에 더 이상 놓이지 않는다. 대응하는 오프셋은 절삭면 오프셋(e)라고도 불리고 또 도 6a에서 볼 수 있다. 스카이빙 공구(10)가 더 경사질 수록, 유효 릴리프 각은 더 커진다. 스카이빙을 위하여 필요한 릴리프 각은 3도 와 5도 사이의 범위이다. 이러한 릴리프 각들을 얻기 위하여, 원통형 스카이빙 공구(10)의 삽입은 10도까지 요구되고 또 이는 실제로 통상적이다.
도 7a와 7b에서, 곧은 이빨이 형성된 또는 나선형으로 이빨이 형성된 원통형 스카이빙 공구(10) 및 공작물(20)의 추가적인 설명이 도시되고, 여기서 도 7a의 도면은 2개의 회전축(R1, R2)이 서로에 대하여 기울어져 있지만 2개의 회전축(R1, R2)이 평행하게 연장하도록 선택된다. 도 7a에서, 2개의 회전축(R1, R2)의 조인트 직선부(GL)를 볼 수 있다. 도 7a와 7b에서, 접촉점(BP)은 조인트 직선부(GL) 위에 위치된다. 도 7b에서, 소위 접촉 도면(또한 접촉평면의 측면투영이라고도 불림)이 도시되고, 접촉점(BP)을 볼 수 있다. 도 7a의 설명에서, 접촉점(BP)은 공작물(20)의 뒤에 감춰져 있다.
앞선 스카이빙 방법들에 대한 자체조사는, 스카이빙 공구의 갑작스런 고장이 일어날 수 있음을 보여주었다. 더욱 상세한 고찰 및 평가는 다른 것들 중에서 스카이빙 동안에 과도하게 음(-)의 레이크(rake)각도가 발생할 수 있음을 보여준다. 공작물의 재료 내로 절단된 절삭날의 전체 궤적지점들의 시뮬레이션은, 간격의 완유전한 절삭에서, 특히 유효 헤드 레이크각도가 칩 형성의 초기부터 간극으로부터 스카이빙 공구의 배출까지 점점 더 음(-)으로 되는 것을 보여준다. 즉, 더 정확하게는, 통상적인 스카이빙에서 칩의 제거 동안에, 칩 두께는 제너레이터 라인으로부터 시작하여 증가하고, 유효 레이크 각도는 초기에 약 0도로부터 시작하여 연속적으로 감소한다. 커터헤드에서 칩 형성의 말단에서, 이러한 유효 레이크 각도는 예컨대 -60도까지 이를 수 있거나 또는 아주 나쁜 경우에는 -60도 이하일 수 있다. 이러한 관점은 스카이빙 공구의 너무 이른 마모로 이어질 수 있다.
공작물(20)의 재료를 매개로한 스카이빙 공구(10)의 절삭 이빨의 운동이 도 8a 내지 8c에 개략적으로 도시된다. 도 8a 내지 8c는 완전한 절삭 동안에 절삭의 과정에 걸쳐, 절삭 이빨(6)에서 각각 커터헤드의 레이크 각도의 유효한 발달을 도시한다. 제1 회전축(R1)을 중심으로 한 스카이빙 공구(10)의 그리고 제2 회전축(R2)을 중심으로 한 공작물의 결합된, 즉 서로 동기된 회전운동과, 커터의 전체 궤적지점들의 기록에서 공작물(20)에 대한 스카이빙 공구(10)의 축방향 선형운동의 중첩으로 인하여, 도 8a 내지 8c, 9, 10 11a, 11b에 도시된 바와 같이 일종의 오목통(trough) 또는 상자 형상이 얻어진다. 도 8a 내지 8c, 9, 10에서, 대응하는 오목통은 도면부호 11로 표기된다.
도 8a는, 공작물(20)의 재료에서 스카이빙 공구(10)의 절삭 이빨(6)의 상대운동을 제1 단편으로 도시한다. 절삭 이빨(6)의 절삭날(6.1)의 방위와 위치는 굵은 선으로 도시된다. 이러한 간격(22)에서 절삭 이빨(6)의 하나의 맞물림을 위하여 공작물(20)의 간격(22)에 놓인 절삭 이빨(6)의 절삭날(6.1)의 전체 궤적지점으로부터 오목통(11)가 얻어진다. 추가적인 절삭 이빨의 후속 맞물림(공구의 동일한 또는 다른 절삭 이빨일 수 있다)이 오목통(11)를 또한 생성하고, 이는 축방향 이송 및 이와 결합된 차동 이송으로 인하여 축방향에서 간격(22)내에 오프셋된다. 따라서 오목통(11)는, 스카이빙 동안에 공작물(20)의 재료를 통하여 단계적으로(적어도 실제로)이동한다. 도 8a는 오목통(11)을 좌측 및 우측부분으로 분할하는 라인(12)을 도시한다. 라인(12)의 가려진 부분은 일점쇄선으로 도시된다. 라인(12)은 2개의 오목통의 중첩을 서로 경계짓고, 이는 절삭 이빨의 2개의 직접적으로 연속하는 맞물림 사이의 이송에 의하여 그들의 위치를 달리 한다. 즉, 라인(12)은 2개의 오목통의 교차곡선의 특징을 묘사한다. 극히 작은 축방향 이송에 대하여, 이러한 교차곡선은 소위 제너레이터 라인에 대응한다. 전체 이빨 간격은, 절삭방향에서 공작물(20)을 관통하는 그러한 제너레이터 라인의 한 세트로 생각될 수 있다. 축방향 이송을 포함하는 통상적인 스카이빙 가공공정에서, 단지 제너레이터 라인으로부터 시작하는 부분에서 공작물(20)로부터 구동된 절삭날(6.1)에 의하여 제거된다(즉, 구체적으로 도시된 도면에서: 제너레이터 라인의 좌측으로). 제너레이터 라인 이전에 절삭방향에서 공구의 앞선 맞물림에 의하여 재료는 이미 제거되었다(즉, 구체적으로 도시된 도면에서: 제너레이터 라인의 우측으로).
도 8b는, 시뮬레이션의 두번째 단편을 도시하는바, 스카이빙 공구(10)의 절삭 이빨(6)은, 절삭방향(SR)에서 더 좌측으로 일정거리만큼 도 8a의 상황에 대하여 공작물(20)의 재료로 이동하였다.
도 8c는, 시뮬레이션의 세번째 단편을 도시하는바, 스카이빙 공구(10)의 절삭 이빨(6)은, 절삭방향(SR)에서 여전히 더 좌측으로 일정거리만큼 도 8a의 상황에 대하여 공작물(20)의 재료로 이동하였다. 도 8c에서, 절삭 이빨(6)의 절삭날(6.1)의 절삭면은 오목통(11)에 대하여 예각을 형성함을 볼 수 있다. 대응하는 "임계적인" 부분이 도 8c에서 도면부호 13으로 특징지워진다. 따라서 앞서 언급된 바와 같이, 과도하게 음(-)의 레이크(rake)각도가 부분(13)에서 생긴다.
스카이빙 공정 동안에, 특히 헤드의 유효 레이크 각도는 앞서 언급된 바와 같이, 점점 더 음(-)이 된다. 스카이빙에서, 공작물(20)에서 간격의 가상된 바닥에 대한 절삭 이빨(6)의 블레이드 각도는 거의 일정하게 남는다. 절삭 이빨(6)의 헤드 절삭날은 오목통의 바닥 위로 "연마"된다.
복수의 이빨(21)과 이빨 간격(22)을 포함하는 공작물(20)의 부분이 도 9에 도시된다. 이제, 공작물(20)의 스카이빙 가공에서 운동의 전체 진행을 고려하면, 이빨 간격(22)이 완전히 얻어질 때가지 오목통(11)가 이빨 간격(22)을 통해 움직이는 것을 볼 수 있다. 이빨 간격(22)을 통한 오목통(11)의 운동은, 이송방향을 지시하는 방향 화살표(VR)로 표시된다. 이러한 이송방향은 축방향 및 차동 이송으로 구성된다.
스카이빙 동안 레이크 각도의 상기 언급된 조사는, 특히 진행중인 스카이빙 공정에서 완전한 칩의 생성을 위하여 유지된다. 그러나 이는 먼저 간격으로 "관통(pierce)"해야하는 스카이빙 공정의 개시에 중요한 통찰력을 또한 제공한다. 공작물의 축방향에서 스카이빙 공구의 공통 이송에서, 공작물(20)과 절삭 이빨(6)의 최초 접촉은 분명히 음(-)의 유효 레이크 각도로써 일어난다. 따라서 이미, 최초의 칩은 가능한 나쁜 칩절삭 조건으로 생성된다. 최초 접촉에서 큰 음의 레이크 각도 때문에, 절삭날(6.1)상의 하중은 매우 크다. 그리하여 절삭날(6.1)(특히 절삭날의 에지)에 작용하는 힘은 갑자기 증가하고, 이는 절삭날(6.1)의 직접적인 파손으로 이어질 수 있다. 이러한 큰 하중은 부분적으로 관찰된 스카이빙 공구(10)의 갑작스럽고 뜻밖인 파손을 설명할 수 있다. 도 8a 내지 8c 및 9에 따른 진행중인 스카이빙 공정에서, 상기에서 언급된 바와 같이 거꾸로의 유효 레이크 각도가 발생할 수도 있고; 그러나 절삭날(6.1)상의 하중은 연속적이고 또 갑작스럽게 생기지 않는다. 따라서 다른 마모 또는 파손현상이 관련된다.
이미 실행된 축방향 이송에서, 도 10에 도시된 바와 같이, 최악의 절삭조건을 갖는 오목통(11)의 에지가 전면(23)의 부분에서 처음으로 공작물(20)과 접촉하도록, 오목통(11)가 이빨 간격(22)을 따른 쪽에서 안내된다. 이러한 최초 접촉은, 일반적으로 인접하는 측면 쪽에서 절삭 날(6.1)의 헤드부분과 이루어진다. 축방향 이송은 도 10에서 화살표(ZB)로 표시된다. 그리하여, 화살표(ZB)는 공구(20) 회전축(R2)에 평행하게 연장한다.
본 발명의 목적은, 기어휠 또는 다른 규칙적인 구조의 이빨 측면을 칩 절삭가공하기 위하여 좋은 생산성으로 특징지워지는 방법과 장치를 제공하는 것이다. 가공시간과 기어휠 당 생산비용의 감소가 본 발명의 주요 목표이다. 한편, 제안된 방법과 장치는 예컨대 자동차 분야에서 연속적인 제조의 적용에 확실하고 또 적합할 것이다.
특별한 관건은 공구의 수명을 향상시키으로써 공구비용을 가능한한 낮게 유지하는 것이다.
이러한 목적은 여기서 수정된 이송 방법을 갖는 스카이빙 방법이라고 불리는 방법에 의하여 본 발명에 따라 해결된다. 수정된 이송 방법은, 인입(setting-in) 및 투입(plunging)이 명확한 반경방향 운동성분을 갖고 일어나서, 그리하여 삽입에서 스카이빙 공구와 공작물 사이의 최초 접촉이 약 0도가 되는 유효 레이크 각도로 얻어진다는 것을 이해한다. 이러한 유효 레이크 각도는, 기재된 오목통 형상 때문에 오목통의 바닥이 공작물의 재료와 최초로 접촉하게 된다.
개량된 인피드법이, 회전 대칭의 규칙적인 구조에 적합한 가장 상이한 스카이빙 방법과 관련하여 적용될 수 있다.
개량된 인피드법은, 공구 스핀들에 의하여 지지된 스카이빙 공구의 적용으로 회전 대칭의 규칙적인 구조를 갖는 공작물을 스카이빙하는 데에 채용하기 위하여 고안된다. 개량된 인피드법에서:
- 스카이빙 공구는 제1 회전축을 중심으로 연속적으로 회전하고,
- 공작물은 제2 회전축을 중심으로 스카이빙 공구에 연속적으로 또 동기하여 회전하며,
- 스카이빙 공구는 공작물의 방향에서 반경방향 운동성분으로 삽입되고 또 반경방향 성분으로 공작물 내로 최대 깊이로 진입되며, 그리하여 적어도 진입동안에 제1 회전축이 제2 회전축에 대하여 비스듬히 연장한다.
후속하는 스카이빙에서, 최대 깊이에 도달함으로써, 회전하는 스카이빙 공구는 제2 회전축의 방향에서, 즉 진입의 말단을 향하여 회전하는 공작물에 대하여 상대적인 이송운동을 수행하고, 그리하여 스카이빙 동안에 제1 회전축이 제2 회전축에 대하여 비스듬히 연장한다.
본 발명에 따른 개량된 인피드법은, 공작물과 스카이빙 공구 사이의 상대적인 운동순서(상대운동으로 불림)는, 스카이빙 공구의 절삭 이빨의 절삭날에 대한 절삭조건들이 최초 접촉 동안 및 진압 동안에 최적이 되도록 미리 정해지고 또 수행되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 개량된 인피드법은, 진입동안에 공작물과 스카이빙 공구의 최초 접촉이 지점이 거의 오목통의 가장 깊은 지점(TP)에 대응하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 약간의 병진운동은 삽입 및 반경방향 진입에서 중첩될 수 있고, 그리하여 얻어지는 운동벡터들은 공작물의 회전축의 법선과 예각을 이룬다.
본 발명은, 통상적인 축방향 진입에 대하여 상당히 유리한 절삭조건들이 얻어지도록 공작물에 대하여 스카이빙 공구의 상대운동을 미리 결정하는 것에 기초한다.
개량된 인피드법에 따라 수행된 스카이빙 동안에, 이빨 또는 다른 규칙적인 구조들이 완전히 형성될 때까지 공작물로부터 재료가 점진적으로 절삭된다.
스카이빙 공구의 절삭이빨에서 과도하게 음(-)인 레이크 각도의 갑작스런 발생은, 개량된 인피드법에 의하여 회피된다. 또한, 개량된 인피드법은 통상적인 축방향 이송에 비교하여 축방향에서 상당히 더 작은 입구영역이 요구되는 이점을 갖는다.
이빨 간격은 본 발명에 따른 최대 깊이로 직접 될 수있고 또 이 경우 다중-절삭 방법을 사용하여 형성될 필요는 없다. 따라서, 진입은 바람직하기에는 최대 깊이까지 아래로 일어난다. 바람직하기에, 모든 실시예에서, 원 컷 전략(one-cut strategy)과 관련한 이송이 여기에 관련된다.
게다가, 기어 이빨 시스템의 초기에 연속하는 기어 이빨 시스템을 깎아내는 것에 중점이 두어지는데, 즉 초기에 닫혀있는 기어 이빨 시스템을 깎아내는 것은 여기서는 관심을 두지 않는다.
재료의 제거에 의해 인피드(infeed) 동안에 어떠한 최종적인 간격의 구조가 생성된다는 점에서 개량된 인피드식에 대하여 특징이 있다. 최종적인 간격의 구조는 단지 인피드 후에 적절한 절삭 가공에 의하여 생성된다.
기어 이빨 간격을 완벽하게 생성하기 위하여, 본 발명에 따르면, 결정할 수 있는 위치에서 작업물에 대하여 기어 이빨 시스템의 폭방향으로 방사상 운동 성분을 셋팅하고, 전체 방사상 깊이로 밀어내리는 것으로 충분하다. 방사상으로 내리는 위치는 바람직하게는 발생기 라인의 위치로부터 결정된다.
본 발명에 따르면, 모든 실시예에서, 제1 칩의 제거는 종래의 스카이빙 방법에 비교하여 상당히 유리한 절삭 조건에서 일어난다. 그리하여 스카이빙 공구의 수명이 상당히 증대되고, 무엇보다 스카이빙 공구의 갑작스런 고장을 특히 피할 수 있다.
본 발명에 따르면, 방사상 인입(setting-in)으로 인해, 스카이빙 공구가 처음 공작물에 접촉하는 지점은, 스카이빙 공구의 절삭 이빨에서 적절한 유효 기울기각으로 약 0도를 보장하는 범위에 놓인다.
본 발명에 따르면, 스카이빙 공구가 작업물에 처음으로 접촉하는 지점은, 바람직하게는 공작물의 정면 및 측면영역의 사이의 천이영역에 바로 놓이는 것이 바람직하다.
본 발명에 따르면, 스카이빙 공구가 공작물의 재료를 통해 이송하는 방향으로 그 움직임을 시작하는 지점은, 바람직하게는 발생기 라인의 위치를 고려하여 결정된다. 축방향으로 단지 짧은 인피드 경로를 확보하기 위하여, 가공될 공작물의 전면 앞으로 짧은 거리에 발생기 라인이 위치하는데, 이는 종래의 스카이빙 동안에 발생기 라인 뒤에서만 재료가 절삭되기 때문이다. 긍정적인 부대효과로서, 가공시간의 단축은 이 발생기 라인의 위치로부터 발생된다.
게다가, 간격을 완전히 형성한 직후에 방사상으로 물러나는 것이 가능하다. 재료의 발생기 라인이 공작물을 떠날 때, 완전한 갭의 형성이 달성된다. 일반적으로 긍정적인 부대효과로서, 가공시간의 단축은 방사방향 물러나기로부터 발생된다.
스카이빙 공구의 회전축은 적어도 플런징(plunging) 동안 그리고 스카이빙 동안, 공작물의 회전축에 대하여 비스듬히 놓이는데, 즉 축(Σ)의 교차각은 0이 아니다.
게다가, 스카이빙 공구는, 플런징(plunging) 동안 그리고 스카이빙 동안, 공작물 쪽으로 향하는 방향으로 또는 공작물로부터 멀어지는 방향으로 경사질 수 있는데, 즉, 0도가 아닌 경사각 (기울기각) δ는 바람직하게는 미리 정해진다.
경사각(δ)의 절대값은 2도 내지 45도 사이의 각도 범위가 바람직하고, 더욱 바람직하게는 5도 내지 30도 사이가 바람직하다.
본 발명에 따라 개선된 플런징 방법에서, 연속적인 칩-절삭 방법의 준비에 채용된 방법이 고려된다.
바람직하게는, 모든 실시예에서, 스카이빙 공구가 채용되고, 이는 박피 휠(peeling wheel)과 같고, 페이스 밀 커터 헤드 공구(face mill cutter head tools)와는 다르다.
본 발명에 따르면, 스카이빙 공구는 박피 휠과 같은 공구 단면을 가지고, 상기 공구 단면은 비스듬히 밖으로 돌출하는 절삭 이빨처럼 형성된 절삭날을 구비한다.
본 발명에 따르면, 스카이빙 공구는 박피 휠과 같은 공구 단면을 가지고, 상기 공구 단면은 제너레이팅 커터(generating cutter) 형태를 가지고, 바람직하게는 디스크형 커터, 자루형 커터 또는 깊은 카운터 보어형 커터 (예컨대 DIN3972 또는 DIN 5480에 따라) 형태를 가진다.
본 발명에 따라 박피 휠과 같은 스카이빙 툴은 덩치 큰 이른바 매시브 공구(massive tools)로 설계되는데, 즉 실질적으로 일체로 형성된 공구가 고려되고, 또는 공구는 커터 헤드 공구로 형성되고 (여기서는 바아-커터 스카이빙 휠로 불림), 커터 헤드 공구는 바람직하게는 바아 커터 형태로 된 커터 카트리지를 구비하는 커터 헤드 베이스 본체를 구비한다.
본 발명에 따르면, 모든 실시예에서, 스카이빙 공구는 이른바 구성적인 릴리프 각(relief angles)을 갖는 것이 바람직하다. 즉, 릴리프 각은 운동역학을 고려하여 스카이빙 공구의 구조에 기초하여 결정된다.
본 발명에서 설명되고 청구된 개선된 플런징 방법은 가장 다른 기어 이빨 시스템과 다른 주기적으로 반복하는 구조물에 적용될 수 있다.
본 발명은 종래의 축 플런징 방법에 대하여 일련의 장점을 제공하는데, 이는 아래와 같이 요약된다.
- 개량된 칩 절삭 상태;
- 보다 유효 경사각 (특히 커터 헤드에서)
- 공구의 저마모
- 공구의 증대된 수명
- 공구의 비용 저하
- 공구의 고장 방지
- 보다 나은 비용 효율성
본 발명에 따른 방법은 건식 및 습식 기계와 관련되어 모두 실행될 수 있다.
개량된 인피드는 외측 이빨 시스템의 제조와 관련해서 적용될 수 있을 뿐만 아니라, 외측 이빨 시스템의 제조와 관련하여 유용하게 적용될 수 있다.
본 발명의 실시예를 참조하여 그리고 첨부하는 도면을 참조하여 이하에서 본 발명의 특징과 장점이 설명될 것이다. 개념적으로 도시한 모든 도면에서, 간략성을 위하여, 공작물과 스카이빙 공구는 회전 원(rolling circle)에서 상황으로 단순화된다 (각각 회전 실린더 위의 공작물에서). 나타낸 조건은 또한 높이를 가진 전체 기어 이빨 시스템에도 유지된다.
도 1은 성형 동안 외측 이빨 시스템을 가지고 공작물과 결합되어 있는 실린더형 외부 윤곽을 가진 성형 휠을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 2a는 스카이빙 동안 외측 이빨 시스템을 가지고 공작물과 결합되어 있는 실린더형 외부 윤곽을 가진 직선 이빨로 된 스카이빙 휠을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 2b는 스카이빙 동안 외측 이빨 시스템을 가지고 공작물과 결합되어 있는 원추형 외부 윤곽을 가진 헬리컬 기어식 스카이빙 휠을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 3은 국제특허출원 공개 WO 2010/060733호에 따른 점차 삭감되는 이빨 홈을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 4a는 외측 이빨 시스템을 가지는 공작물의 스카이빙 동안에 원뿔형 스카이빙 공구의 축 교차의 개략적인 투영도(접촉평면의 투영도)를 나타내는데, 축의 교차각은 미리 결정되어 있다.
도 4b는 도 4a에 따라 원쭐형 스카이빙 공구와 공작물의 교차축의 개략적인 투영도(접촉 평면의 측면투영)를 나타낸다.
도 5는 외측 이빨 시스템을 가지는 공작물의 스카이빙 동안에 원뿔형 스카이빙 공구를 개략적으로 나타내는데, 스카이빙 공구는 공작물에 대하여 비스듬하지 않다.
도 6a는 외측 이빨 시스템을 가지는 공작물의 스카이빙 동안에 원통형 스카이빙 공구의 축교차를 개략적으로 나타내는 투영도인데, 스카이빙 공구는 공작물로부터 작은 각도로 기울어져 있고, 절삭면의 오프셋이 생긴다.
도 6b는 도 6a에 따라 원통형 스카이빙 공구와 공작물의 접촉면의 개략적인 측면도를 나타낸다.
도 7은 외측 이빨 시스템을 가지는 공작물의 스카이빙 동안에 원통형 스카이빙 공구의 축교차를 개략적으로 나타내는 투영도인데, 스카이빙 공구는 공작물로부터 작은 각도로 기울어져 있다.
도 7b는 도 7a에 따라 원통형 스카이빙 공구와 공작물의 접촉면의 측면을 나타낸다.
도 8a는 제1 스냅샷(snap shot)에서 공작물의 재료에서 스카이빙 공구의 절삭 이빨의 상대적인 이동의 시뮬레이션의 결과를 나타낸다.
도 8b는 제2 스냅샷의 시뮬레이션을 나타내는데, 스카이빙 공구의 절삭 이빨은 도 8a에서의 상황에 대하여 공작물의 재료에서 절상방향에서 왼편으로 일정거리를 더 이동하였다.
도 8c는 제3 스냅샷의 시뮬레이션을 나타내는데, 스카이빙 공구의 절삭 이빨은 도 8b에서의 상황에 대하여 공작물의 재료에서 절상방향에서 왼편으로 일정거리를 더 이동하였다.
도 9는 다수의 이빨과 이빨 간격의 가지는 공작물의 단면을 나타내는데, 도 8a 내지 도 8c에 따른 오목통은 이빨 간격을 통해 진행한다.
도 10은 공작물의 단면을 측면도로 나타내는데, 오목통의 위치가 아주 간략하게 나타낸 형태로 축방향 인피드의 모멘트로 나타내어져 있다.
도 11a는 공작물의 단면을 측면도로 나타내는데, 오목통의 위치가 방사방향 인피드의 모멘트로 아주 간략하게 나타낸 형태로 나타내어져 있다.
도 11b는 도 11a에 따른 공작물의 단면을 평면도로 나타내는데, 오목통의 위치가 방사방향 인피드의 모멘트로 아주 간략하게 나타낸 형태로 나타내어져 있다.
도 12a는 공작물의 단면을 측면도로 나타내는데, 인입(setting-in)과 투입(plunging)이 아주 간략하게 나타낸 형태로 나타내어져 있다.
도 12b는 공작물의 단면을 측면도로 나타내는데, 인입(setting-in)과 투입(plunging)이 아주 간략하게 나타낸 형태로 나타내어져 있다.
도 13a는 바아 커터의 절삭날과 함께 오목통을 아주 간략히 나타낸 도면으로, 경사각은 보여진 모멘트에서 약 0도에 이른다.
도 13b는 바아 커터의 절삭날과 함께 오목통을 아주 간략히 나타낸 도면으로, 경사각은 보여진 모멘트에서 분명히 음이다.
도 14는 공작물의 단면을 평면도로 나타내는데, 이빨 간격을 통해 진행하는 오목통의 위치가 아주 간략하게 나타낸 형태로 나타내어져 있다.
도 15는 스카이빙 동안에 공작물의 단면을 나타내는데, 스카이빙 공구(미 도시)의 절삭 이빨을 구비하는 바아 커터가 이빨 간격을 통해 어떻게 안내되는지 보여진다.
도 16은 본 발명에 따른 바아 커터 스카이빙 휠을 사용하여 스카이빙 동안에 내부 이빨 시스템을 가지는 실린더형 공작물의 사시도를 나타낸다.
도 17은 본 발명에 따른 스카이빙 휠로서 매시브 공구로 스카이빙 동안에 내부 이빨 시스템을 가지는 실린더형 공작물의 사시도를 나타낸다.
도 18은 내부 이빨 시스템을 가지는 공작물의 이빨 시스템 도중 스카이빙 공구를 포함하는, 본 발명에 따른 기계의 사시도를 나타낸다.
본 발명의 설명에서는 관련 공보나 특허에서도 사용되고 있는 용어들이 사용되었다. 그러나, 이러한 용어의 사용은 단지 보다 나은 이해를 위한 것이다. 청구범위의 발명적 사상과 보호범위는 특정의 용어 선택에 의해서 제한적으로 해석되지 않는다. 본 발명은 별 어려움 없이 다른 용어 시스템이나 기술 분야에 전달될 수 있다. 다른 기술분야에서는 용어는 그 분야에 상응하게 적용될 것이다.
회전하는 대칭식 주기적인 구조물로서는 예를들어, 외부 및/또는 내부 기어이빨 시스템을 구비하는 기어 휠을 들 수 있다. 그러나, 예를들어, 브레이크 디스크, 클러치 또는 기어요소 등이 고려될 수 있다. 스카이빙 공구는, 피니언 샤프트, 웜기어, 환형기어, 기어 휠 펌프, 분절식 링조인트 허브(분절식 링조인트는 차동 기어로부터 자동차 휠에 힘을 전달하기 위하여 적용됨), 스플라인 샤프트 연결부, 슬라이딩 슬리브, 벨트 풀리 등의 제조에 특히 적합하다. 주기적인 구조물은 주기적으로 반복하거나 왕복하는 구조물로 설명할 수 있다.
이하에서는, 주로 기어 휠, 기어 이빨과 이빨 간격에 대하여 설명한다. 그러나, 위에서 언급한 바와 같이, 본 발명은 다른 주기적인 구조물을 구비하는 다른 구성요소에 대해서도 적용될 수 있다. 이러한 다른 구성요소에 대해서, 기어 이빨 간격은 이 경우에 고려되지 않고, 다만 예컨대 슬롯이나 홈이 고려될 수 있다.
본 발명은 초기에 언급한 조사와 시뮬레이션의 결과를 사용한다. 본 발명에 따르면, 도 11a에 보인 바와 같이, 상당한 방사상 이동 성분을 가지고 인피드가 일어난다. 방사향으로 향한 인피드로 인하여, 스카이빙 공구(100)가 공작물(50)에 초기 접촉하는 동안, 축방향 인피드 동안 발생하였던 불리한 조건이 회피된다.
방사상 인피드는 도 11a에서 도면부호 A와 화살표로 표시된다.
본 발명에 따르면, 이른바 개량된 인피드법이 다루어졌는데, 여기서 스카이빙 공구(100)와 공작물(50)이 상대운동을 수행하며, 스카이빙 공구(100)와 공작물(50)의 제1 접촉 동안에, 스카이빙 공구(100)의 절삭날에서 약 0도의 유효 기울기 각도가 발생하도록 상기 상대운동이 이어진다. 이것을 달성하기 위하여, 인입(setting-in) 동안에 운동의 적어도 마지막 국면은 도 12a에 보인 필수적인 방사방향 인입 운동(
Figure pat00015
1)으로 특징지워진다. 본 발명에 따르면, 이 방사방향 인입 운동(
Figure pat00016
1)에 이어서 방사방향 플런징 또는 인피드 운동(
Figure pat00017
2)가 이어진다. 이 방사방향 플런징 또는 인피드 운동(
Figure pat00018
2) 동안에, 상기 스카이빙 공구의 절삭날이 공작물(50)의 재료로 투입된다.
도 12a에서, 방사방향 인피드(A)는 2 개의 부분 운동(
Figure pat00019
1,
Figure pat00020
2)로 구성되고, 도시된 경우에, 2 개의 부분 운동(
Figure pat00021
1,
Figure pat00022
2)은 순전히 방사방향으로 향한다는 것이 개략적으로 나타내어져 있다. 상기 2 개의 부분 운동(
Figure pat00023
1,
Figure pat00024
2)의 벡터 합은 벡터(
Figure pat00025
)로 된다. 순수한 방사방향 운동은 공작물(50) 회전축(R2)에 수직이고, 각각의 이들 운동은 공작물(50)의 전면(54)에 평행하게 연장된다.
도 12b에서, 방사방향 인피드(A)는 2 개의 부분 운동(
Figure pat00026
1,
Figure pat00027
2)로 구성되고, 도시된 경우에, 2 개의 부분 운동(
Figure pat00028
1,
Figure pat00029
2)은 상당한 방사방향 성분과 약간의 축방향 성분을 가진다는 것이 개략적으로 나타내어져 있다. 결과적인 벡터(
Figure pat00030
)는 상기 2 개의 부분 운동(
Figure pat00031
1,
Figure pat00032
2)의 합으로부터 발생된다.
상기 2 개의 부분 운동(
Figure pat00033
1,
Figure pat00034
2)은 동일한 방향을 지향할 수도 있고(예컨대, 도 12a 참조), 또는 약간 다른 방향(예컨대 도 12b 참조)을 가질 수도 있다.
도 13a는 바아 커터(120)의 절삭날(111)과 함께 오목통(80*)의 개략적인 도면을 나타내는데, 도시된 운동에서 헤드 절삭날에서 유효 기울기 각도(γs)는 대략 0도로 된다. 투영도로 나타낸 것에서, 상기 유효 기울기 각도(γs)는 절삭면(53)과 상기 오목통(80*)의 바닥 사이의 접촉점에서 법선(N1, normal)과 절삭날(110)의 절삭면(53) 사이의 대략적인 각도로 선택된다. 도 13a에서, 이 법선(N1)은 대략 상기 절삭면(53)의 평면에 놓인다. 도 13a는 공작물(50, 70)의 재료와 스카이빙 공구(100) 즉, 각각 스카이빙 공구(100)의 절삭날(111)의 제1 접촉의 순간을 나타낸다. 제1 접촉점은 상기 오목통(80*)의 가장 깊은 지점(TP)과 대략 일치한다. 그런데, 제너레이터 라인(82)은 항상 상기 오목통(80*)의 가장 깊은 지점(TP)을 통과한다.
도 11a와 도 11b 및 그 이후에서 상기 오목통(80*)은 의도적으로 거울대칭으로 나타내었다. 그러나 실제로, 상기 오목통(80*)은, 예컨대 기울기 각도(δ)가 0이 아닐 때 비대칭형을 가질 수도 있다.
도 13b는 바아 커터(120)의 절삭날(111)과 함께 오목통(80*)을 개략적으로 나타낸 것으로, 도시된 순간의 헤드 절삭날에서 유효 기울기 각도(γs)는 분명히 음수이다. 도 13b에서, 절삭면(53)의 평면에 놓이지 않기 때문에 법선(N1)을 볼 수 있다. 예시화하고 강하게 간략화한 도 13a와 도 13b를 근거로, 유효 기울기 각도(γs)는, 절삭 방향(SR)에서 절삭날(111)의 점진적인 운동과 함께 더욱더 음수로 된다는 것이 명백하다.
공작물(50)의 회전축(즉, 도 14에 도시된 대로 이송 방향(VR)에서)에 평행하게 축방향 이송운동이 수행되기 전에, 제너레이터 라인(82)이 공작물(50) 재료의 밖에 놓이도록 상기 2 개의 부분 운동(
Figure pat00035
1,
Figure pat00036
2)이 공작물(50)에 대하여 수행된다는 것이 중요하다. 추가로, 스카이빙 공구와 공작물(50) 사이의 제1 접촉은 경사각이 대략 0도로 하여 이루어지도록 제1 부분 운동(
Figure pat00037
1)이 향하도록 하여야 한다. 상기 제1 접촉의 시점에 축방향 운동성분이 너무 클 때, 이 조건은 상황에 따라 충족되지 않을 수도 있고, 상응하는 절삭날의 갑작스런 강한 충격하중이 생길 수도 있다.
본 발명에 따르면, 결과 벡터(
Figure pat00038
)와 회전축(R2)에서의 법선 사이의 유효 경사각(ρ)은 항상 예각이다.
모든 실시예에서, 상기 제1 접촉 순간에 상기 유효 경사각(ρ)의 절대값은 바람직하게는 0도 내지 30도이다.
바람직하게는, 모든 실시예에서, 상기 제1 접촉 순간에 상기 유효 경사각(ρ)의 절대값은 0도 내지 5도이다.
처음에 이미 설명한 바와 같이, 제1 회전축(R1) 주위로 스카이빙 공구(100)의 회전운동과, 제2 회전축(R2) 주위로 공작물(50, 70)의 회전운동의 결합된 회전운동과, 공작물(50, 70)에 대한 스카이빙 공구(100)의 직선 축운동의 중첩은, 도 11a, 도 11b, 도 12a, 및 도 12b에 보인 바와 같이, 절삭날(111)의 궤적점의 전체 기록에서 일종의 오목통이나 상자와 같은 형태를 나타낸다. 이러한 도면에서 상응하는 오목통은 도면부호 80으로 나타내었다.
상기 오목통(80)은 공작물의 간격(52)에 절삭날(111)의 결합을 위한 공작물(50 또는 70)의 간격(52)에 위치한 절삭 이빨(110)의 절삭날의 전체 궤적점으로부터 발생된다. 추가의 절삭 이빨(110)(이는 상기 스카이빙 공구(100)와 동일한 또는 다른 절삭 이빨(110)일 수 있다)의 연속되는 결합은 또한 오목통(80)을 생성하고, 이 오목통(80)은 상기 간격(52)에서 축방향 이송과 이와 다른 이송으로 인해 오프셋되어 있다. 상기 오목통(80)은 스카이빙 동안에 공작물(50)의 재료를 통해 단계적으로 (적어도 실질적으로) 진행해 나간다. 라인(82)는 2 개의 오목통이 서로에 대해 중첩되는 것을 한정하고, 오목통들은 절삭 공구의 직접적으로 이어지는 2개의 결합 사이의 이송에 의해 그 위치가 달라진다. 즉, 상기 라인(82)은 두 오목통의 교차 곡선을 특징짓는다. 극히 작은 축방향 이송에 대해, 이 교차 곡선은 이른바 발생기 라인에 상응하게 된다. 전체 이빨 간격(52)은 그런 발생기 라인들의 배치로서 생각할 수 있고, 상기 발생기 라인들은 공작물(50) 재료 통해 절삭 방향으로 진행한다.
상기 오목통(80)의 형태나 크기는 본 발명에 따라 방사방향의 인피드 동안에 변하게 디는데, 이는 상기 절삭 이빨(110)과 절삭날의 상대적인 궤적이 축으로부터 거리에 따라 변하기 때문이다. 이러한 점은 도 11a, 도 11b, 도 12a, 도 12b, 도 13a, 및 도 13b에서 무시되어 있다. 보다 명확히 하기 위하여, 본 발명에 따른 인피드법에서 오목통은 도면부호 80*으로 나타내었다. 종래의 축방향 인피드에서, 도 10에 보인 바와 같이, 오목통(11)은 사실상 항상 동일하다.
방사방향 인피드 동안에, 상기 오목통(80*)은 이 오목통 선단부의 바닥에 대해서, 공작물(50) 쪽으로 주로 방사방향운동으로 안내되는데, 바람직하게는 오목통(80*) 선단부의 가장 깊은 지점(TP)으로부터 안내된다. 상기 배치(제1 부분 운동(
Figure pat00039
1)과 이어지는 인피드인 제2 부분 운동(
Figure pat00040
2))의 이러한 신규의 형태에 의해, 스카이빙 공구(100)의 절삭날이, -15도 내지 -30도의 명확히 음의 경사각으로 또는 심지어 -30도 이상의 범위의 큰 음의 경사각으로 공작물(50)의 재료 안으로 파고 들어가는 것이 회피된다. 본 발명에 따라 회피되는 오목통(80*)의 상기 경사 범위는, 굵은 곡선(81)으로 도 11a, 도 11b, 도 12a, 도 12a에 간략하고 요약화하여 표시되어 있다. 실제로, 상기 오목통(80*)은 본 발명의 인피드 동안에 공작물(50)의 재료 속으로 깊숙이 미끄러져 들어가 상기 곡선(81)의 관련 부분은 더욱더 증대되어 전체 인피드 깊이에 이르도록 된다. 종래의 축방향 인피드에서는, 상기 곡선(81)의 해당부분은 오목통 경계부(83)로부터 시작하여 증가하는 반면에, 본 발명에 따른 방사형 인피드 동안에는 상기 곡선(81)은 오목통으 경계부(83)의 방향으로 오목통(오목통(80*)의 가장 깊은 부분에서)의 바닥으로부터 시작하여 증대된다.
본 발명에 따르면, 이빨 간격(52)을 완전히 형성하기 위하여, 도 11a에 보인 바와 같이, 공작물(50)에 축방향이 아니라 방사방향으로 이빨 시스템의 이빨 폭을 따라 결정가능한 인피드 위치(EP)에서 인피드하는 것으로 충분하다. 상기 인피드 위치(EP)는 바람직하게는 제너레이터 라인(82)의 위치로부터 결정되는데, 상기 제너레이터 라인(82)은 도 11a, 도 11b, 도 12a, 도 12a 및 도 14에 선으로 표시되어 있다. 도 11b에서는, 최초 접촉 순간에 오목통(80*)의 가장 깊은 지점(TP)이 공작물(50 또는 70) 재료의 약간 바깥쪽에 놓인다. 이 때, 오목통(80*)의 가장 깊은 지점(TP)은 공작물(50 또는 70)의 전면(54)의 바로 앞에 놓인다.
본 발명에 따르면, 종래의 스카이빙 방법에 비해 분명히 더 유리한 칩 절삭 조건으로 제1 칩의 제거가 이루어진다.
상기 스카이빙은 복잡한 공정인데, 이 공정동안 스키이빙 공구(100)의 절삭날에서 절삭 조건은 오목통(80)을 기초로 나타낸 것처럼 항상 변하게 된다. 본 발명에 따르면, 상대적인 운동 시퀀스는 최적화되어, 최초 접촉 동안 그리고 (플런징이라 불리는) 인피드의 초기 국면에 오목통(80)의 부분(81)이 가능한 많이 될 수 있게 된다.
한편으로는, 기술한 대로, 적절한 제1 부분 운동(
Figure pat00041
1)에 의하여 분명히 방사방향으로 놓이는 점에서, 상기 오목통(80)의 상기 부분(81)의 회피가 공작물(50)과 스카이빙 공구(100)의 최초 접촉 동안에 적용되게 된다.
다른 한편으로는, 상기 인피드 동안 상기 이빨 간격(52)의 전체 깊이로 들어가는 동안, 스카이빙 공구의 절삭날이 음의 경사각으로 공작물(50)의 재료 속으로 들어가지 않도록 주의가 필요하다. 이런 이유로, 제2 부분 운동(
Figure pat00042
2)도 사정에 따라 선택되고, 제너레이터 라인(82)이 형성될 상기 간격(52)의 바로 바깥에 놓이는 (도 11b와 유사하게) 중간 위치가 플런징의 단부에서 얻어지도록 상기 제2 부분 운동(
Figure pat00043
2)이 수행된다.
공작기계의 CNC-제어 운동의 결정을 위해 바람직하게는, 2 개의 부분 운동(
Figure pat00044
1,
Figure pat00045
2)의 실행 동안에 불리한 칩 절삭 조건을 회피하기 위하여, 그리고 상기 간격(52)의 적절한 스카이빙이 시작되기 전에 상기 중간 위치에 도달하기 위하여, 정확한 계산이 수행되게 된다.
도 14는 공작물(50) 부분을 상면도로 나타낸 것으로, 이때 이빨 간격(52)이 이동하는(proceeding) 동안에서의 오목통(trough)(80)의 위치가 매우 개략적인 형태로 도시되어 있다. 즉, 도 14는 수정된 인피드식(infeed) 방법에 따르는 적당한 스카이빙을 나타낸다. 도 14를 기초로 하면, 이송 방향(VR), 절삭 방향(SR), 절삭 공구(111)의 위치 및 절삭면(53)의 개략적인 형태를 알 수 있다. 이송 방향(VR)은 상기 간격의 방향으로 연장되고 이것은 그에 결합된 공작물(50)의 축방향(axial) 이송과 이와 다른(differential) 이송으로 구성된다. 절삭 방향(SR)은 이송 방향(VR)과 예각을 형성한다. 오목통(80)에서 라인(82)은 이미 설명된 바와 같이 제1 절삭 궤적 부분을 제2 절삭 궤적 부분으로부터 분리한다. 즉, 이러한 라인(82)은 초반에 언급되었던 제너레이터(generator) 라인에 해당한다. 도 14를 기초로 하면, 생성될 상기 간격(52)을 통하여 절삭 공구(111)의 공구 절삭날이 이동하는 동안에 앞서 설명된 오목통 형태의 표면(80)을 가공하고, 이때 인입(setting-in) 및 투입(plunging) 동안에 본 발명에 따른 칩 형성이 시작되고 처음에는 어떠한 음의 릴리프 각도 발생하지 않거나 약간의 음의 릴리프 각이 발생하고 절삭 공구(111)에서 투입이 진행되고 있는 동안에는 어떠한 명확한 또는 강한 음의 릴리프 각도 발생하지 않도록 오목통 지점으로 발생하는 것을 알 수 있다.
도 15는 스카이빙하는 동안의 공작물(50) 부분을 나타내는 것으로, 이때 절삭 이빨을 포함하는 바아 커터(112)가 이빨 간격(52)을 통하여 어떻게 안내되는지를 볼 수 있다. 도 15에 도시된 스카이빙 도구(100)(바아 커터 스카이빙 휠(100)이라고 함)는 복수의 바아 커터(120)를 장착하기 위한 베이스 바디부를 포함한다. 그러나, 단 하나의 바아 커터(120)만이 여기에 도시되어 있다.
도 16은 본 발명에 따른 스카이빙 동안에 바아 커터 스카이빙 휠(100)을 사용하여 내부 이빨 시스템을 갖게 되는 원통형 공작물(70)의 사시도를 나타낸다. 도 16에서, 단지 바아 커터(120)만이 도시되어 있다. 바아 커터(120)가 지지되는 베이스 바디부는 도시되어 있지 않다. 여기서, 바아 커터(120)는 미도시된 베이스 바디부에 원뿔형 성상(constellation)으로 배열된다.
도 17은 본 발명에 따른 스카이빙 동안에 스카이빙 휠로서 매시브(massive) 공구(100)를 사용하여 내부 이빨 시스템을 갖게 되는 다른 원통형 공작물(70)의 사시도를 나타낸다. 스카이빙 휠(100)은 도시된 바와 같이 복수의 절삭 이빨(111)을 갖는다. 스카이빙 휠(100)은 바람직하게는 일체로 형성되는 것으로, 즉 절삭 이빨(111)은 디스크 형태의 베이스 바디부의 고정된 구성요소이다.
다음 단락에서는, 본 발명에 따른 스카이빙에 대한 자세한 설명들이 제공된다.
원칙적으로, 스카이빙 공구(100)와 공작물(50, 70) 사이의 상대적인 운동은 헬리컬 기어 전달(transmission)에 해당하는 것으로, 또한 발전(generation) 헬리컬 기어 타입의 전달이라고도 불린다. 헬리컬 기어 전달은 공간적인(spatial) 기어 전달에 관한 것이다.
그러므로, 스카이빙 프로세스의 기본 설계는 기어 전달 설계의 경우에서와 같이 소위 계산점(AP)(예를 들어, 도 2b 참조)에서 일어난다. 용어 기본 설계는 여기서 스카이빙 공구(100)의 기하학적 기본 규격 예를 들어 직경 및 경사각의 정의(기본적인 공구의 기하학)와 스카이빙 공구(100) 및 공작물(50, 70) 각각의 공간적 배열과 이동의 정의(운동학)를 의미하는 것으로 이해된다.
계산점(AP)에서, 기하학적 및 운동학적 결합 조건은 가능한 한 최적으로 설계된다. 결합 조건은 계산점(AP)으로부터 거리가 증가함에 따라 달라진다. 이러한 측면에서, 또한 결합 조건이 절삭날이 움직이는 동안에도 연속적으로 변화한다는 점에서, 스카이빙은 매우 복잡한 방법을 나타낸다. 그러나, 변화하는 결합 조건은 계산점(AP)에서의 결합 조건을 통하여 의도적으로 영향을 받게 될 수 있다.
그러므로, 계산점(AP)에서의 결합 조건의 올바른 설계는 스카이빙 프로세스 설계에서 극히 중요한 의미를 갖는다.
축 배열에 관한 용어:
축들의 배열을 정의하기 위해 필요한 몇 개의 용어들이 있다. 이러한 용어들은 다음의 표 1에서 설명된다.
조인트 직선부(plumb) 스카이빙 프로세스는 공간상에서 교차하는 공작물(50, 70) 및 스카이빙 공구(100)의 회전축(R2, R1)을 특징으로 한다. 교차하고 있는 두 개의 회전축(R2, R1)을 위한 조인트 직선부(GL)를 특유의 방법으로 명시하는 것이 가능하다(예를 들어, 도 5 참조).
축 교차의 투영도,
축의 교차점		 조인트 직선부 벡터의 방향으로의 조인트 직선부(GL)를 따른 공작물(50, 70) 및 스카이빙 공구(100)의 도면을 축 교차의 투영도라고 한다(예를 들어 도 4a 및 도 6a 참조).
축 교차의 투영도에서, 투영된 회전축(R1, R2)은 투영도에서 지점으로 축소되는 조인트 직선부(GL)에 해당하는 축의 교차점(AK)에서 교차한다.
축의 교차각 축의 교차각(∑)은, 절대값에 대하여, 두 개의 회전축(R1, R2)에 의해 형성되는(enclosed) 더 작은 각도이다. 이것은 축 교차의 투영도에서 볼 수 있다. 본 발명과 관련하여, 다음의 조건이 유지된다:
-90˚＜∑＜90˚, ∑≠0˚.
축의 교차각(∑)은 부호가 붙는다. 부호는 축 교차의 투영도에서 일반성의 제한없이 다음과 같이 정의된다: 외부 이빨 시스템의 경우, 투영된 회전축(R1)이 투영된 회전축(R2)에 대하여 축의 교차점(AK)을 중심으로 |∑|정도 수리적으로 양으로 회전된다면, 축의 교차각(∑)은 양이다. 내부 이빨 시스템의 경우, 투영된 회전축(R1)이 투영된 회전축(R2)에 대하여 축의 교차점(AK)을 중심으로 |∑|정도 수리적으로 음으로 회전된다면, 축의 교차각(Σ)은 양이다.
스카이빙 공구와 공작물 사이의 접촉에 관한 용어:
스카이빙 공구(100)와 공작물(50, 70) 사이의 접촉을 설명하기 위해 필요한 복수의 용어들이 있다. 이러한 용어를은 다음 표 2에서 설명된다.
롤링 서클 공작물(50, 70)과 스카이빙 공구(100)의 롤링 서클은 계산점(AP)에서 서로 접촉하고, 따라서 계산점은 또한 접촉점(BP)라고도 불린다.
공작물(50, 70)의 롤링 서클(또한, 공작물 롤링 서클이라고도 함)은 공작물(50, 70)의 회전축(R2)에 대해 수직한 평면에 놓인다. 롤링 서클의 중심은 공작물(50, 70)의 회전축(R2)상에 놓인다. 공작물의 롤링 서클의 직경은 dW2이다.
스카이빙 공구(100)의 롤링 서클(또한, 공구 롤링 서클이라고도 함)은 스카이빙 공구(100)의 회전축(R1)에 대해 수직한 평면에 놓인다. 롤링 서클의 중심(W1)은 스카이빙 공구(100)의 회전축(R1)상에 놓인다. 공구 롤링 서클의 직경은 dW1이다.
기준 평면 공구 기준 평면은 공구 롤링 서클이 놓여 있는 평면이다.
칩측 절반부(chip half space),
절삭날측 절반부(cutting edge half space)		 공구 기준 평면은 3차원 공간을 두 개의 절반부로 나눈다. 칩측 절반부는 스카이빙 공구(100)의 커터 부재의 밖을 향하는 절삭면에 대한 법선이 향하는 절반부이다. 나머지 절반은 절삭날측 절반부라고 한다. 즉, 스카이빙 공구(100)의 절삭날은 절삭날측 절반부로 필수적으로 연장되되, 또한 이것은 칩측 절반부로 연장될 수 있는 것으로, 이때 절삭면은 칩측 절반부를 향해 회전된다.
속도 벡터 계산점(AP)에서, R2에 대한 공작물의 회전으로부터 발생하는 각각의 공작물 지점의 속도 벡터(
Figure pat00046
)가 명시될 수 있다. 이것은 공작물 롤링 서클에 접선으로 공작물 기준 평면에 놓인다. 절대값은 부호가 붙은 공작물의 회전 속도(n2)에 따라
Figure pat00047
이다.
계산점에서, 또한 R1에 대한 공작물의 회전으로부터 발생하는 각각의 공작물 지점의 속도 벡터(
Figure pat00048
)가 명시될 수 있다. 이것은 공구 롤링 서클에 접선으로 공구 기준 평면에 놓인다. 절대값은 부호가 붙은 공구의 회전 속도(n1)에 따라
Figure pat00049
이다.
접촉 반경 벡터 계산점(AP)으로부터, 공작물(50, 60, 70)의 회전축(R2)상으로의 수직선이 그려질 수 있다. 수직선의 각각의 최하부는 공작물 기준 평면과 공작물 회전축(R2) 사이의 교차점에 해당한다. 공작물(50, 60, 70)의 접촉 반경 벡터(
Figure pat00050
)는, 내부 이빨 시스템의 경우에는, 수직선의 최하부로부터 계산점(AP)으로의 벡터이고, 회부 이빨 시스템의 경우에는, 계산점(AP)으로부터 수직선의 최하부로의 벡터이다. 이것의 길이는 |dW2|/2이다.
계산점(AP)으로부터, 스카이빙 공구(100)의 회전축(R1)으로의 수직선이 그려질 수 있다. 수직선의 관련된 최하부는 공구 기준 평면과 공구 회전축(R1) 사이의 교차점에 해당한다. 수직선의 최하부로부터 계산점(AP)로의 벡터는 공구(100)의 접촉 반경 벡터(
Figure pat00051
)라고 한다. 이것의 길이는 dW1/2이다.
접촉 평면 두 개의 속도 벡터(
Figure pat00052
,
Figure pat00053
)는 소위 접촉 평면에 놓여 있다. 공작물(50, 70) 및 스카이빙 공구(100)의 롤링 서클은 이러한 접촉 평면에서, 즉 계산점(AP)에서 서로 접촉한다. 또한, 이러한 접촉 평면에서, 공작물(50, 70)의 이빨 시스템의 이론상의 롤링 표면과 스카이빙 공구(100)의 롤링 서클이 설계에 따라 이러한 접촉 평면에서 서로 접촉한다. 보다 구체적으로, 접촉 평면은 공작물(50, 70)의 이빨 시스템의 상기 롤링 표면에 접하는 것으로, 즉 계산점(AP)에 있다.
피치 표면, 기준 피치 표면 이빨 시스템의 피치 표면은 또한 기준 피치 표면이라고도 한다. 이것은 계산점(AP)을 통하여 이어지는(run) 것으로, 공작물(50, 70)의 회전축(R2)에 대하여 회전 대칭형(rotational-symmetric)이고 이빨 시스템의 기본적인 기하학적 구조 부분을 반영한다. 공작물의 롤링 서클은 공작물(50, 70)의 이빨 시스템의 피치 표면의 일부분이다. 여기서 상세하게 설명되고 도면에 도시된 원통형 이빨 시스템의 경우에는 피치 표면은 원통면이고, 원뿔형 이빨 시스템의 경우에는 원뿔면이며, 평면 이빨 시스템의 경우에는 평면이고, 일반적인 특별한 이빨 시스템 예를 들어 하이포이드(hypoid) 기어의 경우에는 쌍곡면(hyperboloid)이다. 원통형 이빨 시스템에 대하여 다음에서 제공되는 설명들은 다른 이빨 시스템에 부합하도록 전달될 수 있다.
접촉 평면의 법선 접촉 평면의 법선(
Figure pat00054
)은, 계산점(AP)에서 고정되고, 공작물(50, 70)의 이빨 시스템으로, 즉 이빨 시스템의 최상부로부터 최하부로 향하는 접촉 평면의 법선 벡터이다. 즉, 공작물(50, 70)상의 외부 이빨 시스템의 경우에, 접촉 평면 법선(
Figure pat00055
)은 공작물(50, 70)의 회전축(R2)으로 향하고, 한편 내부 이빨 시스템의 경우에는 평면 법선은 회전축으로부터 먼 쪽을 향한다.
원통형 이빨 시스템의 경우, 접촉 평면 법선은 공작물(50, 70)의 접촉 반경 벡터(
Figure pat00056
)와 동일한 방향으로 향하는 것으로, 즉
Figure pat00057
과
Figure pat00058
는 단지 그들의 길이가 다르다.
접촉 평면의 투영도 공작물(50, 60, 70)의 접촉 반경 벡터(
Figure pat00059
)의 방향으로의 공작물(50, 70) 및 스카이빙 공구(100)의 도면을 접촉 평면의 투영도라고 한다.
투영된 회전축(R1, R2)은 접촉 평면의 투영도에서 계산점(AP)과 접촉점(BP) 각각에서 서로 교차한다.
축의 유효 교차각 축의 유효 교차각(∑eff)은
Figure pat00060
을 따르는 두 개의 속도 벡터(
Figure pat00061
,
Figure pat00062
)에 의해 둘라싸지는 각도이다. 본 발명에 따르면, 다음의 조건이 유지된다:
-90°＜∑eff＜90°, ∑eff≠0°
축의 유효 교차각(∑eff)은 축의 교차각(∑)과 같이 부호가 붙는다. 부호는 일반성의 제한없이 다음과 같이 정의된다: 외부 이빨 시스템의 경우에, 속도 벡터(
Figure pat00063
,
Figure pat00064
)와 접촉 평면 법선(
Figure pat00065
)이 연속하여 오른쪽 삼면체(trihedron)를 형성한다면, 축의 유효 교차각(∑eff)은 양이다. 내부 이빨 시스템의 경우에는, 속도 벡터(
Figure pat00066
,
Figure pat00067
)와 접촉 평면 법선(
Figure pat00068
)이 연속하여 왼쪽 삼면체를 형성한다면, 이것은 양이다.
비평면 이빨 시스템의 경우에는, 축의 유효 교차각(∑eff)은 접촉 평면에 대하여 축의 교차각(∑)을 수직으로 투영한 것, 즉 접촉 평면의 투영도에서의 축의 교차각(∑)에 해당한다.
경사각 경사각(δ)은 공구 기준 평면의, 즉 접촉 평면에 대한 스카이빙 공구(100)의 경사(또는, 기울기)를 나타낸다. 이것은 스카이빙 공구(100)의 접촉 반경 벡터(
Figure pat00069
)와
Figure pat00070
을 따르는 접촉 평면 수직선(
Figure pat00071
)에 의해 형성되는 각도로서, 이때 -90°≤δ≤90°이다.
경사각(δ)은 스카이빙 공구(100)의 회전축(R1)과 접촉 평면 사이의 교차각(절대값에 대해 더 작은 각도)과 일치한다.
공구 기준 평면이 접촉 평면에 수직하고 이에 따라 공구 회전축(R1)이 접촉 평면에 평행하게 계속된다면, 경사각(δ)은 0°이다.
경사각(δ)을 부호를 갖는다. 스카이빙 공구(100)의 회전축(R1)이 칩측 절삭 절반부에서 접촉 평면에 교차한다면, 경사각(δ)은 양이다. 스카이빙 공구(100)의 회전축(R1)이 절삭날측 절반부에서 접촉 평면에 교차한다면, 경사각(δ)은 음이다.
다른 투영도들:
본 발명을 도시하기 위해 사용되는 다른 투영도들이 있다. 이에 따른 투영도들이 다음의 표 3에서 설명된다.
축 교차의 측면 투영도 축 교차의 벡터의 측면 투영도(예를 들어, 도 4b 및 7a 참조)는 조인트 직선부(GL)와 공작물(50, 70)의 회전축(R2)에 수직한 특정 벡터로서, 이것은 접촉하는 공작물 지점의 속도 벡터(
Figure pat00072
)와 함께 예각을 형성한다. 이때, 이러한 축 교차의 벡터의 투영도의 방향에서의 공작물(50, 70)과 스카이빙 공구(100)의 도면을 각도 교차의 측면 투영도라고 한다.
각도 교차의 측면 투영도에서, 투영된 회전축(R1, R2)은 서로에 대해 평행하게 진행된다.
접촉 평면의 측면 투영도 접촉하는 공작물 지점의 속도 벡터(
Figure pat00073
)의 방향으로의 공작물(50, 70)과 스카이빙 공구(100)의 도면을 접촉 평면의 측면 투영도라고 한다(예를 들어, 도 4b, 6b 및 7b 참조).
다음의 방정식 [1]은 비평면 이빨 시스템을 위한 회전축(R1, R2)의 특별한 배열을 설명하는 각들 사이의 관계를 제공하고 따라서 각각의 규격의 전환(conversion)을 위해 중요하다.
cos(∑)=cos(∑eff)?cos(δ) [1]
이러한 일반화된 성상 배열에서, 축의 교차각(∑)은 축의 유효 교차각(∑eff)과 경사각(δ)으로 분해되고, 이때 축의 유효 교차각(∑eff)은 회전하는 스카이빙 공구(100)와 회전하는 공작물(50, 70) 사이의 상대적인 절삭 움직임의 발생을 결정하는 규격이다. 평면 이빨 시스템의 경우에, 축의 유효 교차각(∑eff)과 경사각(δ)은 잘 정의되지만, 관계식 [1]은 유지되지 못한다.
본 발명에 따르면, 경사각(δ)은 0도와 다른 절대적인 양으로, 즉 공구 기준 평면의 기울기 다시말해 접촉 평면(두 개의 속도 벡터(
Figure pat00074
,
Figure pat00075
)에 의해 형성됨)에 대한 스카이빙 공구(100)의 기울기가 음 또는 양인 것으로 설명될 수 있다. 즉, 본 발명과 관련하여, 공작물(50, 70)을 향한 또는 그로부터 먼쪽으로의 스카이빙 공구(100)의 경사(또는 기울기)를 말한다. 다만, 상기의 향한 경사나 먼쪽으로의 경사는 선택 사항이다.
바람직하게는, 모든 실시예들에서, 축의 유효 교차각(∑eff)은 다음과 같은 범위 내에 있다: -60°≤∑eff＜0 및 0＜∑eff≤60°.
본 발명에 따르면, 공작물(50, 70)의 스카이빙과 관련하여 이용되는 소위 개량된 인피드법이 관련이 있는데, 이에 의하면 이러한 스카이빙시 회전 대칭형의 규칙적인 구조물, 예를 들어 외부 또는 내부 이빨 시스템은 스카이빙 공구(100)의 적용하에서 공작물(50, 70)상에서 제작될 것이다. 도 11, 12a 및 12b에 도시된 바와 같이, 개량된 인피드법은 특히 다음의 단계들이 동시에 그리고 통합된(coordinated) 방식으로 수행된다는 점에서 특징이 있다:
- 제1 회전축(R1)에 대해 스카이빙 공구(100)를 회전시키고 제2 회전축(R2)에 대해 공작물(50, 70)을 연결하여(coupledly) 회전시키는 단계,
- 공작물(50, 70)의 방향으로 방사상의 제1 이동 성분(A1)을 가진 스카이빙 공구(100)를 인입시키는(setting-in) 단계 및
- 공작물(50, 70)의 방향으로 바람직하게는 전체 깊이만큼 하방으로 방사상의 제2 이동 성분(A2)을 가진 스카이빙 공구(100)를 인피딩하는 단계, 이때 적어도 인피딩하는 동안 제1 회전축(R1)은 제2 회전축(R2)에 대하여 비스듬히 연장되는 것으로 두 개의 회전축(R1, R2)은 서로에 대하여 비스듬히 정렬됨.
다음, 이송 방향(VR)으로의 회전하는 스카이빙 공구(100)의 상대적인 이송 운동의 실행이 회전하는 공작물(50, 70)에 대한 전체 깊이의 도달로부터의 시작에 뒤따르는데, 이때 또한 스카이빙 동안에 제1 회전축(R1)은 제2 회전축(R2)에 대하여 비스듬히 연장되는 것으로 두 개의 회전축(R1, R2)은 서로에 대하여 비스듬히 정렬된다.
바람직하게는, 적어도 인피딩하는 동안에, 음 또는 양의 경사각(δ)이 형성된다.
본 발명에 따르면, 모든 실시예들에서, 스카이빙 공구(100)는 예를 들어 도 15, 16 및 17에 도시된 바와 같이 외측으로 돌출된 절삭 이빨(111)의 형태로 형성된 절삭날을 갖는다. 절삭 이빨(111)의 절삭면은 점점 가늘어지는 스카이빙 공구(100)의 전방면에 대하여 실질적으로 형성된다.
본 발명에 따르면, 모든 실시예들에서, 스카이빙 공구(100)는 제너레이팅 커터, 바람직하게는 디스크 타입의 제너레이팅 커터, 생크(shank) 타입의 제너레이팅 커터 또는 깊은 카운터보어(counterbore) 타입의 제너레이팅 커터의 형태(예를 들어, DIN 3972 혹은 DIN 5480에 따름)를 갖는다. 모든 실시예들에서, 어댑터 부재가 스카이빙 공구(100)와 적당한 공구 스핀들(170) 사이에 배열될 수 있는데, 이것은 도 18에서 볼 수 있다.
바람직하게는, 모든 실시예들에서, 스카이빙 공구(100)는 충돌 외형부(collision contour)를 가진 원통형 셸(shell) 형태 또는 베이스 형태를 갖는데, 이것은 스카이빙 공구(100)와 공작물(50, 70) 사이의 출동을 피하기 위하여 설계된 것이다.
도 17에서, 제너레이팅 커터의 형태를 가진 스카이빙 공구(100)가 도시되어 있다. 여기서, 매시브 공구가 관련되어 있는데, 그 안에서 절삭 이빨(111)은 스카이빙 공구(100)의 일부분이다. 이때, 스카이빙 공구(100)는 25개의 절삭 이빨(111)을 갖는데, 도 17에서 그들 중 하나에 도면부호가 제공된다. 스카이빙 공구(100)의 베이스 바디부는 끝이 잘린(truncated) 원뿔형 디스크 또는 끝이 잘린 원뿔형 플레이트 형태를 갖는다.
바람직한 릴리프 각의 지정으로부터 발생되는 운동학적 측면들과 조건들 외에, 또한 공작물(50, 70)의 견고성(consistency)도 중요한 역할을 한다. 최하부 원의 직경보다 큰 직경을 갖는 부분이 이빨 시스템 또는 규칙적인 구조물을 따르고, 따라서 이빨 시스템 또는 다른 규칙적인 구조물의 제조에서 단지 낮은 인피딩 또는 초과를 허용하는 공작물(50, 70)이 항상 있다. 여기서, 본 발명에 따른 방법이 특히 바람직하게 적용될 수 있는데, 이는 도 11에 따른 방사상의 인피딩에서 인피딩 부분에서의 더 작은 공간이 축방향(axial) 인입 또는 국제공개특허 제2010/060733 A1호에 따른 중첩(superimposed) 인입에서 요구되기 때문이다. 유사하게, 본 발명은 단지 낮은 초과를 허용하는 공작물에 적용될 수 있다. 이러한 경우에, 스카이빙 공구(100)는 이빨 간격의 최종 형태의 도달 후에 바로 방사상으로 후퇴된다.
본 발명에 따른 인입, 인피딩 및 후속의 스카이빙을 위해 설계되는 머신(200)은 축(R1, R2)의 결합(coupling)과 축 이동의 조정(coordination)을 가능케 하는 CNC 제어 유닛(201)을 포함한다. CNC 제어 유닛(201)은 상기 머신(200)의 일부일 수 있거나 외부에서 실행될 수 있고 머신(200)에 대한 통신 (communication-specific) 연결(202)을 위해 설계될 수 있다. 이에 따른 머신(200)은 내부 이빨이 형성된 전원이 스카이브된 공작물(70)에 대하여 스카이빙 공구(100)의 상대적인 이동을 수행하기 위하여 소위 "전자식 기어열(electronic gear train)"과 "축의 전자식 또는 제어적(control-specific) 결합"을 포함한다. 스카이빙 공구(100)와 공작물(70)의 연결된 이동은 제조 단계 동안에 헬리컬 기어 전달의 상대적인 이동에 해당하는 스카이빙 공구(100)와 공작물(70) 사이의 상대적인 이동이 발생하도록 수행된다. 전자식 기어열과 축의 전자식 또는 제어 특정의 결합은 머신(200)의 적어도 두 개의 축의 회전 속도의 동기화를 위해 제공한다. 여기서, 적어도 공구 스핀들(170)의 회전축(R1)은 공작물 스핀들(180)의 회전축(R2)과 연결된다. 또한, 바람직하게는 모든 실시예들에서, 공작물 스핀들(170)의 회전축(R2)은 R2 방향으로의 축방향 이송과 연결된다. 선형 이송부(203)의 수직의 선형 이동은 도 18에서 양방향(double) 화살표(204)에 의해 표시된다. 또한, 플레이트(205)와 함께 공작물 스핀들(180)은 양방향 화살표(206)에 의해 표시된 바와 같이 선회축(SA)에 평행하게 선형으로 이동될 수 있다. 축방향 이송은 회전축(R2)에 평행하게 일어나고 선형 이송부(203)에 의해 발생되는 수직의 이동 성분(204)과 선행 이동(208)에 의해 발생되는 수평의 이동 성분으로 구성된다. 또한, 공작물 스핀들(180) 및 공작물(170)과 함께 플레이트(205)는 양방향 화살표(207)에 의해 표시된 바와 같이 선회축(SA)에 대해 회전될 수 있다.
바람직하게는, 도 18에 도시된 바와 같이 수직 배열에 기초를 둔 기계(200)가 이용된다. 이러한 수직 배열에서, 공작물 스핀들(170)과 스카이빙 공구(100)는 공작물 스핀들(180)과 공작물(50, 70) 위에 놓이거나, 또는 그 반대로 놓인다. 인피딩과 스카이빙 동안에 발생되는 칩은 중력의 작용으로 인해 하방으로 떨어지고 예를 들어 도시되지 않은 칩 보드 위에서 제거될 수 있다.
또한, 본 발명에 따라 수정된 인입과 인피딩을 위해 설계된 머신(200)이 정확한 복잡한 기하학적 및 운동학적 기계 세팅과 상기 축의 축 이동을 위해 제공된다. 바람직하게는, 모든 실시예들에서, 머신은 6개의 축을 갖는다. 이러한 축들 중 5개는 이미 설명되었다. 6번째 축으로서, 공작물(50, 70)에 대한 스카이빙 공구(100)의 선형의 상대적인 이동을 가능케 하는 축이 고려될 수 있다. 이러한 선형의 상대적인 이동은 도 18에서 양방향 화살표(208)에 의해 표시된다.
모든 실시예들에서, 개량된 인피드법은 건식(dry) 또는 습식(wet)으로 적용될 수 있는데, 이때 건식 스카이빙과 관련하여 개량된 인피드법의 사용이 바람직하다.
수정된 인피딩의 적용의 범위는 크고 가장 다른 회전 대칭형 규칙적인 구조물의 제조에서의 적용으로 확장된다.
1 성형공구
2 공작물
4 이빨 헤드
5 이빨 측면
6 절삭 이빨
6.1 절삭날
7 공작물(8)의 이빨 홈
8 공작물
9 부분
10 스카이빙 공구
11 오목통
12 제너레이터 라인
13 임계적인 부분
20 (스카이브된) 공작물
21 이빨
22 이빨 간격
23 전면
50 (스카이브된) 공작물
51 이빨
52 이빨 간격
53 칩
54 전면
70 (안쪽 이빨을 갖는, 스카이브된) 공작물
80* 오목통
81 임계적인 부분
82 제너레이터 라인
83 오목통 경계부
100 스카이빙 공구
111 절삭 이빨
120 바아 커터
170 공구 스핀들
180 공작물 스핀들
200 머신
201 CNC 제어 유닛
202 통신 연결
203 선형 이송부
204 수직의 이동 성분
205 플레이트
206 선형 공급
207 회전 운동
αKi 헤드 커터의 릴리프 각
αKO 구조적인 릴리프 각
A 방사방향 인피드
Figure pat00076
방사방향 인피드 벡터
Figure pat00077
1 제1 부분 운동(인입 운동)
Figure pat00078
2 제2 부분 운동(플런징 또는 인피드 운동)
AK 축의 교차점
AP 계산점
BP 접촉점
β1 공구의 경사각(나선각)
β2 공작물의 경사각(나선각)
δ 경사각
dW2 공작물의 롤링 서클의 직경
EP 인피드 위치
Figure pat00079
접촉 평면의 법선
n1 공구의 회전 속도
n2 공작물의 회전 속도
N1 법선
R1 공구의 회전축(공구축)
Figure pat00080
공구(10)의 접촉 반경 벡터
R2 공작물의 회전축(공작물축)
Figure pat00081
공작물(50, 70)의 접촉 반경 벡터
ρ 경사각(예각)
SA 선회축
shx 왕복운동
sax 축방향 이송
sD 다른 이송(차동 이송)
srad 반경방향 이송
SR 절삭 방향
∑eff 축의 유효 교차각
∑ 축의 교차각
TP 가장 깊은 지점
Figure pat00082
절삭속도의 절대값
Figure pat00083
절삭속도의 절대값
Figure pat00084
속도 벡터의 절대값
Figure pat00085
스카이빙 공구의 속도 벡터
Figure pat00086
공작물의 속도 벡터의 절대값
Figure pat00087
공작물의 속도 벡터
VR 공급 속도
ω1 축(R1)에 대한 회전
ω2 축(R2)에 대한 회전
ZB 축방향 인피드

Claims (15)

  1. 스카이빙 공구(100)의 적용과 더불어 회전 대칭의 규칙적인 구조를 갖는 공작물(50; 70)의 스카이빙을 위한 방법으로서, 실제 스카이빙 전에 수행되는 다음과 같은 단계:
    - 제1 회전축(R1)에 관해 스카이빙 공구(100)를 회전시키는 단계,
    - 제2 회전축(R2)에 관해 공작물(50; 70)의 결합 회전을 수행하는 단계
    - 스카이빙 공구(100)가 처음에 공작물(50; 70)과 접촉하고 있도록 공작물(50; 70)의 방향으로 반경방향 이송 운동(radial feed motion)(
    Figure pat00088
    1)을 수행하는 단계, 및
    - 반경방향 플런징 운동(
    Figure pat00089
    2)에서 소정의 깊이에 이르기까지의 제1 접촉의 순간으로부터 공구를 공작물(50; 70)의 방향으로 인피딩하는 단계를 구비하여 이루어지되,
    두 회전축(R1, R2)이 적어도 인피딩하는 동안에 서로에 대하여 비스듬히 배열되도록 되어 있는 것을 특징으로 하는 공작물 스카이빙 방법.
  2. 제1항에 있어서, 소정의 깊이에 도달할 때, 제2 회전축(R2)의 방향으로의 축방향 전진 및 공작물(50; 70)의 회전에 비례한 적어도 공구(100)를 인피딩하는 동안의 회전의 차동 전진으로 구성된 전진 운동이 수행되고, 두 회전축(R1, R2)이 이 전진 운동 중에도 서로에 대하여 비스듬히 배열되도록 되어 있는 것을 특징으로 하는 공작물 스카이빙 방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 스카이빙 공구(100)가 적어도 인피딩 중에 공작물(50; 70)을 향하거나 또는 공작물(50; 70)로부터 떨어져서 경사지게 되어 있는 것을 특징으로 하는 공작물 스카이빙 방법.
  4. 제1항, 제2항 또는 제3항에 있어서, 축의 유효 교차각(Σeff)은 다음 범위: -60° ≤ Σeff < 0°와 0° < Σeff ≤ 60° 중의 하나에 있는 것을 특징으로 하는 공작물 스카이빙 방법.
  5. 이전 청구항 중의 어느 한 항에 있어서, 회전 대칭의 규칙적인 구조는 공작물(50; 70)의 안쪽 이빨(interior teeth)를 갖는 이빨 시스템 또는 바깥쪽 이빨(exterior teeth)를 갖는 이빨 시스템과 관련된 것을 특징으로 하는 공작물 스카이빙 방법.
  6. 제1항에 있어서, 공작물(50; 70)이 원통형 공작물에 관련된 것을 특징으로 하는 공작물 스카이빙 방법.
  7. 이전 청구항 중의 어느 한 항에 있어서, 스카이빙 공구(100)의 공작물(50; 70)과의 제1 접촉점은 공작물(50; 70)의 전면부(54)와 측면(lateral area) 사이의 영역에 위치되어 있는 것을 특징으로 하는 공작물 스카이빙 방법.
  8. 이전 청구항 중의 어느 한 항에 있어서, 공작물(50; 70)의 스카이빙 중에 원 컷 전략(one-cut strategy: 1개소 절삭 전략)이 적용되는 것을 특징으로 하는 공작물 스카이빙 방법.
  9. 스카이빙 공구(100)의 적용과 더불어 회전 대칭의 규칙적인 구조를 갖는 공작물(50; 70)의 스카이빙을 위한 장치(200)로서,
    - 스카이빙 공구(100)를 고정하기 위한 공구 스핀들(170),
    - 공작물(50; 70)을 고정하기 위한 공작물 스핀들(180),
    - 상대적인 운동을 결합 수행하고, 제1 회전축(R1)에 관하여 공구 스핀들(170)과 함께 스카이빙 공구(100)를 결합 회전시키며, 제2 회전축(R2)에 관하여 공작물 스핀들(180)과 함께 공작물(50; 70)을 결합 회전시키기 위한 수치 제어되는 드라이브를 구비하여 구성되되,
    상기 장치(200)가, 스카이빙 전에
    - 스카이빙 공구(100)를 반경방향으로 이송하고, 그 후 소정의 깊이에 이르기까지 공작물(50; 70)에 비례하여 스카이빙 공구(100)를 반경방향으로 플런징시키며,
    - 적어도 플런징 중에 제1 회전축(R1)을 제2 회전축(R2)에 대하여 비스듬히 배열하도록 설계된 수치 제어(201)를 구비하거나, 수치 제어(201)와 접속 가능한 것을 특징으로 하는 공작물 스카이빙 장치(200).
  10. 제9항에 있어서, 스카이빙 공구(100)는 절삭 이빨(111)의 모양으로 성장되고 바깥쪽으로 비스듬하게 돌출하는 절삭날을 가지는 것을 특징으로 하는 공작물 스카이빙 장치(200).
  11. 제9항에 있어서, 스카이빙 공구(100)는 디스크 타입의 제너레이팅 커터(generation cutter), 생크(shank) 타입의 제너레이팅 커터 또는 깊은 카운터보어(counterbore) 타입의 제너레이팅 커터의 형상을 갖는 것을 특징으로 하는 공작물 스카이빙 장치(200).
  12. 제9항에 있어서, 수치 제어(201)는 플런징 및 스카이빙 중에 스카이빙 공구(100)를 공작물(50; 70)을 향하거나 공작물(50; 70)로부터 떨어져서 경사지게 기울어지도록 설계되어 있는 것을 특징으로 하는 공작물 스카이빙 장치(200).
  13. 제9항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서, 장치(200)가 6개의 축을 갖춘 머신에 관련된 것을 특징으로 하는 공작물 스카이빙 장치(200).
  14. 제9항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서, 스카이빙 공구(100)가 매시브(massive) 공구 또는 바아 커터 스카이빙 휠에 관련된 것을 특징으로 하는 공작물 스카이빙 장치(200).
  15. 제9항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서, 장치(200)가 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 따른 방법을 수행하기 위해 설계되어 있는 것을 특징으로 하는 공작물 스카이빙 장치(200).
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