KR20150120396A

KR20150120396A - 기어 톱니를 절삭 또는 기계가공하는 방법 및 기어 절삭기

Info

Publication number: KR20150120396A
Application number: KR1020157023673A
Authority: KR
Inventors: 요하네스 브로그니; 도메니코 페트랄리아; 오스발트 비취
Original assignee: 글리슨-파아우터 마쉰넨파브리크 게엠베하
Priority date: 2013-02-26
Filing date: 2014-01-30
Publication date: 2015-10-27
Also published as: US20150375320A1; US10016826B2; EP2961552B1; JP6744096B2; CN105008078B; KR102004890B1; EP2961552A1; CN105008078A; JP2016508453A; DE102013003290A1; WO2014131488A1

Abstract

본 발명은 자신의 회전축을 중심으로 회전 운동하도록 구동되는 톱니 공구로, 매우 빠른 회전 속도로 자신의 회전축을 중심으로 회전 운동하도록 구동되는 공작물에 기어 톱니를 칩-제거식으로 창성하거나 기계가공하는 방법에 관한 것으로서, 상기 공구와 상기 공작물은 각각의 회전축이 영이 아닌 각도로 서로 교차하는 상태로 헬리컬 기어 변속기의 방식으로 롤링 톱니 결합(rolling tooth engagement)하게 되고, 공구의 톱니와 공작물의 톱니 사이의 작동 결합의 시간 동안 공작물 및/또는 공작물의 기어 톱니에 추가 작업이 실행된다.

Description

기어 톱니를 절삭 또는 기계가공하는 방법 및 기어 절삭기{METHOD FOR CUTTING OR MACHINING GEAR TEETH AND GEAR-CUTTING MACHINE}

본 발명은 자신의 회전축을 중심으로 회전 운동하도록 구동되는 톱니 공구로, 매우 빠른 회전 속도로 자신의 회전축을 중심으로 회전 운동하도록 구동되는 공작물에 기어 톱니를 칩-제거식 창성(chip-removing generation) 또는 기계가공하는 방법에 관한 것으로서, 상기 공구와 상기 공작물은 각각의 회전축이 영이 아닌 각도로 서로 교차하는 상태로 헬리컬 기어 변속기의 방식으로 롤링 톱니 결합(rolling tooth engagement)하게 된다. 본 발명의 영역은 추가적으로 상기 방법을 실행하는 제어 프로그램과, 상기 방법을 수행할 수 있는 기어 절삭기에까지 미친다.

이러한 운동학적 구성의 참여 머신 축(participating machine axes)을 가진 칩-제거식 기계가공 방법(chip-removing machining method)은 백 년 이상 동안 알려져 오고 있다(DE 243 514). 이러한 기계가공 방법의 범주에는, 예를 들면, 스카이빙 휠(skiving wheel)로 외측 또는 내측 톱니식 원통형 휠을 스카이빙하는 공정이 포함된다. 스카이빙 방법 및 그것의 파생 방법(differentiation), 예를 들면, 호빙절삭 방법(hobbing method)에 대한 운동학의 보다 포괄적인 설명은, 머신 축의 운동학에 관한 개시 내용(단락 [0003] 내지 [0008] 참고)이 본 명세서에 참고로 포함되어 있는 DE　10　2011　009　027　A1에서도 확인할 수 있다. 또한, 출원인의 조직 내에서 "파워 스카이빙(power skiving)"이라고도 칭해지는 스카이빙 공정은 본 발명의 방법에 대한 적용의 바람직한 여러 분야 중의 하나로 여겨진다.

이미 머신 축의 운동학적 구성은 공작물에 기어 톱니를 기계가공하는데 있어서 비교적 짧은 공정 시간을 실현할 수 있게 하지만, 본 발명은 특히 공작물의 기계가공을 위한 전체 공정 시간에 관해서 상기한 종류의 방법을 개선시키는 목적을 가지고 있다.

방법 지향 관점(method-oriented point of view)에서, 이 과제는 공구의 톱니와 공작물의 톱니 사이의 작동 결합의 시간 동안 공작물 및/또는 공작물의 기어 톱니에 추가 작업이 실행되는 현저한 특징을 본질적인 특징으로 하는, 상기한 종류의 방법의 추가적인 개발을 통하여 본 발명에 의해 해결된다. 따라서, 톱니의 기계가공과 추가 작업은 서로 시간이 겹친다.

본 발명은, 톱니 공구로 상기 작업이 실행되는 것에 더하여, 1200 rpm 이상, 바람직하게는 1600 rpm 이상, 심지어 2000 rpm 이상, 그리고 특히 2400 rpm 이상의 공작물의 매우 빠른 회전 속력에도 불구하고 공작물에 추가적인 유사한 작업을 수행할 수 있다는 놀라운 사실에 기초하고 있다. 그렇지 않으면 추가 작업은 다른 위치 및/또는 다른 시간에 수행되어야 할 것이고, 이는 공작물을 생산하는데 필요한 전체 시간의 양을 증가시킬 것이다.

본 발명의 개념의 특히 바람직한 실현형태에 있어서, 추가 작업은 선삭(turning) 공정이다. 이것은 공작물의 기어 톱니에 더하여 추가적인 공작물 외형, 예를 들면, 오목부를 형성하는 것을 가능하게 한다. 이 경우에는, 특히 공작물의 빠른 회전 속력(high rpm-rate)을 이용한다.

대체 형태로서 또는 추가적으로, 공작물의 기어 톱니의 톱니 가장자리에 이미 존재하거나 형성되고 있는 쇠거스러미(burr)를 제거하는 것을 생각할 수도 있다.

바람직하게는, 추가 작업을 위한 공구가 공작물 축에 대하여 반경방향 변위 성분을 가지고서 이동할 수 있다. 따라서, 예를 들면, 오목부의 깊이는 추가 작업을 위해 사용되는 공구의 상대 운동을 통하여 변경될 수 있다.

다른 바람직한 구성으로서, 추가 작업을 위한 공구가 공작물 축에 대하여 축방향 변위 성분을 가지고서 이동할 수도 있다. 이것은, 예를 들면, 오목부의 축방향의 위치결정에 있어서 보다 많은 자유를 허용한다.

원칙적으로, 상기 방법은 내측 기어 톱니 뿐만 아니라 외측 기어 톱니에도 적용할 수 있고 내측 기계가공 작업 뿐만 아니라 외측 기계가공 작업에도 적용할 수 있다.

본 발명의 특히 바람직한 다른 개발형태로서, 추가 작업은, 특히 내측 기계가공 공정의 형태로 된, 내측 톱니 공작물의 기계가공에 관한 것이다.

본 발명의 특정 실시례예 따르면, 추가 작업을 위한 공구 및/또는 상기 공구의 홀더가 내측 기어 톱니에 의해 반경방향으로 둘러싸여 있는 공간의 적어도 일부분을 통하여 톱니 공구 옆에 뻗어 있도록 배치되어 있는 것이 바람직하다. 이것은 톱니 공구에 의해 기계가공되는 측면으로부터 멀어지게 향하는 측면의 내측 기어 톱니의 톱니 가장자리에 있는 쇠거스러미를 제거할 추가적인 가능성을 제공한다.

원칙적으로, 상기 방법은 상기 축들의 비교적 넓은 범위의 교차 각도에 걸쳐서 적용할 수 있다. 예를 들면, 15°내지 45°보다 큰 교차 각도에서 양호한 절삭 특성이 달성되고, 기어 톱니의 기계가공에 있어서 광범위한 이송 운동이 가능하다. 상기 방법의 특히 바람직한 실현 형태에서는, 15°이하의 축 교차 각도하에서 기어 톱니의 기계가공이 수행된다. 이로 인해, 비록 매우 작은 이송 운동만 가능하고 칩-절삭 경로는 짧지만, 만족스러운 절삭 속도와 함께 충분히 빠른 회전 속력이 달성될 수 있다. 톱니의 기하학적 구조와 관련하여, 이것은 오히려 기어 성형(shaping)의 분야에 접근하고 있다. 그러나 다른 한편으로는, 5°이상 그리고 바람직하게는 8°이상의 교차 각도로 작업하는 것이 바람직하다. 이것은 재료가 공구의 앞쪽으로 밀려나가서 칩이 더 이상 깔끔하게 절삭되지 않는 문제를 방지한다.

본 발명은 또한 기어 절삭기의 제어 장치에서 실행될 때, 상기한 방법 지향의 여러 실시형태 중의 하나에 따른 방법을 실행하는데 있어서 기어 절삭기를 제어하는 제어 프로그램을 보호하에 둔다.

또한, 장치 지향 관점에서, 자신의 회전축을 중심으로 회전 운동하도록 구동되는 톱니 공구를 이용하여, 매우 빠른 회전 속도로 자신의 회전축을 중심으로 회전 운동하도록 구동되는 공작물에 기어 톱니를 칩-제거식으로 창성하거나 기계가공하는 기어 절삭기가 보호하에 있고, 상기 회전축들의 교차 각도와 공작물의 회전축과 공구의 회전축 사이의 거리를 설정하기 위한 머신 축과 공작물 축의 방향에 있어서 공작물과 공구 사이의 상대 위치의 변화를 위한 적어도 하나의 머신 축을 가지고 있다. 본 발명에 따른 기어 절삭기는 본질적으로 적어도 하나의 추가적인 운동축을 포함하고 있고, 상기 적어도 하나의 추가적인 운동축을 따라서 추가 기계가공 공구가 공작물 축과 수직인 운동 성분을 가진 공작물과 기계가공 결합하도록 이동될 수 있는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 기어 절삭기의 장점은 본 발명에 따른 방법의 장점의 결과이다.

특히, 상기 방법이 수행될 수 있도록 하기 위해서, 적어도 하나의 추가적인 변위 축이 있고, 상기 제2 추가적인 변위 축을 통하여 추가 작업을 위한 공구가 공작물 축과 평행한 변위 성분을 가지고서 이동될 수 있다.

추가 작업을 위한 공구 자체가 기어 절삭기의 일부분이 될 수도 있다. 이와 관련하여 생각되는 특히 유리한 특징으로서, 추가 작업을 위한 공구 및/또는 상기 공구의 홀더는, 추가 작업을 위한 공구 및/또는 상기 공구의 홀더가 공작물의 내측 기어 톱니에 의해 둘러싸여 있는 공간을 적어도 부분적으로 차지할 수 있고, 톱니 공구가 상기 공간에 동시에 존재하는 동안 공작물이 기계가공되도록 설계되어 있으며 상기 기어 절삭기에 배치되어 있다.

기어 절삭기의 제어 장치에는 본 발명에 따른 제어 프로그램이 설치될 수 있다.

제어장치에 대한 바람직한 선택은 머신 축과 허용 변위 축 모두를 제어하기 위한 컴퓨터식 수치 제어 시스템(CNC)이다. 머신 축에 대한 개별적인 구동원은 바람직하게는 직접 구동장치, 특히 공구 스핀들 축과 공작물 스핀들 축의 회전을 위한 구동 기구이다.

본 발명의 추가적인 장점, 두드러진 특성 및 세부사항은 첨부된 도면에 관한 아래의 설명으로부터 명확하게 될 것이다.
도 1은 이용가능한 운동축을 포함하는 기어 절삭기의 일부분을 상부 사시도로 나타내고 있고;
도 2는 추가 작업을 위한 공구가 기어 절삭기에 어떻게 결합되어 있는 지를 나타내고 있고; 그리고
도 3은 추가 작업을 위한 공구의 다른 배치 형태를 나타내고 있다.

상부 사시도인 도 1은 기어 절삭기의 운동축을 볼 수 있는 기어 절삭기의 일부분을 나타내고 있다. 상기 기어 절삭기는 공작물의 기계가공을 위해서 설계되어 있으며, 공작물과 공구의 각각의 축이 일정 각도로 서로 교차하는 상태의 공구와 공작물 사이의 작동 결합(operating engagement)을 통하여 공작물에 기어 톱니가 창성된다. 본 명세서에 도시된 실제 예에서, 상기 기어 절삭기는 내측 기어 톱니의 스카이빙을 위해서 사용되며 스카이빙 머신이라고 칭한다.

스카이빙 머신(100)은 스카이빙 머신의 머신 설치대(machine bed)의 고정된 위치에 회전가능하게 지지되어 있는 공작물 스핀들(2)을 가지고 있고, 공작물의 회전을 위한 회전축은 C로 표시되어 있다. 공작물 스핀들의 축과 평행하게 뻗어 있는 직선 변위축 Z를 따라서 상기 머신 설치대에 대해서 이동가능한 수평방향의 캐리지(4)가 공구와 결합되어 있다.

수평방향의 캐리지(4)는 수평방향의 캐리지(4)의 직선 변위축 Z와 수직으로 뻗어 있는 제2 직선 변위축 X를 따라서 이동가능한 다른 수평방향의 캐리지(6)를 떠받치고 있다. 따라서 수평방향의 캐리지(4)와 수평방향의 캐리지(6)는 크로스-슬라이드 장치(cross-slide arrangement)를 형성한다.

공구 스핀들(10)을 유지하는 또 다른 선형 캐리지(8)가 제2 직선 변위축 X와 평행하게 뻗어 있는 회전축 A를 중심으로 회전하는 능력을 가지도록 배열되어 있다. 따라서 회전가능한 캐리지(8)의 직선 변위축 Y는 회전축 A를 중심으로 하는 회전 운동의 회전 위치(swivel position)에 의해 결정된다. 공구는 직선 변위축 Y와 평행하게 뻗어 있는 축 B를 중심으로 회전한다. 따라서, 회전축 A를 중심으로 회전하는 능력을 가지는 상태에서, 공작물의 내측 기어 톱니의 창성과 기계가공을 위해 상기 축들의 교차 각도가 정해진다.

도시된 예에서는, 공작물 스핀들의 회전축 C와 공구 스핀들의 회전축 B의 각각에 대해서 직접 구동이 제공된다. 통상적인 관례에 따르면, X, Y, Z축 상에서의 운동과 A, B, C축을 중심으로 한 운동은, 도면에 도시되어 있지 않은, 컴퓨터식 수치 제어(CNC)하에서 실행된다. 지금까지 기술한 공작기계(100)의 구성은 알려진 최신 기술에 속한다. 내측 또는 외측 기어 톱니의 스카이빙에 더하여, 상기 공작 기계는 또한 축들이 일정 각도로 교차하는 하드-피니싱 작업(hard-finishing operation)에 적합하고, 그리고 셰이빙 작업(shaving operation)(소프트 셰이빙)에도 적합하다.

그러나, 스카이빙 머신(100)은 공구 캐리지 장치(4, 6, 8)의 반대쪽에 공작물 스핀들의 회전축 C와 공구 스핀들의 회전축 B의 각각에 의해 한정되는 평면에 대해서 다른 운동 장치를 포함하고 있다. 이 다른 운동 장치는 캐리지(14)가 제1 직선 변위축 Z와 평행하게 뻗어 있는 제4 직선 변위축 Z4를 따라서 머신 설치대상에서 이동가능하게 제한된 상태의 크로스-슬라이드 장치(12, 14)로서 실현된다. 수평방향의 캐리지(14)는 다른 수평방향의 캐리지(12)를 떠받치고 있고, 수평방향의 캐리지(12)의 직선 변위축 X2는 스카이빙 머신(100)의 제5 직선 변위축으로서 제2 직선 변위축 X와 평행하게 뻗어 있다. 엄격하게 요구되는 것은 아니지만, 축 X2와 축 X의 유사성 뿐만 아니라 축 Z4와 축 Z의 유사성이 있는 것이 유리하다. 본 실시례에서, 수평방향의 캐리지(12)와 수평방향의 캐리지(14) 중의 하나는 제1 직선 변위축 Z에 평행한 벡터 성분을 가진 운동을 실행할 수 있는 반면에, 수평방향의 캐리지(12)와 수평방향의 캐리지(14) 중의 다른 하나는 제2 직선 변위축 X의 방향의 벡터 성분을 가진 운동을 수행할 수 있다는 것이 중요하다. 수평방향의 캐리지(12)와 수평방향의 캐리지(14)의 구동 기구는 스카이빙 머신(100)의 CNC 제어하에서 비슷하게 작동한다.

도 2는 도면에 도시되어 있지 않은 공작물의 내측 기어 톱니(20)에 의해 둘러싸인 공간이 수평방향의 캐리지(12)로부터 돌출되어 있으며 수평방향의 캐리지(12)에 그리고 스카이빙 휠(50) 옆에 부착되어 있는 아암(16)에 장착되어 있는 디버링 공구(30)에 의해 어떻게 동시에 차지되는지를 수평방향의 단면 상세도로 나타내고 있다. 스카이빙 휠(50)이 내측 기어 톱니(20)를 창성하는 동안, 디버링 공구(30)는 이미 톱니의 왼쪽 단부(도 2에 도시된 톱니의 폭에 대해)에 있는 톱니 가장자리를 디버링한다. 디버링 공구(30)와 스카이빙 휠(50)은 서로 접촉하게 되는 것을 방지하기 위해서 안전 거리만큼 떨어져 있다. 내측 기어 톱니(20) 뒤에 놓여 있으며 도면에 도시되어 있지 않은 내측 톱니 공작물의 구역에서 내측 오목부를 선삭(turning)하기 위해 도시된 대로의 디버링 공구(30) 또는 변형된 형태의 디버링 공구(30)가 사용될 수도 있다는 것은 명백하다.

기계가공 공구가 자신의 작업 위치로 이동되는 시간 순서와 관련하여, 디버링 공구가 먼저 도입되고 디버링 공구가 제자리에 배치된 후에만 스카이빙 휠(50)이 제위치로 이동되고 내측 톱니의 창성 또는 기계가공이 개시되면 유리하다.

도 3은 스카이빙 휠(51)에 의해 공작물에 외측 기어 톱니(21)가 창성되는 다른 실시례를 나타내고 있다. 스카이빙을 위한 운동의 추가적인 축이 도 3에 도시되어 있지는 않지만, 공작물 축에 대해 스카이빙 휠 축의 경사진 자세로부터 상기 축들이 일정 각도로 서로 교차해 있는 것은 확실하다. 도 3의 하부에는, 외측 톱니 공작물의 반경 방향으로 이동가능하고, 스카이빙 휠(51)의 작용과 병행하여, 공작물에 오목부를 창성하는 작업을 수행하는 추가 기계가공 공구(31)를 가진 유압식으로 작동되는 캐리지가 도시되어 있다. 추가 기계가공 공구(31)는 외측 기어 톱니(21)가 절삭된 직후에 외측 기어 톱니(21)에 디버링 작업을 수행하기 위해 사용될 수도 있다.

본 발명이 도면과 관련하여 기술한 설명부분에 제공된 상세한 내용으로 제한되는 것은 아니다. 오히려, 개별적으로 또는 조합 형태로 사용된, 상기 설명과 아래의 청구항에 개시된 특징이 본 발명을 상이한 실시례로 실현하는데 있어서 필수적인 사항이 될 수 있다.

Claims

자신의 회전축을 중심으로 회전 운동하도록 구동되는 톱니 공구(50; 51)로, 매우 빠른 회전 속도로 자신의 회전축을 중심으로 회전 운동하도록 구동되는 공작물에 기어 톱니(20; 21)를 칩-제거식으로 창성하거나 기계가공하는 방법으로서, 상기 공구와 상기 공작물은 각각의 회전축이 영이 아닌 각도로 서로 교차하는 상태로 헬리컬 기어 변속기의 방식으로 롤링 톱니 결합(rolling tooth engagement)하게 되는, 상기 방법에 있어서,
공구의 톱니와 공작물의 톱니 사이의 작동 결합의 시간 동안 공작물 및/또는 공작물의 기어 톱니에 추가 작업이 실행되는 것을 특징으로 하는 방법.
제1항에 있어서, 추가 작업이 선삭 작업을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
제1항 또는 제2항에 있어서, 추가 작업이 디버링 작업을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 추가 작업을 위한 기계가공 공구(30; 31)가 공작물 축과 수직인 운동 성분(X2)을 가지고서 이동가능한 것을 특징으로 하는 방법.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 추가 작업을 위한 기계가공 공구(30; 31)가 공작물 축과 평행한 운동 성분(Z4)을 가지고서 이동가능한 것을 특징으로 하는 방법.
제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 공작물상의 기어 톱니는 내측 기어를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 추가 작업이 내측 기계가공 작업을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
제7항에 있어서, 추가 작업을 위한 공구(30; 31) 및/또는 상기 공구의 홀더가 내측 기어 톱니(20)에 의해 반경방향으로 둘러싸여 있는 공간의 적어도 일부분을 통하여 톱니 공구 옆에 뻗어 있도록 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 방법.
제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 축들이 서로 교차하는 각도가 15°이하, 바람직하게는 13°이하, 특히 12°이하 및/또는 5°이상, 바람직하게는 8°이상인 것을 특징으로 하는 방법.
기어 절삭기의 제어 장치에서 실행될 때, 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 따른 방법을 수행하는데 있어서 상기 제어 장치를 제어하는 것을 특징으로 하는 제어 프로그램.
자신의 회전축을 중심으로 회전 운동하도록 구동되는 톱니 공구(50)를 이용하여, 매우 빠른 회전 속도로 자신의 회전축을 중심으로 회전 운동하도록 구동되는 공작물에 기어 톱니(20)를 칩-제거식으로 창성하거나 기계가공하는 기어 절삭기(100)로서, 상기 회전축들의 교차 각도와 공작물의 회전축과 공구의 회전축 사이의 거리를 설정하기 위한 머신 축(A, X)과 공작물 축의 방향에 있어서 공작물과 공구 사이의 상대 위치의 변화를 위한 적어도 하나의 머신 축(Z)을 가진, 상기 기어 절삭기에 있어서,
적어도 하나의 추가적인 운동축(X2)을 포함하고 있고, 상기 적어도 하나의 추가적인 운동축(X2)을 따라서 추가 기계가공 공구(30)가 공작물 축과 수직인 운동 성분을 가진 공작물과 기계가공 결합하도록 이동될 수 있는 것을 특징으로 하는 기어 절삭기.
제11항에 있어서, 제2 추가적인 변위 축(Z4)을 포함하고 있고, 상기 제2 추가적인 변위 축(Z4)을 통하여 추가 작업을 위한 공구가 공작물 축과 평행한 변위 성분을 가지고서 이동될 수 있는 것을 특징으로 하는 기어 절삭기.
제11항 또는 제12항에 있어서, 추가 작업을 위한 공구(30)를 포함하는 것을 특징으로 하는 기어 절삭기.
제13항에 있어서, 추가 작업을 위한 공구(30) 및/또는 상기 공구의 홀더는, 추가 작업을 위한 공구(30) 및/또는 상기 공구의 홀더가 공작물의 내측 기어 톱니에 의해 둘러싸여 있는 공간을 적어도 부분적으로 차지할 수 있고, 톱니 공구(50)가 상기 공간에 동시에 존재하는 동안 공작물이 기계가공되도록 설계되어 있는 것을 특징으로 하는 기어 절삭기.
제12항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서, 제10항에 따른 제어 프로그램이 설치되어 있는 제어 장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 기어 절삭기.