用于加工齿轮齿的方法、具有齿轮齿的工件以及机床 |
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| 申请号 | CN201110170879.0 | 申请日 | 2011-06-14 | 公开(公告)号 | CN102284750A | 公开(公告)日 | 2011-12-21 |
| 申请人 | 格里森-普法特机械制造有限公司; | 发明人 | W·海德尔曼; D·弗瑟蒂克; | ||||
| 摘要 | 本 发明 涉及一种用于加工 齿轮 齿的方法，该齿 轮齿 的 齿面 对它们的特定几何形状偏差加工余量，其中通过至少两个进给步骤的进给来去除该加工余量，每个进给步骤都跟随有利用绕刀具轴线旋转的成型刀具的加工行程，对于该操作，在相对于齿轮将刀具设定于根据 正交 于该刀具轴线的旋转平面与齿轮轴线的倾斜 角 度的、 位置 之后，成型刀具与齿轮齿进行配合，且在每次进给步骤之后，刀具的最终配合区域内的材料被去除，并且在最后的进给步骤之后以及由于由该成型刀具的设计角所确定的倾角，刀具配合区域在整个齿面高度上延伸，使得下一个加工行程会去除为获得特定几何形状所需的材料量，其中，在最后的进给步骤之前的至少一个进给步骤中，将成型刀具设定为与为刀具所设计的角度相偏离的倾角，并且，产生与以设计角度设定相比沿齿面高度方向扩大的刀具配合区域。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种用于加工齿轮齿(2)的方法，所述齿轮齿的齿面对它们的特定几何形状偏差加工余量，其中，通过至少两个进给步骤(j)的进给来去除所述加工余量，每个进给步骤都跟随有利用绕刀具轴线(Y)旋转的成型刀具(0)的加工行程，对于此种操作，所述成型刀具(0)在相对于所述齿轮(2)而被设定到根据其正交于所述刀具轴线(Y)的旋转平面倾斜于所述齿轮(2)的轴线(Z)的角度(A)的位置之后，使所述成型刀具与所述齿轮齿配合，且在每次进给步骤之后，所述刀具的最终配合区域内的材料被去除，并且在最后的进给步骤(n)之后以及由于由成型刀具(0)的设计角(A0)所确定的成型刀具(0)倾角设定(An＝A0)，所述刀具配合区域在整个齿面高度上延伸，使得下一个加工行程会去除为获得特定几何形状所需的材料量， |
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| 说明书全文 | 用于加工齿轮齿的方法、具有齿轮齿的工件以及机床技术领域[0001] 本发明涉及一种用于加工齿轮齿的方法，该齿轮齿的齿面对它们的规定的几何形状偏差加工余量，其中利用至少两个进给步骤的进给来去除该加工余量，每个进给步骤都跟随有利用绕刀具轴线旋转的成型刀具的加工行程(pass)，对于该操作，成型刀具在已被设定到根据其正交于刀具轴线的旋转平面倾斜于齿轮轴线的角度而相对于齿轮的位置之后与齿轮齿进行配合，且在每次进给步骤之后，在刀具的最终配合区域内的材料被削除，并且在最后的进给步骤之后及由于由成型刀具的设计所确定的成型刀具倾角设定，刀具配合区域在整个齿面高度上延伸，使得接下来的加工行程会去除为获得规定的几何形状所需的材料量。此外，本发明涉及一种能够执行该方法的机床，以及根据该方面所生产的齿轮。 背景技术[0002] 此种方法属于现有技术，且例如在Thomas Bausch等人在专业公开(Expert Verlag)第三版发表的“Innovative Zahnradfertigung”(Thomas Bausch等人在专业公开(Expert Publications)第三版发表的“Innovative Gear Wheel Manufacturing”)中描述，其中在534到537页作为此种非连续成型方法的示例来描述成型磨削的工艺。 [0003] 在534页上的图15.2-1说明了用于对斜齿轮的齿面进行磨削的成型磨削轮的使用。如该处所示，刀具的旋转平面相对于齿轮轴线倾斜。通常，用于此种操作的倾角设定为与齿轮齿的螺旋角匹配，且相应地将该刀具的型面设计成用于以该倾角进行加工。然而，为了覆盖更宽的磨削路径，在与螺旋角不同的倾角下执行加工也是已知的技术，在该情形下将刀具型面设计成用于该加工倾角。 [0004] 具体地说，在536页上的图15.2-5中，使用以三个等距进给步骤所产生的径向进给的示例，以解释在沿赤的高度方向的第一次进给步骤之后，适当成型刀具的配合仅仅覆盖齿面根部处的区域，并且仅仅在进一步的进给步骤的中到达齿面头部处的区域。在轴向方向，刀具的配合区域在整个齿宽上延伸。 [0005] 为了以更均匀的速率在齿面高度上去除材料，磨削轮在每次进给步骤之后重新成型，如所参考的文献的536页中所解释的。作为替代，按序使用若干磨削轮，其中每个磨削轮具有为产生齿面在相应进给步骤中需获得的几何形状所需的型面。 [0006] 然而，这些程序需要更复杂的操作步骤，因此对于加工行程会花费更多的时间，以达到获得齿面的特定几何形状的目的。 [0007] 在本专利权利要求中所使用的术语“特定几何形状”意味着将由加工过程所产生的目标几何形状。这会是完工齿轮的最终几何形状，或者它还可代表中间几何形状，例如由粗加工所得到的几何形状，而最终几何形状是通过一个或多个随后的精加工步骤来产生的。因此，在最后的进给步骤之后由刀具配合区域所覆盖的整个齿面高度与目标几何形状的齿面高度相关，该目标几何形状的齿面高度没必要但可以与齿轮齿的最终几何形状的整个齿面高度相适。 发明内容[0008] 鉴于上文所述的现有技术所固有的问题，本发明的目的在于改进前述过程，使得在花费有限的人力/时间的条件下，在齿面高度上实现更均匀的材料去除率。 [0009] 通过进一步改进引言中所述种类的方法来解决该目标，该方法的显著特征基本在于：在进行最后进给步骤的至少一个进给步骤中，将成型刀具设定为与刀具所设计的角度相偏离的倾角，该倾角产生与以设计角度的设定相比沿齿面高度方向扩大的刀具配合区域。 [0010] 本发明基于如下发现：刀具和齿轮彼此相关的定向可用作进给所用的自由度，以在最终进给步骤之前的至少一个进给步骤之后实现改进的刀具配合区域，而无需为此对刀具进行重新成型或者必须使用不同的刀具，该定向通常由倾角来表示，即由刀具轴线相对于齿轮轴线的正交平面所倾斜的角度来表示。通过更均匀地去除材料，减小使刀具过热的风险，且同时不会减缓加工过程。 [0011] 不过，根据本发明的方法并不排除在工作过程中还可对刀具重新成型。然而，在最终进给步骤之前的至少一个进给步骤和最终的进给步骤之间不发生重新成型，这意味着在至少一个之前进给步骤之后的工作行程，该成型刀具具有为最终进给步骤中倾角所设计的型面。 [0012] 较佳地，至少一个之前的进给步骤包括加工过程中的第一进给步骤。与第一加工行程中的刀具配合区域比随后行程相对较小的现有技术的方法相比，根据本发明的这一方法在加工过程的一开始就给出了最大的收益(gain right)。 [0013] 作为推荐的操作规程，在若干进给步骤上调整偏差倾角并使其以单调序列、具体来说是以严格单调序列接近设计角。因此，不仅在加工过程的一开始、而且在整个过程或过程的至少一部分上实现本发明所带来的优点。 [0014] 根据本发明的方法证明尤其有利于具有不同于零的螺旋角的标准斜齿轮。然而，对于正齿轮来说也可实现至少一部分益处。 [0015] 较佳的是，根据设计角和/或螺旋角的量值来选择偏差倾角。待考虑的其它参数可包括齿轮的齿数、节距和压力角以及成型刀具的直径。由于刀具在其外边界处必须不能变得过窄或过锐，因而设计角与对螺旋角的最大偏差极限取决于刀具直径。 [0016] 在本发明的较佳形式中，将设计角选定为具有比螺旋角大的绝对值。与为螺旋角而设计的刀具相比，例如与成型磨削轮相比，根据该选择的刀具在其对最接近齿根的齿面部分进行磨削的外边界区域处较窄，而在对最接近齿顶的齿面部分进行进行磨削的区域中较宽。 [0017] 设想在上述情形中，将偏差倾角的量值选定为比设计角的量值小。与传统方法相比，对于刮擦接触来说这引起更小的轴线距离，并且更小的进给和相应的更短加工时间成为可能。 [0018] 在本发明的又一形式中，将设计角选定为具有比螺旋角小的绝对值。在该情形中，偏差倾角的量值应比设计角的量值大。 [0019] 本发明可用于切向进给。然而径向进给是较佳的，径向进给还简化双齿面工艺的应用。 [0020] 原则上，可基于经验来确定偏差倾角。然而较佳的是用数学方法来确定偏差倾角。 [0021] 尤其较佳的是，为每个进给步骤选择与该步骤所选定的倾角一起工作最佳的进给量。通过使进给量与倾角以此方式进行匹配，可影响并优化配合区域扩大的程度。 [0022] 当使进给与倾角匹配时，另一个推荐操作规程是可考虑在已选择设计角之后确定的关系，藉此齿面几何形状的参量、尤其是两个参量取决于与刀具和/或工件的可控运动轴线相关联的参量、尤其是两个参量。与齿面几何形状相关联参量的较佳选择是加工余量和/或齿形角偏差，而对于与运动轴线相关联参量，较佳选择是与倾角相关的参量和/或与进给参数相关的参量，即例如偏差倾角和设计角之间的差值和/或进给参数对最大可能进给的偏差。在德国工业标准DIN3960中定义了齿形角偏差fHα。例如在齿宽中心中的节圆处测量加工余量。 [0023] 当使进给与倾角匹配时，尤其较佳的是依赖于这样一个标准，即达到位于特定第一阈值之下的齿形角偏差，具体地说，齿形角偏差已完全消失。齿形角偏差越小，则材料去除得更均匀。因此，在齿形角偏差消失的条件下，配合区域达到最大。 [0024] 在本发明的一个尤其较佳的实施例中，用于确定、即调整进给的数学程序包含迭代数学运算。这使得使用上述类型的非线性相关性成为可能。用于由数学方法确定第k次进给步骤的输入量例如是在第k次刀具行程之后所希望的加工余量。接下去的部分步骤较佳地用于迭代循环中： [0025] 根据加工余量取决于进给参数的关系，确定与由之前迭代循环而获得的加工余量相关联的进给量，其中，对于在迭代开始时的第一次循环来说，将对应的加工行程之后所要实现的加工余量用作起始点； [0026] 根据齿形角偏差取决于进给参数的关系，确定与在之前步骤中所确定的进给量相关联的齿形角偏差； [0027] 根据齿形角偏差取决于倾角的关系，确定对设计角的偏差量，这相对于在之前步骤中所确定的齿形角偏差而产生具有相等的量但异号的齿形角偏差； [0028] 根据加工余量取决于倾角的关系，确定与在之前步骤中所确定的设计角偏差相关联的加工余量校正，并且通过从在相对应的加工行程之后所要获得的加工余量中减去在之前步骤中所确定的加工余量校正而获得加工余量，其中以此方式获得的加工余量用作下一个迭代循环的基础。 [0029] 作为终止迭代的标准，可设定第二阈值，从而如果在一个迭代循环一开始输入的加工余量和在该循环中所获得的加工余量校正之和与作为迭代输入量而输入的加工余量-6的差值低于第二阈值的量值，则终止迭代。可将第二阈值确定为呈具有例如10 算术精度的形式。 [0030] 在一些情形中可想到的是，进给的匹配包括对表征齿面几何形状的参量和与运动轴线相关联的参量之间相关性的线性化。因此，可简化对进给量的算法确定，因为这等同于对由该线性化所获得的方程组进行求解。 [0031] 该方法可以是单齿面工艺，但特别地，具有径向进给的双齿面方法是较佳的。 [0032] 此外，除了对外齿轮进行加工以外，还设想对内齿轮进行加工。 [0033] 此外，为了进一步地节省时间，考虑使用多个刀具或适当设计的多齿面刀具来同时加工多个齿面的工艺。 [0034] 根据进一步的可能性，在刀具沿齿轮轴线方向的工作行程中，可将对刀具轴线和齿轮轴线的正交平面之间的倾角的修正叠加在已利用进给而设定的刀具倾角上。修正可用于例如如果该设计要求使齿轮齿的尺寸沿齿轮轴线的方向改变，以例如产生齿冠。 [0035] 根据本发明的不连续成型方法特别地涵盖成型磨削工艺，但还可包含成型滚铣。 [0036] 从设备的角度来看，本发明提供一种用于加工齿轮齿的机床，该机床具有工件心轴、刀具心轴以及控制单元，工件心轴限定齿轮轴线的方向并且被设计用来保持齿轮，刀具心轴限定刀具轴线的方向并且设计用来保持刀具，其中刀具心轴可相对于齿轮轴线倾斜一个倾角，而控制单元控制装置的轴线运动，此外，机床的基本特征在于如下事实：可操作控制单元以执行上述方法中一种形式的方法，即控制单元相应地进行编程。 [0039] 从一些对附图的描述中，本发明的又一些特征、细节以及益处会显而易见，附图中： [0040] 图1示出机床及其轴线， [0041] 图2示意地示出对刀具和齿轮之间角度的设置， [0042] 图3a至3d示出代表在本方法的第一实施例中用于根据本发明方法的相关性的图表(外齿轮，径向进给)， [0043] 图4a至4d示出用于本方法第二实施例的类似图表(外齿轮、径向进给)，[0044] 图5a至5d示出用于本方法第三实施例的类似图表(内齿轮、径向进给)，[0045] 图6a至6d示出用于本方法第三实施例的类似图表(内齿轮、切向进给)，以及[0046] 图7a至7d示出用于本方法第四实施例的类似图表(内齿轮、切向进给)。 具体实施方式[0047] 参见图1所示的机床，以下是对与本发明相关的机床轴线所进行的描述。在机座(machine bed)10的右侧(参照图1)，工件台6设置在水平面中并且以传统方式构造成用于夹持工件2(在图1中未示出)，例如外齿轮。因此，齿轮轴线Z垂直定向，该齿轮轴线具有与轴向滑架3(将在下文进行描述)的运动方向相同的定向。齿轮2绕齿轮轴线Z的旋转方向将用C来表示。 [0048] 根据本身已知的设计，设置在机座10左侧(参见图1)的径向滑架1构造成可相对于工件台6直线运动。相对于夹持于工件台6的齿轮2而沿径向方向发生的运动限定径向方向X。在本发明方法的一个实施例中，径向滑架1的径向位置代表进给参数。 [0049] 在径向滑架1上，轴向滑架3设置成具有沿轴向方向Z运动的能力，且该轴向方向Z正交于径向方向X。轴向方向Z也是齿轮轴线的方向。 [0050] 又一个滑架机构设置在轴向滑架3上并且具有在该轴向滑架3上倾斜的能力，且该滑架机构具有引导切向滑架9进行滑动的滑架基座，该切向滑架由此能执行又一个(第三)直线运动。在图1所示的位置中，切向滑架9并不相对于轴向滑架3倾斜，使得切向滑架的运动轴线Y垂直于X-Z平面。当切向滑架9沿倾斜方向A倾斜时，切向方向Y以倾角A倾斜出Z轴线的正交平面。因此，该倾斜运动发生在垂直于径向方向X的平面中。 [0051] 刀架5设置在切向滑架9上，该刀架具有沿Y方向(刀具轴线)定向的刀具心轴7，并且设计成保持用于对被夹持在工件台上的齿轮2进行加工的刀具，其中在所示示例中的刀具是成型磨削轮0(参见图2)。因此，该成型磨削轮0垂直于刀具轴线Y而延伸，使得磨削轮的旋转平面和齿轮轴线Z之间的倾角与刀具轴线Y从Z轴线(齿轮轴线)的正交平面倾斜而出的倾角A相等。沿切向方向的刀具位置代表可能的进给参数。绕刀具轴线的旋转方向表示为S。 [0052] 如果在例如右旋外啮合斜齿轮的传统不连续型面磨削中那样将倾角设定成与齿轮齿的螺旋角匹配，切向滑架9需要为右旋斜齿轮(例如具有β＝25°的螺旋角)而沿图1中的箭头A的相反方向倾斜，而在左旋斜齿轮的情形中，则倾角具有正号。 [0053] 同样是整个设计的一部分的又一滑架4，它具有用于修整装置的直线运动轴线Z2和用于修整轮8的旋转轴的旋转轴线S2，该又一个滑架4对于限定本发明并不必要，因此并不进行进一步描述。这同样适用于对沿轴线X、Y、Z(Z2)的对应直线运动和绕轴线Z、C、S、X的旋转运动供给动力的驱动机构，这些驱动机构对于本领域技术人员来说是熟知的。 [0054] 在图2a和2b中，在不具有机床部件的条件下再次示意地、从两个不同的观察方向示出相关轴线X、Y、Z、A。以虚线绘制的是处于非倾斜位置的成型磨削盘，而以实线绘制的成型磨削盘0倾斜角度A＝-27°，用于对右旋外啮合斜齿轮进行磨削。 [0055] 在如此限定的机床轴线的条件下，现在将更详细地描述本发明的第一实施例。利用带有径向(X)进给的非连续成型磨削双齿面工艺来加工右旋外啮合斜齿轮(β＝ 25°)。为了该操作所提供的成型磨削轮被设计成，为了产生齿轮2的理想的最终齿面几何形状，该磨削轮在最终的磨削行程需要以-27°的倾角工作，这意味着将该成型磨削轮构造成具有在绝对值上比螺旋角大的设计角或额定角，即|A0|＝27°＞25°＝β。对于传统的不连续成型磨削来说，需要将此种构造的成型磨削轮设定为-27°的倾角，并使用一系列等距进给步骤，以在生产过程中从齿轮2的齿面去除存在的加工余量q，如在本发明的引言部分中已经描述的。 [0056] 与此相反，根据本发明的较佳实践，对于第一次进给步骤来说，将磨削盘0设定为呈与设计角A0不同的倾角A，藉此在成型磨削轮0和齿轮2之间获得较大的配合区域，因此在磨削行程去除均匀的材料量。为了确定需被设定的倾角A，在齿面几何形状的参数和可分配给刀具和/或工件的可控运动轴线的参数之间使用可数学预测的相关性。采用沿径向方向X的进给，将加工余量q和齿形角偏差FHα考虑为齿面几何形状的相关参数，而分配给运动轴线的参数由倾角设定和进给参数X所代表，且倾角设定表述成偏离倾角A1(对于第一次进给步骤)和设计角A0之间的角度差δA，而进给参数X表述成其对由最终齿面几何形状所获得的最大可能进给的偏差δX。 [0057] 可为了所规定的一组其他参数以及磨削轮的直径来计算这些相关性，所述其他参数为诸如齿轮齿的齿数、模数和压力角，且这些相关性显示在关于加工余量q和齿形角偏差fHα的图3a-3d中，其中图3a示出相关性q(δX)，图3b示出相关性fHα(δX)，图3c示出相关性fHα(δA)，而图3d示出相关性q(δX)。开始的两个图3a和3b可应用在倾角Ak与设计角A0相等的情形中。后两个图3c和3d示出齿形角偏差fHα和加工余量q，且通过将偏差角A设定为与设计角A0偏差δA而在最后的加工行程获得该齿形角偏差fHα和加工余量q。 [0058] 根据这些相关性，现在通过循环迭代来确定用于第一进给步骤的倾角A1和进给量δX1，该方法为从一个起始出发来获得等于零的齿形角偏差fHα，在该起始处，将在第一次磨削行程之后获得的加工余量q作为用于迭代的输入量而输入。如果人工地执行，则可对迭代的第一步骤进行如下描述：对于在第一次磨削行程中所获得q＝50μm的加工余量，图3a示出在用于刮擦接触的轴线距离和最终轴线距离之间的约0.12mm的差值。根据图3b，对于δX＝0.12mm来说，会预期约17μm的齿形角偏差fHα。通过倾角的变化来补偿该齿形角偏差。对于-17μm的补偿齿形角偏差来说，图3c所示的图示出倾角的量值须相对于设计角减去约0.13°。然而，在图3d中用于由该倾角校正而引起的加工余量的查找值比目标值大约7μm。这意味着，磨削轮会位于进给为q＝50+7＝57μm的接触点处。然而，由于接触点应当发生在q＝50μm的进给处，对于下一个迭代步骤来说，轴线距离需相应地减小。因此，以较小的轴线距离持续进行迭代循环，直到满足充分的收敛的标准为止，例如，如果由倾角变化而引起的进给校正同与减小了的轴线距离相关联的进给量结合起来偏离目-2 标进给量低于例如10 μm的特定阈值。 [0059] 在每次进给和随后的加工行程之后，可从新的减小进给量开始进行新的倾角循环。在该过程中，对倾角的设定值Ak会连续地接近设计角A0运动，直到将倾角An设定为与设计角A0相等的最终进给步骤n为止。因此，在进给步骤之后的加工行程中所获得的加工余量qk给作目标值。这还可例如以如下顺序自动地发生：在四个粗加工行程和一个精加工行程去除q0＝100μm的初始加工余量，即每个行程去除20μm，直至获得最终几何形状。 [0060] 采用径向进给，如果迭代并不收敛，则设计角的量值和螺旋角的量值之间的差值并不足够大。因此，应使用具有适当选定的较大设计角量值的磨削轮。用于选择设计角A0的可能的出发点是具有在螺旋角β和最大设计角之间的中间量值的角度，考虑到刀具在其外半径处的所需要厚度，该角度仍与产生所希望的齿面几何形状的目标相适应。或者，可将此种最大的可能设计角直接认为是首要选择，该设计角对于较大的刀具直径而减小。 [0061] 如大至在图3a到3d所示的情形中那样，如果相关范围内的相关性仅仅不显著地偏离线性关系，则迭代方案可由一个替代方案所取代，其中通过解线性方程组来发现未知量。 [0062] Ωx＝b， [0063] 其中，矢量x＝(δX，δA)代表未知量，矢量b＝(qnom，0)代表目标值，而矩阵值Ω11、Ω12、Ω21、Ω22代表图3a、3d、3b、3c(以该顺序)的各个附图中相对应的斜率。 [0064] 然而，如果此种线性化并不代表具有充分精度的相关性，则较佳的是继续上述计算机辅助迭代方案。即使在迭代方案中用于fHα的目标值并未被设定为零，而是在任何情形中都比须利用传统技术在第一次磨削行程之后进行预测的齿形角偏差小的(较低)阈值，其优点仍是更均匀地去除材料，且用于迭代的收敛范围增大。 [0065] 图4a至4d代表与图3a至3d类似的相关性，显示出将磨削轮设计成用于在最后的磨削行程中倾角为-20°的情形，即设计成具有比螺旋角β小的绝对值的设计角，该螺旋角被再次选定为25°(右旋外啮合斜齿轮)。相关性fHα(δX)和q(δX)的斜率在它们的符号方面保持不变，而相关性fHα(δA)和q(δA)的斜率的符号相反。然而，用于计算利用随后的磨削行程k所产生的每次进给所需倾角Ak的原理以及用于计算相对应的进给量所需倾角的原理保持相同。 [0066] 采用切向进给Y，则有可能使用位于包括螺旋角β的间隔内的刀具设计角。因此，该刀具还可设计成用于螺旋角本身，该方案对于沿径向方向X的进给产生较不令人满意的结果。 [0067] 图5a至5d示出用于右旋外啮合斜齿轮示例的考虑了切向进给的有关的相关性，其中： [0068] β＝25°，设计角|A0|＝27°， [0069] 即图3所示的参数。 [0070] 最后，对于具有β＝8.3°且设计角的绝对值为13°的外齿轮示例，与之前的附图相类似，在图6a至6d中示出用于径向进给的相关性，而图7a至7d示出用于切向进给的相关性。如上所述的dA和dX(dY)的匹配程序也可在这一情形下执行，对每个齿面从加工余量q0开始，直至超出0.5mm为止。 |
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