在分度过程中切削齿轮的方法

专利名称：在分度过程中切削齿轮的方法
技术领域：
本发明涉及一种用于切削齿轮之类尤其是锥齿轮和准双曲面齿轮的方法。本发明具体涉及一种在工件分度过程中进行工件加工的加工方法。
背景技术：
在本说明书及其权利要求书的文本中将参照“锥”齿轮。这种参照倾向于包括外形通常为圆锥形并在交叉轴线上运转的齿轮，但也倾向于包括那些在非平行、非交叉轴线上运转的的齿轮如准双曲面齿轮。
由非创成加工过程即不采用加工摇台转动或等同物并且工具的轮廓形状被赋予工件上的加工过程可以通过端面铣和端面滚来实现。
非创成端面滚包括刀具头上的成组、通常是成对配置的切削刀片。端面滚包括穿过一齿槽的每组切削刀片，该组中每一刀片均形成一完全沿齿槽的纵向部分的切口。该端面滚加工过程系齿槽中在任何给定时间均有多于一把刀片存在。通过刀具与工件以一相互定时关系转动，从而能使工件连续分度连续形成齿轮的每个轮齿齿槽。
在非创成端面铣方法中，工件系保持不旋转而切削刀具则切入工件全深以形成一齿槽(即齿间隔)，从而产生相邻轮齿的相对两侧。在全深处作一短暂停留以保证形成所需齿槽之后，将该刀具从该齿槽中退出，然后通过工件旋转将工件分度到下一齿槽位置并重复切削加工过程。应注意，非创成切削加工过程中最常用的工具包括被配置在一绕刀具头的圆上的切削刀片，这些切削刀片相互对齐，以便当工具旋转时通过这些切削刀片的刀尖形成一个圆。
切削工序之后，通常即对已端面铣的工件进行热处理，然后并进行精加工如研磨或磨削，虽然在一些情况下也采用精切削工序。
对锥齿轮进行磨削的一种方法是采用一通常为杯状的磨轮，加工步骤与端面铣类似。按照相同的加工步骤将磨轮切入一齿槽，暂停一段时间以允许磨轮切除所有需切除的材料或“磨削至无火花”(spark out)，退出磨轮，以及将工件分度到下一齿槽。
在端面铣切削和磨削加工过程中，使工件分度到下一齿槽位置所需的时间占的比例相当大。在磨削中，用于分度的时间估计等于磨削时间的30-60％。分度时间表示闲置时间，在此期间不进行切削，故一特定机器上所需零件的生产有效停止以进行分度。当将分度时间作为一个整体例如将在一天、一周、一月中用于分度的总的时间来考虑时，所产生的非切削时间就相当可观，与这种非生产时间有关的成本相应提高。
因此，本发明的一个目的在于提供一种减少与分度有关的非生产时间的加工方法。
本发明的进一步的目的在于提供一种加工方法，这种方法在加工的同时进行至少一部分分度、从而使以前的闲置加工时间得以生产利用、并使循环时间和加工质量得以改善。
发明概况本发明涉及一种用一具有一个或多个材料切除表面的通常为杯状的工具加工一锥齿轮状工件中的一条或多条齿槽的方法。该齿槽包括一具有圆弧形式的长度方向曲线的齿根部。
该方法包括通过绕一工件旋转轴线旋转的工件分度将齿槽中的一个带到一最后加工位置。在至少一部分分度的同时，使工具定位而与工件接触，以开始加工齿槽。该工具在分度过程中切入齿槽，但该工具在工件分度的同时移动以使该工具保持位于齿槽中。工具的切入、移动以及分度继续到至少到达最后加工位置。
该工具可以是一切削工具或磨轮，而分度可以是间断的或连续的。
附图简单说明

图1示意性地表示一用于进行本发明加工过程的机床。
图2用图解形式表示工件轴线(W)在按照本发明的分度过程中的位置和速度。
图3用图解形式表示工具切入轴线(Z)在按照本发明的分度过程中的位置和速度。
图4用图解形式表示机床轴线(X)、(Y)和(B)在按照本发明的分度过程中的代表性位置和速度。
图5用图解形式表示工件轴线(W)在按照本发明的分度过程中的另一位置和速度。
较佳实施例具体描述现参照附图对本发明进行具体描述。
本发明的方法可在任何能沿和/或绕三根相互垂直的轴线使一工具和工件相对定位的机床上实现。一用于实施本发明加工过程的较佳的锥齿轮加工机床如图1所示。该机床系颁发给Krenzer等人的美国专利号4981402中所揭示的型式，它包括工具与工件之间沿和/或绕三根相互垂直轴线的直线和旋转的相对运动且为计算机数控(CNC)。
该锥齿轮加工机床包括一底座10，装在底座10上的一工具支承12和工件支承26。工具支承12包括可在导轨16上沿机床底座10的宽度(X轴线)移动的工具支承架14，以及可在位于承架14上的导轨20上沿相对于机床底座10垂直方向(Y轴线)移动的工具头18。一工具主轴22可旋转地装在工具头18中，一工具24可拆卸地安装在工具主轴22上以绕一工具轴线(T)旋转。在图1中，工具24被表示为一通常为杯状的磨轮，然而，本发明也可采用包括多个切削刀片的切削类工具24。
工件支承26包括可在导轨30上沿机床底座10的长度(Z轴线)移动的工作台28，以及可沿一圆弧轨迹在导轨34上移动以提供绕一枢转轴线(B轴线)枢转的工件头32。工件36可拆卸地安装在一位于工件头32中的可旋转的工件主轴38上，用于使工件绕一工件轴线(W)旋转。
工具主轴22、工件主轴38、工件头32、工作台28、工具头18和支承架14均由单独的驱动马达(未示)驱动。上述部件均能彼此相对独立运动并可同时相对运动。每个相应的马达均连接有一反馈装置例如一线性或旋转编码器(未示)作为一CNC系统的一部分，该CNC系统按照输入到一计算机(未示)中的指令管理驱动马达的运转。该编码器向计算机提供有关每个可移动部件的实际位置的反馈信息。如图1所示的机床能在该机床加工范围内相对于一工件将一工具定位在几乎任何位置。而且，这些机床能沿或绕直线或旋转轴线对部件进行非常迅速而精确的定位。
在通过非创成端面铣加工锥齿轮时，迄今为止的实践都是相对于工具将工件带入，以通过将工具切入工件一定深度而对工件上一特定齿槽位置进行加工。在这种类型的加工过程中，是将工具的形式赋予工件。换句话说，工具的材料切除表面(一个或多个)将形成一具有与该工具相同轮廓的齿槽。
为了在工件上形成正确的轮齿表面，必须形成一正确的齿槽。只有当工具轴线和工件轴线相互在适当位置时，才能实现所需的轮齿表面的几何形状。对工具轴线只有一个独一无二的精确的位置，该工具在此位置将在工件中全深度位置处形成所需的在几何上正确的齿槽。工具的刀尖部在此位置与所需齿槽的根部互补，而工具的齿侧面也与所需轮齿的齿侧面互补。对于非创成端面铣加工过程来说，该加工位置即为“切入”位置，并在图1中位置1处示出。
在现有技术中，上述切入位置1是通过工件36来假设的。然后使工具24相对于工件36进给到一全深度位置以形成所需齿槽。然后将工具24退出并对工件36进行分度，以将下一个齿槽从位置2带到由前面的齿槽占据的相同的加工位置1，而将在位置3处的齿槽相应地分度到位置2。将工具24重新切入工件36并退出。然后将本来位于位置3处的齿槽分度到加工位置1并重新开始加工。重复分度、加工和退出的过程，直至工件上的所有轮齿齿槽形成。
在现有技术中，用于分度的时间占据相当大的比例。在分度过程中不进行加工而该闲置加工时间是非生产性的。本发明人已经揭示，通过在工件实际分度过程中开始加工过程能大大减少非生产性分度时间。
如上所述，相对于需加工的工件齿槽只有一个工具轴线位置，该位置在工具全深度处提供正确的齿槽。然而，本发明人已经揭示，当工件如图1所示被分度到“切入”位置1时，可发生该工具相对于该工件的起始接触和切入。由于在本发明的文本中，加工是发生在所达到“切入”位置之前，故以后将位置1称为“最后加工”位置更为合适。然而，应清楚地理解，工具与工件在最后加工位置的相对定位等同于在“切入”位置时的相对位置。
本发明人发现，在到达最后加工位置1之前开始工具切入可减少闲置加工时间，从而使加工过程的生产效率更高，并提供缩短加工一工件所需时间的能力。该缩短的循环时间系由减少工件在工具与所加工的连续齿槽接触之间所需的分度行程产生，即减少通过工件进行分度行程的量而不是减少与工具的接触。
实际上，由于开始旋转工件36以将一齿槽位置例如从位置2分度到最后加工位置1，工具24沿或绕一个或多个适当的机床轴线相对运动，以使工具朝向工件运动并在某个点处沿分度轨迹与工件36接触。工件分度继续时，将该工具进给到工件内，并通过沿X,Y和B轴线中的一个或多个运动同时跟随旋转工件，以使工具中心相对于齿槽中心保持在一恒定位置，从而在不违反在最后加工位置处产生的最终齿槽形状的情况下实现所需的材料切除。
一旦到达最后加工位置1后，即可采取两个步骤。第一个步骤是停止工件分度，而工具在到达其在齿槽中的全深位置所需的任何额外切入之后最好能在该齿槽中暂停一段预定时间以保证所有材料从槽中去除。然后将工具退出，并从工具在上述分度过程中经直线和枢转轴线重新定位以在下一个齿槽位置与工件接触开始使工件重新分度。采用这一步骤，由于分度部分与实际加工时间结合在一起，故缩短了对于工件的加工时间。
上述用于加工一齿槽的步骤的一个实例图解地示出于图2、3和4中，这些图表示所示机床轴线的量值单位相对于时间单位的位置和速度。如图3所示，对于第一个时间单位，唯一的移动轴线是沿负方向移动以从一已加工齿槽退出工具的进给轴线(Z)。一旦工具开始从一已加工齿槽退出，如图2中所示的工件轴线(W)和图4中所表示的其它机床移动轴线(X)、(Y)和(B)均开始移动以开始分度，如图2中增加的工件速度和位置值所示，并在朝向如图1所示的最后加工位置1加以分度时使工具重新定位(图4)以接触下一个齿槽。当然，应当理解，对于分度和重新定位来说，开始时就有足够的工具退出量起作用能在工具与轮齿齿面之间有适当间隙以防止在这些分度和重新定位移动开始时的干涉。
如图2所示，可见工件分度速度保持常数，而这在工件位置方面则产生一等比变化(正向斜率)，直至在约10个时间单位处达到最后加工位置，此时由于工件旋转位置方面的变化趋于稳定，故旋转速度下降(即工件分度停止)。
当工件如图2所示以一恒定速率分度时，进给轴线Z(图3)在2个时间单位之前退出。可能在进给运动方面有一短暂的停止，而其它机床轴线则被重新定位(图4)，然后工具开始送进，如图所示，起初速度提高很快，然后在约4个时间单位处与工件接触而慢到一恒定速度及伴随的稳定切入率，直至在约10个时间单位处到达最后加工位置。如图4所示，剩下的机床轴线很快地被重新定位，这可见于从约1至约4个时间单位中位置和速度两者的斜率均很陡峭，其间这些轴线在位置和速度两方面均显示稳定变化，图4的这一部分表示为跟随工件分度所必须的恒定的工具重新定位。
图5表示对于图2所示稳定分度的一种替换。随着工具的退出，分度速度很快地提高，伴随着很快的工件位置变化。在这种方式中，大多数分度量在约4个时间单位处与工具接触之前就完成了，在该处开始一在速度和位置方面更稳定的变化，并继续到在约10个时间单位处通过最后加工位置。伴随着这种分度的Z轴线以及X、Y和B轴线变化基本上如图3和4所示。
可在工具和工件到达最后加工位置1时进行的第二步骤包括立即退出工具而继续工件分度，然后如上所述，通过使机床轴线在下一个齿槽位置处在特定的齿槽位置到达最后加工位置1之前与工件接触使工具快速重新定位。当然，采用这一步骤，能理解到由于工具的退出是立即作用的而工件则继续分度，在工具和工件到达加工位置1处的同时，完成到全深的工具切入。因此，一旦到达最后加工位置1，则基本上没有机会再作进一步的工具切入。采用这种继续步骤，加工工件的时间比以上第一步骤快，与现有技术相比加工一个工件所需时间约减少一半。
本发明的一个优点在于，由于起初的工具接触和切入发生在最后加工位置之前，故遭遇起初加工的很大的力发生在工件正在旋转(分度)时，而并不出现在最后加工位置。因此，任何工件位置误差如因高的扭矩负载引起的工件主轴滑动或间隙均可在齿槽到达最后加工位置之前通过计算机控制器加以测量和校正，从而避免在工件旋转停止时对位置误差进行测量和校正的更困难的步骤。当到达最后加工位置时，大量工件材料已从齿槽去除，故加工力相当小，因此能使工件主轴驱动机构将工件精确地定位在最后加工位置，从而提高几何和间隔精度。
本发明的另一个优点在于，虽然分度和加工是同时发生的，工具相对于旋转工件保持其位置的运动产生工具相对于被加工轮齿齿面的角度位置的变化。这个运动引出一种可被理解为创成正在产生的齿面的形式的滚动运动。该滚动运动的理由在于加工的开始发生在精确切入位置(即加工位置1)的上方或下方。通过这种滚动运动，工具与工件之间的接触为一个或多个有限的椭圆形区域而不是整个齿面。这种接触减少了磨削加工中的烧伤。
本发明也可有效地对工具磨损进行控制。在许多齿轮中普遍存在相对的轮齿表面压力角不一致的情况。在非创成端面铣方法中，工具的轮廓形状具有与齿槽轮廓互补的形状，因此，工具相对侧面的压力角也包括不一致的压力角。在这种采用现有技术的切入式加工的情况下，已观察到由于工具两侧面不一致的压力角造成的不一致的工具磨损。本发明通过提供使工件旋转方向在分度过程中反向的自由，可减少由于压力角不一致引起的工具磨损，从而对工具上的磨损进行平衡。例如，图1示出当将齿槽位置2分度到最后加工位置1时工件36的顺时针旋转。采用本发明，工件36的分度方向可代以逆时针方向。工具24将在最后加工位置上方的一位置与工件36接触并跟随工件向最后加工位置1的逆时针转动。
在切入和分度过程中，包含有刀尖圆形轨迹的平面并不与轮齿根部基本平行，而在到达加工位置1时则通常为这种情况。然而，由于工件和工具朝向最后加工位置1运动，它们的相互位置即发生变化，以至在到达最后加工位置1的瞬间，工具和工件将在适当的位置上以满足这一条件。如果需要，可另外调节枢转轴线(B)以在工具的整个送进过程中保持刀尖圆基本平行。
本发明倾向于包括在工件旋转过程中任何分度位置处通过一齿槽位置与工具接触。例如，参照图1，工具可在分度开始之前或同时接触一齿槽位置。在这种方式中，工具24将在位置2处与工件36接触，然后通过跟随工件36旋转的工件24到达最后加工位置1而开始分度。在更多的另一些较佳实例中，由于工具24在位置1处从一完工齿槽中退出，工件36的分度将立即开始，同时工具将重新定位以在位置2和1之间的一分度位置处与下一个齿槽接触，然后并跟随工件的转动到最后加工位置1。当然，如果采用前述的连续加工过程，则将跟随这些实例的后者。应当理解，与工件的接触也可在一齿槽位置，其中接触的齿槽并非邻近的齿槽。例如，在图1中，当齿槽在位置1处完工后，可以上述方式将工具移动到与在位置3处的齿槽接触。
如果需要，可以通过分度在工具与工件之间同时作用另外的相对运动以修改轮齿表面的几何形状并产生轮齿表面，而不是与工具的轮廓形式互补。工具与工件之间的另外的相对运动也可在已到达的最后加工位置后作用，以通过修改工具互补或齿槽的“切入”形式来改变轮齿几何形状。
虽然已结合非创成端面铣加工过程对本发明作了描述，本发明的概念对创成端面铣加工过程也已证明具有优越性。在创成加工过程中，一旋转工具被进给到工件中一预定深度。一旦到达这一深度，工具和工件一起通过由工具的材料去除表面代表的理论齿轮的轮齿表面沿一模仿与一绕一创成齿轮轴线转动的理论创成齿轮啮合的工件的转动的轨迹经受一滚动运动(即一创成滚动)。该轮齿的齿面形状系由工具和工件在创成滚动过程中的相对运动形成。对工件上的每个轮齿重复该加工过程。
在所有端面铣创成加工过程中，当为创成每个齿槽而对一工件定位时，必须包括一单独的分度步骤。当采用上述现有技术端面铣时，在分度时并不进行加工，故加工时间被浪费了。而如采用本发明的方法，在分度时工具进给到齿槽全深，从而将前述的单独分度步骤和送进步骤结合为一个步骤。采用该加工过程可减少循环时间和机床非加工时间。
虽然以上参照较佳实施例对本发明作了描述，但应当理解本发明并不限于这些具体实例。本发明倾向于包括对熟悉本领域的人员来说是显而易见的修改，这些修改的实质内容不脱离所附权利要求书的精神和范围。
权利要求
1．一种用一具有一个或多个材料切除表面的通常为杯状的工具加工一锥齿轮状工件中的一条或多条齿槽的方法，所述方法包括通过绕一工件旋转轴线旋转将所述齿槽中的一个带到一最后加工位置而将工件分度，在至少一部分分度的同时，使所述工具定位而与所述工件接触，以开始加工所述齿槽。
2．如权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括以下步骤在所述分度过程中切入所述工具，在对工件进行所述分度的同时移动所述工具以使所述工具保持位于所述齿槽中，所述工具的切入、移动，以及分度继续到至少直至到达所述最后加工位置。
3．如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述工具的切入、移动，以及分度继续到到达所述最后加工位置之后。
4．如权利要求2所述的方法，其特征在于，还包括以下步骤将所述工具从所述齿槽中相对地退出，以及重复分度、定位、接触、切入、用于所述工件的连续齿槽的移动及退出的步骤。
5．如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述工件的所述分度是连续的，所述工具在到达所述最后加工位置时立即从所述齿槽中相对退出。
6．如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述工件的所述分度是间断的，以此到达所述最后加工位置，所述工件转动停止而所述工具仍留在齿槽内一预定时间。
7．如权利要求6所述的方法，其特征在于，在到达所述最后加工位置后，所述工具进一步切入所述齿槽内一全深位置。
8．如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述工具为一切削刀具。
9．如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述工具为一磨轮。
10．如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述工具和所述工件可沿三根互相垂直的轴线直线地相对移动，并绕一枢转轴线成角度地运动。
11．一种用一具有一个或多个材料切除表面的通常为杯状的工具加工一锥齿轮状工件中的一条或多条齿槽的方法，所述方法包括通过绕一工件旋转轴线间断旋转将各个齿槽依次带到一最后加工位置而将工件分度，在至少一部分分度的同时，使所述工具定位而与所述工件接触，以开始加工所述齿槽，在所述分度过程中切入所述工具，在对工件进行所述分度的同时移动所述工具以使所述工具保持位于所述齿槽中，所述工具的切入、移动，以及分度继续到至少直至到达所述最后加工位置。
12．如权利要求11所述的方法，其特征在于，还包括以下步骤将所述工具从所述齿槽中相对地退出，以及重复分度、定位、接触、切入、用于所述工件的连续齿槽的移动及退出的步骤。
13．如权利要求11所述的方法，其特征在于，在到达所述最后加工位置后，将所述工具进一步切入所述齿槽内一全深位置。
14．如权利要求11所述的方法，其特征在于，所述工具为一切削刀具。
15．如权利要求11所述的方法，其特征在于，所述工具为一磨轮。
全文摘要
一种用一具有一个或多个材料切除表面的通常为杯状的工具(24)加工一锥齿轮状工件(36)中的一条或多条齿槽的方法。该方法包括通过绕一工件旋转轴线间断旋转将各个齿槽连续带到一最后加工位置(1)而将工件(36)分度;在至少一部分分度的同时,使工具(24)定位而与工件接触,以开始加工齿槽;并在分度过程中切入工具,在对工件进行分离的同时移动工具以使工具保持位于齿槽中;工具的切入、移动,以及分度继续到至少直至到达最后加工位置(1)。
文档编号B23F9/10GK1211208SQ97192324
公开日1999年3月17日 申请日期1997年2月12日 优先权日1996年2月29日
发明者赫尔曼J·斯塔特费尔德, 威廉D, 麦克格拉松, 肯特D·扬克 申请人:格里森工场