精加工锥齿轮的方法和机器以及相应设计的磨削工具

摘要

用于在齿的齿顶的区域中精加工锥齿轮的方法，具有下列步骤：将锥齿轮提供在机床的工件轴上；围绕工件轴的工件旋转轴线旋转地驱动锥齿轮；将第一加工工具提供在机床的工具轴上；用第一加工工具加工锥齿轮；将作为第二加工工具的磨削工具提供在机床的工具轴或另一工具轴上；驱动该磨削工具以围绕该工具轴的工具旋转轴线旋转，其中磨削工具包括呈环状且相对于工具旋转轴线同心地布置的凹形加工区域；使磨削工具相对于锥齿轮前进，以便使该磨削工具的凹形加工区域与齿顶区域的边缘碎片移除操作连接，以便通过磨削加工在边缘上产生齿顶倒角，其中该边缘限定齿的齿侧面与齿顶之间的过渡，并且该边缘沿着齿的齿宽延伸。

说明书

技术领域

本发明的主题是一种用于在一个或多个齿顶区域精加工锥齿轮的方法和设计用于在一个或多个齿顶区域加工锥齿轮的机器。本发明还涉及相应设计的磨削工具。

背景技术

存在针对如下锥齿轮的应用领域：所述锥齿轮对几何结构、精度等需要特殊的标准。虽然在许多应用中锥齿轮的齿顶边缘的形成只起次要作用，但是例如用于直升机的锥齿轮规格要求在齿侧面与齿顶之间存在精确限定的过渡。

因此，例如，这些锥齿轮的规格要求齿顶边缘的半径在0.005”(0.127毫米)到0.015”(0.381毫米)之间的范围内。在作为示例提到的范围内的锥齿轮的生产较为复杂且易于出错。

发明内容

因此，考虑到以上陈述，本发明具有以下目的。即找到一种方法，该方法使锥齿轮的齿顶边缘能够被精确地和可再生产地加工，其中公差处于小于1毫米的范围内。公差处于500微米到1微米之间的范围内的齿顶边缘优选地使用本发明的方法加工。特别地，该方法是一种使得能够部分自动化或完全自动化地加工锥齿轮的齿顶齿侧面的方法。

根据本发明提供了一种方法，其特征可以从权利要求1中推断出来。

根据本发明还提供了一种机器，其特征可以从权利要求7推断出来。

根据本发明还提供了一种磨削工具，其特征可以从权利要求10推断出来。

根据待生产的齿顶边缘所具有的公差，本发明的方法可以以软质材料实施(即在工件的温度处理之前实施)或以硬化材料实施(即在工件的温度处理之后实施)。

其它优选实施例可以从相应的从属权利要求推断出来。

附图说明

在下文中，基于示例性实施例并参考附图描述本发明的进一步的细节和优点。

图1示出了螺旋齿锥齿轮或准双曲面齿轮的两个齿和一个齿间隙的示意图；

图2示出了另一锥齿轮或准双曲面齿轮的齿的正截面示意图，其中齿顶倒角设置在该锥齿轮上(为清楚起见，特别大地示出这些齿顶倒角)；

图3A示出了另一锥齿轮或准双曲面齿轮的齿的正截面示意图，其中，该齿示出为在执行根据本发明的精加工之前；

图3B示出了在执行根据本发明的精加工之后的图3A的齿的示意图；

图4示出了另一锥齿小齿轮的齿的正截面放大示意图，其中，呈齿顶边缘倒圆部形式的齿顶倒角设置在该锥齿轮上(为左侧齿顶边缘倒圆部示出了辅助圆)；

图5示出了另一锥齿轮或准双曲面齿轮的一部分的示意性透视图，其中所有齿都设置有齿顶倒角；

图6示出了另一锥齿轮或准双曲面齿轮的单齿的示意性透视图，其中该齿在凹侧上设置有齿顶倒角；

图7A在对角俯视图中示出了另一锥齿轮或准双曲面齿轮的示意图，其中在所示时刻，传统磨削工具(以径向截面示出)对角地插入齿间隙中的一个中，以加工齿侧面；

图7B示出了图7A的传统磨削工具的示意性剖视图(以轴向截面示出)；

图8示出了图2的齿连同通过本发明的磨削工具的轴向截面的示意图，其中在所示时刻，磨削工具的凹形环状区域正在加工右侧齿侧面的齿顶倒角；

图9示出了本发明的另一磨削工具的示意性剖视图(以轴向截面示出)，这里该磨削工具呈盘形。

图10示出了具有传统磨削工具并具有本发明的磨削工具的双轴磨削机(机床)的一部分的示意性侧视图，其中磨削机(可选地)包括专门修整盘；

图11示出了带有轴线名称的本发明的机床的示意图。

具体实施方式

本说明书中使用的术语也用于相关公开和专利。然而，应注意的是，使用这些术语只是用于更好的理解。本发明的概念和专利权利要求的保护范围不受限于通过具体选择的术语所进行的解释。本发明可以很容易地被转移到其它术语系统和/或技术领域。所述术语相应地应用于其它技术领域。

图1示出了锥齿轮1的齿轮齿的示意图，其在每种情况下均在齿间隙8的右侧和左侧分别具有齿3。图1的图例来自ISO23509标准。此外，使用了标准DIN 3960的细节。为了能够在图1中以所示形式示出螺旋齿轮齿，螺旋齿轮齿由计算机分解成大量正截面，且这些正截面以横向截面的方式一个接一个地放置。以下术语按照所引用的标准被限定如下：齿顶2，(齿顶)边缘4，齿侧面5，齿根9，齿宽b，齿顶厚度s_ta(见图2)。锥齿轮1的大端(heal)在图1的正面，而小端(toe)在背面(因此它在图1中不可见)。

图2示出了另一锥齿轮1的齿3的示意图。所谓的齿顶倒角6设置在齿顶边缘4的区域。所示齿3具有夸大地隆起的齿侧面5和超尺寸的齿顶倒角6，这是为了能更好地进行阐述。由于在所谓的精加工范围内在齿顶边缘4上加工出这些齿顶倒角6，齿顶厚度s_ta减小。形成的余留齿顶厚度在本文被标记为s_tak。通过附图平面的原齿顶边缘4的经过点用两个小叉示出于图2中。

词语“齿顶倒角”在所有实施例中应被理解为既用于齿顶边缘切断部6.1也用于齿顶边缘倒圆部6.2的一般概念。以正截面观察到的齿顶边缘切断部6.1具有线性轮廓(见图2)。齿顶边缘切断部6.1也可以被限定为切割部，其在齿3的齿顶2(在齿顶边缘4的区域)处取走一块材料。以正截面观察时，齿顶边缘倒圆部6.2具有弯曲的凸形轮廓(参见例如图3B)。

图3A示出了另一锥齿轮或准双曲面齿轮的齿3的正截面示意图，其中，该齿3示出为在执行根据本发明的精加工之前。弯曲的齿侧面5与齿顶表面7相交，从而在顶端限定齿顶2。相应的交叉线在本文被称为齿顶边缘4。在所示简图中，齿顶2具有齿顶厚度s_ta。

从图3A所示的情况开始，现在执行根据本发明的精加工。结果，形成图3B所示的齿3。在图3B的示例中，齿顶边缘倒圆部6.2通过切除材料而制出。两个辅助圆HK以虚线形式示出，从而能示出两个齿顶边缘倒圆部6.2的曲率半径ρ。形成的余留齿顶厚度s_tak小于齿顶厚度s_ta。

图4示出了另一锥齿轮1(这里为锥齿小齿轮)的齿3的显著放大的正截面示意图。该齿3也具有夸大地隆起的齿侧面5和齿根倒圆部14。这里的两个齿顶倒角6的尺寸比图2和3B中的尺寸更接近实际。继而在图4的锥齿轮1上设置有呈齿顶边缘倒圆部6.2形式的齿顶倒角6。对于左侧齿顶边缘倒圆部6.2示出了辅助圆弧HK。这里的辅助圆弧HK的曲率半径ρ显著大于图3B中的曲率半径。图4的辅助圆弧HK的中心点位于所示区域之外。

图5示出了螺旋齿锥齿轮1(右旋螺距)的一部分的示意性透视图，其中所有齿3都设置有齿顶倒角6。在图5中，齿顶倒角6的尺寸基本以其实际大小示出。

图6示出了另一螺旋齿锥齿轮1的单齿3的示意性透视图，其中该齿3在凹形齿侧面上设置有齿顶倒角6。在图6中，齿顶倒角6的尺寸基本以其实际大小示出。齿3从大端到小端渐缩。大端处的齿高h_pF大于小端处的齿高h_pZ。但是即使在这样的锥齿轮1中，齿顶倒角6从大端到小端的尺寸沿齿宽b保持相等。在图6中，示出了对角地位于空间中的工具旋转轴线A2，其被预定为能够使用本发明的磨削工具10磨削所示齿顶倒角6。所示工具旋转轴线A2的位置是简要示出的。

图7A在对角俯视图中示出了另一锥齿轮或准双曲面齿轮1的一部分的示意图。在所示时刻，传统磨削工具20被对角地插入到锥齿轮或准双曲面齿轮1的齿间隙中的一个中。在这里，磨削工具20以径向截面示出，即：工具旋转轴线A1垂直于附图平面。工件旋转轴线B未示出。工件旋转轴线与工具旋转轴线A1呈对角且向右上方对角地突出到图7A的图的附图平面之外。

图7A的视图来自传统磨削工具20(其在这里表现为杯形磨轮)的后侧。该磨削工具20的细节以轴向截面示意性剖视图的形式示出于图7B中。在图7B中可以看到，该磨削工具20呈杯形。该杯形由圆形周向端面杯形边缘形成，杯形边缘在这里用附图标记12指代。在所示实施例中，该杯形边缘12几乎处于基体15的最外周处，所述基体为圆柱形或呈截锥形状。

作为插入的替代，用于加工齿侧面5的另一种方法也可以结合本发明用于所有实施例(例如，展成法)。

除了用于(插入或展成)加工齿侧面5的磨削工具20(例如，如图7A和7B所示)，使用一种专门磨削工具10，在下文中基于示例性实施例对其进行描述。

在所有实施例中，专门磨削工具10被设计为相对于工具旋转轴线A2旋转对称。该专门磨削工具具有加工区域11，该加工区域在所有实施例中均为凹形。该加工区域11呈环状，其由两个环状区域13和16所致。这两个环状区域在图8和9中示出为与附图平面相交的直线或曲线。

所述环状区域13和16彼此相交于与工具旋转轴线A2同心的圆K1。在图8和9中，通过小叉可以看出该圆K1穿过附图平面。

在所有实施例中，两个环状区域中的至少一个(这里为区域13)被用作所谓的工作区域。至少该区域13设置有磨料。在所有实施例中，该工作区域13相对于工具旋转轴线A2同心地布置。

基于图8至11，将描述本发明的方法的细节。

本发明特别地涉及一种用于在齿3的齿顶2的区域中精加工锥齿轮1的方法。本发明的方法在所有实施例中至少包括以下步骤。为了能够以高精度进行所述精加工，锥齿轮1在精加工之前不重新夹紧。也就是说，锥齿轮1保持在同一夹具中，该夹具也在先前加工范围内使用(先前加工例如使用磨削工具20来进行，如图7A和7B所示)。

如图10和11基于两个示例所示，本发明的方法优选地在两轴机器100中进行。第一(工具)轴101承载用于加工齿侧面3的(传统)工具20。第二(工具)轴103承载用于加工倒角6的专门工具10。但是，本发明的方法也可以在只包括一个(工具)轴101的机床100上进行。在这种情况下，在加工倒角6之前，(传统)工具20必须被移除，专门工具10必须被紧固在(工具)轴101上。

如图11基于一个示例所示，在实施本发明的方法之前，锥齿轮1被紧固在机器100的工件轴102上。在所有实施例中，锥齿轮1是已使用例如如图7A和7B所示的第一加工工具20(预先)加工的锥齿轮1。为了能够使用第一加工工具20(预先)加工锥齿轮1，第一加工工具20例如被提供在机器100的第一工具轴101上。然后，以已知的方式用第一加工工具20来进行锥齿轮1的加工(例如，磨削加工)。工具20的相应旋转运动被标记为角速度ω1，相应的工具轴线被标记为A1。

现在首先进行本发明的精加工。在所有实施例中，精加工可以在使用工具20加工后立即进行，或者精加工可以在执行另外的(中间)步骤后进行。为了精加工，磨削工具10被提供在机床100的第一工具轴101或第二工具轴103上。

然后锥齿轮1被驱动成绕工件轴102的工件旋转轴线B旋转，磨削工具10被驱动成绕工具轴101的工具旋转轴线A1或绕工具轴103的工具旋转轴线A2旋转。工具10的相应旋转运动被标记为角速度ω2。

磨削工具10相对于锥齿轮1前进(例如，通过实施X2和/或Y和/或Z和/或B轴的运动)，以便使磨削工具10的凹形加工区域11与齿顶2的区域的边缘4碎片移除操作连接。然后，产生碎片移除操作连接，并且通过磨削加工在齿3的该边缘4处产生齿顶倒角6。

磨削工具10在图8的示例性实施例中表现为使环状区域16在磨削加工期间平坦地搁置在齿3的齿顶区域7上。该区域16不需要一定表现为研磨区域。相反，由于齿顶区域7在前面的步骤中已经被足够精确地限定，该齿顶区域7不必在根据本发明的加工范围内经受另外的(精)加工。

图8示出了图2的齿3连同通过本发明的示例性磨削工具10的轴向截面的示意图。工具旋转轴线A2与工件旋转轴线B呈对角(未示于图8)。在所示时刻，右侧齿侧面5的齿顶倒角6.1当前正由磨削工具10的凹形环状区域11加工。左侧齿侧面5的齿顶倒角6.1已在先前步骤中被相应地加工。

在本发明的含义中，凹形环状区域11是磨削工具10的如下区域：其在磨削工具10的轴向截面中呈凹形。换言之，其为在磨削工具10的轴向截面中示出的周向收缩部或周向减小部。在所有实施例中，凹形区域11应被理解为是要产生的齿顶倒角6的反像。也就是说，在所有实施例中，凹形区域11被设计成使得其在磨削加工期间紧密地压靠齿3的齿顶2，例如，像基于图8的示例可以看出的那样。

在本发明的所有实施例中，凹形加工区域11也可以布置在例如杯形磨削工具10的内周或外周上。但是，在这种情况下要注意，工具10的基本形状要使得能够无碰撞地接近待磨削的齿顶边缘4。图8的磨削工具10呈环状，其在外周上具有凹形加工区域11。

图9的磨削工具10呈盘形，其在外周上具有凹形加工区域11。在图9的磨削工具10中，在外周上设置有两个凹形加工区域11。因此如果凹形加工区域11中的一个被损耗，可以翻转磨削工具10。

为了避免磨削工具10与锥齿轮1的碰撞，在所有实施例中，磨削工具10均倾斜，例如，像在图6和8中看到的那样。在所有实施例中，磨削工具10优选地小于在前面的加工步骤的范围中通常使用的工具20。工具10与工具20的尺寸差异可以基于示例在图10中看出。一方面，工具10的大小由待加工的倒角6的大小和形状来限定。另一方面，工具10必须能够在不发生碰撞的情况下沿边缘4的方向前进，以便不以失控的方式触碰齿侧面5。

在所有实施例中，磨削工具10优选地为可被修整的磨削工具10。这就是说，磨削工具10在环状工作区域13的至少一个区域中提供有磨料，这使得能够使用修整工具50(例如，呈修整辊的形式)进行多次修整。但是，常用的修整工具不适于修整本发明的磨削工具10。这是因为磨削工具10的凹形区域11具有清晰显著的腔。常用的修整工具无法足够深地进入到这样的腔中以修整其中的环状区域13(并且可选地，和环状区域16)。

图10示出了磨削机100(在这里一般称为机床100)的一部分的示意性侧视图，其被设计为两轴机器100。第一工具轴101配备有磨削工具20(在这里呈杯形磨削工具的形式)。第二工具轴103配备有磨削工具10(例如，在这里呈图9的磨削工具10的形式)。机床100还包括修整工具50。该修整工具50以截面示出。相较于以前的修整工具，在所有实施例中，本发明的修整工具50优选地包括修整插入部51，该修整插入部的凸形外轮廓和尺寸被选择为使得修整插入部51可以修整磨削工具10的凹形加工区域11。

在所有实施例中，修整插入部51可以插入到修整工具50的轴向镗孔52中并紧固于其中(如图10所示)。在所有实施例中，修整插入部51也可以是修整工具50的一体部件。但是，在所有实施例中，也可以使用具有适当的凸形外轮廓和尺寸的修整工具50来代替修整插入部51。

为了能够使用修整工具50来修整凹形加工区域11，修整旋转轴线R3可以相对于磨削工具20倾斜，例如如图10所示。在图10所示的简图中，修整工具50位于工具20附近，以表明其也能够可选地被设计用于修整工具20。

在图11中示出了另一示例性计算机数控机床100。对应的计算机数控控制器110被示出为单独模块，其经由通信连接111连接到机床100。作为示例示出的该机床100具有第一竖直磨削轴101(A1轴线)。磨削工具20紧固在该磨削轴101上(例如，在这里杯形磨削工具被用作磨削工具20)。机床100还具有第二竖直磨削轴103(A2轴线)。本发明的专门磨削工具10紧固在该磨削轴103上。呈杯形的磨削工具10示于图11，其中示出了凹形区域。待加工的工件(锥齿轮1)坐置于B轴线上并在那里紧固在工件轴102上。

但是，在此加以描述并要求保护的本发明也可以在其它磨削机上实施。此外，该机床100具有枢轴C，其使得锥齿轮1能够枢转。此外，如图11所示，存在多个线性轴线X1，X2，Y和Z。

机床100被专门设计用于加工锥齿轮1，并且在所有实施例中包括工件轴102，该工件轴可以被驱动成绕工件旋转轴线B旋转。工件轴102被设计成容纳锥齿轮1。此外，在所有实施例中，机床100包括可以被驱动成绕工具旋转轴线A1旋转的至少一个工具轴101(在这里以竖直悬挂的构造示出)。该工具轴101被设计成容纳磨削工具20和/或磨削工具10。机床100的数控控制器110被专门设计用于实施本发明的方法。可选择地设置用于修整的修整工具50(如在图10中作为示例示出的那样)，修整工具可以绕修整旋转轴线R3旋转。可选的修整工具50未示于图11中。

附图标记：