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CN107530805A - 对具有降低的齿线变形的工件轮进行制齿的方法和设备 - Google Patents

对具有降低的齿线变形的工件轮进行制齿的方法和设备 Download PDF

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CN107530805A
CN107530805A CN201680022751.0A CN201680022751A CN107530805A CN 107530805 A CN107530805 A CN 107530805A CN 201680022751 A CN201680022751 A CN 201680022751A CN 107530805 A CN107530805 A CN 107530805A
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Abstract

本发明涉及一种制造带齿的工件轮(11)的方法，其中，所述工件轮(11)夹紧或固定在工件轴上，并且具有切削齿(2)的切削刀具(1)夹紧或固定在刀具轴上，所述刀具轴和工件轴以其旋转角的具有周期非线性的关联关系和/或以周期性变化的轴线间距(a)相互旋转驱动，并且所述切削齿(2)通过左侧切刃和右侧切刃(3、4)切削地加工所述工件轮(11)的齿部(12、12′)的左侧齿面和右侧齿面(13、14)，其中，在加工工件之前检测切削刀具(1)的转动偏差(7)和/或齿距误差(8、9)，并且通过周期非线性的关联关系和/或通过轴线间距(a)的周期性变化减小由转动偏差(7)和/或齿距误差(8、9)所导致的右侧和/或左侧齿面(13、14)的齿线变形(18)。

Description

对具有降低的齿线变形的工件轮进行制齿的方法和设备
本发明涉及一种制造带齿的工件轮的方法，其中，所述工件轮夹紧或固定在工件轴上，并且具有切削齿的切削刀具夹紧或固定在刀具轴上，所述刀具轴和工件轴以其旋转角的具有周期非线性的关联关系和/或以周期性变化的轴线间距相互旋转驱动，并且所述切削齿通过左侧切刃和右侧切刃切削地加工所述工件轮的齿部的左侧齿面和右侧齿面，其中，在加工工件之前检测切削刀具的转动偏差(或径向跳动)和/或齿距误差，并且通过周期非线性的关联关系和/或通过轴线间距的周期性变化减小由转动偏差和/或齿距误差所导致的右侧和/或左侧齿面的齿线变形。
此外，本发明还涉及一种用于实施所述方法的设备，其具有控制装置和用于夹紧工件轮的工件轴和用于夹紧切削刀具的刀具轴，所述控制装置设计为，能够使所述刀具轴和工件轴以其旋转角的具有周期非线性的关联关系和/或以周期性变化的轴线间距相互旋转驱动，使得所述切削齿通过左侧切刃和右侧切刃切削地加工所述工件轮的齿部的左侧齿面和右侧齿面，其中，所述控制装置设计为，通过在加工工件之前测得的、与刀具轴相连的切削刀具的转动偏差和/或齿距误差，能够以周期非线性的关联关系驱动工件轴和刀具轴和/或能够周期地改变轴线间距，以便减小由转动偏差和齿距误差所导致的左侧和右侧齿面的齿线变形。
由文献DE 10 2012 012 174 A1已知一种用于补偿刀具转动误差的方法，其中，刀具转动误差根据刀具轴线的旋转位置确定。此外还检测刀具旋转轴线的旋转位置。实施补偿运动，以便补偿工具转动误差。补偿运动取决于与测得的旋转位置相对应的刀具转动误差。
此外由DE 10 2009 003 610 A1、DE 10 2008 037 514 A1、DE10 2008 037578 A1和DE 10 2005 049 528 A1分别描述了呈滚铣刀具或滚切刀具形式的机床。
文献DE 196 31 620 A1、DE 10 2011 108 972 A1和EP 1 319 457 A2面临的问题在于，工件仅能以显著的费用对中且不倾斜地夹紧在刀具容纳卡盘中。在上述文献中描述了用于测量工件的轴线与工件容纳部的旋转轴线的相对位置的传感器，利用传感器能够检测工件的轮廓轴线相对于工件轴的轴线错移和工件的轮廓轴线相对于工件轴轴线的倾斜。以在加工过程中工件的校正运动的形式建议了加工耦连的电摆动补偿，以便补偿工件的错误定向。
该类型的机床具有机器壳体或机架，机器壳体或机架支承着工件轴和刀具轴。刀具轴和工件轴能够相互位错，从而使刀具轴轴线和工件轴轴线的轴线交角和两个轴线的轴线间距能够被调整。两个轴具有用于容纳刀具和待切削工件的卡盘。刀具轴和工件轴分别通过电气控制的电机装置运行。其涉及电同步的独立电驱动器。同步化借助控制装置实现，控制装置设计为，两个轴以给定的转速比相互旋转驱动。设有切削齿的切削轮啮合进待切削的工件轮中。通过切除式加工在坯件中切出内齿部或外齿部的齿槽。工件轮的齿数和切削刀具的齿数在此不同，从而使切削轮的确定的齿只有在切削轮多次旋转之后才能进入相同的齿槽。优选地，为了切削工件轮而使用切削轮，切削轮的齿数与工件轮的齿数相配合，从而在切削齿旋转与切削轮的齿数相对应的次数之后，确定的齿才首次重新进入相同的齿槽。
在本发明所力求改进的方法中，工件轮的左侧和右侧齿面具有沿齿面延伸方向延伸的周期性的齿线变形，其原因在于，切削轮的直接依次进入工件轮的相同齿槽中的切削齿沿切削轮的周向相互远离。切削轮的无缺陷的制备不能利用现有技术的措施实现。由此应该避免切削轮的切削齿具有转动偏差，并且切削轮的切刃具有齿距误差。总体上，左侧和右侧切刃的转动偏差和齿距误差从定义误差零位的角位置开始在一个周向位置上具有最大值，并且在与该周向位置错移的位置上具有最小值。在这两个位置之间，齿距误差总体上以平滑的曲线变化，从而使转动偏差和齿距误差的一次近似值能够绘制为三角函数(正弦、余弦)。因为受方法所限通常切削轮的直接相邻的齿不随后进入工件轮的相同的齿槽中，因此造成上述齿线变形。
利用根据本发明的方法或利用根据本发明的设备，应通过工件轴和刀具轴的周期性的相对旋转并且通过工件轴相对于刀具轴的轴线间距的周期性变化，减小造成工具的转动偏差和齿距误差的齿线变形。在现有技术中，工件轮的旋转角与工具轮的旋转角的关联关系通过工具的校正运动改变，以便补偿工件的错误定向。如果没有这类补偿，两个旋转角的差值在曲线图中是一条直线，该直线的斜率等于转速比。通过关联关系的周期的非线性，实现了周期性改变的转速比。沿齿面的额定轮廓的旋转方向前突的齿面在时间上延迟地啮合在工件轮齿部的相配属的齿面上。沿旋转方向相对于切刃的额定轮廓回缩的切刃在时间上提前地啮合在工件轮齿部的与其配属的齿面上。两个旋转角的比例的曲线因此是不同于直线的曲线，该曲线尤其具有周期性。作为备选或补充地，用于调整刀具轴或工件轴的轴线位置的伺服驱动器通过机床的控制装置移动，从而为了补偿转动偏差而周期性地改变轴线间距。这不仅在尤其内部带齿的工件的制造中而且在外部带齿的工件的制造中实现。在一个旋转位置中，在该旋转位置中相对于额定轮廓沿径向突伸的切削齿嵌入工件轮，则轴线间距具有增大的值。在刀具的一个旋转位置中，在该旋转位置中沿径向向内错移的切削齿嵌入工件轮，则轴线间距略微减小。在制备内齿部时，轴线间距有时也略微增加。关联关系的改变或轴线间距的改变的周期长度可以对应于切削轮的齿数。然而周期长度也可以是刀具轴的转速的一半或1/N。
根据本发明，检测在工件轴上夹紧的切削轮的转动偏差和齿距误差。为此，在机器壳体或机架上设置相应的测量工具。由此除了切削刀具的误差之外还能够关注刀具轴的夹紧误差和转动偏差。根据本发明的方法当然可以在工件轮的粗加工时、也就是说在制齿时实施。然而优选地规定，转速比补偿或者说轴线间距补偿在精加工时、例如在精切步骤中进行。在粗加工时左侧和右侧的齿面同时被加工，相较而言，在精加工时则采取分离地，从而使左侧和右侧的齿面通过先后依次的工序被分别单独进行加工。根据本发明的方法尤其在齿轮的滚切时使用，在进行滚切时使用齿轮状的切削轮，该切削轮以相对于工件轮的轴线交角被旋转驱动。在此，沿工件轮的斜齿啮合或直齿啮合齿的延伸方向进行进给。优选使用电同步的独立电驱动器，独立电驱动器能够通过高达150Hz的频率调节。
根据本发明的设备具有控制装置，所述控制装置能够根据控制程序处理控制指令。控制程序包含前述的方法步骤，从而使根据本发明的机床配置为，该机床按照所述方法工作。
利用根据本发明的方法对左侧切刃的转动偏差和右侧切刃的转动偏差进行测量，并且分别单独地通过校正运动进行消除。然而作为补充或备选，还能够检测齿顶切刃的转动偏差并且单独地补偿该转动偏差。根据本发明的机床为此具有固定配属于机架的测量工具。
以下借助附图对本发明的实施例进行更详尽的阐述。在附图中：
图1示出工件轮11和切削轮1，所述工件轮绕旋转轴线23借助未示出的工件轴被旋转驱动，所述切削轮绕未示出的刀具轴的旋转轴线22被旋转驱动，
图2示出切削轮1与测量设备21的正面视图，
图3示出在切削轮1的位置B中的根据图2的齿部截图III，
图4示出在切削轮1的位置C中的根据图2的齿部截图IV，
图5示出根据图1的工件轮11的截图V，
图6示出沿图5的齿面的剖切线VI-VI的剖面，其中，明显放大地再现出齿面的沿齿延伸方向的表面形廓，
图7明显放大地示出在切削轮1的周向上的左侧切刃3的转动偏差7、齿距误差8，右侧切刃4的齿距误差9，
图8明显放大地示出切削轮1的由齿距误差8、9所导致的、简化为正弦函数的旋转角的校正值，
图9明显放大地示出针对切削轮1的旋转、由转动偏差7所导致的、简化为正弦函数的轴线间距a的校正值，
图10明显放大地示出用于校正左侧的齿距误差8的、切削轮1的旋转角与工件轮的旋转角的关联关系，和
图11明显放大地示出用于校正右侧的齿距误差9的、切削轮1的旋转角与工件轮的旋转角的关联关系。
以下所描述的设备是机床，所述机床具有壳体或者说机架，如在现有技术中已知的，因此既未示出机架，也未示出固定在机架上的刀具轴和工件轴。机床具有已知的电驱动器，以便调整和改变刀具轴或工件轴的倾斜位置和刀具轴相对于工件轴的轴线间距。机床此外还具有至少两个独立电驱动器，独立电驱动器是电子同步的并且分别配属于工件轴或刀具轴。设置有控制装置，利用所述控制装置使轴线驱动器受控或同步化。控制装置能够利用高达150Hz的调节频率影响工件轴与刀具轴的转速比。刀具轴线例如以400转/分钟的转速旋转。工件轴的转速以工件齿数相对于刀具齿数的比值减小。工件的轮转(切削轮1的同一切削齿2在轮转之后嵌入工件轮11的两个齿12、12′之间的齿槽中)相当于切削轮的旋转次数，一次旋转与切削轮的齿数相关。
图1示出呈滚切轮形式的切削轮1，其具有径向突伸的、基本上沿周向均匀分布的切削齿2。切削轮1的旋转轴线22与工件轮1的旋转轴线23呈预定的轴线交角。切削齿2分别切削地嵌入工件轮11的两个齿12、12′之间的齿槽中。通过在直齿啮合的情况下沿工件轮11的旋转轴线23的方向的给进，制备完成齿12的左侧齿面13和右侧齿面14。在此，切削轮1的切削齿2的左侧齿面13和右侧齿面14嵌入齿槽。
标记A处的切削齿2定义出转动偏差7、左侧的齿距误差8和右侧的齿距误差9的任意零位。在图2中位置B、C上的齿2的放大视图在图3、4中定性地示出左侧切刃3的转动偏差7以及齿距误差8和右侧切刃4的齿距误差9。利用实线示出切削齿2的切刃3、4以及齿顶切刃5和齿根边缘10。利用虚线6示出切削齿2的精确的额定轮廓。切刃3、4的额定轮廓线6的偏差构成左侧的齿距误差8和右侧的齿距误差9。齿距误差8、9的数值大小大致上沿正弦函数从位置A经过位置B和C在切削齿1的整个周向上变化。然而具有切削齿1的周长的正弦周期的正弦形延伸走向仅是一次近似值。
此外，转动偏差7也可以近似为切削齿1的周向上的圆弧周期。
在图1所示的加工方式中，切削齿的直接相邻的齿2并未直接向后依次嵌入工件轮11的同一齿槽中，齿部在其齿距误差方面仅略有差异。这取决于传动比。如果例如具有30个齿的切削轮要啮合具有31个齿的工件轮，那么工具的啮合顺序为1、2、3、4、……、30、31、1、2、……。工件轮11的直接相邻的齿部12、12′仍具有在横截面中近似的齿顶误差17和左侧以及右侧的齿线误差18、19，如图5所示。因为直接依次嵌入同一齿槽中的切削齿2还在切削齿1的较大周向角上相互位错，所述齿部具有差异明显的转动偏差7以及齿距误差8、9。这导致在图6中夸张示出的齿线误差18。在此涉及齿面轮廓线13相对于笔直的额定线走向16从切口至切口以一定程度来回震荡的偏差。齿面行程g是工件轮11相对于切削轮1在一个轮转内移动的行程。由此齿线误差13在齿面行程g、h中重复。
当切削轮1的转速与工件轮11的转速具有固定比值时，也就是说切削轮1和工件轮11的旋转角和的关联关系是直线的，如图10至11虚线所示，则出现前述误差。
利用根据本发明的方法，借助固定在机架或机器壳体上的测量装置21测量每个切削齿2的齿顶切刃5、左侧切刃3和右侧切刃4相对于理论轮廓6的位置偏差。测量装置可以在相应的位置轴线上与工具接触。可以测量每个切削齿2的左侧切刃3和右侧切刃4的空间位置。切削轮1在此以不能避免的转动偏差和有时的倾斜误差夹紧在刀具轴的卡盘中。形成在图7中示出的三个测量曲线，所述测量曲线是单纯定性地在切削轮1的整个圆周上具有三角函数走向的测量曲线。由图7可知，所述曲线可以具有相互不同的走向。
由左侧切刃3的齿距误差8和右侧切刃4的齿距误差9的测量曲线分别构成角度补偿函数，所述角度补偿函数在图8中示出。为简便起见，角度补偿函数在此具有正弦曲线。针对切削轮1的从0至360°的周向线上的每个齿而言，形成了转角校正值Δ，当相应的切削齿2进行切削啮合时，有必要以所述转角校正值使切削轮1相对于工件轮11前进或后退。由此导致切削轮1与工件轮11或刀具轴或工件轴的旋转角和的改变的关联关系，如图10中针对左侧切刃3的齿距误差8的补偿和图11中为了补偿右侧切刃4的齿距误差9所示。为了更清楚地阐明，与直线的偏差被明显夸张地示出。如图可知，所述补偿是关联关系的周期非线性，其中，周期长度在最简单情况下相当于切削轮1的周向角。此外还可以实现更高阶的校正，为此使用较短的周期长度，例如周向角的1/N。
为了补偿齿顶误差17，根据图9周期性地改变从刀具轴至工件轴的轴线间距a，其中，在此的周期长度还相当于切削轮1的圆周。为简便起见，在此的校正值还具有正弦函数的走向。在此还实现更高阶的校正。
利用根据本发明的机床和根据本发明的通过校正运动被驱动的切削轮1，可以进行工件轮11的全切齿(在夹具中的粗切齿和精切齿)。为此准备好的、尤其旋转对称的不带齿的坯料夹紧在工件轴的卡盘中。在根据本发明的全切齿中带来在现有技术中未曾关注的问题，必须补偿工件的转动偏差或倾斜误差。利用根据本发明的方法所完成的对工件轮的粗切齿利用还要实施精加工的同一个切削刀具1完成。制备完成的齿部具有轮廓周线，所述轮廓周线与工件轴的旋转轴线重合。粗切齿的完成可以在不考虑切削刀具1的转动偏差和/或齿距误差的情况下实施。然而在粗切齿时也可以已经通过上述校正运动补偿了切削刀具1的转动偏差和齿距误差。根据本发明，至少在精加工时通过上述校正运动考虑到切削刀具1的转动偏差和齿距误差。
上述实施方式用于阐述全部包含在本申请内的发明，本发明通过以下技术特征组合分别对现有技术进行创造性的改进，也即：
一种方法，其特征在于，在加工工件之前检测切削刀具1的转动偏差7和/或齿距误差8、9，并且通过周期非线性的关联关系和/或通过轴线间距a的周期性变化减小由转动偏差7和/或齿距误差8、9所导致的右侧和/或左侧齿面13、14的齿线变形18。
一种方法，其特征在于，测量夹紧在刀具轴上的切削轮1的左侧和右侧切刃3、4和齿顶切刃5的位置。
一种方法，其特征在于，左侧和右侧齿面13、14在依次的工序中被分别单独地精加工。
一种方法，其特征在于，所述切削刀具是滚切刀具，所述滚切刀具沿齿面13、14的延伸方向移动。
一种方法，其特征在于，所述刀具轴和工件轴分别被电耦连的独立电驱动器旋转驱动。
一种设备，其特征在于，所述控制装置设计为，通过在加工工件之前测得的、与刀具轴相连的切削刀具1的转动偏差7和/或齿距误差8、9，能够以周期非线性的关联关系驱动工件轴和刀具轴和/或能够周期地改变轴线间距，以便减小由转动偏差7和齿距误差8、9所导致的左侧和右侧齿面13、14的齿线变形18、19。
一种设备，其特征在于，所述设备是具有支承着工件轴和刀具轴的壳体的机床，并且在所述壳体上固定有测量工具21，用于测量夹紧在工件轴上的切削轮的左侧和右侧切刃3、4和/或齿顶切刃5的位置。
所有公开的特征(本身及其相互组合)都有发明意义或发明价值。在本申请的公开文件中，所属/附属的优先权文本(在先申请文件)的公开内容也被完全包括在内，为此也将该优先权文本中的特征纳入本申请的权利要求书中。从属权利要求的特征都是对于现有技术有独立发明意义或价值的改进设计，尤其可以这些从属权利要求为基础提出分案申请。
附图标记清单
1 切削刀具
2 切削齿
3 切刃
4 切刃
5 齿顶切刃
6 额定轮廓、理论轮廓
7 转动偏差
8 齿距误差
9 齿距误差
10 齿根边缘
11 工件轮
12 齿
12′ 齿
13 齿面
14 齿面
15 齿顶
16 额定轮廓
17 齿顶误差
18 左侧的齿线变形
19 右侧的齿线变形
20 齿根
21 测量工具
22 旋转轴线(工具)
23 旋转轴线(工件)
A 位置
B 位置
C 位置
a 轴线间距
g 齿面行程
h 齿面行程
Δ 校正值
旋转角
旋转角

Claims (9)

1.一种制造带齿的工件轮(11)的方法，其中，所述工件轮(11)夹紧或固定在工件轴上，并且具有切削齿(2)的切削刀具(1)夹紧或固定在刀具轴上，所述刀具轴和工件轴以其旋转角的具有周期非线性的关联关系和/或以周期性变化的轴线间距(a)相互旋转驱动，并且所述切削齿(2)通过左侧切刃和右侧切刃(3、4)切削地加工所述工件轮(11)的齿部(12、12′)的左侧齿面和右侧齿面(13、14)，其中，在加工工件之前检测切削刀具(1)的转动偏差(7)和/或齿距误差(8、9)，并且通过周期非线性的关联关系和/或通过轴线间距(a)的周期性变化减小由转动偏差(7)和/或齿距误差(8、9)所导致的右侧和/或左侧齿面(13、14)的齿线变形(18)，其特征在于，测量夹紧在工件轴上的切削轮(1)的左侧和右侧切刃(3、4)的位置，并且左侧和右侧齿面(13、14)在依次的工序中被分别单独地精加工。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述切削刀具是滚切刀具，所述滚切刀具沿齿面(13、14)的延伸方向移动。
3.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，测量夹紧在刀具轴上的切削轮(1)的齿顶切刃(5)的位置。
4.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述刀具轴和工件轴分别被电耦连的独立电驱动器旋转驱动。
5.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述切刃(3、4)和/或齿顶切刃(5)的位置通过布置在机器壳体或机架上的测量工具测量。
6.一种用于实施根据上述权利要求中任一项或多项所述方法的设备，其具有用于夹紧工件轮(11)的工件轴和用于夹紧切削刀具(1)的刀具轴，并且所述设备还具有控制装置，所述控制装置设计为，能够使所述刀具轴和工件轴以其旋转角的具有周期非线性的关联关系和/或以周期性变化的轴线间距(a)相互旋转驱动，使得所述切削齿(2)通过左侧切刃和右侧切刃(3、4)切削地加工所述工件轮(11)的齿部(12、12′)的左侧齿面和右侧齿面(13、14)，其中，所述控制装置设计为，通过在加工工件之前测得的、与刀具轴相连的切削刀具(1)的转动偏差(7)和/或齿距误差(8、9)，能够以周期非线性的关联关系驱动工件轴和刀具轴和/或能够周期地改变轴线间距，以便减小由转动偏差(7)和齿距误差(8、9)所导致的左侧和右侧齿面(13、14)的齿线变形(18、19)，其特征在于，所述控制装置设计为，测量夹紧在工件轴上的切削轮(1)的左侧和右侧切刃(3、4)的位置，并且左侧和右侧齿面(13、14)在依次的工序中被分别单独地精加工。
7.根据权利要求6所述的设备，其特征在于，所述设备是具有支承着工件轴和刀具轴的壳体的机床，并且在所述壳体上固定有测量工具(21)，用于测量夹紧在工件轴上的切削轮的左侧和右侧切刃(3、4)和/或齿顶切刃(5)的位置。
8.一种用于实施根据上述权利要求中任一项或多项所述方法的设备，其具有用于夹紧工件轮(11)的工件轴和用于夹紧切削刀具(1)的刀具轴，并且所述设备还具有控制装置，所述控制装置设计为，能够使所述刀具轴和工件轴以其旋转角的具有周期非线性的关联关系和/或以周期性变化的轴线间距(a)相互旋转驱动，使得所述切削齿(2)通过左侧切刃和右侧切刃(3、4)切削地加工所述工件轮(11)的齿部(12、12′)的左侧齿面和右侧齿面(13、14)，其中，所述控制装置设计为，通过在加工工件之前测得的、与刀具轴相连的切削刀具(1)的转动偏差(7)和/或齿距误差(8、9)，能够以周期非线性的关联关系驱动工件轴和刀具轴和/或能够周期地改变轴线间距，以便减小由转动偏差(7)和齿距误差(8、9)所导致的左侧和右侧齿面(13、14)的齿线变形(18、19)，并且所述设备具有壳体，所述壳体支承着工件轴和刀具轴，其特征在于，在所述壳体上固定有测量工具(21)，用于能够测量左侧和右侧切刃(3、4)的位置。
9.一种方法或设备，其特征在于上述权利要求中任一项所述的技术特征。
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