CN106573320B

CN106573320B - 用于精加工硬齿面齿轮的方法

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Publication number: CN106573320B
Application number: CN201580032463.9A
Authority: CN
Inventors: 恩里科·兰迪; 克劳斯·派弗
Original assignee: Samp SpA
Current assignee: Aimei Gesu Co ltd
Priority date: 2014-06-18
Filing date: 2015-06-18
Publication date: 2019-04-02
Anticipated expiration: 2035-06-18
Also published as: BR112016029627A2; BR112016029627B8; EP3157703A1; ES2665353T3; EP3157703B1; BR112016029627B1; HUE038886T2; KR20170028331A; MX2016016607A; JP2017522194A; US10112246B2; KR102470056B1; JP6655556B2; US20170120358A1; WO2015193839A1; CN106573320A

Abstract

一种用于精加工硬齿面齿轮的方法，该方法包括：借助于具有限定切割边缘的第一切割工具进行的第一坯料量的第一干式去除步骤；以及借助于具有非限定切割边缘的第二切割工具进行的第二坯料量的第二干式去除步骤。

Description

用于精加工硬齿面齿轮的方法

技术领域

本发明涉及一种用于精加工硬齿面齿轮(hardened gear，硬齿齿轮，淬火齿轮，淬硬齿轮)的方法，优选为一种用于干式精加工具有1.00-3.50[mm]模数范围的齿轮的方法。

这种齿轮特别适用于要求在传输功率、低噪声排放和效率方面的高性能的汽车传动装置。该结果借助于硬齿面磨齿齿轮(具有至少54[HRC]的表面硬度)实现。事实上，这种齿轮目前提供最好的质量/价格比。

齿轮性能主要由齿轮侧面的几何形状和表面结构确定。虽然齿根区域以及齿根和侧面之间的过渡区域(齿根倒角区域)具有一定的重要性，但是目前大多数传动齿轮在硬化过程之后不在这些区域中进行精加工，而是仅在其侧面上精加工。

背景技术

众所周知借助于以下操作制造上述齿轮的事实：将齿切割成由软金属制成的圆柱形工件(“生坯(green)”)(借助于一个或多个后续工艺，特别是滚削加工(hobbing，滚切加工)或成形加工和剃削执行(shaving，剃齿加工))；以及硬化。

参照上述操作，硬化过程不可避免地导致齿轮轮廓、导程和螺距的改变，特别是其改变齿的宏观几何形状。因此，假定齿轮齿的几何形状和表面质量取决于它们经历的工艺顺序，旨在用于高性能用途的硬齿面齿轮不可避免地经受随后的精加工操作，特别是磨削操作，以便获得最好可能的表面质量和精度。为了完全平整由软金属“生坯加工”的加工和由于硬化期间的变形所致的齿轮几何形状的所有缺陷，需要的正交于齿轮的侧面的最小总坯料去除q≥0.03×m[mm]，其中m是齿轮的模数。

上述硬齿面齿轮的磨削过程除了产生切屑外，还产生大量的热。只有少量的热可以由碎屑和工具带走，并且因此使用润滑油或乳化液，目的是冷却该部件以避免在磨削过程期间过热的齿轮被损坏。具体地，如果齿轮变得太热(“烧坏”)，硬化被破坏并且齿轮表面不再适合于所需用途。

然而，使用润滑油意味着几个缺点：

-复杂和大型***，该***用于向机器供油并从机器回油，从油中过滤碎屑并将油冷却到一定温度。

-管理成本，用于保持机器周围区域清洁的；

-从磨齿齿轮清除剩余油的附加设备；

-更换润滑油的维护成本；

-与金属刨片混合的用过的润滑油的处理成本；

-以免操作者接触和吸入润滑油的保护和保健成本。

为了避免使用润滑油，已知硬齿面齿轮的干式滚削工艺。然而，通过这些工艺获得的表面质量不足以用于汽车传动应用。此外，还已知具有极长生产时间的干式磨削工艺(例如，这些工艺公开于<<创新齿轮制造>>(“Innovative Zahnradfertigung”)版，专家出版社，1986，ISBN-13：978-3-8169-1871-4)，但是这些工艺不适合生产具有非常短的加工时间(几秒)的汽车传动齿轮。

发明内容

本发明的目的是在竞争时间内(几秒内)借助于干式精加工工艺(即，没有润滑油)实现具有高表面光洁度的硬齿面齿轮。具体地，本发明的目的是提供一种用于在不使用润滑油的情况下并且在竞争时间内磨削硬齿面齿轮的方法。

本发明的目的是提供一种用于加工硬齿面齿轮的方法，所述齿轮具有坯料量为q≥0.03×m，其中，q＝待去除的并正交于齿轮侧面(f)的总坯料[mm]；m＝齿轮的模数[mm]；所述方法包括：借助于具有限定切割边缘的第一切割工具进行的第一坯料量的干式去除的第一步骤；以及借助于具有非限定切割边缘的第二切割工具进行的第二坯料量的干式去除的第二步骤。

本发明的目的还在于提供了具体实施方式中的用于加工硬齿面齿轮的方法。

附图说明

现在将参考所示附图描述本发明，附图示出非限制性实施例的示例，在附图中：

-图1是在第一加工步骤期间的硬齿面齿轮的平面图；

-图2类似于图1并且示出在第二加工步骤中的硬齿面齿轮；

-图3类似于图1并且示出根据本方法的另选实施例；

-图4是加工前硬齿面齿轮的齿轮齿的概略图；

-图5和图6分别是图1和图2的区域Ia和IIa的放大概略图；

-图7和图8分别是借助于盘形工具进行的第一加工步骤和第二加工步骤期间的硬齿面齿轮的示意图；以及

-图9和图10分别是图7和图8的区域Ib和IIb的放大概略图。

具体实施方式

在图1和图2中，1整体上表示用于精加工齿轮的机床，该机床包括工件支撑台2，其以已知和示意性示出的方式搁置在支撑平面P1上；工件支撑心轴3，其具有(以已知和示意性示出的方式)安装在工件支撑台2上的旋转轴线C；以及切割单元4。轴线C基本上垂直于平面P1。

切割单元4包括具有引导件6的基座5；滑动件7，滑动件继而包括(以已知和示意性示出的方式)可滑动地安装在引导件6内部的导轨8，以及可读取滑动件7沿引导件6的位置的(已知和示意性示出类型的)操作装置14。如图所示，滑动件7可滑动地安装在平行于工件支撑心轴3的轴线C且基本上垂直于支撑平面P1的平面P2上。滑动件7包括基本上垂直于平面P2的两个支撑元件15、16。

切割单元4包括轴9，该轴具有旋转轴线B并且以其端部(以已知和示意性示出的方式)安装在支撑元件15、16上。轴9可绕轴线B旋转。

切割单元4包括可使轴9围绕轴线B旋转的(已知和示意性示出的类型的)马达10。优选地，轴线B平行于平面P2。

切割单元4包括具有限定切割边缘的切割工具11和具有非限定切割边缘的切割工具12，这些切割工具两者都装配在轴9上并且沿轴线B相互间隔开。

具有限定切割边缘的切割工具11是已知类型的，并且包括具有预定轮廓的多个切割元件，所述预定轮廓带有已知切割角、上后角(upper clearance angle)和下前角(lowerrake angle)。这种工具特别适合于去除大的和不均匀分布的坯料，并且所取出的碎屑能够去除大部分的加工热。因此，这些工具非常适合于干式切割操作。

具有非限定切割边缘的切割工具12是已知类型的，并且包括具有未限定的形状和分布(通常具有负的前角)的多个切割元件。这种工具进行用于加工产品的表面精加工的磨削工艺。用具有非限定切割边缘的切割工具12取出碎屑是基于切割工具12和待加工的齿轮I之间的塑性变形和摩擦，并且因此根据所去除的坯料量生成大量的热。

两个切割工具，即具有限定切割边缘的切割工具11和具有非限定切割边缘的切割工具12，都可以是圆柱形蜗杆或可以是盘形形状。

此外，机器1包括控制单元13，控制单元(以已知和示意性示出的方式)与工件支撑心轴3、滑动件7的操作装置14和马达10联接。控制单元13调整滑动件7在平面P2上的平移、轴9的旋转以及工件支撑心轴3的旋转，以便在使用中使装配在工件支撑心轴3上的齿轮I与具有限定切割边缘的切割工具11同步和啮合，并且随后与具有非限定边缘的切割工具12同步和啮合(如下文更好地解释)。

在图1和图2中，11a表示具有限定切割边缘的切割工具，并且相应地12a表示具有非限定切割边缘的切割工具，这两个切割工具都为圆柱形蜗杆工具。例如，切割工具11a是滚刀，并且切割工具12a是螺纹磨削轮。

如图5和图6所示，圆柱形蜗杆工具11a和12a具有直的轮廓。因此，齿轮渐开线由附加运动生成，该附加运动是与每个切割工具11a和12a的旋转同步的待加工齿轮I的连续旋转滚动运动。由于在使用盘形形状的切割工具11b和12b(如下面将更详细地看到的)的加工中不存在非生产性分度，切割工具11a和12a有利地增加了生产率，并因此证明了大规模生产中滚动运动的附加复杂性。具体地，圆柱形蜗杆工具11a和12a有利地用于具有介于1.00和3.50[mm]之间的模数范围m的小齿轮的大规模生产。

在图7中，11b表示盘形形状并具有限定切割边缘的切割工具。在图8中，12b表示盘形形状并具有非限定切割边缘的切割工具。

例如，切割工具11b是铣刀，并且切割工具12b是磨削盘。

如在图9和图10中可见，盘形形状的切割工具11b和12b具有待加工的齿轮I的齿槽的精确轮廓并且在逐齿(tooth-by-tooth)的基础上操作。

由于不存在附加运动(即，与每个工具11a和12a的旋转同步的待加工齿轮I的连续旋转滚动运动)，盘式工具11b和12b需要更简单的运动，但需要标记切割工具11b和12b从齿到齿的非生产时间。因此，盘式切割工具11b和12b有利地专用于大型机器和大齿轮的生产。图3示出处于第一工作配置的图1所示机器的另选实施例101。与机器1的部件相同的部件除增加了百位外保持相同的编号。

根据图3所示的实施例，切割单元104包括两个滑动件107a和107b，其(以已知和示意性示出的方式)可滑动地安装在基座105上。每个滑动件107a(107b)继而包括可滑动地安装在基座105的引导件106内部的导轨108a(108b)，以及可读取滑动件107a(107b)沿引导件106的位置的操作装置114a(114b)。滑动件107a和107b彼此独立地沿引导件106驱动。

切割单元104包括轴109a，该轴具有旋转轴线B并且以其端部(以已知和示意性示出的方式)安装在支撑元件115a和116a上。轴109a可围绕轴线B旋转。切割单元104包括(已知和示意性示出的类型的)马达110a，其可使轴109a围绕轴线B旋转。优选地，轴线B平行于平面P2。切割单元104包括具有限定切割边缘的切割工具111，切割工具111围绕轴109a装配。

切割单元104包括轴109b，该轴具有旋转轴线B并且以其端部(以已知和示意性示出的方式)安装在支撑元件115b和116b上。轴109b可围绕轴线B旋转。切割单元104包括(已知和示意性示出的类型)的马达110b，其可使轴109b围绕轴线B旋转。优选地，轴线B平行于平面P2。切割单元104包括具有非限定切割边缘的切割工具112，切割工具112围绕轴109b安装。

在使用中，硬齿面齿轮I装配在工件支撑心轴3(103)上。优选地，齿轮I具有高于54[HRC]的表面硬度和介于1.00和3.50[mm]之间的模数m。

此外，齿轮I具有正交于齿轮侧面f的待去除的总坯料q(如图4所示)。为了完全平整由软金属“生坯加工”的加工和由于硬化期间的变形所致的齿轮几何形状的所有缺陷，总坯料q大于或等于0.03×m[mm](q≥0.03×m[mm])。

该方法包括借助于具有限定切割边缘的切割工具11(111)进行的齿轮I的初始坯料q₁(如图5或图9所示)的起始干式去除步骤(无润滑油)，以及借助于具有非限定切割边缘的切割工具12(112)进行的齿轮I的剩余坯料q₂(如图6或图10所示)的随后的干式去除步骤(无润滑油)。

起始去除步骤基本上校正齿轮侧面f的几何缺陷(宏观几何形状)并且去除几乎所有总坯料q。在起始去除步骤期间，齿轮I啮合具有限定切割边缘的切割工具11(111)。具有限定切割边缘的切割工具11(111)的使用允许去除显著量的不均匀分布的坯料。具有限定切割边缘的切割工具11(111)的使用对于起始去除步骤是有利的，因为总坯料q的分布在开始是未知的。此外，具有限定切割边缘的切割工具11(111)允许容易地去除从硬齿面齿轮I的边缘突出的可能硬化的毛刺。

随后的去除步骤校正微几何表面缺陷。在随后的去除期间，齿轮I啮合具有非限定切割边缘的切割工具12(112)。在借助于具有非限定切割边缘的切割工具12(112)进行的过程(磨削)中的热损伤的风险很大程度上取决于剩余坯料量q₂。

对于经济生产，去除的材料总量(体积V_w)和用于该去除的时间(切割时间t_c)是重要的。

切割和磨削过程的能力通常由比体积(specific volume)V_w和比去除速率(specific removal rate)Q_w描述。

去除材料的比体积V_wi[mm³/mm]由以下关系式限定：

其中，

-i为指数，对于起始去除步骤，该指数为1，对于随后的去除步骤，该指数为2(图4)；

-qi为待去除的坯料[mm](毫米)；

-z为齿轮齿的数量；

-b为齿轮侧面f的齿面宽[mm]；

-β为齿轮的螺旋角[deg](度)

参数z、b和β由要加工的齿轮I的几何形状限定。

去除比体积V_wi的切割时间t_ci[s](秒)由以下关系式限定：

其中，

-Δ_zi是与额外行程相关的过程[mm]，其是工具几何形状的函数，特别是工具直径和起点数的函数；以及

-f_zi是进给速率[mm/min](毫米每分钟)，其是技术和工具几何形状的函数，特别是工具直径和起点数的函数。

由于上述原因，t_cl和t_c2可以通过过程数据调整，特别是通过切割速度、进给速率、工具直径和起点数(对于圆柱形蜗杆工具)调整。

比体积V_wi和切割时间t_ci可以结合到比去除速率Q_wi[mm³/(mm×s)](立方毫米/(毫米x秒))，其根据以下关系式限定工序的生产率：

换句话说：

由起始干式去除步骤和随后的干式去除步骤的比去除速率Q_w限定的总生产率如下：

换句话说：

为了与使用润滑油的当前齿轮硬精加工相竞争，必须实现至少Q_w≥2.5[mm3/(mm×s)]的比去除速率。

由于上述原因，组合的比去除速率Q_w(生产率)只能通过用于起始干式去除步骤的q_i/t_cl和用于随后的干式去除步骤的q₂/t_c2的优化组合来实现。

特别地，在利用非限定切割边缘进行的随后的干式去除步骤(例如磨削)期间，磨光面的热损伤的风险很大程度上取决于剩余坯料q₂的量。因此，有利的是，保持剩余坯料q₂尽可能小。

有利地，在起始去除步骤之后，剩余坯料q₂小于或等于0.01×m[mm](即q₂≤0.01×m[mm])，并且初始去除步骤的初始坯料q₁大于0.02×m[mm](即q₁≥0.02×m[mm])。

例如，为了获得上述优点，切割工具11是圆柱形蜗杆工具11a(111)，并且在起始干式去除步骤期间具有限定切割边缘的切割工具11a(111)的过程数据包括大于或等于70[m/min](米每分钟)的切割速度v_c1；具体地，切割速度v_cl小于或等于250[m/min](即70≤v_c1≤250[m/min])。有利地，具有限定切割边缘的切割工具11a(111)包括大于或等于50[mm]且小于或等于100[mm]的工具直径d₀₁(即50≤d₀₁≤100[mm])。有利地，具有限定切割边缘的切割工具11a(111)包括大于或等于1且小于或等于5的多个起点(即，1≤n_s1≤5)。

例如，为了获得上述优点，切割工具12是圆柱形蜗杆12a(112)，并且在随后的干式去除步骤期间具有非限定切割边缘的切割工具12a(112)的过程数据包括大于或等于30[m/s]的切割速度v_c2；具体地，切割速度v_c2小于或等于100[m/s](即30≤v_c2≤100[m/s])。有利地，具有非限定切割边缘的切割工具12a(112)包括大于或等于100[mm]且小于或等于320[mm]的工具直径d₀₂(即100≤d₀₂≤320[mm])。有利地，具有非限定切割边缘的切割工具12a(112)包括大于或等于1且小于或等于7的多个起点(即1≤n_S2≤7)。

根据前述方法，借助于具有限定切割边缘的切割工具11(111)去除的起始坯料q₁在要被去除的总坯料q的占较大部分的百分比。借助于具有限定切割边缘的切割工具11(111)进行切割允许校正几何缺陷和大部分坯料q的快速去除。

因此，借助于具有非限定切割边缘的切割工具12(112)的随后的去除步骤在具有极小剩余坯料q₂的齿轮I上进行。因此，具有非限定切割边缘的切割工具12(112)的干式过程中的热足够低，使得硬化不被破坏并且齿轮表面保持适合于所需用途。

然后，具有非限定切割边缘的切割工具12(112)的切割时间比具有限定切割边缘的切割工具11(111)的切割时间长，但是足以在竞争时间内(几秒)完成齿轮I的整个加工过程。

由于剩余坯料q₂非常小(q₂≤0.01×m[mm])，因此当前在机床中用于确定齿轮I的旋转位置以便将其完美地与工具(112)啮合的控制传感器不能足够精确地检测此种剩余坯料q₂的量，以相应地调整过程。因此，上述过程的步骤不能在两个单独的机器上进行，因为已知控制***的误差容限大于要去除的剩余坯料q₂，从而不可能正确调整/啮合具有非限定切割边缘的切割工具12(112)。

在同一机器1(101)上准备用于起始去除步骤的具有限定切割边缘的切割工具11(111)和用于随后的去除步骤的具有非限定切割边缘的切割工具12(112)允许克服与用于调整磨削过程的控制传感器的精度相关的问题，因为起始去除步骤(用于去除q₁的滚削)和随后的去除步骤(用于去除q₂的磨削)根据总坯料q并根据由控制单元13(113)检测到的过程参数来调整。

此外，在同一机器1(101)上规划两个加工步骤允许减少与在工件支撑心轴3(103)上齿轮I的装载/卸载相关的机器准备时间。

由于上述方法的步骤是干式的(没有润滑油)，因此机器1(101)完全没有来自使用润滑油的所有经济和环境缺点。

Claims

1.一种用于精加工硬齿面的齿轮的方法，所述齿轮具有坯料量为

q≥0.03×m

其中，

q＝待去除的并正交于齿轮侧面(f)的总坯料[mm]；

m＝齿轮的模数[mm]；

所述方法包括：

-借助于具有限定切割边缘的第一切割工具(11；111)进行的第一坯料量(q₁)的干式去除的第一步骤；以及

-借助于具有非限定切割边缘的第二切割工具(12；112)进行的第二坯料量(q₂)的干式去除的第二步骤。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第一步骤和所述第二步骤在同一机器(1；101)上进行。

3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第一坯料量(q₁)、干式去除的所述第一步骤期间所述第一切割工具(11；111)的过程数据、所述第二坯料量(q₂)，以及干式去除的所述第二步骤期间所述第二切割工具(12；112)的过程数据被调整为用于获得至少2.5[mm³/(mm×s)]的组合比去除速率(Q_w)。

4.根据权利要求1所述的方法，其中，硬齿面的所述齿轮(I)具有至少54[HRC]的表面硬度。

5.根据权利要求1所述的方法，其中，所述模数m的值为1.00≤m≤3.50[mm]。

6.根据权利要求1所述的方法，其中，在干式去除的所述第一步骤之后，所述第二坯料量(q₂)小于或等于0.01×m[mm]；其中，m是所述齿轮(I)的模数的值；所述第一坯料量(q₁)大于或等于0.02×m[mm]。

7.根据权利要求1所述的方法，其中，在同一齿轮(I)上所述第一步骤和所述第二步骤直接连续地进行。

8.根据权利要求1所述的方法，其中，在所述第一步骤和所述第二步骤期间，待被精加工的所述齿轮(I)被夹持在相同的工件支撑心轴(3；103)上；并且其中，所述齿轮(I)在所述第一步骤和所述第二步骤期间固定在单个工作站(S)中。

9.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第一切割工具(11；111)和所述第二切割工具(12；112)安装在同一轴(9)上。

10.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第一切割工具(111)安装在第一轴(109a)上，并且所述第二切割工具(112)安装在第二轴(109b)上；其中，所述第一切割工具(111)和所述第二切割工具(112)独立地操作。

11.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第一切割工具(11；111)和所述第二切割工具(12；112)是盘式工具；具有限定切割边缘的所述第一切割工具(11；111)是铣刀(11b)，并且具有非限定切割边缘的所述第二切割工具是磨削盘(12b)。

12.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第一切割工具(11；111)和所述第二切割工具(12；112)是圆柱形蜗杆工具；具有限定切割边缘的所述第一切割工具是滚刀(11a)，并且具有非限定切割边缘的所述第二切割工具(12；112)是螺纹磨削轮(12a)。

13.根据权利要求1所述的方法，其中，具有限定切割边缘的所述第一切割工具的过程数据包括大于或等于70[m/min]的切割速度。

14.根据权利要求1所述的方法，其中，在干式去除的所述第二步骤期间具有非限定切割边缘的所述第二切割工具的过程数据包括大于或等于30[m/s]的切割速度。