KR20120040251A - 페이스 기어를 제작하기 위한 방법 및 공구 - Google Patents

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헤르만 요트. 슈타트펠트
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더 글리슨 웍스
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Abstract

본 발명의 커터 디스크는 원주부 상에 배향된 절삭 블레이드를 가지고 있는 커터 디스크로서, 절삭 블레이드의 절삭 에지가 커터 디스크의 회전 축선에 대해 수직으로 배향되어 있어, 이에 의해 짝을 이루는 페이스 기어 세트의 피니언의 압력각과 동일한 각도로 워크피스(페이스 기어의)에 대해 배향될 수 있고, 워크피스 상에 이 플랭크를 창성하도록 가상 피니언 축선 둘레로 회전될 수 있는 평면을 나타낸다.

Description

페이스 기어를 제작하기 위한 방법 및 공구{METHOD AND TOOL FOR MANUFACTURING FACE GEARS}
본 발명은 기어의 제작에 관한 것이며, 보다 상세하게는 페이스 기어를 제작하기 위한 방법 및 공구에 관한 것이다.
페이스 기어는 당해 페이스 기어와 그것의 짝을 이루는 부재 사이의 축각과 같은 이끝 원추각(및 이뿌리 원추각)을 가지는 링 기어이다. 짝을 이루는 부재는 보통의 원통형 스퍼 또는 헬리컬 피니언이다. 표준 페이스 기어는 역시 90°인 축각과 일치하는 90°의 이끝 원추각을 가진다(이와 같은 90°기어는 "크라운" 기어로도 알려져 있다).
지금까지, 페이스 기어를 제작하는 방법은 특수 공구가 일반적으로 수정 원통형 기어 제작 기계인 공작 기계에 적용되는 단일 디자인에만 전용되면서 복잡해져 왔다. 그와 같은 소프트(연식) 페이스 기어 제작 방법으로서는:
Figure pct00001
원통형 호빙 머신 상에서, 호빙 공구의 최저 원주 구역에서의 절삭을 가능하게 해주기 위해(수직형 호빙 머신 테이블 축선에서) 수정된 특정 작업 전용의 특수 호브를 사용하는 호빙 가공법;
Figure pct00002
페이스 기어 세트의 이뿌리 원추각(일반적으로 90°) 만큼 회전된 워크 테이블(보통의 원통형 기어 셰이핑 머신과 대비됨)을 구비하여, 짝을 이루는 원통형 피니언을 나타내는(짝을 이루는 원통형 피니언에 상당하는) 셰이퍼 커터와 셰이핑 머신을 사용하는 셰이핑 가공법;
Figure pct00003
5축 머시닝 센터 상에서 엔드 밀을 사용하는 유니버설 밀링법;
Figure pct00004
아래의 하드(경화) 다듬질 가공에서 기술되는 연삭 방법을 이용하는 중실체 연삭 가공법;이 포함된다.
오늘날의 알려진 페이스 기어의 하드 다듬질 가공 방법으로서는:
Figure pct00005
대략 1.5 내지 2.5 나사 회전수를 갖는 작은 폭의 대직경 휠 상에 페이스 기어 세트의 피니언 치형 프로파일과 동일한 나사 기준 프로파일을 구비한 나사형 연삭 휠을 사용하는 연속식 연삭 가공법(여기에 그 개시내용이 참고되는 WO 98/02268; US 6,390,894; 및 US 6,951,501 참조);
Figure pct00006
페이스 기어 세트의 피니언 치형 프로파일과 동일한 휠 프로파일에 의한 단일 분할 창성 연삭 가공법(single index generating griding; 기어 공작물의 원둘레를 소요 각도로 분할하여 이동해 가며 한 이씩 창성 연삭 가공하는 방법);
Figure pct00007
셰이퍼 커터 또는 특수 호브를 사용하는 스카이빙 가공법;
Figure pct00008
5축 머시닝 센터 상의 엔드 밀을 사용하는 스카이빙 가공법;
Figure pct00009
잇면 상에 연마층을 구비한 수정 피니언을 사용하는 호닝 가공법;이 포함된다.
현시점에서, 페이스 기어 소프트 기계가공 방법은 고비용이고 다른 작업을 위한 사용이나 최적화와 관련하여 유연성이 없는 특정 작업 전용 특수 공구에 의존하고 있다. 페이스 기어의 기계가공 시간은 일반적으로 비교 대상의 원통형 또는 베벨 링 기어의 절삭 시간보다 현저하게 길다.
2가지의 보다 일반적인 페이스 기어 하드 다듬질 가공 방법은 드레싱하기가 어렵고 긴 드레싱 시간을 요하는 매우 복잡한 공구 기하형상을 이용하거나(나사형 휠 연삭) 또는 면폭 방향으로의 이송 운동과 조합되는 복잡하고 시간소모가 큰 창성 롤(roll; 전후 요동인 피치(pitch) 및 연직축 둘레 회전적 요동인 요(yaw)와 대비되는 좌우 요동)을 이용하고 있다(단일 분할 창성 연삭).
카바이드 재료로 제작된 특수 호브나 셰이퍼 커터에 의한 스카이빙 가공법은 적당한 절삭 시간을 제공하지만 고비용일 뿐만 아니라 쉽게 입수하기 어렵거나 아예 입수 불가능한 공구를 필요로 한다.
페이스 기어 호닝 가공법은 예컨대 고비용이면서 유연성이 없는 열처리되고, 연삭되고 CBN 코팅된 피니언을 필요로 하고, 양호한 칩 제거를 위해 다소 큰 피니언 오프셋(페이스 기어와 짝을 이루는 원통형 피니언 사이에 요구되는 오프셋과 같은)에 의존하여, 그와 같은 큰 오프셋을 가지는 페이스 기어 세트에만 사용이 제한된다.
본 발명은 원주부 상에 배향된 절삭 블레이드를 가지고 있는 커터 디스크로서, 절삭 블레이드의 절삭 에지가 커터 디스크의 회전 축선에 대해 수직으로 배향되어 있어, 이에 의해 짝을 이루는 페이스 기어 세트의 피니언의 압력각과 동일한 각도로 워크피스(페이스 기어의)에 대해 배향될 수 있고, 워크피스 상에 이 플랭크를 창성하도록 가상 피니언 축선 둘레로 회전될 수 있는 평면을 나타내는 커터 디스크에 관한 것이다.
도 1은 페이스 기어 및 그것의 짝을 이루는 원통형 스퍼 피니언의 2차원 단면도를 도시하고 있다.
도 2A 및 도 2B는 각각 구형 호빙 공구 및 원통형 호빙 머신을 도시하고 있다.
도 3은 도 1에서의 피니언이 셰이퍼 커터로 대체된 페이스 기어를 도시하고 있다.
도 4는 도 2A의 호빙 공구의 프로파일을 축선방향 평단면으로 복제하도록 드레싱되는 나사형 연삭 휠의 3차원 도면을 도시하고 있다.
도 5는 페이스 기어와 짝을 이루는 상대 피니언 치형 프로파일을 복제하는 연삭 프로파일을 구비한 원주 디스크 연삭 휠을 도시하고 있다.
도 6은 페이스 기어 및 연삭 휠의 2차원 단면도를 도시하고 있고(페이스 기어 축선이 단면 내에 위치하고, 이 단면은 가상 피니언 축선과 수직임), 연삭 휠의 원주부의 부분도도 포함하고 있다.
도 7은 골면(초기) 롤 위치(bottom(start) roll position), 중간 롤 위치(center roll position) 및 봉우리면(말기) 롤 위치(top(end) roll position)에서의 연삭(또는 절삭) 디스크를 도시하고 있다.
도 8은 공구 디스크의 2차원 모식도(좌) 및 공구 디스크의 부분도(우)를 도시하고 있고, 가상 피니언 축선의 위치, 및 골면 롤 위치, 중간 롤 위치, 봉우리면 롤 위치를 나타내는 3개의 접촉선도 도시하고 있다.
도 9는 페이스 기어 및 공구 디스크의 3차원 도면으로, 공구 디스크는 골면 롤 위치, 중간 롤 위치 및 봉우리면 롤 위치에서의 외형선으로 나타내져 있다.
도 10A 및 도 10B는 각각 크레이들형 베벨 기어 창성기에 대한 직접적인 좌표계 및 벡터와 관련한 정면 삼각 벡터도 및 평면 삼각 벡터도를 도시하고 있다.
도 11은 6축 자유 곡면 가공기계에서의 커터 디스크와 페이스 기어의 배열을 도시하고 있다.
도 12는 공구 디스크의 원주부에 의해 페이스 기어의 가장 깊은 이뿌리선이 형성되는 방법을 도시하고 있다.
본 발명의 어떠한 특징 및 적어도 하나의 구성을 상세히 설명하기에 앞서, 본 발명은 이하의 설명이나 도면에 예시된 상세한 구성에만 적용되는 것으로 한정되어서는 안된다는 것을 이해해야 한다. 본 발명은 다른 구성으로 이루어질 수 있으며, 다양한 방식으로 실시 및 실행될 수 있다. 또한, 여기에 사용되는 설명을 위해 여기에 사용되는 용어는 설명을 위한 것으로 한정을 위한 것으로 간주되어서는 안된다는 것을 이해해야 한다.
여기서 사용되는 "구비하는", "가지는", "포함하는" 및 그 변형된 형태는 이하에 열거되는 항목과 그 균등적 항목뿐만 아니라 부가적인 항목도 포함하는 것을 의미한다. 방법 또는 공정의 요소를 식별하기 위한 자구의 사용은 단순히 식별을 위한 것으로, 그 요소들이 특정 순서로 실행되어야 한다는 것을 나타내지 않는다.
도면을 설명함에 있어 상, 하, 상방, 하방, 후방, 바닥부, 상부, 전방, 후방 등과 같은 방향에 대한 대비가 이하의 설명에 이루어지고 있지만, 이러한 대비는 편의를 위해 도면(일반적인 방향에서 본)에 대해 이루어지는 것이다.
이러한 방향들은 문자 그대로 받아들여지는 것이나 어떤 방위 또는 형태에 있어서 본 발명을 한정하는 것을 의도한 것이 아니다. 또한, "제1", "제2", "제3", 등과 같은 용어들은 여기서는 설명을 위한 것으로 중요도나 심각성을 나타내거나 부여하는 것을 의도한 것이 아니다.
어떤 사용처에 페이스 기어를 사용할 것이냐는 효율적이고 경제적인 제작 공정의 가용성에 크게 좌우된다. 지금까지는, 페이스 기어에 대한 경제적인 소프트 기계가공 공정이나 하드 다듬질 가공 공정은 가용하지 않았다.
도 1은 페이스 기어 및 그것의 짝을 이루는 원통형 스퍼 피니언의 2차원 단면도를 도시하고 있다. 이 실시예에 있어서, 페이스 기어 축선과 피니언 축선 사이의 축각은 90°이다. 축각이 90°보다 크면 페이스 기어를 내부 링 기어로 만들게 될 것이다. 축각이 0°인 특별한 경우에는, 페이스 기어 쌍은 원통형 링 기어로 변하게 된다.
도 2A는 구형 호빙 공구를 도시하고 있다. 호브의 절삭 블레이드(절삭 이)는 원통형 피니언 보디 둘레에 집체되었을 때(한 구역당 3개의 이로 이루어짐) 스퍼 피니언의 이를 나타낸다(스퍼 피니언의 이에 상당한다). 또한, 도 2B는 호브의 골면 구역 상에서 페이스 기어의 이를 절삭하게 해주는 수정된 호브 헤드를 구비한 원통형 호빙 머신을 도시하고 있다. 일반적으로 호브의 매 회전당 1피치의 워크 회전을 요하게 되는 1줄 호브가 사용된다. 호브는 페이스 기어의 외부에서 내부로 이송된다. 공구 이송 중에, 공구의 리드각에 좌우되는 워크 회전의 보정량이 고려되어야 한다.
도 3은 도 1에서의 피니언이 셰이퍼 커터로 대체된 페이스 기어를 도시하고 있다. 셰이퍼 커터는 페이스 기어의 짝을 이루는 피니언과 같은(또한 가상 피니언과 같은) 다수의 절삭 이를 가지고 있다. 셰이퍼 커터 축선과 수직인 평면 내의 절삭 윤곽이 가상 피니언의 면 윤곽을 정확히 복제(모방)한다. 셰이퍼 커터가 페이스 기어와 맞물려 회전하는 한편, 커터 축선방향의 스트로크 운동이 칩 제거 작용을 위해 요구된다.
도 4는 도 2A의 호빙 공구의 프로파일을 축선방향 평단면으로 복제하도록 드레싱되는 나사형 연삭 휠의 3차원 도면을 도시하고 있다. 나사형 휠이 회전하는 동안, 연삭하는 나사 프로파일의 곡면 배향은 연삭 휠 축선과 스트로크 방향에 의해 한정되는 평면의 위치에서 회전하는 가상 피니언 프로파일에 근사한다. 가상 피니언의 전체 폭을 모사(simulation)하기 위해, 연삭 휠은 페이스 기어의 면폭을 따라 가상 피니언 축선 방향으로 횡단하여야 한다. 1줄 나사 연삭 휠인 경우에는, 워크는 매 휠 회전마다 1피치 회전해야 한다. 횡단 과정 동안에, 리드 보정값만큼 워크 회전이 추가된다.
도 5는 원주 디스크 연삭 휠을 도시하고 있다. 연삭 프로파일은 페이스 기어와 짝을 이루는 상대 피니언 치형 프로파일을 복제하고 있다. 이 프로파일은 연삭 휠의 각각의 측면에 접촉하는 한 지점의 페이스 기어 프로파일을 성형한다(하나의 롤 위치이면서 하나의 면폭 위치). 휠이 가상 피니언의 방향으로 스트로크하면, 가상 피니언과 페이스 기어 사이의 하나의 접촉선(창성 프로파일의 각각의 측면상의)이 형성된다. 전체 페이스 기어 치형 프로파일을 형성하기 위해서는, 연삭 휠이 가상 피니언 축선 둘레로 회전하여야 한다(스트로크하면서). 스트로크 운동이 무한히 빠른 경우와 가상 피니언 축선 둘레의 회전이 무한히 느린 경우에는, 수학적으로 완전한 쌍의 페이스 기어 플랭크가 창성될 것이다. 도 5에서의 연삭 휠 위치는 창성 롤 공정에서 중간 롤 위치를 나타낸다.
도 6은 페이스 기어의 2차원 단면도를 도시하고 있다(페이스 기어 축선이 단면 내에 위치하고, 이 단면은 가상 피니언 축선과 수직임). 이 도면은 또한 도 5의 중간 롤 위치에서는 도시되지 않고 초기 롤 위치와 말기 롤 위치에서 도시된 연삭 휠의 원주부도 나타내고 있다.
전술한 바와 같이, 확인된 종래기술의 페이스 기어의 소프트 및 하드 기계가공 방법은 고비용이고 다른 작업을 위한 사용이나 최적화와 관련하여 유연성이 없는 특정 작업 전용의 복잡하고 특수한 공구에 의존하고 있다. 또한, 가공 및/또는 드레싱 시간이 길고 복잡하다.
본 발명자는 원주부 상에 배향된 절삭 블레이드(또는 연마 재료)를 가지고 있는 공구 디스크(예컨대, 절삭 디스크 또는 연삭 디스크)로서, 절삭 블레이드의 절삭 에지가 커터 디스크의 회전 축선에 대해 수직으로 배향되어 있는 공구 디스크가 짝을 이루는 페이스 기어 세트의 피니언의 압력각과 동일한 각도로 워크피스(페이스 기어의)에 대해 배향될 수 있고, 워크피스 상에 하나의 페이스 기어 플랭크를 창성하는 동안에 가상 피니언 축선 둘레로 회전될 수 있는 평면을 나타낸다는 것을 발견하였다. 도 7은 골면(초기) 롤 위치, 중간 롤 위치 및 봉우리면(말기) 롤 위치에 있어서의 연삭(또는 절삭) 디스크를 보여주고 있다. 이 디스크는 회전 축선에 대해 수직이고(또는 경미하게 경사져 있는) 외부면인 좌측면 상에 연마층(또는 절삭 에지)을 가지고 있다. 디스크의 이 면은 중간 롤 위치에서 완벽하게 가상 피니언의 피치선을 나타내는 창성 평면이다. 초기 롤과 말기 롤 사이의 매 롤 위치에서, 공구와 워크피스는 특정 각도로 회전되어야 한다. 공구 디스크는 페이스 기어 잇수를 가상 피니언 잇수로 나누고, 증분(increment) 워크 기어 회전각을 곱하고, 작은 추가 회전량을 더하여 산출된 각도만큼 가상 피니언 축선 둘레로 매 새로운 롤 위치로 회전되어야 하며, 이는 공구 디스크가 특정 롤 위치에서 인벌루트와의 공통선을 가지도록 공구 디스크를 위치시킨다.
도 9는 페이스 기어 및 공구 디스크의 3차원 도면을 도시하고 있다. 공구 디스크는 골면 롤 위치, 중간 롤 위치 및 봉우리면 롤 위치에서의 외형선으로만 나타내져 있다. 전술한 창성 평면은 공구 디스크 외형선 내의 표면이다. 본 발명의 공정의 경우에는, 횡단 이송 운동이 없으며, 이는 횡단 이송 운동을 필요로 하는 공정들과 비교하여 기계가공 시간을 현저히 감소시킨다.
가상 피니언 축선은, 창성 피니언과 워크 기어가 최종 사용처(예컨대, 기어 박스) 내에서의 페이스 기어와 그것의 짝을 이루는 원통형 피니언의 관계와 닮아 있게 되는 창성 원통형 피니언(창성 피니언)을 나타내도록 하기 위해, 여기에 그 개시내용이 참조되는 미국특허 제4,981,402호 또는 제6,712,566호에 개시되어 있는 바와 같이 가상의 또는 이론적인 베벨 기어 창성 기본형 가공기계 내에 위치될 수 있다. 커터가 가상 피니언 축선 둘레로 회전하는 동안, 워크는 피니언과 페이스 기어 사이의 기어비에 따라 워크 축선 둘레로 회전해야 한다.
커터 블레이드는 앞서 살펴본 바와 같이 직선측 랙의 하나의 플랭크를 나타내기 때문에, 아직은 피니언 플랭크의 정확한 창성 인벌루트를 복제하지 않는다(도 7, 창성 인벌루트 대 창성 평면). 피니언 플랭크의 정확한 창성 인벌루트를 복제하게 하는 것은 제작될 페이스 기어 플랭크와 짝을 이루어야 하는 본래의 피니언 플랭크의 인벌루트와 일치하게 블레이드의 절삭 에지를 셰이핑 가공하는 것에 의해 성취될 수 있다. 극히 단순하고 만능적인 직선형 에지 절삭 공구의 사용을 가능하게 해주는 또다른 가능한 방법은 그 개시내용이 여기에 참조되는 미국특허 제5,580,298호에 개시되어 있는 바와 같이 하나의 플랭크를 창성하거나 하나 이상의 액티브 머신 세팅을 이용하면서 비일정(non-constant) 창성 롤 관계(예컨대, 수정 롤(modified roll))를 도입하는 것이다. 4차 이상의 롤 각 상관 계수에 창성 피니언과 워크 기어(페이스 기어) 사이의 일정한 기본 롤 비가 곱해지고, 이것이 가상 창성 피니언의 인벌루트의 양호한 근사를 성취하게 한다.
Ra = Ra0 + Ra1ㆍq + Ra2ㆍq2 + Ra3ㆍq3 + Ra4ㆍq4 ... 식 (1)
여기서,
Ra... 롤 비(비일정)
q... 롤 중심으로부터의 롤 각거리
Ra0... 기본 롤 비(일정)
Ra1... 1차 계수, 롤 중심으로부터의 롤 각거리가 곱해짐
Ra2... 2차 계수, 롤 중심으로부터의 롤 각거리의 제곱값이 곱해짐
Ra3... 1차 계수, 롤 중심으로부터의 롤 각거리의 세제곱값이 곱해짐
Ra4... 1차 계수, 롤 중심으로부터의 롤 각거리의 네제곱값이 곱해짐
인벌루트 곡률 반경은 창성 피니언 프로파일을 따라 다수의 지점에서 산출될 수 있다. 2차 계수(Ra2)는 기본적으로 피치점에 있어서의 인벌루트의 곡률을 정하게 된다. 3차 계수(Ra3)는 이뿌리면과 봉우리면 사이의 곡률의 일정한 변화를 고려하는 것이다. 비일정 인벌루트 곡률 변화의 가장 큰 부분은 4차 계수(Ra4)에 의해 성취될 수 있다. 최적의 계수를 산출하는 바람직한 한 방법은 예컨대 비선형 롤 비에 의한 인벌루트 형상을 모사하기 위해, 정확한 인벌루트와 롤 운동에 대한 계수의 영향 사이의 차이를 최소화하도록 "최소 오차 자승법"을 적용하는 회귀 산출법이다. 4보다 큰 차수는 인벌루트 정확도를 향상시키기 위해 적용되거나, 인벌루트의 수학 함수가 가공기계 운동학에 직접적으로 적용될 수 있다. 직선과 인벌루트 사이의 보정량의 산출의 한 예가 도 8에 도시되어 있다.
도 8은 좌측에 공구 디스크의 2차원 모식도를 도시하고 있고, 가상 피니언 축선의 위치, 및 골면 롤 위치, 중간 롤 위치, 봉우리면 롤 위치를 나타내는 3개의 접촉선도 도시하고 있다. 우측에는 중간 롤 위치에 있어서의 공구 디스크의 원주부가 도시되어 있다. 접촉선들은 우측도에서 점으로 도시되어 있다. 가상 피니언의 정확한 인벌루트는 디스크의 내부로 그려지고, 인벌루트는 중간 롤 위치의 접촉점(접촉선)에서 창성 평면과 접촉한다. 인벌루트 함수는 압력각과 피치 지름과 같은 가상 피니언 정보에 의해 산출될 수 있다. 디스크의 창성면 상의 지점들은 가상 피니언 축선의 위치를 나타내는 지점에 원점을 가지는 원들에 의해 인벌루트와 이어질 수 있다. 오직 피치점(중간 롤 위치)에서만 호의 길이가 0이 된다. 그 외 매 위치에서의 호는 수정 롤 계수(식 (1))를 정하는 데 사용되거나 창성 롤시에 가상 피니언 추건 둘레의 공구 디스크 회전에 부가되는 작은 추가 회전량(각 Δφ)의 정확한 값을 나타낸다. 또한, 외부 프로파일에 공구 축선에 수직한 직선형 대신에 인벌루트 형상을 정확하게 제공하는 것도 가능하다. 이 경우, 어떠한 보정 회전도 적용될 필요가 없다.
휠 지름이 면폭에 대해 상대적으로 작을 경우, 경미하게 왜곡된 창성 프로파일이 초래될 수 있다. 다시 말해, 면폭의 중간에서만 공구의 인벌루트가 이론 이뿌리선에 수직하게 된다는 것이다. 하지만, 면폭이 2ㆍsin5°ㆍ(지름/2)보다 작으면, 프로파일 방향에 있어서의 프로파일 위치 불량은 (1-cos5°)ㆍ지름/2에 상당하고, 이는 공구 디스크 반경의 0.38%로 대부분의 경우 무시될 수 있다. Δφ 각(소정의 개수의 프로파일 지점에 대한)이 지금까지 언급한 가상 피니언의 작은 추가 회전량으로서 이용될 수 있다(평면 공구 디스크인 경우).
앞서 설명된 과정은 하나의 슬롯의 하나의 플랭크만을 창성하는 것이지만, 페이스 기어의 이의 총수에 따라 페이스 기어의 매 슬롯에 대해 그 과정이 반복되어져야 한다(단일 분할 공정). 이를 성취하기 위해, 공구가 그 페이스 기어 슬롯으로부터 분할 위치로 후퇴된 다음, 워크 기어(페이스 기어)의 분할 회전이 일어난다.
분할각 = 360°/(페이스 기어 잇수)... 식 (2)
분할 회전이 이루어진 후, 공구는 예컨대 그 개시내용이 여기에 참조되는 미국특허 제5,310,295호 또는 제5,716,174호에 개시되어 있는 바와 같은 벡터 이송과 같은 적합한 공구 이송 방법에 의해 워크피스의 최저 슬롯 깊이까지 이송된다. 공구 이송 공정의 일부분(플런징(plunging; 슬롯 내로 파고 들어감)의 각도 배향은 바람직하게는 이뿌리면(골면) 롤 위치가 되도록 선정된다. 공구 팁이 슬롯 바닥면에 도달한 후에, 창성 롤이 시작되어, 페이스 기어 이 플랭크 프로파일을 형성하고, 페이스 기어 이의 뿌리면(골면)에서 시작되어 봉우리면에서 끝난다(도 7).
선택적으로, 분할 회전이 이루어진 후에 공구가 봉우리면 롤 위치에 위치되어, 플런징 없이 페이스 기어 플랭크 프로파일이 봉우리면에서부터 뿌리면(골면) 쪽으로 창성되어질 수도 있다.
매 슬롯의 제1 플랭크가 창성되어진 후에, 공구는 창성 피니언의 제2 플랭크를 가리키도록 가상 베벨 기어 창성 기본형 가공기계에서 재배치될 수 있다. 매 페이스 기어 이의 제2 플랭크를 창성하기 위해, 제1 플랭크를 창성하는 데 이용된 동일 과정이 적용될 수 있다. 제2 플랭크의 절삭 공정에 대해서는, 제1 플랭크 창성에 의해 이미 슬롯들이 존재하고 있기 때문에, 표면 속도 및 롤 운동에 관한 다듬질 가공 파라미터들의 적용을 허용한다. 이와는 대조적으로, 슬롯의 제1 플랭크 절삭은 황삭-다듬질 가공의 조합이 효과적이다.
뿌리면에서부터 봉우리면 쪽으로 창성이 일어나는 경우에, 창성 롤이 시작되기 전에 적은 양의 재료만이 제거되어 있을 때에는, 분할 위치로부터 골면 롤 위치로 공구를 이동시키기 위한 이송 운동은 이송 거리의 상당한 양의 거리(예컨대 90%)를 따라서는 신속하게 일어나고(급속 이송) 이송의 말기에는 느려진다.
본 발명의 구성 및 운동학적 관계는 상술한 바와 같은 가상 베벨 기어 창성 기본형 가공기계나 마찬가지로 적용가능한 다른 모델 또는 과정에 기초할 수 있다. 도 10A 및 도 10B는 크레이들형 베벨 기어 창성기에 대한 직접적인 좌표계 및 벡터와 관련한 삼각 벡터도를 도시하고 있다. 도 10A는 크레이들 축선에 수직인(가상 피니언 축선과 동일한) 방향에서 본 정면도를 도시하고 있다. RM은 크레이들 축선에서 창성되는 페이스 기어 슬롯의 뿌리면까지를 지시한다. Ex는 크레이들 축선에서 공구 디스크 원점(공구 축선 기준점)까지를 지시한다. Ycut은 공구 디스크 축선 벡터이다. RW는 공구 디스크 중심에서 창성되는 페이스 기어 슬롯의 뿌리면까지를 지시한다. 롤 위치의 중심에서는 Ycut이 가상 피니언의 압력각과 동일한 각도를 가지지만 평면(X-Z) 내에 아무런 경사 없이 놓여지는 것으로 나타내어 진다. 도 10B는 삼각 벡터도의 평면도를 도시하고 있다. 이 도면은 평면도에 의한 벡터 구성을 나타내고, 정면도와 함께 벡터도의 일가 정의(single valued definition)을 제공한다.
가상의 기본형 가공기계로부터 페이스 기어 절삭 공정을 적합한 기계적 머신 세팅으로 전환하는 것이 가능하다. 또한, 본 발명의 바람직한 실시형태로서, 가상의 기본형 가공기계(또는 임의의 다른 모델)를 도 11에 도시된 바와 같은 5축 또는 6축 자유 곡면 가공기계의 축선 위치들 및/또는 운동들의 도표(예컨대, 미국특허 제4,981,402호 또는 제6,712,566호)로 전환하는 것도 가능하다. 도 11은 6축 자유 곡면 가공기계에서의 커터 디스크와 페이스 기어 사이의 배열을 도시하고 있다. 도 10A 및 도 10B의 벡터도에 창성 롤 비를 더하면 축선 위치 도표를 산출하기 위한 모든 정보를 나타내게 된다. 당업자는 정확한 플랭크 형상을 생성하기 위해서는 작은 추가 회전량(Δφ)이 공구 회전에 부가되어야만 한다는 것을 이해할 것이다.
가상의 기본형 세팅의 병진형 자유 곡면 가공기계의 위치(및/또는 운동)으로의 전환은 제1 플랭크 절삭과 제2 플랭크 절삭을 자유 곡면 가공기계 내의 상부 절삭 위치와 하부 절삭 위치로 옮기게 될 것이다. 90°의 이끝 원추각과 피치 원추각을 가지는 트루 페이스 기어(true face gear)의 경우, 워크는 제1 플랭크(예컨대, 상부 플랭크)가 창성된 후에 정확한 슬롯 폭을 가지는 상태로 동일 슬롯의 제2 플랭크(예컨대 하부 플랭크)를 창성하기 위해서 180°회전하는 것이 필요하다.
90°의 이끝 원추각과 피치 원추각을 가지지 않는 페이스 기어(원통형 피니언과 페이스 기어 사이의 축각이 90°가 아닌 경우)에 있어서는, 정확한 슬롯 폭을 생성하기 위해 필요한 워크 위상각 회전량을 찾아내기 위해 여기에 참조되는 미국특허 제7,364,391호에 개시된 바와 같은 계산법이 적용될 수 있다.
본 발명의 방법에 있어서는, 직선이 아닌 곡선인 이뿌리선을 창성하게 될 원주형 공구(예컨대, 커터) 반경에 의해 정해지는 공구 곡률을 고려해야 한다. 슬롯 깊이는 페이스 기어 이의 양끝에서는 정확하지만(페이스 기어와 짝을 이루는 상대 원통형 피니언에 이끝 틈새가 더해진 것으로부터 얻어짐), 토우(toe)와 힐(heel) 사이에 과도한 깊이를 가지고, 일반적으로 중간면에서 가장 깊다. 도 12는 페이스 기어의 가장 깊은 이뿌리선이 공구 디스크의 원주부에 의해 형성되는 방법을 보여주고 있다. 최종적인 이뿌리선은 롤 위치들의 스펙트럼에 의해 포락면이 될 것이다. 페이스 기어의 안쪽 끝과 바깥쪽 끝은 이론적 깊이(도면의 페이스 기어의 좌측에 나타내진 것과 이론적으로 평행한 깊이의 이의 깊이)를 가진다. 양끝 사이에서는 초과의 깊이가 생성되며, 일반적으로 중간면에서 가장 깊다. 이뿌리선의 곡률은 커터 디스크의 지름으로 제어될 수 있지만, 곡선형 이뿌리선은 전술한 미국특허 제7,364,391호에 따라 제작되는 직선 베벨 기어에 있어서의 단점을 나타내지 않았다. 따라서, 주어진 디자인에 대해 가능한 한 가장 큰 커터 디스크를 사용하는 것이 바람직한 실시형태이다.
본 발명의 또다른 양태는 커터 디스크가 그것의 축선방향 면에 회전대칭면만을 형성하는 것이다. 이는 스퍼 피니언 플랭크의 인벌루트의 근사를 가능하게 해준다. 헬리컬 기어의 플랭크는 나선과 같이 피니언 베이스 실린더 둘레에 나선형으로 형성된다. 나선형은 회전하는 절삭 디스크를 사용하여 근사될 수 없어, 본 발명을 짝을 이루는 상대 부재로서 스퍼 피니언을 사용하는 페이스 기어에 한정시킨다. 매우 작은 나선각(예컨대 5°미만)을 가지는 헬리컬 기어라야만 적어도 일부 보정될 수 있는 경미한 플랭크 및 이뿌리 편차를 나타낼 것이다.
페이스 기어와 그것의 짝을 이루는 상대 피니언 사이가 0°의 각(페이스 기어는 원통형 링 기어가 됨)와 90°를 넘는 각(페이스 기어는 내부 링 기어가 됨) 사이의 축각이 본 발명의 방법으로 수용될 수 있다. 또한 페이스 기어와 짝을 이루는 상대 피니언 사이의 축 오프셋도 본 발명의 방법으로 실현될 수 있다.
바람직한 실시형태를 참조하여 본 발명을 설명하였지만, 본 발명은 특정 실시형태에 한정되는 것이 아님을 이해해야 한다. 본 발명은 첨부의 청구범위의 사상과 범위에서 벗어남이 없이 당업자에게 명백한 변형을 포함하는 것으로 한다.

Claims (11)

  1. 각각의 이 슬롯이 제1 잇면 및 제2 잇면을 구비하는 복수의 이 슬롯을 가지고 있는 페이스 기어를 제작하는 방법에 있어서,
    회전 축선을 가진 페이스 기어 워크피스를 제공하는 단계;
    원주부 및 회전 축선을 가진 디스크형 공구로서, 상기 원주부 상에 위치되고 상기 디스크형 공구의 회전 축선에 대해 대략 수직으로 배향되어 창성 평면을 한정하는 하나 이상의 스톡 제거면을 가지고 있는 디스크형 공구를 제공하는 단계;
    상기 워크피스 상에 상기 제1 잇면 또는 제2 잇면을 창성하기 위해 상기 디스크형 공구와 상기 워크피스를 서로에 대해 위치시키는 단계;
    상기 디스크형 공구를 상기 디스크형 공구의 상기 회전 축선을 중심으로 회전시키면서 상기 디스크형 공구를 상기 페이스 기어 워크피스 내로 상대 이송시키는 단계;
    상기 디스크형 공구와 상기 워크피스를 서로에 대해 이동시킴으로써, 상기 워크피스 상에 상기 제1 잇면 또는 제2 잇면 중의 하나를 창성하는 단계;를 포함하고 있고,
    상기 워크피스 상에 상기 제1 잇면 또는 제2 잇면 중의 하나를 창성하는 단계는 상기 워크피스를 상기 워크피스의 회전 축선을 중심으로 회전시키고 상기 페이스 기어 워크피스와 맞물릴 수 있는 가상 피니언의 회전 축선을 중심으로 상기 디스크형 공구를 회전시키는 단계를 포함하고 있고, 상기 워크피스 상에 상기 제1 잇면 또는 제2 잇면 중의 하나를 창성하는 단계 중에, 상기 디스크형 공구 및 창성 평면은 상기 페이스 기어 워크피스와 맞물릴 수 있는 상기 가상 피니언의 이의 롤 운동을 모방하는 창성 롤을 따라가며 작동하는 것을 특징으로 하는 페이스 기어를 제작하는 방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 디스크형 공구와 상기 워크피스를 서로에 대해 재배치하여 상기 워크피스 상에 상기 제1 잇면 또는 제2 잇면 중의 다른 하나를 창성하는 단계를 포함하고 있고, 상기 워크피스 상에 상기 제1 잇면 또는 제2 잇면 중의 다른 하나를 창성하는 단계는 상기 워크피스를 상기 워크피스의 회전 축선을 중심으로 회전시키면서 상기 페이스 기어 워크피스와 맞물릴 수 있는 가상 피니언의 회전 축선을 중심으로 상기 디스크형 공구를 회전시키는 단계를 포함하고 있고, 상기 워크피스 상에 상기 제1 잇면 또는 제2 잇면 중의 다른 하나를 창성하는 단계 중에, 상기 디스크형 공구 및 창성 평면은 상기 페이스 기어 워크피스와 맞물릴 수 있는 상기 가상 피니언의 이의 롤 운동을 모방하는 창성 롤을 따라가며 운행하는 것을 특징으로 하는 페이스 기어를 제작하는 방법.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 가상 피니언의 회전 축선을 중심으로 한 상기 디스크형 공구의 회전과 상기 페이스 기어 워크피스의 회전은 서로 정해진 시간 관계로 실행되는 것을 특징으로 하는 페이스 기어를 제작하는 방법.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 시간 관계는 페이스 기어의 잇수와 가상 피니언의 잇수에 따르는 것을 특징으로 하는 페이스 기어를 제작하는 방법.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 창성 롤은 사전설정된 개수의 창성 롤 증분으로 이루어지고, 상기 페이스 기어 워크피스는 특정 창성 롤 증분 위치에서 성형되는 잇면과 공통선을 가지도록 상기 디스크형 공구를 위치시키기 위해 매 창성 롤 증분마다 소정의 추가 회전량만큼 회전되는 것을 특징으로 하는 페이스 기어를 제작하는 방법.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 디스크형 공구의 상기 하나 이상의 스톡 제거면은 직선형인 것을 특징으로 하는 페이스 기어를 제작하는 방법.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 디스크형 공구의 상기 하나 이상의 스톡 제거면은 가상 피니언의 이 플랭크 형성과 일치하는 형상으로 되어 있는 것을 특징으로 하는 페이스 기어를 제작하는 방법.
  8. 제 1 항에 있어서, 상기 가상 피니언은 인벌루트 형상의 이 플랭크면을 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 페이스 기어를 제작하는 방법.
  9. 제 1 항에 있어서, 하나의 이 플랭크면을 창성한 다음에, 상기 디스크형 공구는 이 슬롯으로부터 후퇴되고, 상기 페이스 기어 워크피스는 또다른 슬롯 위치로 분할되고, 상기 또다른 슬롯 위치에 대해 창성 방법이 반복되고, 디스크형 공구를 후퇴시키는 단계, 페이스 기어 워크피스를 분할시키는 단계 및 이 프랭크면을 창성하는 단계가 상기 페이스 기어 워크피스 상의 모든 이 슬롯에 대해 반복되는 것을 특징으로 하는 페이스 기어를 제작하는 방법.
  10. 제 1 항에 있어서, 상기 디스크형 공구를 상기 페이스 기어 워크피스 내로 상대 이송시키는 단계는 상기 페이스 기어 워크피스 내의 이 골면 위치로 상기 디스크형 공구를 플런징(plunging; 슬롯 내로 파고 들어감)시키는 단계를 포함하고 있고, 그런 다음 상기 이의 골면 위치에서 시작하여 상기 이의 봉우리면을 향해 진행되는 창성 경로를 따르는 상기 창성 롤에 의해 하나의 잇면을 창성하는 것을 특징으로 하는 페이스 기어를 제작하는 방법.
  11. 제 1 항에 있어서, 상기 디스크형 공구를 상기 페이스 기어 워크피스 내로 상대 이송시키는 단계는 상기 이의 봉우리면에 상기 디스크형 공구를 접촉시키는 단계를 포함하고 있고, 그런 다음 상기 이의 봉우리면 위치에서 시작하여 상기 이의 골면을 향해 진행되는 창성 경로를 따르는 상기 창성 롤에 의해 하나의 잇면을 창성하는 것을 특징으로 하는 페이스 기어를 제작하는 방법.
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