KR20150032837A - 기어휠을 기계가공하기 위한 장치, 시스템 및 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명에 따르면, 5개 이상의 기계가공 축을 가진 수치-제어 기계 공구를 사용하여 스톡 제거에 의해 기어휠을 기계가공하기 위한 방법에 관한 것으로서, 상기 방법은: 기어휠의 이론적 사전마감 표면 및 이론적 마감 표면을 형성하는 단계; 상기 이론적 사전마감 표면과 마감 표면 사이에 교차선을 계산하는 단계; 실제 사전마감 표면으로서 이론적 사전마감 표면을 사용하고 각각의 치형부를 위해 실제 마감 표면으로서 상기 교차선과 치형부의 끝단 사이에 위치된 이론적 마감 표면의 부분을 사용하는 단계; 기계를 작동시켜 실제 사전마감 표면을 형성할 수 있도록 제1 기어휠 기계가공 공정을 수행하고 그 뒤 실제 마감 표면을 형성할 수 있도록 제2 기어휠 기계가공 공정을 수행하는 단계를 포함한다. 또한, 본 발명은 5개 이상의 축, 데이터 입력 수단 및 계산 및 처리 및 명령 유닛들을 가진 기계 공구를 포함하는 기계가공 시스템(10) 및 명령을 형성하기 위한 장치에 관한 것이다.

Description

기어휠을 기계가공하기 위한 장치, 시스템 및 방법{METHOD, SYSTEM AND APPARATUS FOR MACHINING GEARWHEELS}

본 발명은 수치-제어 밀링 기계, 특히, 5개 이상의 컨트롤 축을 가진 밀링 기계에 의해 기어휠을 기계가공하기 위한 방법, 장치 및 시스템에 관한 것이다.

기어휠을 제작하는 데 관한 기술 분야에서, 기어휠의 치형부(teeth)를 커팅하는 종래 방법은 기어-커팅 기계(gear-cutting machine)로 지칭되는 상부에 특별한 공구가 장착된 전용 기계를 사용하는 방법이다. 통상, 기어-커팅 기계는 기어휠의 치형부를 커팅하기 위하여 제1 공정, 소위, 사전마감 공정(prefinishing operation), 및 제2 공정, 소위 마감 공정(finishing operation)을 수행한다. 일반적으로, 제1 공정과 제2 공정 사이에는 기어휠의 열처리를 위한 공정이 수행된다.

기어-커팅 기계를 사용할 때, 사전마감 공정은 형삭 공구(shaped tool), 통상, 호브(hob)(이는 차례로 회전 가능하게 동기화되는(rotationally synchronized)) 상에서 기어휠을 회전시킴으로써 미가공물(blank)로부터 치형부를 커팅하는 러핑 호브(roughing hob)를 사용하여 수행되며, 마감 공정은 또 다른 형삭 공구, 통상, 피니싱 호브(finishing hob)를 사용하여 수행되는데, 원하는 표면 마감(surface finish)으로 기어휠의 최종 프로파일(profile)을 형성할 수 있도록 최종 프로파일 상에서 마감 공정을 수행한다. 러핑 공구(roughing tool)와 피니싱 공구(finishing tool) 사이에서 반경방향 관통(radial penetration)에 있어서의 차이점은 일반적으로 치형부의 바닥으로부터 떨어져서(apart from) 대략 수십 분의 일 밀리미터에 제한되며, 마감 공정은 임의의 재료를 제거하지 않는 것이 바람직하다. 이는 마감된 기어휠의 강도가 더 크게 할 수 있으며 치형부 공간의 바닥과 호브 치형부(hob teeth)의 끝단(tip) 사이에 마찰 접촉을 방지하여, 이에 따라 호브 치형부의 단부 에지(end edge) 상에서 응력(stress)과 마모(wear)를 현저하게 줄일 수 있다. 이는 기어휠의 마감된 표면의 퀄리티와 정밀도를 궁극적으로 향상시킨다.

예를 들어, US 2011/268524호는 2개의 인접한 치형부 사이에 구현되어야 하는 공간의 정확한 프로파일로 형태가 형성되는 밀링 커터(milling cutter) 사용 방법에 대해 기술하는데, 러핑 커터(roughing cutter)는 더 작은 직경을 가진 마감 커터(finishing cutter)와 치형부 사이에 구현되는 공간의 바닥만큼 도달하여 이미 기계가공되었던 바닥과 접촉하지 않는다.

US 5,136,522호는 치형부들 사이에 구현되어야 하는 공간에 따라 특별히 형태가 형성된 단일의 밀링 커터에 의해 기어휠이 커팅되는 기계를 기술하고 있다. 센서가 치형부들 사이의 공간을 감지하고 이에 상응하는 신호를 생성할 수 있다.

명백하게도, 위에서 언급한 종래 방법을 사용하면, 구현되어야 하는 기어휠의 기하학적 프로파일(geometric profile)을 생성하도록 사용되고 랙(rack)의 프로파일들의 개수에 상응하는 다수의 기어-커팅 공구가 제공될 필요가 있다.

시스템은 대량 생산의 경우 매우 효율적이며 이러한 시스템들에 대한 시장은 요원하며(far-reaching), 기어를 디자인하기 위해 다양한 컴퓨터화된 프로그램들이 존재하는데, 이 프로그램들은 기계가공 곡선(machining curve)의 계산을 수행하고 난 뒤 예를 들어 기어-커팅 곡선의 쌍(pair) 뿐만 아니라 기어휠의 시뮬레이션(simulation)을 수행하여 이에 따라 그 특성(characteristics)들이 실제 제작 전에 정밀하게 형성될 수 있다.

기어를 소량 또는 매우 작은 개수로 제작하는데 있어서, 전용 커팅 공구에 의한 구현은 비용이 과도하게 비싸다. 따라서, 이 경우, 한동안, 바람직하게는 5축 타입의 수치-제어 기계 공구에 의해 기어휠을 커팅하는 방법이 제안되었다. 종래의 공정에 따르면, 이러한 기계들의 경우, 구현되어야 하는 표면의 수학적 도시(mathematical representation)가 생성되며 기계는 자체 커팅 공구로 이 표면을 따라가고(follow), 따라서 원하는 부분을 형성한다.

하지만, 기어휠을 제작할 때, 이미 한동안 사용되어 왔고 잘 알려져 있는 종래 방법을 사용하는 기어휠 제작업체들에게는, 기어-커팅 기계에 의해 기어휠을 디자인하기 위해 다수의 프로그램을 가지는 것에 대한 이점은 사라진다.

DE 10 2005 05054513호는 러프하게 형성된(rough-formed) 연속 표면 및 연속 마감 표면을 기계가공함으로써 형성된 기어휠을 기술하고 있다. 이 특허출원에 기술된, 러프하게 형성된 연속 표면에 비해 연속 마감 표면의 수치들은 기어의 맞물림(meshing)을 향상시키는 것으로 알려져 있다. 하지만, 계산된 두 표면들의 기계가공을 어떤 방식으로 최적화하는 지에 대한 문제점은 어떤 곳에서도 고려되지 않고 있다.

EP 2,314,404호는 이미 커팅된 기어의 단일 표면들의 마감을 구현하기 위하여 평행선들을 따라 공구를 이동시키기 위한 방법에 대해 기술하고 있다.

본 발명의 일반적인 목적은 사전마감 랙(prefinishing rack) 및 마감 랙(finishing rack)에 의해 생성된 표면의 형성에 따라 5개 이상의 축을 가진 기계 공구를 사용하여 기어휠을 기계가공하기 위한 방법, 장치 및 시스템을 제공하는 데 있다.

상기 목적을 구현하기 위하여, 본 발명에 따르면, 5개 이상의 기계가공 축(machining axis)을 가진 수치-제어 기계 공구(numerical-control machine tool)를 사용하여 스톡 제거(stock removal)에 의해 기어휠을 기계가공하기 위한 방법이 제공되는데,

상기 방법은:

- 기어휠의 이론적 사전마감 표면(theoretical prefinishing surface) 및 이론적 마감 표면(theoretical finishing surface)을 형성하는 단계;

- 상기 이론적 사전마감 표면과 마감 표면 사이에 교차선(line of intersection)을 계산하는 단계;

- 실제 사전마감 표면(real prefinishing surface)으로서 이론적 사전마감 표면을 사용하고 각각의 치형부(teeth)를 위해 실제 마감 표면(real finishing surface)으로서 상기 교차선과 치형부의 끝단(tip) 사이에 위치된 이론적 마감 표면의 부분을 사용하는 단계;

- 기계를 작동시켜 실제 사전마감 표면을 형성할 수 있도록 기계 공구들이 기계가공 표면들을 따라가는(follow) 제1 기어휠 기계가공 공정(machining operation)을 수행하고 그 뒤 실제 마감 표면을 형성할 수 있도록 기계 공구들이 기계가공 표면들을 따라가는 제2 기어휠 기계가공 공정을 수행하는 단계를 포함한다.

본 발명에 따르면, 5개 이상의 기계가공 축을 가진 수치-제어 기계 공구를 사용하여 스톡 제거에 의해 기어휠을 기계가공하기 위한 시스템이 제공되는데,

상기 시스템은:

- 5개 이상의 축을 가진 수치-제어 기계 공구;

- 원하는 기어휠의 변수들을 삽입하기 위한 수단, 기어휠의 이론적 사전마감 표면과 이론적 마감 표면을 계산하기 위한 계산 모듈;

- 상기 이론적 표면들 사이의 교차선을 계산하고 교차선과 치형부의 끝단 사이에 위치된 이론적 사전마감 표면의 부분에 의해 형성된 각각의 치형부를 위해 하나 이상의 실제 마감 표면을 형성하기 위한 처리 모듈;

- 실제 사전마감 표면으로서 이론적 사전마감 표면의 기하학적 특성(geometric characteristics)과 실제 마감 표면의 기하학적 특성을 수신하고 기계를 위한 명령(command)을 출력하여 기계 공구들이 실제 사전마감 표면과 마감 표면들에 따라 기어휠의 기계가공을 수행할 수 있도록 기계가공 표면들을 따르는 컨트롤 모듈을 포함한다.

본 발명에 따르면, 5개 이상의 기계가공 축을 가진 수치-제어 기계 공구를 위하여, 기어휠을 기계가공하기 위해 명령을 형성하기 위한 장치가 제공되는데,

상기 장치는:

- 원하는 기어휠의 변수들을 삽입하기 위한 수단, 기어휠의 이론적 사전마감 표면과 이론적 마감 표면을 계산하기 위한 계산 모듈;

- 상기 이론적 표면들 사이의 교차선을 계산하고 교차선과 치형부의 끝단 사이에 위치된 이론적 마감 표면의 부분에 의해 형성된 각각의 치형부를 위해 하나 이상의 실제 마감 표면을 형성하기 위한 처리 모듈;

- 실제 사전마감 표면으로서 이론적 사전마감 표면의 기하학적 특성과 실제 마감 표면의 기하학적 특성을 수신하고 기계를 위한 명령을 출력하여 기계 공구들이 실제 사전마감 표면과 마감 표면들에 따라 기어휠의 기계가공을 수행할 수 있도록 상기 명령들에 따라 기계가공 표면들을 따르는 컨트롤 모듈을 포함한다.

본 발명의 개념과 종래 기술에 비교한 이점들을 보다 명확하게 예시하기 위하여, 이러한 개념들을 적용하는 실시예가 첨부된 도면들을 참조하여 밑에서 보다 상세하게 기술될 것이다. 도면에서:
- 도 1은 기어휠의 이론적 마감 및 사전마감 표면 사이의 교차선의 개략적인 부분도;
- 도 2는 도 1에 따른 표면으로부터 구현된 기어휠의 최종 표면의 개략적인 부분도;
- 도 3은 기어휠을 기계가공하고 디자인하기 위한 본 발명에 따른 시스템의 개략도;
- 도 4는 본 발명에 따른 시스템과 방법으로 구현된 기어휠의 개략도이다.

도면들을 보면, 도 1은 5개 이상의 축을 가진 수치-제어 기계 공구에 의해 기어휠 위에서 기계가공되어야 하는 표면을 형성하기 위하여 본 발명에 따라 사용되는 이론적 표면들의 부분들을 도시한다. 도 1은 단순하게 도시하기 위하여 기어휠의 치형부(teeth)의 플랭크(flank)의 근처에 있는 표면들을 도시한다.

특히, 본 발명의 방법에 따르면, 우선, 이론적 마감 기어-커팅 기계 및 이론적 사전마감 기어-커팅 기계에 의해 생성될 수 있는 이론적 사전마감 표면(prefinishing surface)(50) 및 이론적 마감 표면(finishing surface)(51)이 계산된다.

도 1에서 명확하게 볼 수 있는 것과 같이, 이론적 마감 표면(51)은 마감 공정(finishing operation)이 추가적인 재료를 제거해야 되는(특히, 치형부의 끝단(52)으로부터 플랭크를 따라 바닥에 가까운 부분까지) 치형부의 부분들을 따라 이론적 사전마감 표면(50) 밑에 위치될 것이며, 대신, 마감 단계 동안에는 스톡 제거(stock removal)가 필요 없는 치형부의 바닥(53) 위에서 이론적 사전마감 표면 상부에 위치될 것이다.

치형부의 각각의 플랭크에 대한 이론적 마감 표면은 일반적으로 치형부의 끝단을 향하는 볼록 부분에 의해 형성되는데, 이 볼록 부분은 치형부 베이스(base)에서 오목 부분에 결합된다.

밑에서 명확하게 기술되는 것과 같이, 이론적 사전마감 표면에 대한 기재내용은 기계가공되어야 하는 제1 표면(또는 사전마감 표면)에 대한 기재내용으로서 사용되며, 기계는 이 부분에서 직접 상기 표면을 형성할 수 있다. 표면의 기하학적 형상(geometry)의 관점에서, 일반적으로 본 기계는, 예를 들어, 기계가공 영역(machining zone)이 오목한지 혹은 볼록한지에 따라, 공구 교체 공정(tool changing operation)을 계산할 것이다. 특히, 적절한 직경을 가진 공지된 원통형 또는 원뿔형 또는 디스크(disc) 형태의 밀링 커터(milling cutter)가 치형부의 플랭크를 움푹하게 파내고(hollow out) 사전마감하도록 사용되며, 적절한 직경을 가진 공지된 구형(spherical) 또는 원환형(toroidal) 밀링 커터가 바닥 영역(예를 들어 도 1에 개략적으로 도시된 것과 같은)을 위해 사용될 것이다.

기계가공되어야 하는 특정 타입의 기어휠에 따라 상이한 공구들이 사용될 수 있다. 예를 들어, 베벨 기어휠의 경우, 디스크 형태의 커터는 원뿔형의 디스크 형태의 밀링 커터인 것이 바람직할 것이다.

도면 및 그에 대한 설명으로부터 볼 수 있듯이, 본 기계의 공구들은 기계가공 표면을 따르도록, 가령, 상기 실제 사전마감 표면을 형성할 수 있도록 이동된다.

본 방법에 따르면, 치형부의 플랭크 상에서 이론적 마감 표면과 이론적 사전마감 표면의 접촉 지점들도 계산되는데, 상기 접촉 지점들에서 두 표면들이 서로 교차된다. 따라서, 두 이론적 표면들, 즉 사전마감 표면(50)과 마감 표면(51)의 교차선(54)이 각각의 치형부 위에 형성된다. 계산된 교차선(54)과 기어휠 치형부의 끝단(52) 사이에 위치된 이론적 마감 표면의 섹션은 실제 마감 표면으로서 형성된다.

실제 마감 표면의 기재내용은, 기계가 사전마감 표면으로 이전에 커팅된 기어휠을 마감하여 상기 형성된 실제 마감 표면에 상응한 표면을 형성하도록 본 기계에 의해 마감-기계가공되기 위해 사용된다.

도면 및 그에 대한 설명으로부터 볼 수 있듯이, 본 기계의 공구들은 기계가공 표면을 따르도록, 가령, 각각의 치형부에 대한 상기 실제 사전마감 표면을 형성할 수 있도록 이동된다.

실제 마감 표면의 기계가공(machining)과 실제 사전마감 표면의 기계가공 사이에서, 기어휠에는 공지된 원하는 열처리(heat treatment)가 제공되는 것이 바람직하다. 이러한 열처리는 표면 경화 열처리, 가령, 침탄 처리(carburizing treatment)인 것이 바람직하다.

본 발명의 방법에 따르면, 두 이론적 사전마감 및 마감 표면 사이의 교차선(54)이 계산되고 나면, 상기 교차선이 기어휠의 활성 반경(active radius)(즉 초기에 기어휠이 또 다른 기어휠과 맞물리는 반경)보다 더 작은 기어휠의 축으로부터 일정 거리에 배열되는지 체크하기 위하여 확인 단계가 수행될 수 있다.

이런 방식으로, 치형부의 바닥(53)을 향해 교차선(54)을 지나 위치된 치형부는 마감-기계가공을 필요로 하지 않는 것이 체크된다. 그 외의 경우, 이론적 표면(50 및 51)을 계산할 때 오류, 가령, 예를 들어, 기어휠을 디자인하는 동안 삽입된 부정확한 변수들에 의해 야기된 오류가 발생될 것이다.

또한, 본 발명은 추가적인 체크 단계를 포함할 수도 있는데, 이 추가적인 체크 단계에서, 이론적 표면들 사이의 교차선(54)이 활성 직경(active diameter), 가령, 초기에 맞물린 접촉 지점들의 기하학적인 로커스(geometrical locus)에 따라 생성된 활성 회전 표면(active revolution surface)에 의해 형성된 용적(volume)(도 1에서 도면부호(55)로 개략적으로 표시된 활성 원뿔(active cone)로 지칭됨) 내에 포함되는 지가 체크된다.

실제 마감 표면은, 각각의 치형부 플랭크 위에서, 활성 직경과 같이 치형부의 끝단 직경으로부터 연장되는 제1 볼록 부분과 이전에 계산된 교차선과 같이 활성 직경으로부터 연장되는 오목/볼록 표면으로 나뉘는 것이 바람직하다. 실제 마감 표면의 제1 부분은 공지된 적절한 직경을 가진 원뿔형 밀링 커터 또는 원통형의 밀링 커터(예를 들어, 도 2에 개략적으로 도시된 것과 같이)에 의해 기계가공되며, 실제 표면의 제2 부분은 적절한 직경을 가진 공지된 구형 또는 원환형 밀링 커터를 이용하여 기계가공되는 것이 바람직하다.

실제 기계가공 표면을 형성하도록 사용되는 이론적 랙(ract)의 사전마감 또는 이론적 마감 표면의 사용 때문에, 기어휠의 기계가공의 끝부분에서, 교차선 상의 임의의 남아있는 날카로운 에지(residual sharp edge)는 일반적으로 이미 마감된 기어휠을 위한 허용 임계값(acceptability threshold) 내에 위치된다.

임의의 경우에서, 여기서는, 단순하게 하기 위해, 교차선을 가리키지만, 상기 교차선(도 2에서 명확하게 볼 수 있는 것과 같이, 도 4에서 한 예로서 도시된, 마감된 기어휠의 두 인접한 치형부가 부분적으로 도시된)은 마감 단계 후에 전체적으로 기어휠의 치형부의 최종 실제 표면을 형성하는 이론적 표면(51 및 50)의 두 부분들을 함께 결합하는 연속 스트립(56)이 될 수 있도록 치형부의 플랭크 위에서 팽창될 수 있다. 달리 말하면, 교차선은 치형부의 플랭크 위의 실제 마감 표면과 치형부의 바닥 위의 실제 사전마감 표면을 함께 결합하는 스트립(56) 내로 실질적으로 팽창된다.

명백하게, 도 4에서, 나선형 치형부를 가진 베벨 기어휠(전체적으로 도면부호(57)로 표시된)이 한 예로서 도시되며, 본 발명에 따른 시스템과 방법은 임의의 원하는 타입의 기어휠을 형성할 수 있다.

도 3은 기계(27)와 함께 본 발명에 따라 구성된 기계 시스템 또는 스테이션(10)을 형성하는 장치(22)를 개략적으로 도시한다. 상기 장치(22)는 기어휠 형성 변수 또는 기어휠 디자인 데이터에 따라 이론적 사전마감 및 마감 표면을 계산하기 위해 제1 컴퓨터화 계산 모듈(11)을 포함한다. 디자인 변수 또는 데이터는 예를 들어 표준 기어휠 형성 시스템에 따라 직접 삽입되거나 공급되는 원하는 기어휠의 수치 명세(dimensional specification)일 수 있다. 정보를 삽입하기 위해 전반적으로 도면부호(12)로 표시된 공지된 데이터베이스 및 공지된 유저 인터페이스 수단(키보드, 마우스, 디스플레이, 그래픽 태블릿 등)이 사용될 수 있다. 또한, 모듈(11)은 기어휠 특성의 시뮬레이션을 가진 인터랙티브 디자인 시스템을 포함하는 것이 바람직할 수 있다. 이러한 시스템은 종래 기술의 실질적인 부분을 형성하며 따라서 본 명세서에 제공된 내용에 따라 당업자가 용이하게 이해할 수 있기 때문에 본 명세서에서는 추가로 기술되거나 도시되지는 않을 것이다. 상기 시스템은, 유저 인터페이스 수단(12)과 조합하여, 사용자가 원하는 기어휠을 형성할 수 있게 한다.

모듈(11)은, 위에서 정의된 대로, 이론적 사전마감 표면(50) 및 마감 표면(51)의 기하학적 특성(13 및 14)을 출력한다(output). 여기서, 기하학적 특성(geometric characteristics)은 공간적으로 표면을 형성하는 정보 세트를 의미하는 것으로 이해하면 된다. 특히, 표면들은 일반적으로 표면을 공간적으로 형성하기 위해 CAD/CAM에 사용되는 공지된 방법들에 따라 수학 공식 및/또는 점들에 의해 기술될 것이다.

계산된 이론적 표면들에 따라, 모듈(11)은 두 표면을 위한 측정 지점의 그리드 좌표(15)를 출력할 수도 있는데, 이 좌표들은, 마감-기계가공 전에 열처리 후에, 기계 상에서 수행되는 기계가공을 체크하고 기계 상에서 기어휠의 기하학적 형상을 체크하기 위해 5개 이상의 축을 가진 수치-제어 밀링 기계의 측정 수단에 의해 (작동 방법들에 따라) 사용될 것이다. 이 기하학적 형상 체크는 가령, 실제 스톡(stock)의 균일성(uniformity)을 더 크게 하기 위하여 마감-기계가공 공정이 열처리에 의해 변형되는 표면에 대한 체크일 수 있게 한다.

달리 말하면, 초기 기계가공 후에(및 바람직하게는, 열처리 이후에) 그리고 마감 전에, 측정 지점들의 그리드를 사용하여 기계를 측정하면, 실제로 제거된 스톡이 균일할 수 있도록 하기 위하여, 변형된 부분 상에서 기계가공 공정의 센터링(centering)이 수행될 수 있게 한다.

또한, 모듈(11)은 사용자에게 유용한 기어휠 디자인에 관한 그 외의 다른 정보, 가령, 기어 치형부의 개수, 크라운 치형부(crown teeth)의 개수, 나선 각도(spiral angle) 또는 헬리컬 각도(helical angle), 기어휠 타입(베벨, 원통형 등), 다양한 치형부 횡단면에서의 활성 직경 등을 사용하는 다양한 방법들을 출력할 수 있다. 이런 정보는 그 다음 모듈로 전송될 수 있거나 및/또는 예를 들어 인터페이스 수단(12)을 통해 디스플레이 또는 인쇄될 수 있다.

이론적 표면들의 기하학적 특성(13 및 14)들은 이러한 이론적 표면들의 교차선(intersection)을 계산하도록 이론적 표면들을 계산하기 위해 모듈(11)로부터 제2 모듈(16)의 입력(input)으로 전송되며, 위에서 기술된 것과 같이 실제 마감 표면과 교차선들의 기하학적 특성(17)을 얻을 수 있다.

이러한 기하학적 특성(17)들은, (실제 사전마감 표면으로서 사용되는) 사전마감 표면의 기하학적 특성(13)들과 함께, 공지된 타입이며, 이러한 시스템을 사용하여 형성되는 기어휠의 타입(크기, 재료 경도, 정밀도 등)에 따른 수치를 가지고, 5개 이상의 축을 가진 수치-제어 기계를 제어하기 위해 CAM 모듈(18)로 전송된다. 본 기계는 (바람직하게는 공지된 보간법(interpolation) 및 기계 컨트롤 모듈(20)을 통해) 명령(21)을 수신하고 공구의 이동(movement)을 수행하여 실제 기계가공 표면들로 이어질 수 있도록 한다.

CAM 모듈(18)은 다양한 기계가공 영역(machining zone)을 위해 적절한 공구를 선택하기 위한 데이터를 기계로 통신한다(communicate). 이러한 선택은 완전히 자동일 수 있거나 혹은 사용자에게 선택권을 제공하도록(예를 들어 사용자가 선택할 수 있는 공구의 목록을 제공하여) 수행될 수 있다. 바람직하게, 사용자는 예를 들어 기어휠을 위해 사용되는 재료에 따라 커팅 및 공급 변수들을 선택할 수도 있다. 이 시스템은 예를 들어 기계가공되어야 하는 표면의 기하학적 특성에 따라 구현되는 가능성 목록을 제공함으로써 사용자가 선택하는데 도움을 줄 수 있다.

CAM 모듈이 필요한 세팅(setting)을 처리하고 나면, 기계(19)는 작동을 시작하여 사전마감 기계가공(예를 들어, 위에서 기술된 것과 같이, 기계가공된 영역들에 따라 밀링 커터를 교체하는)을 위해 미리 설정된 변수와 기하학적 특성들에 따라 사전마감 기계가공을 수행할 수 있다.

사전마감 기계가공이 종료되고 나면, CAM 모듈은 기계(19)를 작동시켜 사전마감 측정 지점들의 그리드(15)를 사용하여 기계가공된 표면의 확인 측정을 수행할 수 있다.

임의의 열처리(기계 상에서 기어휠의 해체 및 그 후의 재조립을 포함하는) 후에, CAM 모듈(18)은 (컨트롤 모듈(20)을 통해) 기계(19)를 작동시켜, 공구는, 가령, 기하학적 특성(18)에 의해 형성된 실제 마감 표면에 따라 기어휠을 기계가공하기 위해 공구는 기계가공 표면을 따르고(follow), 공구 또는 공구들은 기계가공 영역들의 사이에서 공구 이동을 위해 내부 루틴(internal routine)(기계의 컨트롤 모듈(20)과 보간법 내에 포함되는 루틴)에 따라 한 표면으로부터 또 다른 표면으로 최적 방식으로 통과할 수 있다.

본 발명의 원리에 따르면, 기계가공되어야 하는 표면들의 계산은, 일반적인 기어-커팅 기계에 의해 형성될 수 있으며 기어휠의 시뮬레이션을 가진 인터랙티브 디자인에 대해 유용하고 잘 구현된 기술을 이용하여 처리하기가 용이한 이론적 표면들을 구현할 수 있도록 최적화될 수 있다. 이와 동시에, 본 발명의 원리 때문에, 수치-제어 기계는 임의의 재료 기계가공에 상응하지 않는 이론적 표면(예를 들어 치형부의 바닥에 가까이 위치된 이론적 마감 표면을 따라 발생하는)들을 따라 공구와 함께 움직이는 시간이 낭비되지 않는다. 이 영역들에서, 기계는, 불필요하게 시간을 낭비하지 않고도, 한 실제 기계가공 표면으로부터 또 다른 표면으로 통과할 수 있도록 하기 위해 공구 이동의 최적 방법들을 자유로이 사용할 수 있다.

이와 동시에, 실제 기계가공 표면들을 계산하기 위해 이론적 표면들을 사용함으로써, 예를 들어 열처리 후에, 바닥에 있는 치형부 상에서 이 표면을 더 마감할 필요 없이, 치형부의 바닥의 표면에 적절하게 결합된 치형부의 플랭크 상에 마감 표면을 구현하는 것이 가능하다. 이는 구현된 기어휠의 퀄리티를 향상시키는 것으로 밝혀졌다.

모듈(11, 16 및 18)은, 본 명세서에 제공된 내용에 따라 당업자가 쉽게 알 수 있는 것과 같이, 하나 또는 그 이상의 적절하게 프로그래밍된 마이크로프로세서 시스템들 중 하나에 의해 쉽게 형성될 수 있다. 이러한 마이크로프로세서 시스템들은 예를 들어 수단(12)과 모듈(11, 16 및 18)을 구현하기 위한 개인용 컴퓨터 및 (일반적으로 기계 상에 장착된) 모듈(20)을 구현하기 위한 산업용 마이크로컨트롤러 컨트롤 시스템을 포함할 수 있다. 이런 방식으로, 장치(22)는 예를 들어, 개별 기계 공구를 이용하여 추후에 사용하기 위해 기억될 수 있는 명령을 형성하기 위하여 본 기계로부터 개별적으로 사용될 수 있다. 또한, 본 장치(22)는 예를 들어 명령(21 및 선택적으로는 15)을 형성하는 단일의 개인용 컴퓨터를 형성하는 수단(12)을 포함하거나 또는 상기 수단 내에 일체형으로 구성될 수도 있다.

이제, 당업자가 용이하게 이해할 수 있는 것과 같이, 5개 이상의 축을 가진 기계 공구는 제작되어야 하는 기어휠의 수치와 특성들에 따라 이러한 타입의 기계를 위해 공지된 다양한 구성 중 한 구성을 가질 수 있다.

예를 들어, 도 3에서 볼 수 있듯이, 본 기계는 3개의 직각좌표 축을 따라 캐리지(28)의 모터-구동 이동(motor-driven displacement)을 위해 갠트리-유사 구조물(27)과 워크피스(26)를 수용하는 회전 테이블(25)을 포함하는 것이 바람직하다. 캐리지(28)는 모터-구동 헤드(30)를 포함하는데, 상기 모터-구동 헤드는 제1 축(일반적으로 실질적으로 수직방향인) 주위로 배열될 수 있으며, 가령, 공지된 자동 공구 스토어(32)로부터 직접 헤드(30)에 의해 제거될 수 있는 공구(31)에 대한 5축 위치배열 시스템을 형성할 수 있도록 하기 위해 척(30)을 수용하고 제1 축에 대해 횡단 방향으로 배열된(수직이거나 경사진) 제2 축 주위로 경사질 수 있다.

대안으로, 도 3에 개략적으로 도시된 것과 같이, 기계는 조절된 회전 운동을 수행할 수 있을 뿐 아니라 하나 이상의 모터-구동 경사(바람직하게는 직경 방향으로) 축(33)을 가진 테이블(25)을 가질 수 있어서, 회전-경사 테이블을 형성할 수 있다. 따라서, 구동 헤드(30)는 횡단 방향으로 경사진 축을 가지지 않으며 공구의 회전을 위해 오직 한 축(도 3에서 수직 방향의)만을 가질 수 있는데, 그 이유는 상기 경우에 5축 시스템의 경사축이 테이블(25)로 이송되기 때문이다.

이 지점에서, 앞에서 기술된 목적이 어떻게 구현되는 지는 명백하다.

분명히, 본 발명의 원리를 적용하는 실시예를 기술한 앞의 내용은 이러한 원리들의 한 예에 의해 제공되며 따라서 본 명세서에서 청구하고 있는 권리 범위를 제한하는 것으로 간주 되어서는 안 된다. 예를 들어, 다양한 모듈 사이에서의 데이터 전송은 모듈의 실제 실시예에 따라 똑같은 프로그램의 모듈 사이에서의 데이터 전송 연결 및/또는 데이터 전송 인터페이스에 의해 실행될 수 있다. 또한, 데이터 전송은 한 모듈에 의해 입력될 수 있고 그 다음 모듈에 의해 판독될 수 있는 물리적인 매체에 데이터를 저장함으로써 실행될 수도 있다. 예를 들어, CAM 모듈(18)은 적절한 매체에 파일들을 저장하고 그 뒤에 기계 컨트롤 모듈(20)에 의해 판독된다.

이는, (특정 디자인 및 제작 요건에 따라) 예를 들어, 명령(15)과 기하학적 특성들을 형성하고 (그 뒤에) 몇몇 기계 공구(19)에 의해 사용되는 장치(22), 혹은, 그 반대로, 명령(15 및 21)과 기하학적 특성들을 형성하고 그 뒤에 상이한 기어휠들을 기계가공하기 위해 단일 기계(19)에 의해 사용되는 몇몇 장치(22)(예를 들어, 상이한 유저/디자인 엔지니어에 의해 각각 사용되는)를 가지는 것도 가능하다는 것을 의미한다.

본 발명에 따른 시스템의 결과, 상기 시스템은 3차원 표면들에 의해 기술된 본체(body)들 사이에 결합 및 접촉을 위해 수치 모델링 시스템(numerical modelling system)이 제공된 CAD-CAM 기계 조립체를 포함하고, 기어휠의 기하학적 특성에서 임의의 추후 발전을 따라가는 것이 가능하다. 달리 말하면, 당업자에 의해 쉽게 이해할 수 있는 것과 같이, 기어휠을 인벌류선(involution) 외에도, 특정 분야에만 제한되는 파선 프로파일(cycloidal profile) 등을 가진 휠(wheel)을 구성하는 것이 가능하다.

본 발명에 따른 CAD-CAM 기계 시스템을 사용하면, 당업자들이 쉽게 이해할 수 있는 것과 같이, 모든 표면들이 오목하고(바닥 및 치형의 플랭크 둘 다) 구형 또는 디스크 형태이지만 곡선면(curved side)들을 가진 공구들이 사용될 수 있는 내부 치형부(internal teeth)를 가진 휠을 커팅하는 것이 가능하다.

계산 모듈(11), 표면(16)들을 처리하기 위한 모듈 및 컨트롤 모듈(18)로 구성된 조립체는 전체적으로 기계 공구를 제어하기 위한 명령 형성 모듈을 형성할 수 있다. 원하는 휠의 변수들(수단(12)을 통해 삽입된)을 수신하기 위한 입력(모듈(11) 내의)이 제공된 상기 모듈은 장치(22)를 형성할 수 있도록 하기 위한 개인용 컴퓨터에 설치될 수 있는 프로그램 형태로 구현될 수 있다.

Claims (19)

1. 5개 이상의 기계가공 축을 가진 수치-제어 기계 공구를 사용하여 스톡 제거에 의해 기어휠을 기계가공하기 위한 방법에 있어서,
   상기 방법은:
   - 기어휠의 이론적 사전마감 표면(50) 및 이론적 마감 표면(51)을 형성하는 단계;
   - 상기 이론적 사전마감 표면과 마감 표면 사이에 교차선(54)을 계산하는 단계;
   - 실제 사전마감 표면으로서 이론적 사전마감 표면을 사용하고 각각의 치형부를 위해 실제 마감 표면으로서 교차선(54)과 치형부의 끝단 사이에 위치된 이론적 마감 표면의 부분을 사용하는 단계;
   - 기계를 작동시켜 실제 사전마감 표면을 형성할 수 있도록 기계 공구들이 기계가공 표면들을 따라가는 제1 기어휠 기계가공 공정을 수행하고 그 뒤 실제 마감 표면을 형성할 수 있도록 기계 공구들이 기계가공 표면들을 따라가는 제2 기어휠 기계가공 공정을 수행하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 기어휠을 기계가공하기 위한 방법.
2. 제1항에 있어서, 이론적 사전마감 표면(50)과 마감 표면(51)들은 각각 이론적 사전마감 랙(rack)과 이론적 마감 랙에 의해 이론적으로 생성된 표면들로서 형성되는 것을 특징으로 하는 기어휠을 기계가공하기 위한 방법.
3. 제1항에 있어서, 제1 공정과 제2 공정 사이에, 기어휠의 열처리를 위한 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 기어휠을 기계가공하기 위한 방법.
4. 제1항에 있어서, 기계를 작동시키기 전에, 교차선(54)이 활성 반경(active radius)보다 더 작은 기어휠의 축으로부터 일정 거리에 위치되는 지를 체크하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 기어휠을 기계가공하기 위한 방법.
5. 제1항에 있어서, 기계를 작동시키기 전에, 교차선(54)이 활성 직경(active diameter), 가령, 초기에 맞물린 기어휠의 접촉 지점들의 기하학적인 로커스(geometrical locus)에 따라 생성된 활성 회전 표면(active revolution surface)에 의해 형성된 용적(volume) 내에 포함되는 지를 체크하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 기어휠을 기계가공하기 위한 방법.
6. 제1항에 있어서, 기어휠의 각각의 치형부를 위한 실제 마감 표면은 활성 직경만큼 치형부의 끝단 직경으로부터 연장되는 하나 이상의 제1 볼록 마감 표면 부분과 이론적 표면들의 교차선만큼 활성 직경으로부터 연장되는 제2 오목/볼록 마감 표면 부분에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 기어휠을 기계가공하기 위한 방법.
7. 제6항에 있어서, 기계는 원뿔형 또는 원통형 밀링 커터 공구에 의해 제1 표면 부분의 기계가공을 수행하고 구형 또는 원환형 밀링 커터에 의해 제2 표면 부분의 기계가공을 수행하는 것을 특징으로 하는 기어휠을 기계가공하기 위한 방법.
8. 제1항에 있어서, 기계는 치형부의 플랭크를 따라 원뿔형 또는 원통형 또는 디스크 형태의 밀링 커터 공구 및 치형부 바닥 위에 곡선 프로파일을 가진 구형 또는 원환형 또는 디스크 형태의 밀링 커터에 의해 실제 사전마감 표면의 기계가공을 수행하는 것을 특징으로 하는 기어휠을 기계가공하기 위한 방법.
9. 제1항에 있어서, 교차선은 치형부의 바닥 상의 실제 사전마감 표면과 치형부의 플랭크 위의 마감 표면을 함께 결합하는 스트립(56) 내로 팽창되는 것을 특징으로 하는 기어휠을 기계가공하기 위한 방법.
10. 제1항에 있어서, 기계가공되어야 하는 실제 표면들의 측정 지점들의 그리드 좌표를 계산하는 단계 및 기계를 작동시켜 기계가공되는 기어휠 상에서 계산된 측정 지점들이, 제1 기계가공 공정 후와 제2 기계가공 공정 전에, 기어휠 상에서 기계가공 공정의 센터링(centering)을 수행할 수 있으며 바람직하게는 제2 기계가공 공정 동안 제거된 스톡(stock)의 균일성을 보장하는 것에 상응하는 지를 체크하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 기어휠을 기계가공하기 위한 방법.
11. 5개 이상의 기계가공 축을 가진 수치-제어 기계 공구(19)를 사용하여 스톡 제거에 의해 기어휠을 기계가공하기 위한 시스템에 있어서,
    상기 시스템은:
    - 5개 이상의 축을 가진 수치-제어 기계 공구(19);
    - 원하는 기어휠의 변수들을 삽입하기 위한 수단(12), 기어휠의 이론적 사전마감 표면(50)과 이론적 마감 표면(51)을 계산하기 위한 계산 모듈(11);
    - 이론적 표면(50, 51)들 사이의 교차선을 계산하고 교차선과 치형부의 끝단 사이에 위치된 이론적 사전마감 표면의 부분에 의해 형성된 각각의 치형부를 위해 하나 이상의 실제 마감 표면을 형성하기 위한 처리 모듈(16);
    - 실제 사전마감 표면으로서 이론적 사전마감 표면의 기하학적 특성(13)과 실제 마감 표면의 기하학적 특성(17)을 수신하고 기계(19)를 위한 명령(21)을 출력하여 기계 공구들이 실제 사전마감 표면과 마감 표면들에 따라 기어휠의 기계가공을 수행할 수 있도록 기계가공 표면들을 따르는 컨트롤 모듈(18)을 포함하는 것을 특징으로 하는 기어휠을 기계가공하기 위한 시스템.
12. 제11항에 있어서, 명령(21)은 컨트롤 모듈(20)과 보간법(interpolation)을 통해 기계에 도달하는 것을 특징으로 하는 기어휠을 기계가공하기 위한 시스템.
13. 제11항에 있어서, 기계는 기어휠을 구현하기 위해 기계가공되어야 하는 워크피스(26), 제1 축 주위로 배열될 수 있으며 5축 위치배열 시스템을 형성할 수 있도록 상기 제1 축에 대해 횡단 방향인 축 주위로 경사진 모터-구동 헤드(30)를 지지하는 캐리지(28)의 3개의 직각좌표 축을 따라 모터-구동 이동을 위한 갠트리-유사 구조물(27)을 수용하는 회전 테이블(25)을 포함하며, 상기 헤드는 표면들을 기계가공하기 위해 공구(31)를 위한 척(30)을 수용하는 것을 특징으로 하는 기어휠을 기계가공하기 위한 시스템.
14. 제11항에 있어서, 기계는 기어휠을 구현하기 위해 기계가공되어야 하는 워크피스(26), 5축 위치배열 시스템을 형성할 수 있도록 헤드(30)를 수용하는 캐리지(28)의 3개의 직각좌표 축을 따라 모터-구동 이동을 위한 갠트리-유사 구조물(27)을 수용하는 회전 테이블(25)을 포함하며, 상기 테이블(25)은 횡단방향의 모터-구동 축(33) 주위로 경사질 수 있는데, 상기 헤드는 표면들을 기계가공하기 위해 공구(31)를 위한 척(30)을 수용하는 것을 특징으로 하는 기어휠을 기계가공하기 위한 시스템.
15. 제13항 또는 제14항에 있어서, 기계는 척(30) 상에서 자동 공구 교체를 위한 스토어(32)를 포함하는 것을 특징으로 하는 기어휠을 기계가공하기 위한 시스템.
16. 제15항에 있어서, 스토어(32) 내의 공구는 적어도 원뿔형 및/또는 원통형 및/또는 원뿔/원통형의 디스크 형태의 밀링 커터 및 구형 및/또는 원환형 밀링 커터를 포함하는 것을 특징으로 하는 기어휠을 기계가공하기 위한 시스템.
17. 제11항에 있어서, 계산 모듈(11)은 측정 지점들의 그리드의 좌표(15)들을 출력하고, 기계는 수행되는 기계가공 공정의 기하학적 확인을 위하여 그리드 지점들을 측정하기 위한 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 기어휠을 기계가공하기 위한 시스템.
18. 5개 이상의 기계가공 축을 가진 수치-제어 기계 공구(19)를 위하여, 기어휠을 기계가공하기 위해 명령을 형성하기 위한 장치(22)에 있어서,
    상기 장치(22)는:
    - 원하는 기어휠의 변수들을 삽입하기 위한 수단(12), 기어휠의 이론적 사전마감 표면(50)과 이론적 마감 표면(51)을 계산하기 위한 계산 모듈(11);
    - 이론적 표면(50, 51)들 사이의 교차선을 계산하고 교차선과 치형부의 끝단 사이에 위치된 이론적 사전마감 표면의 부분에 의해 형성된 각각의 치형부를 위해 하나 이상의 실제 마감 표면을 형성하기 위한 처리 모듈(16);
    - 실제 사전마감 표면으로서 이론적 사전마감 표면의 기하학적 특성(13)과 실제 마감 표면의 기하학적 특성(17)을 수신하고 기계(19)를 위한 명령(21)을 출력하여 기계 공구들이 실제 사전마감 표면과 마감 표면들에 따라 기어휠의 기계가공을 수행할 수 있도록 상기 명령들에 따라 기계가공 표면들을 따르는 컨트롤 모듈(18)을 포함하는 것을 특징으로 하는 기어휠을 기계가공하기 위해 명령을 형성하기 위한 장치(22).
19. 5개 이상의 기계가공 축을 가진 수치-제어 기계 공구(19)를 위하여, 기어휠을 기계가공하기 위해 명령을 형성하기 위한 모듈에 있어서,
    상기 모듈은:
    - 원하는 기어휠의 변수들을 삽입하기 위한 입력(input), 기어휠의 이론적 사전마감 표면(50)과 이론적 마감 표면(51)을 계산하기 위한 계산 모듈(11);
    - 이론적 표면(50, 51)들 사이의 교차선을 계산하고 교차선과 치형부의 끝단 사이에 위치된 이론적 사전마감 표면의 부분에 의해 형성된 각각의 치형부를 위해 하나 이상의 실제 마감 표면을 형성하기 위한 처리 모듈(16);
    - 실제 사전마감 표면으로서 이론적 사전마감 표면의 기하학적 특성(13)과 실제 마감 표면의 기하학적 특성(17)을 수신하고 실제 사전마감 표면과 마감 표면에 따라 기어휠의 기계가공을 수행하기 위해 기계(19)를 위한 명령(21)을 출력하는 컨트롤 모듈(18)을 포함하는 것을 특징으로 하는 기어휠을 기계가공하기 위해 명령을 형성하기 위한 모듈.

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