刀具磨削機的製作方法
2023-07-16 10:04:21 1
專利名稱：刀具磨削機的製作方法
技術領域：
本發明涉及諸如刀具磨削機的工具機，並特別涉及用於磨削轉動切削刀具的鏟齒齒廓的多軸、高精度、計算機控制工具機。
背景技術：
在磨削諸如模數大於8的滾齒刀、蝸輪滾刀、常法向基節滾刀以及銑刀之類的切削刀具的齒廓時，使用多個磨削輪來完成齒側和齒頂特徵上的整個齒廓。當模數從8增加到約16時，可根據期望的成品齒的再刃磨壽命和齒廓根部處的齒隙寬度來使用不同的磨削方法。齒的再刃磨壽命或凸輪鏟齒齒面的長度可使用具有與長度相比直徑相對較小的鉛筆狀圓錐形磨削輪來最大化。當沿滾刀螺紋的齒螺旋線或在銑刀的情況下沿分度位置來徑向凸輪磨削鏟齒時，齒面的鏟齒長度取決於磨削輪與下一個相鄰齒的幹涉點。根據齒隙的幾何形狀，必須考慮對於磨削的實際表面速度限制和鉛筆狀輪的梢端的彎曲/剪切強度減弱。當接近鉛筆狀輪磨削的實際應用限值時，可採用利用與寬度相比直徑相對更大的杯狀磨削輪的不同磨削工藝。克服磨削的表面速度和輪的磨削齒的齒根部的部分的強度。然而，杯狀磨削輪的缺點在於它們較大的直徑使凸輪鏟齒齒面的長度限制到之前所述的幹涉點。當模數增加到超過16並高達50時，杯狀輪的使用由於輪與相鄰齒的所述幹涉而受到限制。在大多數情況下，對於模數大於16的滾刀必須使用鉛筆狀圓錐形磨削輪，以提供對於再刃磨壽命來說足夠的齒鏟齒長度。目前刀具製造實踐使用由多個磨削輪及輪形狀產生的各輪廓的混合來分別以多個(例如，多達五個)裝置磨削齒側、齒頂半徑和齒頂外直徑。藉助於CNC機器運動技術和轉動精修/磨光裝置，可以使上述鉛筆狀或杯狀磨削輪的外廓包含多個特徵，例如齒底部半徑/突起、齒壓力角側面、齒頂部半徑和齒頂部外直徑。在所述示例中，精磨工藝可以減少到混合僅兩個鉛筆狀或杯狀磨削輪的輪廓。使用諸如具有聲觸感測技術的Renishaw(雷尼紹)3-D的探測器對輪廓的探測有助於磨削輪與左側和右側齒基準點的相對定位以及輪廓的混合以實現所要求的齒廓和齒厚。由於以上原因，許多刀具製造設備採用專用於鉛筆狀輪或杯狀輪的多個磨削機。 一些設備包括允許更換主軸組件和驅動機構的工具機設計，以適應鉛筆狀輪或杯狀輪的物理定向。而大多數則需要使用具有僅能針對鉛筆狀輪或杯狀輪磨削的物理定向的專用機器。 如果不是所有也是在大多數情況下，工具機上的凸輪鏟齒運動利用一根軸線來提供凸輪鏟齒的徑向運動，這限制了機器的靈活度。
發明內容
本發明涉及一種具有成角度定向的主軸的工具機，該主軸能成角度地定位(迴轉) 由此提供利用杯狀和鉛筆狀磨削輪來磨削滾刀和銑刀鏟齒幾何形狀的靈活度，而不更換磨削主軸組件或更改機器構造來適應兩種類型的磨削方法或利用附加的機器軸線來使主軸
重新定向。
圖I (a)、1(b)和1(c)示出杯狀磨削輪與通用模數的滾刀齒廓的導程設定角度關
系O圖2(a)、2(b)和2 (c)示出鉛筆狀磨削輪與通用模數的滾刀齒廓的導程設定角度關係。圖3示出相對於沿漸開線螺旋面從滾刀的正面輪廓到背面輪廓的徑向凸輪鏟齒運動(radial cam relieving motion)的設計平面。圖4示出從常基節滾刀齒廓的正面到背面的壓力角的變化。圖5示出對於機器主要部件、滾刀工件和為使用鉛筆狀磨削輪而定向的磨削輪主軸組件的凸輪鏟齒關係和方向。圖6示出對於機器主要部件、滾刀工件和為使用杯狀磨削輪而定向的磨削輪主軸組件的凸輪鏟齒的關係和方向。圖7是處於其在機器中的操作位置的、本發明的磨削主軸組件的放大圖。圖8是附連於機器基座、用於在磨削主軸安裝接口與儲存工位之間更換磨削輪組和冷卻劑歧管的自動輪更換單元的放大圖。
具體實施例方式在對本發明的任何特徵和至少一種構造進行詳細說明之前，應理解的是，本發明並不局限於將其應用至下面說明書所述或附圖中所示的構造細節和部件布置。本發明能夠呈其它構造，並能夠以各種方式來實踐或實施。還有，應理解的是，這裡所用的措詞和術語是為了說明的目的，而不應被認作為是限制性的。在此使用「包括」、「具有」和「包含」及其變型意味著包含了下文所列的物品及其等效物以及附加的物件。使用字母來識別方法或過程的元素僅僅為了識別，並不意味著指示各元素應以特定次序來進行。儘管下文在描述附圖時可參照諸如上、下、向上、向下、向後、底部、頂部、前、後等的方向，但出於方便可相對於附圖(如通常所示)來進行參照。這些方向並不意在按文字上來取或以任何形式來限制本發明。此外，諸如「第一」、「第二」、「第三」等的術語在此用於描述的目的，而並不意在指示或暗示重要性或意義。圖I (a)、1 (b)和I (C)示出在針對杯狀磨削輪I的坐標系中磨削輪的角度關係，該磨削輪I沿單頭或多頭的螺紋路徑4沿連續系列滾刀齒3中的一個的漸開線螺旋面2與由螺紋漸開線螺旋面2和直槽或螺旋槽6相交所形成的切削麵處的正面輪廓5接觸以及與長度由磨削輪I與相鄰的滾刀齒9沿漸開線螺旋面2的幹涉點8所限制的齒位置的刃磨限程終點附近的鏟齒背面輪廓7接觸。在圖l(a)、l(b)和1(c)中定義的關係是磨削主軸組件的固定角HA(角10)、磨削輪壓力角PA(角度11)以及滾刀齒的軸向壓力角APA(角12)、漸開線螺旋面13從正面看的導程角LASl和LAS2以及磨削架組件從正面看的迴轉設定角設定14以及相對於坐標系的伊齒方向15。圖2(a) ,2(b)和2 (C)示出針對鉛筆狀或圓錐形磨削輪16的坐標系中磨削輪的角度關係，該磨削輪16沿沿單頭或多頭螺紋路徑19沿連續系列滾刀齒18中的一個的漸開線螺旋面17與由螺紋漸開線螺旋面17和直槽或螺旋槽21相交形成的切削麵處的正面輪廓 20接觸以及與長度由磨削輪I與相鄰滾刀齒24沿漸開線螺旋面17的幹涉點23所限制的齒位置的刃磨限程終點附近的鏟齒背面輪廓22接觸。在圖2(a)、2(b)和2 (c)中定義的關係是磨削主軸組件的固定角25、在磨削輪上精修/磨光的壓力角PA與滾刀齒的軸向壓力角 APA(角27)之差角B(角26)、漸開線螺旋面28從正面看的導程角LASl和LAS2以及磨削架組件從正面看的迴轉設定角設定29以及相對於坐標系的鏟齒方向30。圖3定義用於優化磨削輪幾何形狀以採用或不採用漸開線修正來減小與理論齒廓的偏差和滾刀齒磨削輪對齒壓力角共軛接觸點的固有誤差的設計平面。設計平面限定在正面31、凸輪鏟齒的中點32和背面33部段處。還示出有關的名義滾刀外半徑34、名義滾刀中點半徑35和刃磨限程終點的名義滾刀半徑36。圖4示出由常規工具機製造方法生產的漸開線輪廓的滾刀齒的特徵誤差。理論上， 每次滾刀從正面刃磨到背面都產生不同的新滾刀。刃磨過的滾刀僅將齒輪切削成與新滾刀近似的形狀。此外，滾刀背面刃磨得越多，誤差越嚴重。圖4示出滾刀齒漸開線螺旋面輪廓的兩個軸向部段，為了說明而未作漸開線修正，這些部段表示新滾刀的理論上正確的正面位置37和沿齒漸開線螺旋面在刃磨限程終點附近的刃磨過的背面位置38。當本身具有固定幾何輪廓的磨削輪或成形刀具在通過機器鏟齒運動沿固定路徑來驅動時試圖在部段37 和38處與此螺旋面接觸時，出現固有誤差39 (誤差A和誤差B)。從「Buckingham, Earl的正齒輪，紐約的麥格勞-希爾公司(McGraw-Hill Book Co. Inc)，1928」中已知上述固有誤差問題的識別和解決的努力，該文獻討論的是利用漸開線螺旋面的特定特徵來鏟齒滾刀齒面。藉助於公開的方法，鏟齒表面與磨削輪之間的接觸將是漸開線螺旋面的直線母線，而鏟齒表面本身將是漸開線螺旋面。然而，該方法不對諸如半修頂突起之類的修正、漸開線修正和凸起修緣進行規定。對於精密節距滾刀，固有誤差是可忽略的，而對於低質量的粗糙節距滾刀，誤差的幅度是不重要的。對於精確的滾刀，固有誤差位點可用如下等式來識別
(滾刀外直徑(毫米))⑴
(法向模數(毫米))x(滾刀螺紋數)當Q因數大於20時，它標記具有直線軸向輪廓的滾刀將切削為了所有實際目的而具有準確漸開線輪廓的齒輪的近似區域。當Q因數減小時，滾刀齒軸向輪廓變得更彎曲且固有誤差的可能性增大。對具有修正過的齒漸開線螺旋面的磨削輪接觸斑跡、設定角度和磨削輪偏移的計算機分析能優化磨削工藝以減小但不能消除固有誤差。在鏟齒過程中改變壓力角關係的校正機器運動能使固有誤差最小化到可接受的水平以提供更精確、壽命更長的滾刀。本發明的磨削輪架組件40(圖6)能提供與鏟齒運動同步的磨削輪擺動運動以使固有誤差最小化。本發明的磨削機的CNC控制器(諸如Fanuc 160iB計算機控制)能操作以在磨削架組件圍繞水平平面定位以使用杯狀輪來磨削時提供從沿水平平面運動的單軸線的徑向或偏移徑向凸輪伊齒運動(offset radial cam relieving motion),或者在磨削架組件圍繞垂直平面定位以使用鉛筆狀輪來磨削時使用多軸線以圍繞垂直平面的複合角來提供凸輪鏟齒運動。此外，磨削架組件能向磨削輪賦予疊加到徑向或偏移徑向凸輪鏟齒運動上的擺動運動，該擺動運動起到改變磨削輪相對於滾刀齒廓的壓力角迴轉定向的作用，由此相對於鏟齒齒廓的正面和中點減小滾刀齒的背面處的齒壓力角。這種運動可以製造常法向基節滾刀，而這種滾刀不能通過在本發明之前的現有滾刀磨削來生產。圖5示出本發明的機器，該機器具有工作檯41、直接電動機驅動的主軸箱42、活頂尖尾座43、用於輔助裝載心軸組件的中心架44、工件保持心軸45 (圖6)、滾刀工件46、直線電動機驅動的驅動縱向軸向滑動組件47、直線電動機驅動的垂直滑動組件48、直線電動機驅動的水平徑向進給滑動組件49、為鉛筆輪磨削而定向的磨削主軸迴轉組件50、帶有主軸 65的傾斜(較佳地為25度)磨削主軸外殼51以及具有主軸安裝適配件66的鉛筆磨削輪 52。向量53示出相對複合角的徑向鏟齒運動(即，凸輪鏟齒運動)。用於產生滾刀螺紋導程的縱向軸向滑動件47和主軸箱42、結合以產生凸輪鏟齒運動53的垂直滑動組件48和水平滑動組件49以及疊加到凸輪鏟齒運動53上的磨削輪迴轉組件50的可選擺動需要五軸同步，以使固有壓力角輪廓誤差最小化。圖6示出機器工作檯41、直接電動機驅動的主軸箱42、活頂尖尾座43、用於輔助裝載芯軸組件的中心架44、工件保持心軸45、滾刀工件46、直線電動機驅動的驅動縱向軸向滑動組件47、直線電動機驅動的垂直滑動組件48、直線電動機驅動的水平徑向進給滑動組件49、為杯狀輪磨削而定向的磨削主軸迴轉組件50、帶有主軸65的傾斜(較佳地為25度) 磨削主軸外殼51以及具有主軸安裝適配件66的杯狀磨削輪55。向量56示出相對複合角的徑向鏟齒運動(即，凸輪鏟齒運動)。為了產生使用於產生滾刀螺紋導程的縱向軸向滑動件47和主軸箱42、用於產生凸輪鏟齒運動56的水平滑動組件49需要三軸同步來形成凸輪螺紋鏟齒定位。在杯狀輪磨削時的凸輪鏟齒過程中，磨削輪迴轉組件50的偏移設定角和垂直軸線48高度保持在固定位置。為垂直運動而安裝的磨削輪架組件40較佳地包括可變速高頻磨削主軸並能經過至少正或負120度的垂直平面弧度自動擺動到期望的設定複合角，該複合角取決於磨削輪的輪廓、刀具的螺紋導程和磨削主軸的定向。磨削主軸外殼51相對於磨削輪架40的垂直迴轉平面定向，並定向在相對於垂直平面較佳為25度的固定角位置，此時磨削輪位置更接近於工件，而主軸65的直接驅動電動機遠離工件。當使用杯狀磨削輪55 (圖6)時，磨削主軸65的較佳為25度的定向提供磨削主軸電動機外殼51和工件外直徑之間的附加間隙，而磨削輪架40定位成相對於水平平面大致正或負30度，並且使用與轉動和縱向運動結合的快速水平運動進行鏟齒磨削。較佳定向成 25度的磨削主軸還可便於鉛筆狀磨削輪52 (圖5)，其中磨削輪架40定位成大致相對於垂直平面正或負40度或者左右，從而導致使用與轉動和縱向運動結合的快速水平和垂直運動來進行鏟齒磨削。除了所述運動之外，磨削架組件可在鏟齒運動過程中從設定角位置擺動大致正或負3%度，以生產粗糙模數法向基面節距滾刀，該滾刀將在背面及正面鏟齒滾刀齒側處具有校正的齒廓壓力角。儘管磨削主軸較佳地定向為固定的25度，但本發明不限於此。其它角度定位是可設想的並在本發明的範圍內。圖7示出附加的機器構造，該構造包括磨削輪更換箱57、包括傾斜磨削主軸51的磨削輪迴轉組件50、用於設定和檢測功能的探測器58 (例如，Renishaw 3D)以及安裝於工作檯的轉動磨光(輪精修)組件59。滾刀的自動磨削和多個輪輪廓的混合較佳地包括安裝於主軸適配件上的磨削輪組的循環更換、通過使用探測器58來確定相對於齒隙的對應齒側上節距點的粗略磨削輪位置、使用聲觸感測技術來證實磨削輪輪廓與滾刀現有齒廓的接觸位置、使用帶有聲觸感測技術的機器軸來形成外廓以藉助於安裝於工作檯的磨光機59 根據許多磨削輪技術(包括像CBN的超級研磨劑)來產生磨削輪輪廓、用探測系統58測量磨削好的輪廓以進行混合與誤差校正，以及對輪廓的誤差校正進行自動分析和反饋。圖8示出具有安裝於轉動圓盤傳送器61上的多個工位的自動輪更換機60，該圓盤傳送器61儲存組裝到磨削主軸適配件(統稱為62)的輪組和相關聯的冷卻劑歧管63。可編程的滑動組件64便於在磨削主軸51和圓盤傳送器61上的多個工位之間同時更換輪組 62和冷卻劑歧管63。自動輪和冷卻劑歧管更換裝置60 (位於機箱57內)附連於工具機以便於完成滾刀或銑刀的自動磨削。自動輪更換裝置可容納有帶有相關聯的冷卻劑歧管的安裝於主軸適配件上的許多磨削輪並在裝置和磨削主軸之間自動更換帶有冷卻劑歧管的磨削輪組，由此自動提供為完成整個滾刀或銑刀齒廓所需的許多輪。輪更換裝置內的工位的標準數目較佳為8，但料鬥儲存裝置可連接到輪更換機以增加帶有可用的或僅由於空間限制所限定的冷卻劑歧管的可用輪組的數目。包含探測系統(例如，Renishaw 3D)以向多個磨削輪提供齒隙設立定位以及具有用於精修/磨光的自動輪廓路徑校正反饋的磨削後檢查。 還可設想根據當前AGMA和DIN國際上所接受的滾刀和銑刀標準的磨削輪廓質量的測量和 艮告。本發明的工具機能夠磨削較佳為大於200毫米外直徑且模數在約8到約50的範圍內的單頭和多頭滾刀，且滾刀具有由多個直槽或螺旋槽(齒縫)來限定的齒切削麵。工具機還可鏟齒磨削較佳為大於200毫米的較大銑刀，其中齒切削麵和齒的軸向變位由多個直線或螺旋槽來限定。工具機較佳地包含可編程的快速響應直接和直線電動機驅動軸，其具有以轉動、垂直、水平、縱向和磨削架迴轉運動的限定組合方式的精薄玻璃級(precision glass scale)位置反饋，以鏟齒磨削滾刀或銑刀的每個齒廓。還可磨削錐形的或有外廓的外直徑滾刀和銑刀。為了磨削每個齒隙可能需要多個磨削輪來完成左和右齒側、齒頂半徑和齒頂直徑。儘管參照較佳實施例對本發明進行了描述，但應當理解，本發明並不限於其特定形式。本發明旨在包括對本發明所屬領域的技術人員顯而易見的各種改型，而不偏離所附權利要求書的精神和範圍。
權利要求
1.一種用於磨削轉動切削刀具的機器，所述機器包括工作檯，用於使工件繞工件軸線轉動的工件主軸；用於使刀具繞刀具軸線轉動的刀具主軸；具有朝向所述工件主軸的第一側的垂直組件；所述刀具主軸位於所述第一側上並能沿所述垂直組件的所述第一側垂直運動，所述刀具主軸能繞大致垂直於所述第一側的迴轉軸線迴轉；所述刀具主軸以一預定的傾斜角相對於所述第一側成角度地定向。
2.如權利要求I所述的機器，其特徵在於，所述垂直組件位於所述工作檯上並能沿所述工作檯的縱向和所述工作檯的寬度方向中的至少一個方向運動。
3.如權利要求I所述的機器，其特徵在於，所述傾斜角是25度。
4.如權利要求I所述的機器，其特徵在於，所述刀具包括鉛筆狀磨削輪。
5.如權利要求I所述的機器，其特徵在於，所述刀具包括杯狀磨削輪。
6.如權利要求I所述的機器，其特徵在於，所述刀具主軸位於迴轉組件內，而探測器定位在所述迴轉組件上。
7.如權利要求I所述的機器，其特徵在於，還包括自動換刀裝置，所述自動換刀裝置包括多個刀具儲存工位。
8.如權利要求I所述的機器，其特徵在於，能操作成提供所述刀具相對於所述工件的徑向凸輪運動和偏移徑向凸輪運動中的至少一種運動。
9.如權利要求8所述的機器，其特徵在於，能操作成附加地賦予所述刀具的、疊加到徑向凸輪運動和偏移徑向凸輪運動中的所述至少一個運動上的擺動運動。
10.如權利要求I所述的機器，其特徵在於，所述工件包括單頭滾刀、多頭滾刀或銑刀。
11.一種用磨削機上的磨削輪來磨削轉動切削刀具的方法，所述方法包括使所述轉動切削刀具繞工件軸線轉動；使所述磨削輪繞刀具軸線轉動；提供所述轉動切削刀具與所述磨削輪之間沿多達三個互相垂直的方向的相對運動；使所述磨削輪繞迴轉軸線迴轉，所述迴轉軸線垂直於所述磨削機上的垂直組件的垂直定向的第一側，所述第一側朝向所述轉動切削刀具，所述磨削輪以一預定的傾斜角相對於所述第一側傾斜定向；使所述磨削輪和所述轉動切削刀具彼此配合，並使所述磨削輪和所述轉動切削刀具相對於彼此運動，以實現徑向凸輪運動和偏移徑向凸輪運動中的至少一個運動。
12.如權利要求11所述的方法，其特徵在於，還包括使所述磨削輪擺動，並將擺動疊加到所述徑向凸輪運動和偏移徑向凸輪運動中的至少一個運動上。
13.如權利要求11所述的方法，其特徵在於，所述傾斜角是25度。
14.如權利要求11所述的方法，其特徵在於，所述磨削輪包括鉛筆狀磨削輪或杯狀磨削輪中的一個磨削輪。
15.如權利要求11所述的方法，其特徵在於，所述工件包括單頭滾刀、多頭滾刀或銑刀。
全文摘要
一種用於鏟齒磨削單頭和多頭帶螺紋的滾刀(46)的多軸計算機控制的工具機。機器包括成角度定向的主軸(65)，該主軸能成角度(迴轉)地定位，由此提供利用杯狀磨削輪(55)和鉛筆狀磨削輪(52)來磨削滾刀和銑刀鏟齒幾何形狀的靈活度，而不更換磨削主軸組件或更改機器構造來適應兩種類型的磨削方法或利用附加的機器軸線來使主軸重新定向。
文檔編號B24B41/04GK102596497SQ201080043258
公開日2012年7月18日 申請日期2010年9月23日 優先權日2009年9月24日
發明者M·A·裡奇, R·L·哈克曼, W·馬丁 申請人:格裡森刀具股份有限公司