专利名称：用于制造齿部的机床和方法
技术领域：
本发明涉及一种机床，尤其是一种铣床，以及涉及一种用于铣削齿轮，如圆柱齿轮、冠轮、蜗轮和锥齿轮的方法。
背景技术：
这种尤其是外啮合的齿轮基本上可以直-或斜啮合。尤其对锥齿轮来说，弧形齿部也是已知的，这意味着，齿面具有弧形的纵向弯曲。这种锥齿轮也称为曲线齿锥齿轮。如果设有轴偏距，那么锥齿轮也称作准双曲面齿轮。此外，还已知了多种其它齿部，如准渐开线_、克林堡-和格里森弧形齿部。在制造外齿部时，基本上使用两种方法，即成型铣削和滚铣。在成型铣削中，铣刀的轮廓直接转移至工件上，其中仅由旋转的铣刀进行切削运动，而通常工件是静止的。在制造齿槽后，工件继续旋转一个齿距。尤其将面铣刀和立铣刀用作刀具。为了经济地制造直线-或斜啮合的外齿轮，如圆柱齿轮，使用了滚铣方法，其中刀具几何形状为单头-或多头蜗杆，该蜗杆与待啮合的工件一起形成蜗轮蜗杆传动装置。滚刀在铣削过程中被驱动，并同时沿着工件尤其是平移地移动，从而产生齿槽。所谓的连续地分开的齿部加工方法(连续的分度法)也属于滚铣。在此将面铣刀用作刀具，面铣刀在其端面上具有多个仅沿刀具的轴向远离指向的切削刃，该切削刃与面铣刀的外直径同心地布置。每个切削刃都不同地设计且因此具有独特的切削刃几何形状， 从而每个切削刃仅去除齿面的特定的部分。刀具的旋转轮廓，也就是说切削刃的所有刀刃都产生了待制造的齿槽。在这种方法中，工件和刀具根据一定的规律相对彼此旋转，从而齿槽的齿面通过通过单个刀刃的包络切面而成形。在连续的分度法中，较高的装备投入是不利的，这是因为必须取决于待铣削的齿部精确地调节工件和刀具的转速。由于铣削过程的复杂的控制而需要专门的专用机床，该机床的购置费用昂贵。在所谓的深渍法、也称为单个地分开的齿部加工方法(单个分度法)中，通过刀具深入来单个地制造齿槽。在深入过程中工件静止，然后该工件以一个齿距被继续切削，并铣出下一个齿槽，直至完全制成锥齿轮为止。在此，如同在连续分度法中一样使用了面铣刀， 然而其切削刃整体具有同样的形状并对应于待铣削的齿槽的轮廓。所述方法的最大的缺点在于，刀具基本上仅适用于特定的齿部。如果期望的是特殊的齿部，那么同样必须制造特殊铣刀，这种特殊铣刀不仅通常是昂贵的，而且大多情况下也需要较长的供货时间。在借助于单个-或连续的分度法制造弧形齿形的锥齿轮时，刀具的外直径取决于期望的齿部且尤其取决于待制造的锥齿轮的外直径。这尤其因为，相对于面铣刀的旋转轴， 齿面的纵向弧线的半径基本上对应于刀刃的半径。由此需要较重的刀具并进而需要功率较强的驱动装置，其中由于刀具的重量大，所以进给量和转速可以较低，从而加工时间较长。 由于刀具的重量，刀具不能一直插在刀库中，而相反必须手动更换。在更换刀具时，例如通过工业机器人的操作由于过高的惯性负荷而取消。在制造相对较小的齿轮时，尽管刀具可以放置在机床的刀库中，然而在大多数情况下刀具由于其相对较大的直径占据了很大的位置，因此必须提供显著较大的刀库以供使用。在单个-和连续的分度法中，面铣刀的调整在装调时间方面是特别不利的，这是因为所有切削刃必须这样精确地校准，即所述切削刃给出作为旋转轮廓的待铣削的齿槽的准确的几何形状。在最近一段时间内进行了借助于高速切削加工(HSC)制造齿轮、如锥齿轮的试验。在这种方法中，使用了立-或成型铣刀，在切削加工功率相对较小(小的切削厚度)的情况下，该立-或成型铣刀以极高的转速和进给速度逐行地切除齿槽。尽管小的切削体积保护了机床的主轴和轴承结构，但由于该小的切削体积，尤其在五轴-机床上进行的加工过程导致了特别长的加工时间。对于已经出版的现有技术来说，参阅文献DE 37 52 009 T3，其中在权利要求1的前序部分中概述了由该文献已知的特征。该文献描述了一种用于制造锥齿轮和准双曲面齿轮的多轴滚齿机，其中设有控制装置，该控制装置可以使得用于工件的刀架和容纳装置同时沿五个轴运动。然而，由于刀具深入工件的类型而要求刀具具有相应于齿面纵向曲线的曲率半径的两倍的外直径。因此，要求对于每一种新的齿部几何形状或对于每一种新的齿面纵向曲线必须制造新的刀具。此外，该机床不被指定用作用于制造作为特殊齿部的其它部件的万能铣床。欧洲专利文件EP 0 850 120 Bl描述了一种刀具深入方法，该方法减小了盆形面铣刀的单个刀刃的磨损。其中建议了，在深入时，倾斜地把盆形面铣刀插入齿槽中，该面铣刀的直径也必须与锥齿轮的待完成的弧形齿部的曲率半径一致，其中进给向量具有延垂直于齿槽底部的方向的分量和沿齿部的纵向的分量。当该刀具已经到达工件中的完全深度时，该刀具可以或者又直接从工件中被拉出(在成型铣削中，在那里称为未形成-方法)，或者沿工件的周向的方向移动，从而在滚铣中开始滚压。欧洲专利文件EP 0 690 760 Bl同样描述了一种刀具切入方法，以减小所用的面铣刀的单个齿的磨损。如在前面所述的专利中那样，在此在真正的滚压过程开始之前也定义了用于面铣刀的进给向量。而缺点又在于，面铣刀的外直径必须精确地与齿部的弧形一致，如前所述，每个切削刃必须具有单独的切削刃几何形状，以形成单头或多头的蜗杆。
发明内容
本发明的目的在于，提出用于制造齿轮，尤其是锥齿轮或小齿轮的一种机床和一种方法，所述机床和方法在现有技术的缺陷方面有所改进。尤其应该最小化加工时间和尤其是待制造的齿轮的基本时间。同时应该能够尽可能成本低地且成形精确地制造齿轮。同时，应该有利地可以利用一个或多个紧固装置在机床上完整地铣出齿轮。尤其有利的是，应该能够使用具有根据本发明提供的刀具的万能铣床来制造齿部。该目的通过根据独立权利要求所述的一种机床、一种方法和一种刀具实现。从属权利要求是本发明的优选实施方式。根据本发明的机床、例如铣床，包括床身；安装在床身上的用于容纳刀具的刀架；用于围绕刀具轴线旋转驱动刀架中的刀具的驱动装置；安装在床身上的用于容纳工件的容纳装置；第一旋转驱动装置，用于产生在刀架和容纳装置之间的第一相对角运动，尤其用于使得工件和/或容纳装置围绕工件轴线的旋转，以及第二旋转驱动装置，用于产生在刀架和容纳装置之间的第二相对角运动；平移驱动装置，用于产生在刀架和容纳装置之间的沿着三个轴线的相对平移运动；控制装置，其这样设置，即该控制装置实现了基本上同时控制在刀架和容纳装置之间的相对直线运动和在刀架和容纳装置之间的相对角运动，其中刀具设计为端面-或端面圆周铣刀且包括具有待铣削入工件中的齿部的至少一个部分轮廓的刀刃。根据本发明，刀刃的外直径(也称为切削刀刃的刀刃轨迹半径的两倍)比两个相邻的齿面(齿槽)之间的间距大，其中可以利用布置在刀具的外圆周的区域中的刀刃的一部分的这样调整刀具，即刀具利用端侧的刀刃并尤其同时利用圆周侧的刀刃在待完成的齿部的区域中深入工件中。通过操作第一和/或第二旋转驱动装置和/或操作至少一个平移驱动装置，控制装置使刀具通过沿待加工的齿面的位移而移动。在这种位移运动中，刀具的、尤其是该刀具的由多个刀刃形成的外圆周到待铣出的齿部的齿槽底部和/或齿顶的间距至少基本上保持不变。当例如利用根据本发明的机床制造具有弧形齿部的工件时，那么控制装置有利地这样控制驱动装置，即刀具沿着正在待制造的齿的齿面纵向曲线移动，其中刀具轴线相对于齿面纵向曲线(大致相对于齿面)的倾斜角或角度保持不变。这例如可以由此实现，即在横-和/或纵向上相应于齿面的几何形状不断地借助于控制装置尤其在至少五个轴上追踪刀具轴线相对于齿面纵向曲线的倾斜角。因此，根据本发明的机床基本上为五轴-铣床。当然，也可以设置其它的轴，以使刀架或刀具和/或用于工件的容纳装置平移运动或旋转运动。为了自动化运行可以对机床进行装备，并且机床例如可以包括更换刀具装置、刀库、更换工件装置和/或托盘更换器。 为了扩展功能，机床也可以具有其它的平移和/或旋转的驱动装置，例如可旋转-或可摆动的机床工作台。机床同样可以是包括其它机床，如车床、磨床或硬机床的加工中心或生产线的一部分。刀具包括至少一个刀刃且这样设计，即该刀具实现了工件的端面加工或端面圆周加工。为此，刀具可以设计为面铣刀、圆盘铣刀或T-槽铣刀。所述至少一个刀刃包括由至少一个切削面和切削表面构成的切削轮廓，其中为了产生齿槽的至少一个部分，该切削轮廓有利地具有用于齿面的第一局部刀刃以及用于齿槽底部的至少一个部段的第二局部刀刃。 利用这种实施方式，可以在同一个铣削过程中利用完整的最终铣削形状产生齿面以及齿槽底部的至少一个部段。基本上沿刀具的轴向看，刀刃优选从刀具离开指向。因此，刀刃不垂直于刀具的朝向工件的端侧延伸。反之，刀刃可以基本上平行于端侧或与端侧成角度地延伸。此外，刀刃还可以沿着刀具的周向或单个切削刃的周向设置，则切削刃与刀具的端侧成角度地或垂直于刀具的端侧延伸。根据本发明的、用于在根据本发明的机床上制造齿部的方法包括以下步骤(a)在待完成的齿部的区域之外定位刀具；(b)旋转驱动刀具；
(c)在借助于控制装置基本上同时控制所有驱动装置或选出的驱动装置时，利用布置在刀具的外圆周的区域中的刀刃的一部分使刀具这样运动穿过工件中待完成的齿部的区域，即铣削出齿面的至少一个部分轮廓；其中在刀具、尤其是其外圆周(该外圆周由定位在外圆周上的刀刃的刀刃轨迹形成)到齿槽底部和/或齿槽顶面的间距保持不变或基本保持不变的情况下，刀具沿着待加工的齿面移动；(d)使刀具从待处理的齿部的区域中返回；(e)围绕工件轴线使工件和/或刀具旋转到偏置了至少一个齿距的位置；(f)尤其在刀具的旋转不中断的情况下重复步骤(C)至(f)，直到以相同地方式加工了工件的所有齿面并完全形成了齿槽为止。有利地，刀具同时以端面和周面的一部分分别利用相应地设置的刀刃去除工件的一部分。然而，也可以相对于刀具和工件之间的啮合部之外的齿部的深度方向调整刀具和工件之间的相对定位，以及在切削的铣削时使刀具仅沿着待加工的齿面在所述的间距保持不变的情况下运动。那么因此，刀具(或工件或两者)在啮合部之外移动直至预计的深度， 随后通过工件的翻滚运动去除材料，其中当然可以在多个深度平面中进行该翻滚运动的多次穿过。作为替换，在深度方向方面上刀具和工件之间的相对定位也可以在齿部的区域中， 尤其在齿槽的端部上进行，则在所述的间距保持不变的情况下刀具切削抬起地沿着待加工的齿面运动。在最初以及在铣削过程期间可以这样调整并尤其持续地追踪刀具，即刀具轴线始终与待加工的齿面成同一角度。同时，刀具可以尤其借助于所有旋转的和/或平移的驱动设备沿着齿面纵向曲线移动。也就是说，刀具的移动运动的方向向量基本上始终沿齿面纵向曲线或其平行线的切线走向。换句话说，即在横-和/或纵向上对应于齿面或齿槽的几何形状不断地借助于控制装置尤其在至少五个轴上追踪刀具轴线朝着齿面纵向曲线的倾斜角，其中刀具轴线和齿面纵向曲线之间的角度在齿面纵向曲线的纵向和/或横向上保持不变。由此可以制造基本上所有已知的端面-和圆周外齿部。然而也可以利用这种方法制造完全新型的齿部。优选在粗加工过程中借助于预加工刀具对齿部这样进行预铣削，即齿部至少近似于最终的预期-铣削几何形状，且在随后的精加工过程中借助于精加工刀具最终这样铣削齿部，即齿部具有最终的预期-铣削几何形状，其中分别执行步骤(a)至(f)。在粗加工过程和精加工过程之间可以连接有至少一个中间加工过程，尤其是铣削过程。在各个加工过程之间设置有用于检测铣削的轮廓的测量过程。在此，该测量过程可以直接在机床中例如借助于测量头或光学的测量设备(摄像机、激光)进行。此外，还可以在精加工过程之后进行对齿部的其它加工，例如热处理和/或磨削-或刨削处理。例如加工可以分为软加工和硬加工，也就是说，在软加工后，在工件处于硬化的状态下被硬化加工之前，首先使工件硬化。 通常最后一道工序是处于硬化的状态下例如通过磨削、刨削或铣削(磨光)进行的精加工。通过本发明可以实现在同一个机床上在一个和同一个齿槽内部使用尤其在外直径和/或刀刃的形式方面不同的铣削刀具，用于制造齿部。此外，本发明还可以使刀具方位向量有针对性地在刀具和工件之间的优化刀刃啮合方面定向。尤其对较大的齿轮来说，例如从模数12开始，可以由于高的单位时间切削体积而显著缩短加工时间，其中可以有利地使用具有造价低的刀片的铣刀。
尤其在粗加工时，与现有技术相比(连续的或间歇的滚铣加工、行铣削)，铣刀沿着进给轨迹运动，该进给轨迹优化地充分利用了所使用的机床和刀具的效率。在齿槽内，刀具的进给轨迹不必局限于一个唯一的、特定的轨迹。而是可以选择切口分配，该切口分配根据齿槽的尺寸具有多个轨迹。切口分配可以有利地既涉及齿槽的深度也涉及齿槽的宽度。 待完成的齿槽的深度可以在多个步骤中加工，因此加工在多个平面中进行。在各个平面中可以并排布置刀具的多个进给轨迹。一个平面中的进给轨迹的数量通常随着深度的增加而减少，这是因为齿槽的宽度也随着深度的增加而减小。切口分配涉及的齿槽的深度和宽度可有利地根据如下参数调节-模数的大小-影响齿槽的形状的齿数-所用的刀具的几何形状，尤其是切口宽度、切割形状、齿距的大小-待切削加工的材料-机床的效率，例如主轴效率或主轴转矩、机床结构的刚性
-齿几何形状，尤其是齿高和/或齿角。尤其有利地是可以应用不同的、最优地匹配各个进给轨迹的铣削刀具。由于在现代的机床中的、尤其是在加工中心中的极小的切削-至-切削时间，所以用于刀具更换的时间与由于使用了优化的刀具而节省的时间相比影响极小。因此，例如在齿槽的上部区域中可以使用具有大的刀片的铣削刀具，该铣削刀具具有尤其大的切口宽度，且利用这种切口宽度可以得到特别大的单位时间切削体积。随着深度的增加以及进而齿槽宽度的减小优选使用具有小的切口宽度的铣削刀具。在特定的情况下，可以要求并排的进给轨迹不位于一个平面内，而是相对于齿顶或齿槽底部位于各个不同的深度。例如当利用装配大的刀片的铣削刀具借助于唯一的铣削轨迹从齿槽中去除材料的大部分并随后利用装配较小的刀片的铣削刀具去除剩余的材料时，就是上述的这种情况。具有圆形刀片的铣削刀具尤其良好地适合用于齿槽的粗加工。可以价廉地制造不同大小、质量且具有不同所谓的几何形状(例如正或负的切削角)的刀片。因此持续实现小的刀具成本。用于加工齿槽的进给轨迹优选地成曲折形延伸，亦即，各个轨迹彼此直接相连接， 而不发生在进给轨迹之间的快速横动。所以出现了具有不同的工艺顺序的进给轨迹，例如-深入-滚压-横向偏移等或者深入-滚压-深入-滚压-偏移-滚压-深入-滚压等。在使用不同的刀具用于加工齿槽时有利地是，首先利用各个刀具加工所有齿槽。 用于继续切削一个齿距的齿轮的时间当然通常短于用于刀具更换的时间。相反对于特殊要求来说，例如当精度要求极高时，可以有利地在加工其它齿槽之前，首先完全进行用于每个齿槽的粗加工。此外，虽然必须考虑多次的刀具更换，然而对现代的机床的刀具更换器来说，切削-至-切削时间仅为2至3秒，因此即使在这种加工方式中也得到了高的生产率， 这是因为可以使用相应的装备了根据本发明的控制装置的机床。进给轨迹基本上与齿面的纵向等距地延伸。对螺旋锥齿轮齿部来说，齿面沿纵向弯曲，此外，齿槽向外变宽。随之而来的是，进给轨迹也大部分弯曲地延伸且它们之间的间距相对于各个铣削深度向内、即朝着旋转轴减小。因此，通过铣削过程对应于铣刀步进宽度进行的材料去除导致了在齿槽的内部端部上比在外部端部上更早地出现了重叠。由于这种在内部端部上的重叠，所以在一些情况下不要求一部分的进给轨迹在齿槽的整个长度上延伸。由此得到了至少一个较短的进给轨迹，并进而减少了加工时间。由于进给轨迹的曲折形的彼此成行连接，则既出现了顺铣也出现了逆铣。当然，在特定情况下仅顺铣或仅逆铣也可以是有利的。那么要求，铣削刀具在其各个进给轨迹的末尾在不与工件啮合的情况下朝着每下一个进给轨迹的起点位置运动。这优选出现在快速横动中。在这种情况下，通过中间快速横动中断原本曲折形的进给整体轨迹。在使用具有圆形刀片的铣削刀具时，在齿面上留下波纹形的材料凸出，这对于随后的硬化和硬化后的齿面的精加工会是不利的。为了避免或为了去除这种材料凸出，优选使用这样的铣削刀具作为最后的粗加工刀具，即该铣削刀具具有带有直线形切割边部段的刀片。利用这种刀具可以极其精确地制造出要求的齿面形状。对这种刀具来说，也可以进行与深度有关的多个步骤的加工。可选地，也可以使用具有圆形刀刃、尤其是形状为片状刀刃的铣削刀具，其中在圆形的部段之后连接了直线形的部段，从而该直线形的部段可以用于去除所述的波纹形的材料凸出，而不需要为此进行刀具更换。为了去除波纹形的材料凸出，也可以设置略微成弧形的切割边部段取代直线形切割边部段，尤其从而实现齿面的球状轮廓。除了圆形刀片，或普遍的具有圆形外表面的刀刃之外，还可以使用至少沿着一个部分部段设计为直线形的刀片或刀刃以用于粗加工。通过该直线形切割边部段尤其可以产生精确的齿面形状。刀片例如可以为梯形，在其中具有半径的刀尖在这种实施方式中是尤其有利的。由此，最小化了刀尖的磨损，此外，实现了所谓的软切削，也就是说，在切割边深入工件的材料中时，刀刃啮合碰撞是小的。由此使机床的负荷更小，并引起小的震动，这对表面质量产生了积极的影响。在一个特别的实施方式中，设置了一刀片，其中在端侧的圆形部段之后连接了两个直线形的部段，类似于具有倒圆的尖部的V。这种刀片兼备了极高的材料去除率和高的加工精确度以及非常软的切口。当灵活地使用承载刀片的铣削刀具的方向向量时，使用这种刀片用于粗加工会是尤其有利的。例如如果齿槽的齿深度被铣削为五级，那么刀片的直线形切割边部段在所述各个平面内在齿面的整个高度上啮合。在这种情况下存在刀刃超负荷的危险或振动的危险。由于该至少五个自由度的机床，所以现在可以灵活地改变刀具方向向量。可以这样调节该方向向量，即在每下一个平面中铣削时，直线形切割边部段从已经铣削的工件表面返回倾斜角度α。在此，在齿面上又留下了类似波纹形的材料凸出，如上述在圆形刀片的例子中已经描述的那样。在这种情况下，可以利用一个同样的刀具通过把角度α变为0来调节刀具方向向量来进行这种材料凸出的去除。在粗切削加工之后的一个加工步骤中利用这种机床调节进行材料凸出的去除。因此，当使用所述的铣削刀具时，可以放弃专用铣削刀具的更换，由此节省了时间。例如可以根据铣削刀具的几何形状以及大小(模数)，齿数和/或齿轮的材料选择角度α的大小，且角度α的大小优选在1°和20°之间，尤其在2°和12°之间，尤其有利地在3°和7°之间。通过快速的刀具更换，可以使用用于加工每个齿面的自身的刀具。优化一个用于加工凹形齿面的铣刀，优化另一个用于加工凸形齿面的铣刀。可以根据各种齿面的特殊要求优化每个刀具，例如在梯形刀刃的角度方面，从而得到最佳的铣削结果和长的使用时间。根据上述描述变化的刀具方向向量例如可以通过刀具轴线或刀具旋转轴描述，该刀具轴线或刀具旋转轴具有相对于待完成的齿部、尤其是相对于齿面上的垂直线的预定的指向，其中例如垂直线可以通过基准点延伸，该基准点定位在齿根(齿槽底部)和齿顶之间的齿的平均高度上和齿面(沿纵向)的平均长度上。按照根据本发明的方法的一个有利的实施方式，首先通过铣削制造所有齿的第一齿面，接着制造布置在另一齿侧上的第二齿面。根据本发明的刀具具有多个刀刃，在刀具旋转时，其刀刃轨迹为圆盘面、圆柱面或圆锥面和/或圆环面。所有布置用于加工待完成的齿部的同一个齿面的刀刃都定位在一共同的刀刃轨迹上，其中对应于每个齿面设有多个这种刀刃。尤其有利的是，所有刀刃彼此相同，或在使用用于形成刀刃的刀片时，所有设置在刀具上以加工待完成的齿部的同一个齿面的刀片彼此相同。例如，每个齿面可以设有一组相同的刀刃或一组相同的刀片，其中刀刃分别定位在同一个刀刃轨迹上。
现在应该根据实施例示例性地对本发明进行如下的说明。附图示出图1示意性地示出根据已知的单个部件-或连续的分度法的刀具啮合的部分剖视图；图2示意性地示出根据本发明的机床；图3示意性地示出根据本发明的方法，刀具啮合入工件中以制造齿部；图4示出在齿槽的深度方向上具有三个平面El、E2和E3的切口分配的示例性的第一可能性；图5示出可作为图4的替换的实施方式，其中对不同的平面使用不同的刀具；图6示出当使用具有直线的、尤其是平行的彼此相对的齿面的刀具时，切口分配的另一种可能性，该齿面通过刀具尖端的半径彼此连接；图7示出一种利用其刀刃为具有倒圆的尖部的V形的刀具的、设定/露出的切面形状的可替换的设计方案，其中通过设定角度α来避免刀刃超负荷；图8示出由于凹形的齿槽而具有不同长度的铣削轨迹的齿槽的俯视图；图9示意性地示出切削轨迹，其中在齿根的区域中得到也称为ftOtoperanz的底切部；图10-12示出具有不同造形的刀片的刀具的可能的设计方案；图13示出刀具的一有利的实施方式的俯视图。
具体实施例方式图1示意性地示出，在借助于根据现有技术的单个部件-或连续的分度法制造齿部13时，刀具3啮合入工件7中。刀具3设计为面铣刀且包括多个切削刃22，只示出了其中一个切削刃。多个切削刃22与刀具3的外直径同心地布置，其中切削刃22径向位于刀具3的外圆周的内部。切削刃22沿刀具3的轴向延伸，其中切削刃22的纵轴基本上平行于刀具3的刀具轴线5延伸。切削刃22分别具有至少一个刀刃14，其中在单个分度法中刀刃14是相同的，并尤其具有待制造的齿槽17的形状。在这种方法中，工件7仅微小地移动，仅刀具3旋转。与此相反，在连续的分度法中，工件7和刀具3围绕它们的旋转轴在确定的规律下相对彼此旋转。图2示意性地示出根据本发明的机床的基本部件。该机床包括床身1和安装在床身上用于承载待加工的工件7，如锥齿轮的容纳装置6。为容纳装置6和/或工件7配设了旋转的驱动装置8，以使工件7和/或容纳装置6围绕工件轴线10 (在此为C轴)旋转。 此外，床身1支承了用于围绕刀具轴线5旋转地驱动包含工件3的刀架2的驱动装置4。驱动装置4以及刀架2在此组成了测角器头。该测角器头在此可沿着三个彼此垂直的轴X、 Y、Z相对于工件移动。为此设置了至少一个平移的驱动装置11。此外，用于产生刀具轴线 5和工件轴线10之间的相对角运动的刀具头可以围绕Y轴(B轴)旋转。在此，机床包括5 个轴，可通过控制装置12基本上同时地控制这5个轴。当然也可以设计轴的其它布置。也可以设计其它平移-或旋转轴，容纳装置6、工件7、刀具3或刀架2可以借助于这些轴相对彼此移动。机床同样可以装备未示出的刀具更换装置，该刀具更换装置尤其实现了刀架2和未示出的刀库之间自动的刀具更换。机床也可以与外部的测量设备通信，以尤其在单个的加工过程期间检查铣削出的齿部几何形状。图3示出了根据本发明的刀具3啮合入工件7中以制造齿部13。刀具3在此为面铣刀，且包括用于容纳切削刃22的基体23。切削刃22例如可以为可更换的可转位刀片。 切削刃22包括至少一个刀刃14。根据图3a，切削刃22在一基本上或完全平坦的平面中延伸。因此，切削刃14的刀刃轨迹为圆盘面。根据图北，切削刃22相对于尤其垂直于刀具3 的旋转轴5 (刀具轴线幻延伸的这种平坦的平面沿旋转轴5的方向倾斜，从而当刀具3旋转时，切削刃划出圆锥面。切削刃22在此在基体23的圆周上等距地布置，并沿径向伸展越过基体23的外直径。为了制造齿槽17，刀具3首先在起点运动使得刀具3的外直径相对于刀具轴线5 位于工件7的外部，从而避免刀具3与工件7相撞。同时或接着，对应于待铣削的齿槽几何形状相对于齿面15、16调节刀具轴线5。如果齿部13具有弧形的齿面形状-沿穿过齿部的垂直于齿面曲线21的切面看_，那么可以这样调节并尤其校准该刀具轴线5，即刀刃14基本上始终与成拱形的齿面15、16相切。随后，旋转的刀具3沿着齿面曲线21沿移动方向向工件7移动。如从图3中可以看到的，刀具轴线5垂直于或与待去除的齿面侧(这里为15)成角度地布置，其中对弧形的齿部，尤其是锥齿轮齿部来说，在刀具3运动时，始终追踪或变化刀具轴线5的绝对定向，从而保持与待去除的齿面侧(这里为15)的相对定向。在此，刀具轴线5在实际上待加工的齿槽17的外部延伸。同时，可以这样引导刀具3，即刀具3，尤其是刀刃14的外圆周或刀刃 14的刀刃轨迹的轮廓相对于刀具轴线始终平行于齿槽底部20和/或齿顶19延伸。在刀具3沿着齿面曲线21或沿着齿面曲线21的平行线的移动运动期间，根据齿部几何形状通过控制装置12(图1)基本上同时地控制机床的所有五个轴。
因此，在该方法中单独地磨损齿槽17的每个齿面15、16。在完成沿着整个齿面 15,16的铣削过程之后，刀具可以返回起点，并围绕工件轴线把具有工件7的容纳装置6带到偏移了所述齿距的位置中。接着铣削下一个齿面。也可以在工件被继续切削所述齿距之前，例如首先利用粗加工刀具(粗加工过程)并接着利用精加工刀具(精加工过程)反复连续地加工每个齿面15、16。作为替换，在使用精加工刀具前，首先粗加工所有齿的所有齿面15、16，以稍后精加工和/或打磨所有齿的所有齿面15、16，从而实现精加工。最终，可以通过铣削和继续切削工件所述齿距来制造第一齿面15，其中尤其沿第一方向或在追踪工件时沿第一方向区域中待制造的齿面的轮廓保持刀具的定向，然后改变刀具相对于工件的定向，从而通过铣削和继续切削工件来制造第二齿面16，其中尤其相应地保持沿第二方向或第二方向区域中刀具的定向。在此，也可以或者在铣削所有齿面15、 16之后接着进行其它加工步骤，尤其是硬化和/或精加工，其中精加工例如又可以以以下顺序进行首先加工所有齿面15，然后加工所有齿面16。根据本发明的一个实施方式，在粗加工过程中，在尤其根据之前描述的制造顺序在一个精加工过程中单独地制造两个朝向彼此的齿面之前，首先在待制造的齿槽中铣削出狭缝。当然，通常也可以不旋转(继续切削)或不仅仅旋转工件，而旋转刀具，从而实现工件通过工件轴线10相对于刀具3或刀具2的相对运动。在粗-和精加工过程之间也可以设有另一个或多个中间加工过程。预加工_，最终加工-和/或中间加工过程可以利用同一个或利用不同的刀具完成，所述刀具为每个加工提供最佳的切削参数。由此尤其缩短了基本时间并进而缩短了整个加工时间，并降低了刀具成本。图4示出切口分配的例子，其中可以利用同一个刀具进行粗加工。例如，刀具具有多个在圆周上布置的、圆形或弧形的、尤其由切削刃几何形状成的刀刃。在示出的图示中，例如可以这样选择切削顺序，即首先自由切削或滚压平面E1，也就是说，齿槽17的深度的第一个三分之一，然后是平面E2，也就是说，齿槽深度的第二个三分之一，接着是平面E3，也就是说，齿槽深度的第三个三分之一。在平面E3中，沿着齿槽纵向，尤其同时沿着两个齿面15和16的唯一的滚压就足够了，而在另外上面的平面(E1、E2) 中，沿着齿面的多次滚压是必须的，在此分别沿着齿槽纵向的方向，在平面E2中，一次沿着齿面15，一次沿着齿面16，以及在平面El中，一次沿着齿面15，一次沿着齿面16，以及一次在两个齿面15和16的中间。图5示出另一个可能的、很大程度上对应于图4中的每一点的剖视图，然而使用了用于不同平面的不同刀具。齿槽17中平面定位得越深，那么所用刀具的刀刃越小。由此可以实现在齿面15、16 (涂成黑色)上留下较小的材料凸出。图6示出利用其刀刃首先沿齿面15然后沿齿面16移动的刀具时，另一种可能的切口分配。由于刀刃的直线形的部段，所以可以利用每次沿着齿槽纵向的进给轨迹去除齿面15、16上的材料凸出。相应地，在加工每一个齿面时刀具轴线具有相对于工件的另一个方向向量或另一个定向。图7很大程度上对应于图6，然而这里刀具以其切割边相对于齿面15(随后也相对于齿面16，未示出)倾斜地沿着齿槽纵向这样运动，即在刀刃和齿面15之间存在正角度α。由此在切割边不超负荷的情况下得到了高的切削效率。可以利用同一个工件在最后一个铣削过程中去除留下的材料凸出，其中则角度α为0度或近似0度。此外，示出的刀切削刃几何形状象阻止了当铣削齿面15、16的内部区域时，齿面15、16的外部区域被损坏，因为极为有效地阻止了刀具对外部区域的碰撞。在图7示出的实施例中，刀具的彼此相对的刀刃互相倾斜地延伸，因此刀切削刃几何形状象尤其通过使用具有这种外部圆周的刀片而为具有倒圆的尖部的V形。彼此相对的刀刃之间的角度例如比彼此相对的齿面15、16之间的角度小1°至10°，尤其是4°至 6°，有利地为5°。例如，刀刃之间的角度为35°，而齿面15、16之间的角度为40°。图8示出俯视两个齿顶19之间的锥形齿槽17时的可能的剖视图。如看到的，刀具的切削轨迹沿齿槽17的纵向延伸，首先沿着齿面15从外向内(相对于齿轮)，然后沿着齿面16从内向外，再然后在齿槽内部与齿面16隔着刀刃宽度的间距再次从外向内，相应地在另一侧以刀刃宽度的间距沿着齿面15，然后在齿面15和16之间的中间区域中再次从外向内并返回，其中在最后一次从外向内的运动中并没有经过整个的齿槽长度，因为由于较狭窄的内部端部是不必这样做的。因此，缩短了加工时间。在图9中再次示出具有齿面15和16的齿槽17，其中在齿面15、16的下端部的区域中分别设有底切部。可以根据本发明的方法或根据本发明的装置利用根据本发明的粗加工刀具，尤其通过使用圆形的切割边加工这种底切部。当然也可以使用具有根据本发明的刀刃的布置和轮廓的精加工刀具。图10、11和12示出用于不同形式的根据本发明的刀具3的示意性的实施例，所述刀具3分别包括一基体23和多个切削刃22，其中根据图10，切削刃22包括这样的刀刃14， 即第一刀刃轨迹形状为圆锥面，而第二刀刃轨迹为圆盘面。形成圆锥面的刀刃通过半径与形成圆盘的刀刃14连接。在图11和12中，圆形的切削刃22设有相应的圆形刀刃14，其中根据图11基体 23具有成对角线斜穿放置的臂部，所述臂部支承切削刃22，与之相反，根据图12，支承切削刃22的臂部弯曲地向下指向。图13示出一个用于根据本发明的刀具3的实施例，所述刀具3包括两组切削刃。 在此，第一组切削刃称为22，而第二组切削刃称为22’。如看到的，在刀具3旋转时，所有切削刃22、22’位于一个刀刃轨迹上。例如，第二组切削刃22’径向进一步在内并进一步在上地布置在刀具3的基体23上。例如，第一组切削刃22对应于根据图10的切削刃22，其中切削刃22’可能布置在图10中与切削刃22相比的上部和进一步的左边。在刀具沿着齿槽纵向运动时，由于根据本发明的运动自由度也可以利用直线形的刀刃或切割边得到具有高度凸度的齿面。尤其有利的是，利用精加工刀具得到这种高度凸度，根据本发明设计这种精加工刀具，这种精加工刀具沿多个进给轨迹在不同平面(亦即不同的深度)中并以相对于高度等分线或沿着齿面的表面的直线的各个不同的角度α移动穿过齿。例如，角度α的变化极小，且尤其可以仅为一度的一小部分。根据本发明的方法的优点在于，刀具形状与待制造的齿部的齿面的轮廓没有联系，因此，利用同一个刀具可以制造具有不同轮廓的齿部。可以有利地与工件无关地自由选择刀具刀刃的刀刃轨迹半径。可以根据刀具的齿-和刀切削刃几何形状状相对可变地调节与齿面线垂直的刀具轴线的倾斜度。
也可以把根据本发明的方法称为具有向着滚压方向横向且尤其是纵向倾斜的刀具轴线的滚铣方法，其中可以灵活地使用刀具刀刃，且刀具刀刃不必具有精确的齿角形，也就是说不必具有精确地相对于待制造的齿面的轮廓的外部形状。这导致了刀具成本的显著降低，机床的多方面的可应用性以及导致了工件的加工时间的缩短。按照根据本发明的方法，具有刀具轴线的灵活的方向向量的铣削和深铣的组合是可能的，其中可以相对于传统方法显著提高切削效率。尤其可以使用不同的铣刀轮廓，从圆盘铣刀直至面铣刀或盆形铣刀。借助于传统的立铣刀铣削锥齿轮时，立铣刀的整个端面同时深入每个待完成的齿槽中，与此相比，根据本发明，使用具有显著较大直径的刀具，因为通过刀具轴线横向朝着齿槽的倾斜，尤其是利用刀具上弯曲的刀片，始终仅一部分刀刃深入齿槽中。由此可以在刀具中设有较大的容屑槽。由此利用刀具的每次划过实现了较多的材料从工件上去除，且可以得到程度非常大的切削。由此还可以实现较高的精度，因为刀具不必经常划过工件。切削刃有利地具有这样的刀刃，即刀刃可以利用刀具的端面、利用切削刃的外圆周和内圆周相对于刀具轴线从工件上去除材料。参考标号表
1床身
2刀架
3刀具
4驱动装置
5刀具轴线
6容纳装置
7工件
8，9旋转的驱动装置
10工件轴线
11平移的驱动装置
12控制装置
13齿部
14刀刃
15，16齿面
17齿槽
18区域
19齿顶
20齿槽底部
21齿面曲线
22切削刃
23基体
权利要求
1. 一种机床，尤其是一种铣床，包括 1.1 床身(1)；1.2安装在所述床身(1)上的用于容纳刀具(3)的刀架O)；1.3用于围绕刀具轴线(5)旋转驱动所述刀架O)中的所述刀具(3)的驱动装置； 1.4安装在所述床身⑴上的用于容纳工件(7)的容纳装置(6)； 1.5第一旋转驱动装置(8)，用于产生在所述刀架( 和所述容纳装置(6)之间的第一相对角运动，以及第二旋转驱动装置(9)，用于产生在所述刀架( 和所述容纳装置(6)之间的第二相对角运动；1.6平移驱动装置(11)，用于产生在所述刀架( 和所述容纳装置(6)之间的沿着三个轴线的相对平移运动；1. 7控制装置(1 ，所述控制装置这样设置，即所述控制装置实现了基本上同时控制在所述刀架⑵和所述容纳装置(6)之间的相对直线运动和在所述刀架(2)和所述容纳装置(6)之间的相对角运动；其中1.8所述刀具(3)设计为端面-或端面圆周铣刀且包括刀刃(14)，所述刀刃具有待铣削入所述工件(7)中的齿部(1 的至少一个部分轮廓；其中1.9所述刀刃(14)的外直径比两个相邻的齿面(15，16)之间-齿槽(17)-的间距大； 其特征在于，1.10所述控制装置(1 设置用于使所述刀具C3)这样穿过所述待完成的齿部(13)的区域运动，即在到所述待完成的齿部的齿槽底部00)和/或齿顶(19)的间距保持不变或基本保持不变的情况下，所述刀具整体沿所述待加工的齿面(15，16)移动。
2.根据权利要求1所述的机床，其特征在于，所述刀刃(14)的外直径大于或小于所述工件(7)中的待完成的弧形齿部的齿面纵向曲线的半径的两倍，在沿所述齿面的纵向成锥状的齿槽中大于凹形齿面的齿面纵向曲线的半径的两倍，或小于凸形齿面的半径的两倍。
3.根据权利要求1或2所述的机床，其特征在于，所述刀具轴线(5)与待去除的面，尤其是所述工件(7)的齿面侧垂直或成角度，尤其成一角度在45°和135°之间，尤其在80° 和100°之间。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的机床，其特征在于，在沿着所述待加工的齿面 (15，16)运动时，所述刀具轴线(5)相对于所述工件(3)的直径的角度变化，尤其不断地变化。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的机床，其特征在于，所述刀具轴线( 在所述待完成的齿部(13)的区域之外延伸。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的机床，其特征在于，沿所述刀具(3)的径向看， 所述刀刃(14)从所述刀具(3)离开指向。
7.一种用于在根据权利要求1至6中任一项所述的机床上制造齿部(1 的方法，具有以下步骤7. 1在所述待完成的齿部(1 的区域(18)之外定位所述刀具(3)； 7. 2旋转驱动所述刀具(3)；7. 3通过借助于所述控制装置(1 控制一个或多个驱动装置G，8，9)，利用布置在所述刀具(3)的圆周的区域中的所述刀刃(14)的一部分使所述刀具(3)这样运动穿过所述待完成的齿部(13)的区域(18)中的所述工件(7)，即铣削出所述齿面(15，16)的至少一个部分轮廓；其中在到所述待完成的齿部的所述齿槽底部00)和/或所述齿顶(19)的间距保持不变或基本保持不变的情况下，所述刀具C3)整体沿所述待加工的齿面(15，16)移动；·7. 4使所述刀具(3)从所述待完成的齿部(13)的所述区域(18)中返回；·7.5围绕工件轴线(10)使所述工件(7)和/或所述刀具C3)旋转到偏置了至少一个齿距的位置；·7.6重复所述步骤7.3至7.5，直到以相同地方式加工了所述工件(7)的所有齿面并完全形成了所述齿槽为止。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，在实施所述步骤7.5之前，首先实施所述步骤7. 2至7. 4用于分别制造所述待完成的齿部(1 的每个齿的第一齿面(15，16)，并且随后重复所述步骤7. 2至7. 4用于分别制造所述待完成的齿部(1 的每个齿的第二齿面 (15，16)；或首先实施所述步骤7. 2至·7. 5用于分别制造所述待完成的齿部(13)的每个齿的第一齿面(15，16)，并且随后重复所述步骤7. 2至7. 5用于分别制造所述待完成的齿部(13)的每个齿的第二齿面(15，16)。
9.根据权利要求7或8所述的方法，其特征在于，在粗加工过程中借助于预加工刀具这样预铣削所述齿部(1 ，即所述齿部至少近似地具有最终的预期-铣削几何形状，并且在随后的精加工过程中借助于精加工刀具最终这样铣削所述齿部，即所述齿部(1 具有所述最终的预期-铣削几何形状，其中分别实施所述步骤7. 1至7. 6。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，在所述粗加工过程和所述精加工过程之后，在所述齿部上实施至少另一个加工过程，尤其是热处理和/或磨削-或刨削过程。
11.根据权利要求7至10中任一项所述的方法，其特征在于，使用具有至少逐段为直线形或近似直线形的刀刃(14)的所述刀具(3)，并且在制造所述齿面(15，16)时，所述刀刃(14)的所述直线形部段相对于所述齿面(15，16)具有预定的角度α，所述角度尤其为大于 0且小于或等于5°，其中所述角度α尤其在制造每个齿面(15，16)时变化，并且尤其随后在制造所述齿面(15，16)时，把角度α调节为0°。
12.一种用于应用在根据权利要求1至6中任一项所述的机床中的和/或用于应用在根据权利要求7至11中任一项所述的方法中的刀具，·12. 1具有多个刀刃(14)，在所述刀具(3)旋转时，所述刀刃(14)的刀刃轨迹为圆盘面、圆柱-或圆锥面和/或圆环面，其特征在于，·12.2所有布置用于加工待完成的齿部(1 的同一个齿面(15，16)的刀刃(14)都定位在一共同的刀刃轨迹上，其中每个齿面(15，16)设有多个这种刀刃(14)。
13.根据权利要求12所述的刀具，其特征在于，所有刀刃(14)都定位在一共同的刀刃轨迹上，或仅设有分别具有多个刀刃(14)的两组或三组，其中一组的所有刀刃(14)都定位在同一刀刃轨迹上。
14.根据权利要求12或13所述的刀具，其特征在于，所述刀刃(14)由多个切削刃02) 构成，所述切削刃尤其可拆卸地或材料连接地安装在基体03)上。
15.根据权利要求14所述的刀具，其特征在于，所述切削刃02)设计为具有圆形、部分圆形、椭圆形或部分椭圆形的圆周的刀片。
全文摘要
本发明涉及一种机床，尤其是一种铣床，包括床身；安装在床身上的用于容纳刀具的刀架；用于围绕刀具轴线旋转驱动刀架中的刀具的驱动装置；安装在床身上的用于容纳工件的容纳装置；第一旋转驱动装置，用于产生在刀架和容纳装置之间的第一相对角运动以及第二旋转驱动装置，用于产生在刀架和容纳装置之间的第二相对角运动；平移驱动装置，用于产生在刀架和容纳装置之间的沿着三个轴线的相对平移运动；控制装置，其这样设置，即该控制装置实现了基本上同时控制在刀架和容纳装置之间的相对直线运动和在刀架和容纳装置之间的相对角运动；其中刀具设计为端面-或端面圆周铣刀且包括具有待铣削入工件中的齿部的至少一个部分轮廓的刀刃，其中刀刃的外直径比两个相邻的齿面之间-齿槽-的间距大；本发明的特征为控制装置设置用于使刀具这样穿过待完成的齿部的区域运动，即在到待完成的齿部的齿槽底部和/或齿顶的间距保持不变或基本保持不变的情况下，该刀具整体沿待加工的齿面移动。
文档编号B23F23/00GK102256735SQ200980151430
公开日2011年11月23日 申请日期2009年12月16日 优先权日2008年12月19日
发明者沃尔夫冈·许特尔, 额尔哈德·胡梅尔 申请人:沃依特专利有限责任公司