用于锥齿轮展成法的滑滚工艺

摘要

一种用于生产锥齿轮的以及采用单个旋转盘形刀具(36)的展成切屑工艺，其中该展成切削工艺的一部分有效地包括在展成过程中的工件滚动角度(40)的减小(38)，由此减小或消除在旋转盘形刀具的间隙侧(42)上的切削作用。

权利要求

1.一种制造在工件上的齿轮轮齿的方法，所述制造借助具有多个切削刀片的切削工具来执行，其中所述切削刀片的每一个具有切削刃和间隙刃，所述方法包括：旋转所述切削工具，

使旋转的所述切削工具和所述工件彼此接触，

旋转所述工件，

将所述切削工具相对所述工件移动从而为展成所述齿轮轮齿限定展成滚动，其中，所述工件的所述旋转包括从初始滚动位置到最终滚动位置沿第一方向旋转所述工件，其中从所述初始滚动位置开始到所述最终滚动位置之前终止，所述工件以小于理论旋转速率的第一旋转速率旋转，或者，

其中，所述切削工具的所述移动包括从初始滚动位置到最终滚动位置沿第一方向移动所述切削工具，其中从所述初始滚动位置开始到所述最终滚动位置之前终止，所述切削工具以大于理论移动速率的第一旋转速率移动，其中，中心滚动位置位于所述初始滚动位置与所述最终滚动位置之间，以及其中所述工件的第一旋转速率发生在所述初始滚动位置和所述中心滚动位置之间。

2.如权利要求1所述的方法，其中，所述工件的第一旋转速率在所述中心滚动位置之前终止。

3.如权利要求1所述的方法，其中，在所述第一旋转速率之后，所述工件以所述理论旋转速率旋转至所述最终滚动位置。

4.如权利要求1所述的方法，其中，所述间隙刃不进行切削作用。

5.如权利要求1所述的方法，其中，在到达所述最终滚动位置之后，所述工件与所述切削工具接触的同时沿相反的方向旋转。

6.如权利要求5所述的方法，其中，沿所述相反方向的所述工件旋转以所述理论旋转速率实现。

7.如权利要求1所述的方法，其中，所述工件的所述第一旋转速率是恒定的。

8.如权利要求1所述的方法，其中，所述工件的所述第一旋转速率是可变的。

9.如权利要求1所述的方法，其中，所述切削工具是旋转盘形刀具。

10.如权利要求1所述的方法，其中，所述切削工具是端面刀具。

说明书

用于锥齿轮展成法的滑滚工艺

[0001] 本申请要求2013年2月19日提交的美国临时专利申请第61/766,144号的权益，其全部内容以参见的方式纳入本文。

技术领域

[0002] 本发明涉及齿轮的生产，尤其涉及使用旋转盘形刀具的直齿锥齿轮的展成法。

背景技术

[0003] 已知的是借助一对倾斜的旋转切削工具生产直齿锥齿轮以及斜齿锥齿轮、面联轴器和花键零件，所述一对倾斜的旋转切削工具的旋转刀刃有效地联锁从而在工件上同时切削同一齿隙。此种类型的机加工的示例可见诸，例如授予Wildhaber的美国专利第2,586,451号、授予Carlsen的美国专利第2,567,273和2,775,921号、授予Spear的美国专利第2,
947,062号或见诸格里森工厂出版的公司手册“Number 102Straight Bevel
Gener ator”。

[0004] 直齿锥齿轮可以借助非展成工艺形成，在非展成工艺中，倾斜的工具切入工件以形成齿槽，其中齿的轮廓表面具有与刀片切削刃相同的形状。或者，齿表面可以这样展成：倾斜的工具夹持在机床摇台上，机床摇台通过一展成滚动运动使工具与工件一起滚动从而在工件上形成展成的轮廓表面。在任意一种情况中，工具还可以包括设置为与切削刀旋转平面成微小角度(例如3°)的切削刃。这样的成角度的切削刃联合刀具的倾斜，去除在齿槽端部的更多的材料，由此为轮齿支撑定位产生轮齿表面的纵向曲率(即纵向修正)。

[0005] 锥齿轮和准双曲面齿轮可以在单分度工艺(平面铣齿)中进行切削或在连续分度工艺(平面滚齿)中进行切削。在展成或摇台平面内的基本的切削装置将刀头的中心置于远离展成齿轮中心(摇台轴线)一定量的位置，其中该量被称为径向距离。当刀具旋转时刀具刀片的廓形代表展成齿轮的一个齿。用于锥齿轮切削的常用的端面刀具具有若干刀片组，其中每组刀片组具有1到4个刀片.最常见的是带有一个外侧与一个内侧刀片的双面(完全)刀具。根据上述联锁刀具方法，用于直齿锥齿轮的制造的外周刀头仅使用一种刀片(例如外侧的刀片)，此种刀片在过去已经用在常规机械机床上。

[0006] 在现代数控机床，诸如被称为6轴机床或自由型机床的、被美国专利第6,715,566号(其内容以参见的方式纳入本文)等披露的数控机床上，来自上面讨论的联锁刀具对的仅一把刀具被用于在下方切削位置切削第一齿面，以及在例如由美国专利第7,364,391号(其内容以参见的方式纳入本文)披露的单分度工艺中以同样的刀具在上方切削位置切削第二齿面。第一齿面的切削面对这样的问题：不仅在切削刃上也在刀片的间隙刃上，材料需要被去除。其结果是高零件温度、差切削性能和低工具寿命。在矢量进给和滚动的联合工艺中，在第一齿槽切削的过程中刀片间隙侧可以从保护切削刃的间隙侧的材料被移走。但是，在直齿锥齿轮中的矢量进给不得不使用非常陡峭的角度(与刀片中心线仅成几度)，该角度使刀片尖部承受严重的切屑移除负荷。这导致刀片尖部的失效，由此导至低工具寿命。

[0007] 如果在端面切削工艺中仅使用一种刀片(例如仅内侧刀片或者全轮廓刀片)，会发生相似的条件。对于切削移除的较大的量来说，切削刀片将仅在一侧上是最优的，这增加零件温度并减少工具寿命。

发明内容

[0008] 本发明涉及用于生产锥齿轮的以及采用单个旋转盘形刀具的展成切屑工艺，其中该展成切削工艺的一部分有效地包括在展成过程中的工件滚动角度的减小，由此减小或消除在旋转盘形刀具的间隙侧上的切削作用。

附图说明

[0009] 图1示出常规的联锁刀具的设置。上刀具具有暴露在顶部的切削刃，刀具轴线倾斜从而切削刃表示展成齿条轮廓的压力角。

[0010] 图2示出在直齿锥齿轮的齿宽的正中间的横截面的四个视图，其中直齿锥齿轮与一外周刀具配合。这里仅示出图1的下刀具，该下刀具具有水平定向的刀具轴线。

[0011] 图3示出在直齿锥齿轮的齿宽的正中间的横截面的四个视图，其中直齿锥齿轮与一外周刀具配合。这里仅示出图1的上刀具，该上刀具具有水平定向的刀具轴线。

[0012] 图4示出在直齿锥齿轮的齿宽正中间的横截面的三个视图，在位置1齿轮与一外周刀具开始啮合、在位置2齿轮与外周刀具50％啮合以及在位置3齿轮与外周刀具完全啮合。除了图2和图3所示的滚动工艺，刀具沿在预定的矢量方向下的线性路径进给入材料。

[0013] 图5示出在直齿锥齿轮的齿宽的正中间的横截面的四个视图，其中直齿锥齿轮与一外周刀具在图2所示的下方位置配合。从初始工件滚动(位置1)到位置3的工件滚动角度已被减小，其中减小的量与从初始起的工件滚动的量成比例。

[0014] 图6示出在反向滚动模式(双滚动的第二道次)中实现正确的渐开线齿廓的展成的四个图形。在图5中的顺序之后，由工件滚动的减小产生的齿面轮廓不是所需要的正确的渐开线。

[0015] 图7示出假想圆柱齿轮的横截面，其中该横截面以直齿锥齿轮的平均截面表示直齿锥齿轮。刀具刀片代表展成齿条的一侧，在渐开线齿廓的展成的过程中展成齿条跟随以S节距(或S1)标记的路径。

[0016] 图8示出图7的工件和刀具，其中工件和刀具沿顺时针方向旋转了角度α以得到水平刀具轴线。图8示出若干半径和角度，其用于一组建议的公式以计算间隙侧干涉。

具体实施方式

[0017] 此说明书中使用的术语“发明”、“该发明”和“本发明”意在宽泛地涉及此说明书和下述任何专利权利要求的所有主题。包含这些术语的陈述不应理解为限制文中所述的主题，或者限制下面任何专利权利要求的含义或范围。此外，此说明书并不试图在本申请的任何具体部分、段落、陈述或附图中描述或限制被任何权利要求覆盖的主题。应参照整个说明书、所有附图和下文的任何权利要求来理解主题。本发明能够呈其它构造，并能够以各种方式来实践或实施。还有，应理解的是，这里所用的措词和术语是为了说明的目的，而不应被认作为是限制性的。

[0018] 现将参照仅示例地示出表示本发明的附图对本发明的细节进行讨论。图中，类似的结构或部件用相同的附图标记来表示。

[0019] 在此使用“包括”、“具有”和“包含”及其变型意味着包含了下文所列的物品及其等效物以及附加的物件。使用字母来识别方法或过程的元素仅仅为了识别，并不意味着指示各元素应以特定次序来进行。尽管下文在描述附图时可参照诸如上、下、向上、向下、向后、底部、顶部、前、后等的方向，但出于方便可相对于附图(如通常所示)来进行参照。这些方向并不意在按文字上来取或以任何形式来限制本发明。此外，诸如“第一”、“第二”、“第三”等的术语在此用于描述的目的，而并不意在指示或暗示重要性或意义。

[0020] 图1示出一对倾斜的旋转盘形刀具2、4(一般分别被称作上刀具和下刀具)的常规设置，旋转盘形刀具2、4具有用于在工件8上切削齿槽的切削刀片6。上刀具2关于轴线12可旋转，以及下刀具4关于轴线10可旋转。在常规的机械摇台型机床上的展成工艺中，倾斜的刀具2、4通常进给入工件一预定的深度，并且机床摇台(未示出)的展成滚动是以与工件8的旋转同步的方式开始以展成齿廓表面14、16。

[0021] 图1的刀具包括用于旋转盘形刀具的刀具联锁设置。上刀具2具有暴露在顶部的切削刃7。其刀具轴线12是倾斜的以致切削刃7表示展成齿条齿廓的压力角。在上刀具2的下侧上的刀片刃9是间隙刃，其对于切屑去除是不锋利的，因此其不适于参与切削过程。下刀具4具有暴露在底部的切削刃11。刀具轴线10亦倾斜与上刀具2相同的角度，但是在负方向。在下刀具4的上侧上的刀片刃13是间隙刃，其对于切屑去除是不锋利的，因此其不适于参与切削过程。由于刀具2、4二者这样定向以提供联锁设置，上刀具2的每个刀片(顶部带有切削刃7)被一来自下刀具4的刀片(底部带有切削刃11)伴随。此种类型的刀片互动用双面的刀片提供了完整工艺，其中双面的刀片一起切削工件8的一个齿槽的两侧14、16。在展成滚动过程中，两把刀具2、4保持在相对彼此的定向，同时它们围绕与老式摇台型机械机床的摇台轴线相同的展成齿轮轴线旋转。应该理解，对于本发明，滚动位置的中心是这样的位置：使得刀具如图1所示对称地位于齿槽内。

[0022] 发明人已开发了这样的工艺，如果例如在前面提到的美国专利第7,364,391号中使用单旋转盘形刀具，则该工艺减小或消除在如图1中的2或4所示的旋转盘形刀具上的间隙侧切削作用。在图1所示的联锁刀具的情况中，两把独立的刀具(一把在其底侧带有切削刃、第二把在其顶侧带有切削刃)同时工作以类似于双面刀具从齿槽去除切屑。

[0023] 但是，如果仅使用一把刀具来粗制齿槽以及精滚(即展成)第一齿面，那么类似图2所示的间隙侧切削作用或类似图4所示的尖部切削作用在加工周期的粗加工部分的过程中会发生。

[0024] 图2示出在直齿锥齿轮20的齿宽的正中间的横截面的四个二维视图，其中直齿锥齿轮20与一外周刀具22啮合。其中示出仅一把刀具(例如，与图1中的两把刀具的下刀具4相同)，该刀具现具有水平定向的刀具轴线。这是在带有水平刀具轴线和水平工件轴线的自由型机床(例如，前面讨论的US 6,712,566和US 7,364,391)中的定向，该定向代表所需要的轴线构造以获得工具与工件之间的滚动工艺，其中该工具与工件之间的相对定向与在带有联锁刀具的机械机床中的工具与工件之间的相对定向相同。带有单刀具主轴的自由型机床不具有以一对联锁刀具工作的能力。因此问题是：仅在一侧24(即图2中的右侧)上带有锋利切削刃的一把单刀具不得不粗加工出齿槽(在刀片的两侧上都进行切削)以及精切(例如通过展成滚动)第一齿面。这需要在刀片的间隙侧26上的成形切削作用。图2示出刀片的左侧如何在初始滚动位置(位置1)之后直至最终工件滚动位置(位置4)连续参与切屑去除过程。在刀片右侧上的切削刃由例如4°至12°的侧倾角锋利地形成。由于-4°至-12°的侧倾角，刀片的左侧因此是钝的。刀片的左侧不能满意地适于切屑的去除，这会导致高零件温度和低工具寿命的较差的切削性能。原始的(即理论的)工件滚动旋转角度等于展成齿轮旋转角度乘以滚动比(展成齿轮上的齿数/工件上的齿数)。

[0025] 图3示出在直齿锥齿轮20的齿宽的正中间的横截面的四个二维视图，其中示出直齿锥齿轮20与一外周刀具28啮合(例如与图1中的两把刀具的上刀具2相同)，但是刀具28现具有水平定向的刀具轴线。这可以是与用于在图2中的下方位置切削的刀具(即刀具22)相同的刀具，该刀具可以被自由型机床重新定位从而亦切削并形成第二齿面。在下方切削位置中提到的在切削刀片的间隙侧上的切削作用的问题在图3所示的上方位置不出现。由于齿槽粗加工已在下方切削位置完成，在上方位置的工艺局限于第二齿面的精滚。应该理解，上方和下方位置可以交换。这种情况下，下方位置将局限于精滚。

[0026] 图4示出在直齿锥齿轮30的齿宽正中间的横截面的三个二维视图，在位置1齿轮与一外周盘形刀具32开始啮合、在位置2齿轮与该外周盘形刀具50％啮合以及在位置3齿轮与该外围盘形刀具完全啮合。除了图2和图3所示的滚动工艺，刀具沿在预定的矢量方向下的线性路径进给入材料。选择该矢量方向从而将切屑负荷从间隙侧钝刀片刃带走并将此切屑负荷移至锋利的切削刃。图4所示的切入过程仅适用于齿槽粗加工。切入之后，借助同一刀具的滚动与齿面成型在上方位置与下方位置都出现。矢量进给切入可以将一些切屑负荷从间隙刃移去，但是，矢量进给切入还将大量切屑负荷引导至刀片尖部。相比“仅滚动”工艺的矢量切入粗加工导致刀片尖部磨损严重并且仍然不能消除在间隙侧刀片刃上的所有切削作用。

[0027] 发明人发现，在“仅滚动”工艺(无粗切入但有借助滚动的齿槽粗加工)的情况中可以借助减小工件滚动(旋转)角度的量来消除间隙侧切削作用。工件滚动角度的减小较佳地通过减小从初始滚动位置到最终滚动位置的工件旋转速率(相对于原始理论量被减小)来获得。中心滚动位置之后的工件滚动的减小将引起渐开线齿面函数的底切，这使得在第二滚动道次(双滚动)中难以以适度偏置来清理渐开线齿面表面。借助利用从初始滚动位置到中心滚动位置、较佳地是到中心滚动位置前面的位置 的减小的工件旋转速率(即相对于原始理论的工件旋转速率被减小)，可以得到优化的结果。减小的工件旋转速率从初始滚动位置到中心滚动位置较佳地是恒定的，但在这个区间内可以是不同的。在工件滚动减小结束的位置之后，原始的、未减小的工件旋转速率较佳地被使用。最佳地， 是0°与(最终滚动位置至－中心滚动位置)/2之间的数。

[0028] 减小的工件滚动速率导致图5所示的成形切削间隙侧，成形切削间隙侧提供足够的间隙以防止任何间隙侧切削作用。较佳地计算工件滚动速率减小的量，使得在成形切削间隙侧上仍然存在足够的材料，从而在图3所示的第二(上方)切削步骤中形成第二齿面并具有正确槽宽。

[0029] 图5示出在直齿锥齿轮34的齿宽正中间的横截面的四个二维视图，其中外周刀具36在如图2所示的下方位置与直齿锥齿轮34啮合。图5和图2的不同之处在于从初始工件滚动(位置1)到位置3的工件滚动角度40的减小38，减小的量较佳地与从初始起的工件滚动的量成比例，尽管也可以考虑不成比例的工件滚动减小的量。例如，在图5中示出了工件滚动减小率：滚动运动的每15度减小0.25度，尽管本发明局限于此。这样，对于45度的工件滚动角度来说，在位置3已获得了-0.75度的工件滚动减少角度。在位置3(接近中心滚动位置)，工件滚动减小终止，这意味着在位置3和位置4之间工件滚动的改变正是通过展成齿轮(摇台)旋转乘以滚动比所计算出的数值(即原始或理论的量)。

[0030] 超过中心滚动位置(从位置3到位置4)的滚动以减小的工件旋转速率继续将可能导致根部区域的底切，这应该被避免。在位置1与位置4之间的工件滚动的减小使齿槽的左侧41远离刀片36的间隙侧42而旋转，这样，在第一齿面的整个滚动过程中，间隙侧不具有切削接触。工件滚动减小角度38必须足够大以防止在刀片36的间隙侧42上的切削。但是，太大的工件滚动减小角度38将超越形成正确的渐开线和获得适当的槽宽(在后面的步骤中无清理)的可能性而扩槽。

[0031] 如图6所示，在粗滚之后(刀片已经到达第一齿面的根部)，进行刀具相对齿面的偏置，从而为从根部到顶部的精滚提供存量。

[0032] 图6示出在反向滚动模式(双滚动的第二道次)中实现正确渐开线轮廓的展成的四个二维图。在图5中的顺序之后，由工件滚动的减小38产生的齿面轮廓不是所需要的正确的渐开线。朝向已展成的齿面的一偏置(小的顺时针工件旋转Δε)出现，接着是反向滚动(位置5至位置8)，反向滚动从底部到顶部形成正确的轮廓。偏置的量在0与一小量(例如整个工件滚动减小角度的大约10％)之间以确保表面清理。或者，偏置的量可以是额外地从齿面去除的存量材料的一固定量(即厚度)，例如，0.1mm。

[0033] 应该理解，附图所示的“位置”是为了示例性和解释性的目的，本发明不局限于所示位置的标记和定位。

[0034] 图7示出假想圆柱齿轮50的横截面，该横截面以直齿锥齿轮的平均截面表示直齿锥齿轮。刀盘52代表展成齿条54(在滚动位置中心示出)，其在渐开线轮廓的展成的过程中跟随以S节距(或S1)标记的路径。在图7的示例中，刀盘52具有切削刃56，切削刃56与刀具旋转轴线垂直。由于展成齿条齿面的角度是α，并且展成齿条是水平的，因此刀具轴线不得不倾斜α，从而模拟展成齿条的一个齿面。图7中距离S1和距离S节距较佳地是相同的。

[0035] 图8示出图7的工件和刀具，其中工件和刀具沿顺时针方向旋转了角度α，从而得到水平刀具轴线。图8示出若干半径和角度，其用于一组优选的等式以计算间隙侧干涉。角度指示出在间隙侧上的工件材料(被刀片尖部正确地切削)之间的干涉的角度。从(以间隙侧尖部切削的第一切削点的)工件滚动旋转以及在中心滚动位置的外径处的刀片间隙点的位置计算出 干涉角度用于图8中的左刀片位置和右刀片位置之间的工件滚动减小。

[0036] 图8示出计算干涉角度 的一种可能。干涉角度是在齿槽的间隙侧的顶部上的材料的角度量，该材料导致与刀片的间隙侧的干涉。图7和图8代表直齿斜齿轮的假想圆柱齿轮或从临界截面(沿齿宽)计算出的齿轮的假想圆柱齿轮。临界截面在中间面或在齿根部。所示的计算基于在中间面内的截面。假想圆柱齿轮接近真实直齿锥齿轮的轮廓关系以及其允许在二维平面内观察此轮廓。这一计算对于轮廓观察被公认为是精确的，并且由E.Buckingham,Analytical Mechanics of Gears(齿轮分析力学),McGraw-Hill图书公司,1949,第324-328页已知。参照图8中标出的角度，可采用下面的公式：

[0037] 假设：

[0038]

[0039] R节圆＝d0/(2cosγ)     (1)

[0040] R齿顶圆＝R节圆+hK     (2)[0041] R齿根圆＝R节圆-hF       (3)[0042] 由图8中的关系：

[0043]

[0044]

[0045] 等式(5)代入等式(4)得出：

[0046]

[0047] 由图8中的几何关系：

[0048]

[0049] 齿轮传动定律导致与齿轮坯的节圆(见图7)相切的梯形展成齿条的移动，从而展成渐开线齿廓。工件齿轮旋转等于s/d0[弧度]从而获得在工件齿轮的节圆和展成齿条的节线之间无打滑的滚动。图7中绘出的工件和刀盘沿顺时针方向转过角度α的旋转导致了图8中的刀具－工件关系。

[0050] S1在展成齿轮移动的方向由于S1等于S节距，所以S1与从初始滚动到中心滚动的相关。

[0051] 从初始滚动到中心滚动的工件滚动角度：

[0052]

[0053]

[0054]

[0055]

[0056] 利用(6)和(11)，由图8中的关系得出干涉角：

[0057]

[0058] 从初始滚动到中心滚动的每 的干涉角得出滑动系数：

[0059]

[0060] 滑动系数可用于根据理论工件滚动角度计算工件滚动角度的修正。

[0061]

[0062] 滑动系数还可用于计算滚动比，该滚工比将包括在工件齿轮中的新的滑动旋转。

[0063]

[0064]

[0065] RA*＝RA(1+f滑动)       (17)[0066] 总之，随着工艺的进行可以将 添加到工件滚动角度，或者可以从初始滚动至中心滚动使用RA*。所计算的角度 将消除严重的干涉而不产生任何在刀片的间隙侧和坯件材料之间的间隙。为了消除任何间隙切削刃的额外量的接触， 不得不加到 较佳的值是 的5％到15％

[0067]

[0068]

[0069] 图7和图8所示的齿轮，是被观察的直齿锥齿轮的假想圆柱齿轮。假想圆柱齿轮以二维描绘示出与以轮廓截面(当然是三维描绘)示出的实际直齿锥齿轮相同的几何性质。二维假想圆柱齿轮轮廓允许采用三角表达式从而使在刀具刀片的间隙侧上的问题可视，并允许确定纠正的角度(即修正的滚动比)。

[0070] 用于直齿锥齿轮的切削的旋转盘形刀具一般使用凹角。在凹角的情况下，切削刃不与刀具轴线垂直。图7和图8中的刀具描绘未以凹角绘出。由于凹角的存在改变了用在图7和图8中的压力角α，图形将自动被调整到任何凹角的引入。这还意味着公(1)式至公式(16)适用于所有凹角，包括0°。

[0071] 示以确定纠正工件滚动的减少的计算仅仅是量化防止间隙侧干涉的减小角度的一种可能途径。更复杂的计算(例如，诸如被刀片间隙刃展成的整个间隙侧齿槽表面的展成，以及该表明与诸如由刀片的整个间隙侧(图2，位置4)形成的齿槽间隙侧的比较)将得出更准确的结果。但是，由于 的某个百分比(在上面被述作 )不得不被添加从而获得无任何不需要的接触的间隙，所以更精确的计算将不会导致总结果的改进。

[0072] 在仅一种刀片用于齿槽粗加工和一个齿面的精加工的情况中，本发明方法还可以用于使用端面刀头的锥齿轮切削工艺。

[0073] 尽管本发明对于在齿槽的展成过程中的工件滚动角度的减小已作出解释和说明，但是随后本发明还可借助增加旋转盘状刀具的滚动运动的量(相对于原始理论的量被增加)来实现。

[0074] 尽管参照较佳实施例对本发明进行了描述，但应当理解，本发明并不限于其特定形式。本发明旨在包括对本发明所属领域的技术人员显而易见的、不偏离所附权利要求书的精神和范围的各种改型。