用沒有擺動軸線運動的端面刀盤的錐齒輪制造方法
【專利摘要】一種加工錐齒輪的方法，通過該方法通過在齒輪展成期間通過更改徑向和刀轉(zhuǎn)基本設定之間的常規(guī)關(guān)系而無需有效樞轉(zhuǎn)軸線來實現(xiàn)齒槽兩個齒側(cè)的加工，以及齒表面沿縱長方向的鼓形化。
【專利說明】用沒有擺動軸線運動的端面刀盤的錐齒輪制造
[0001]本申請要求2011年8月8日提交的美國臨時專利申請第61/521，154號的權(quán)益，在此以參見的方式引入該專利申請的全文內(nèi)容。
發(fā)明領(lǐng)域
[0002]本發(fā)明涉及齒輪的制造，且具體是在齒輪展成機器上展成錐齒輪而沒有有效擺動或樞轉(zhuǎn)軸線的方法。
[0003]發(fā)明背景
[0004]在齒輪的生產(chǎn)，尤其是錐齒輪的生產(chǎn)中，通常采用兩種工藝，展成工藝和非展成工藝。
[0005]展成工藝可分成兩類，端面銑齒(間歇分度)和端面滾齒(連續(xù)分度)。在展成端面銑齒工藝中，將轉(zhuǎn)動刀具進給入工件至預定深度。一旦達到該深度，刀具和工件就以預定的相對滾動一起滾動，稱作展成滾動，如同工件與理論展成齒輪嚙合地轉(zhuǎn)動那樣，該理論展成齒輪的齒由刀具的切削表面來表示。齒的齒廓形狀通過展成滾動過程中刀具與工件的相對運動來形成。
[0006]在展成端面滾齒工藝中，刀具和工件以同步關(guān)系轉(zhuǎn)動，將刀具進給至一深度，由此在刀具的單次插入中就形成所有齒槽。在達到完全深度之后，開始展成滾動。
[0007]在非展成工藝中，無論是間歇分度還是連續(xù)分度，工件上齒的齒廓形狀由刀具上的齒廓形狀直接形成。將刀具進給入工件，并將刀具上的齒廓形狀賦予工件。盡管沒有采用展成滾動，但是呈理論“冠齒輪”形式的理論展成齒輪的概念也可應用于非展成工藝中。該冠齒輪是如下的理論齒輪:在非展成工藝中，其齒表面與工件的齒表面互補。因此，當在非展成工件上形成齒表面時，刀具上的切削刀齒表示理論冠齒輪的齒。
[0008]工件與展成齒輪之間的關(guān)系可通過稱為“基本機床設定”的一組參數(shù)來定義。這些基本設定表示關(guān)于展成齒輪與工件的尺寸和比例的意義，且提供用于齒輪設計的通用起始點，且因此在多種型號的機床中統(tǒng)一設計程序。基本設定總地描述在任何瞬時刀具與工件之間的相對定位。
[0009]用于形成齒輪的基本機床設定是本領(lǐng)域已知的并可定義如下:
[0010]1.搖臺角(q)，其定義刀具繞搖臺軸線的角度位置；
[0011]2.徑向刀位(S)，其為搖臺軸線與刀具軸線之間的距離；
[0012]3.刀轉(zhuǎn)角(j)，其定義刀具軸線相對于搖臺上固定參照物的定向；
[0013]4.傾角(i)，其定義搖臺軸線與刀具軸線之間的角；
[0014]5.齒根角(Ym)其規(guī)定工件支承件相對于搖臺軸線的定向；
[0015]6.中心至后部或頭部設定(Xp)，其為沿從工件與搖臺軸線的明顯相交處到位于到工件固定距離的位置的工件軸線的距離；
[0016]7.工件偏移量(Em)，其定義工件軸線與搖臺軸線之間的距離；
[0017]8.滑動基部(Xb)，其為從機器中心到工件與搖臺軸線的明顯相交處的距離；
[0018]9.工件的轉(zhuǎn)動位置(ωψ);[0019]10.用于端面滾齒的刀具的轉(zhuǎn)動位置(ot)；
[0020]11.用于展成的搖臺轉(zhuǎn)動與工件轉(zhuǎn)動之間的滾動比(R)。
[0021]在常規(guī)齒輪成型機器中，在其它設定通常保持固定的同時，展成期間搖臺角、工件轉(zhuǎn)動和刀具轉(zhuǎn)動變化。其兩個顯著例外是螺旋運動，螺旋運動涉及滑動基部Xb的運動以及作為工件偏移方向Eni上的運動的垂向運動。
[0022]常規(guī)機械機床符合理論基本機床的概念，因為幾乎所有的機床設定對應于各理論基本設定。這種機器可由圖4示出。在機械機床中，基本徑向刀位S由稱為偏心角的角度機床設定控制。
[0023]通常在常規(guī)機械齒輪展成機器或在線性多軸計算機控制(例如CNC)齒輪展成機器(諸如也稱為“自由形式”機床的機床)上實施展成和非展成工藝。用于生產(chǎn)錐齒輪的常規(guī)機械齒輪展成機器包括工件支承機構(gòu)和搖臺機構(gòu)。在展成工藝期間，搖臺沿繞稱為搖臺軸線的軸線的圓形路徑承載圓形刀具。這稱為展成滾動或搖臺滾動。搖臺表示理論展成齒輪的本體，且搖臺軸線對應于理論展成齒輪的軸線。刀具表示展成齒輪上一個或多個齒。工件支承件將工件相對于搖臺定向并以與搖臺轉(zhuǎn)動特定比值使其轉(zhuǎn)動。通常，常規(guī)機械搖臺型錐齒輪展成機器通常裝備有一系列線性和角度刻度(即設定)，其有助于操作者將各機器部件精確地定位在其正確位置。
[0024]在多種類型的常規(guī)機械搖臺型錐齒輪展成機器中通常包括可調(diào)節(jié)機構(gòu)，該可調(diào)節(jié)機構(gòu)使得刀盤主軸、且因此使切削刀具軸線相對于搖臺的軸線傾斜(即，刀盤軸線不平行于搖臺軸線)。稱為“刀盤傾斜”的調(diào)整通常用于使切削刀具壓力角與工件的壓力角匹配，和/或?qū)⒌毒叩那邢鞅砻娑ㄎ怀蛇m當表示理論展成齒輪的齒表面。在沒有刀盤傾斜機構(gòu)的某些類型的常規(guī)機械搖臺型錐齒輪展成機器中，通過改變搖臺與工件之間的相對滾動關(guān)系也可實現(xiàn)刀盤傾斜的效果。該改變也稱為“更改滾動?！?僅對于固定設定)
[0025]在多軸計算機控制的齒輪展成機器中，如由美國專利4981402、6669415和6712566所公開的那些，其公開內(nèi)容以參見的方式納入本文，刀具相對于工件沿或繞多個機器軸線(例如5軸或6軸)的運動可以與在常規(guī)機器工藝中利用已知端面銑刀或研磨輪展成錐齒輪相同(或幾乎相同)的方式執(zhí)行包括工件與刀具的動態(tài)關(guān)系的運動循環(huán)。
[0026]本領(lǐng)域通常普遍對于具有不同軸線數(shù)量和/或構(gòu)造的多軸計算機控制的齒輪展成機器利用與常規(guī)機械搖臺型齒輪展成機器相同的輸入?yún)?shù)(例如，機器設定)。換言之，常規(guī)搖臺型錐齒輪展成機器的坐標系中刀具和工件軸線的位置轉(zhuǎn)換成多軸計算機控制的齒輪展成機器的替代坐標系。以上提到的美國專利4，981，402,6, 669，415和6，712，566中可找到這種轉(zhuǎn)換的實例，其公開內(nèi)容以參見的方式納入本文。
[0027]在連續(xù)分度工藝(端面滾齒)中切削的錐齒輪和準雙曲面齒輪具有沿齒寬大致平行的齒高。展成或搖臺平面中的基本切削設置將使刀盤體的中心處于遠離展成齒輪中心(搖臺軸線)通常稱為徑向距離的量的位置。刀盤體軸線平行于展成齒輪或搖臺軸線。齒輪坯件可定位在搖臺或刀盤前面，使得刀盤刀齒會切削齒槽。基本切削設置的切削刃是直的，從而類似展成齒輪齒輪。由于刀盤具有多頭(齒刀組)，在刀盤轉(zhuǎn)動的同時，齒輪會在每次刀盤旋轉(zhuǎn)期間必須轉(zhuǎn)動同樣多的節(jié)距。為了展成齒輪齒的齒廓形狀，展成齒輪必須繞其軸線轉(zhuǎn)動，同時齒輪轉(zhuǎn)動經(jīng)過展成齒輪轉(zhuǎn)動角度乘以滾動比的量。滾動比是展成齒輪齒的數(shù)量除以工件齒輪齒的數(shù)量。[0028]以同樣方式將切削和展成與所描述的齒輪匹配的小齒輪。但是，如果齒輪用中心在展成齒輪(右旋螺旋)的中心上方的刀盤體展成，則小齒輪必須用中心在展成齒輪(右旋螺旋)中心下方的刀盤展成。這樣展成的小齒輪和齒輪將具有行星齒側(cè)線和“8”字形齒廓。由于兩構(gòu)件都用展成齒輪的鏡像展成，所以它們完全共軛地一起滾動。這意味著小齒輪和齒輪沿在整個有效齒側(cè)表面上延伸的接觸線彼此接觸。在理論環(huán)境下，小齒輪和齒輪將無運動誤差地滾動并具有全齒側(cè)接觸。
[0029]為實際應用生產(chǎn)的齒輪需要局部齒側(cè)接觸以允許齒輪箱、軸、齒輪體和齒的負載引起的偏移。具體來說，對于大型齒輪，對于兩構(gòu)件應用齒廓(即齒高度)方向的鼓形化和齒寬(即齒長度)方向的鼓形化。齒廓方向的鼓形化通常通過將切削刀齒的直切削刃輪廓變?yōu)橥剐吻€來實現(xiàn)。小齒輪和齒輪刀齒較佳地接受相同的曲率半徑，從而它們中的每個貢獻50%的齒廓鼓形化。
[0030]對于齒圈直徑高達約800mm的齒輪沿長度方向的鼓形化通常通過刀盤體的傾斜(即刀盤傾斜)來實現(xiàn)。刀盤體傾斜布置成使得齒的中心的初始螺旋角和齒槽比例保持恒定。朝向齒端的更深切削使得齒槽朝向齒端更寬，由此形成沿齒寬方向的鼓形化。
[0031]在具有直徑大于800mm齒圈的錐齒輪組中，在機床中難以實現(xiàn)將刀盤體在空間中傾斜的裝置。如果制造機器是6軸數(shù)控自由形式機床，則刀盤傾斜轉(zhuǎn)換成樞轉(zhuǎn)軸線的內(nèi)插運動(例如上述US4，981，402)。在這些大型齒輪的情況下，業(yè)已發(fā)現(xiàn)也難以實現(xiàn)會重達幾噸的機器部件的這種高度精確內(nèi)插運動。因此，所有專用的大型錐齒輪制造機器都避免傾斜刀盤的原理。于是，通過相對于刀盤體軸線輕微改變切削刀齒位置的半徑來展成所需長度鼓形化。在某些情況下，例如，如果小齒輪和齒輪刀盤的內(nèi)側(cè)刀齒的徑向位置減小標稱刀盤半徑的約1%就夠了。內(nèi)側(cè)刀齒會產(chǎn)生從齒中心移動到齒內(nèi)端或外端的圓形余量偏移條件。更改的凸形小齒輪齒側(cè)與未更改的凹形齒輪齒側(cè)嚙合，而更改的凸形齒輪齒側(cè)與未更改的凹形小齒輪齒側(cè)嚙合。該相互作用會提供沿齒輪組兩轉(zhuǎn)動方向齒寬方向所需量的鼓形化。
[0032]端面滾齒刀盤體的外側(cè)和內(nèi)部刀齒最初在引入半徑更改之前在刀齒參考點處具有相同的半徑。連續(xù)分度運動使得工件在一個刀齒組的第一刀齒(例如外側(cè)刀齒)沿齒寬經(jīng)過一定點之后至該刀齒組的第二刀齒(例如內(nèi)側(cè)刀齒)經(jīng)過同一齒槽內(nèi)同一點為止轉(zhuǎn)動角度齒槽寬度。如果內(nèi)側(cè)刀齒的半徑減小以展成長度鼓形化，則形成的齒槽寬度會太大。于是，有兩種方法來切削正確的齒槽寬度:
[0033](a)用于切削凸形齒側(cè)的第一設置和用于切削凹形齒側(cè)的第二設置
[0034](b)連接到切削機器上兩個不同心軸連接的兩個互鎖端面刀盤
[0035]方法(a)需要兩種不同的切削機器設置和兩個獨立的切削循環(huán)。方法(b)需要復雜的“第一心軸內(nèi)的第二心軸”布置，其中第二心軸需要相對于第一心軸的偏心度，第一心軸也需要展成齒輪平面中用于正確角度定向的裝置。方法(b)降低機器剛度并因此需要小的展成滾動比(與單刀盤-心軸連接相比)。根據(jù)方法(a)制造需要刀盤體直徑大于210mm的所有大型端面滾齒齒輪。方法(a)需要常規(guī)全工序工藝幾乎兩倍的切削時間。
[0036]刀盤半徑更改因此妨礙用于大型齒輪的全工序切削工藝。刀盤體傾斜在數(shù)控機器中會在整個展成工藝期間啟動內(nèi)插擺動角(齒根角)運動。盡管這仍會允許全工序工藝，但重幾噸的機器部件的僅小度數(shù)量的內(nèi)插(耦合)轉(zhuǎn)動會降低工藝剛度和精確度且在其機械實現(xiàn)中成本高昂。
[0037]執(zhí)行展成所需長度量鼓形化的全工藝切削工藝的端面滾齒或端面銑齒切削方法需要刀盤半徑更改或內(nèi)插擺動軸線運動。對于制造具有直徑大于約800mm齒圈的錐齒輪的生產(chǎn)全工序工藝，并不一定能夠合理地更改刀盤半徑，且刀盤體傾斜(等于自由形式機器中內(nèi)插擺動(樞轉(zhuǎn))軸線運動)降低工藝剛度并因此降低生產(chǎn)效率和精確性。本發(fā)明提出克服這些和其它缺陷的方案。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0038]本發(fā)明涉及一種加工錐齒輪的方法，通過該方法通過在齒輪展成期間通過更改徑向和刀轉(zhuǎn)基本設定之間的常規(guī)關(guān)系而無需有效樞轉(zhuǎn)軸線來實現(xiàn)齒槽兩個齒側(cè)的加工，以及齒表面沿縱長方向的鼓形化。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0039]圖1示出用于共軛完成錐齒輪的三角形矢量圖。
[0040]圖2示出具有到兩個分開刀盤中心的兩個徑向距離矢量的展成齒輪平面，兩個分開刀盤中一個具有用于切削凸形齒側(cè)的內(nèi)側(cè)刀齒，而一個具有用于切削凹形齒側(cè)的外側(cè)刀齒。
[0041]圖3 (a)示出具有相同軸線的2個刀盤體的橫截面上的側(cè)視圖。對于外側(cè)刀齒和內(nèi)側(cè)刀齒刀盤半徑Rw-1b和Rmb相同。曲率半徑P oB和P IB也相同。
[0042]圖3 (b)示出具有不同軸線的2個刀盤體的橫截面上的側(cè)視圖。在附圖平面中示出其刀盤半徑。Rmb比Rmb小AR (對齊的刀齒參考點)。此外，曲率半徑相差Λ P。
P OB- P IB+ A P。
[0043]圖3 (C)示出具有外側(cè)刀齒和內(nèi)側(cè)刀齒的單個刀盤的橫截面上的側(cè)視圖。在附圖平面中示出刀盤半徑。刀盤關(guān)于垂直于圖面的軸線傾斜。對刀齒角αΙΒ和α?進行修正以提供與非傾斜刀盤相同的相對于水平線的參考輪廓。對于外側(cè)刀齒和外側(cè)刀齒刀盤半徑Rff-1B和相同。曲率半徑P ?和P IB不同(P OB= P IB+ Δ P )。
[0044]圖4示出常規(guī)錐齒輪展成機器，具有搖臺、徑向刀位裝置、刀轉(zhuǎn)角裝置、傾角裝置、齒根角的擺動角設定、中心到后部調(diào)整、偏移量調(diào)整、滑動基部設定和不可見的搖臺轉(zhuǎn)動與工件轉(zhuǎn)動之間聯(lián)接的滾動比、以及刀盤轉(zhuǎn)動與附加工件轉(zhuǎn)動之間聯(lián)接的分度比。
[0045]圖5 (a)示出搖臺，徑向、刀轉(zhuǎn)和傾斜機構(gòu)共同轉(zhuǎn)動(0°位置)。
[0046]圖5 (b)示出搖臺，徑向、刀轉(zhuǎn)和傾斜機構(gòu)共同轉(zhuǎn)動(30°位置)。
[0047]圖5 (C)示出搖臺，徑向、刀轉(zhuǎn)和傾斜機構(gòu)共同轉(zhuǎn)動(60°位置)。
[0048]圖6(a)示出剛性連接到徑向鼓輪的搖臺。該傾斜機構(gòu)剛性連接到刀轉(zhuǎn)機構(gòu),但刀轉(zhuǎn)機構(gòu)并不剛性連接到徑向鼓輪。刀轉(zhuǎn)機構(gòu)和傾斜機構(gòu)在搖臺轉(zhuǎn)動的同時靜止(0°位置)。
[0049]圖6 (b)示出剛性連接到徑向鼓輪的搖臺。該傾斜機構(gòu)剛性連接到刀轉(zhuǎn)機構(gòu),但刀轉(zhuǎn)機構(gòu)并不剛性連接到徑向鼓輪。刀轉(zhuǎn)機構(gòu)和傾斜機構(gòu)在搖臺轉(zhuǎn)動的同時靜止(30°位置)。
[0050]圖6 (C)示出剛性連接到徑向鼓輪的搖臺。該傾斜機構(gòu)剛性連接到刀轉(zhuǎn)機構(gòu),但刀轉(zhuǎn)機構(gòu)并不剛性連接到徑向鼓輪。刀轉(zhuǎn)機構(gòu)和傾斜機構(gòu)在搖臺轉(zhuǎn)動的同時靜止(60°位置)。
[0051]圖7示出自由形式錐齒輪制造機器，具有用于垂向運動(Y)、工件軸向運動(Z)以及水平(X)運動以及工件轉(zhuǎn)動(A-心軸)、刀盤轉(zhuǎn)動(C-心軸)以及擺動轉(zhuǎn)動(B-軸線)的線性滑動件。
[0052]圖8 (a)示出根據(jù)圖3 (a)的刀盤定義和根據(jù)圖5 (a)至5 (C)的搖臺構(gòu)造(轉(zhuǎn)動)的圖形分析結(jié)果。
[0053]圖8 (b)示出根據(jù)圖3 (b)的刀盤定義和根據(jù)圖5 (a)至5 (C)的搖臺構(gòu)造(轉(zhuǎn)動)的圖形分析結(jié)果。
[0054]圖8 (C)示出根據(jù)圖3 (C)的刀盤定義和根據(jù)圖5 (a)至5 (C)的搖臺構(gòu)造(轉(zhuǎn)動)的圖形分析結(jié)果。
[0055]圖8 (d)示出根據(jù)圖3 (C)的刀盤定義和根據(jù)圖6 (a)至6 (C)的搖臺構(gòu)造(轉(zhuǎn)動)的圖形分析結(jié)果。
[0056]圖8 (d)示出根據(jù)圖3 (C)的刀盤定義和根據(jù)圖6 (a)至6 (C)的搖臺構(gòu)造(轉(zhuǎn)動)和刀盤轉(zhuǎn)動的附加補償(相對于圖8 Cd)的情況)的圖形分析結(jié)果。
[0057]圖8 Cf)示出根據(jù)圖3 (C)的刀盤定義和根據(jù)圖6 (a)至6 (C)的搖臺構(gòu)造(轉(zhuǎn)動)和刀盤轉(zhuǎn)動的附加補償?shù)膱D形分析結(jié)果。用一階基本設定和二階運動修正了圖8 Cf)中的齒側(cè)表面。
【具體實施方式】
[0058]在詳細解釋本發(fā)明的任何特征和至少一種構(gòu)造之前，應該理解到，本發(fā)明不局限于其對結(jié)構(gòu)細節(jié)的應用和以下詳細描述中闡述的或附圖中所示的部件的布置。本發(fā)明可具有其它構(gòu)造并可以其它方式實踐或?qū)嵤?。而且，應理解本文所采用的措辭和術(shù)語是為說明的目的而不應認為是限制。
[0059]該說明書中使用的術(shù)語“發(fā)明”、“該發(fā)明”以及“本發(fā)明”用于泛指該說明書和以下本專利權(quán)利要求書中的所有主題。包含這些術(shù)語的表述不應理解為限于本文描述的主題或限于以下任何權(quán)利要求的含義或范圍。此外，該說明書并不尋求在本申請任何特定部分、段落、表述或附圖中描述或限制由權(quán)利要求書覆蓋的主題。該主題應參照整個說明書、所有附圖和以下權(quán)利要求書來理解。
[0060]在本發(fā)明的上下文中，屬于“錐”齒輪應理解為包括稱為錐齒輪、“準雙曲面”齒輪、斜交軸錐齒輪那些類型的齒輪，以及稱為“冠狀”齒輪或“面”齒輪的那些齒輪的充分范圍。還應理解，屬于“齒輪組”或“齒輪副”是指包括小齒輪構(gòu)件(通常是驅(qū)動件)和匹配齒輪構(gòu)件(例如齒圈，通常是從動件)的匹配構(gòu)件。
[0061]本發(fā)明涉及一種切削錐齒輪的方法，該方法通過更改有效半徑允許齒槽的齒側(cè)的完全切削并實現(xiàn)小齒輪和齒輪的相互作用時的長度鼓形化。本發(fā)明方法可適用于錐齒輪組的任一構(gòu)件或兩個構(gòu)件。
[0062]可以理解，如果根據(jù)圖3 (c)中原理的刀盤體傾斜應用于常規(guī)錐齒輪展成機器的中心滾動位置(圖4)，則當對于該特定滾動位置轉(zhuǎn)換成自由形式機器的構(gòu)造(圖7)時這形成一定的X-、Y-、Z-和B-軸位置。其中在中心滾動位置的值下，在所有滾動位置自由形式機器的Χ-、Υ_和Z的所有軸的值從基本設定正確地轉(zhuǎn)換，但B-軸線角度保持恒定的滾動工藝由于與齒輪組的小齒輪構(gòu)件和/或齒輪構(gòu)件的理論齒側(cè)表面的非常大的偏差是不可接受的。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，一階反向刀轉(zhuǎn)運動使傾斜定向轉(zhuǎn)動，對于每度搖臺轉(zhuǎn)動，向初始定向退回一度。
[0063]具有反向刀轉(zhuǎn)運動的這種布置會消除自由形式機器的B-軸線運動(在對所有滾動位置轉(zhuǎn)換基本設定之后)，且還產(chǎn)生不同的X、Y和Z值(與沒有反向刀轉(zhuǎn)運動的情況相比)。由于傾斜和刀轉(zhuǎn)裝置承載刀盤心軸，所以刀盤轉(zhuǎn)動(在連續(xù)切削中)必須對每個相對轉(zhuǎn)動量進行修正(在它們通過反向轉(zhuǎn)動刀轉(zhuǎn)機構(gòu)而發(fā)生的同時)。也能夠替代地修正工件轉(zhuǎn)動。
[0064]在滾動位置中心，形成的齒側(cè)表面(展成平坦部)會是與沒有反向傾斜運動切削的情況下相同的展成平坦部。對于少量的傾斜角，滾動中心與滾動端部位置(例如大端)以及滾動中心與起始滾動位置(例如小端)之間的齒側(cè)形狀偏差非常小且可忽略不計。對于較大的傾斜量，可通過使用一階和二階螺旋運動、一階和二階徑向運動以及一階更改滾動修正形成的齒側(cè)偏差。
[0065]圖1示出具有展成齒輪軸線的展成齒輪平面，具有到齒寬中心的矢量RM，從展成齒輪軸線到刀盤中心的徑向距離矢量Ex以及從Ex矢量的末端到Rm矢量末端的刀盤半徑矢量Rw。這表示在中心滾動位置切削的瞬間，觀察到刀盤刀齒處于轉(zhuǎn)動位置，在該位置它們切削齒端面中點的位置。
[0066]圖2示出展成齒輪平面，具有到兩個分開刀盤中心的兩個徑向距離矢量EX_IB和Ex-<b。一個刀盤具有由仏】表示的用于切削凸形齒側(cè)的內(nèi)側(cè)刀齒，而第二刀盤具有由Rmb表示的用于切削凹形齒側(cè)的外側(cè)刀齒。刀盤中心具有不同位置(用于切削凸形齒側(cè)的IB和用于切削凹形齒側(cè)的0B)，因為內(nèi)側(cè)切削刃位置移動到比外側(cè)刀齒半徑小的半徑。兩個刀盤半徑矢量必須定位成矢量末端處于齒寬中心處的同一點處并在展成齒輪坐標系的Z-軸上。為了形成正確的齒槽寬度(為一個節(jié)距減去齒厚度加上任何側(cè)隙)，這是必須的。
[0067]圖3 (a)示出垂直于刀盤半徑方向的視圖。刀盤體軸線平行于展成齒輪軸線。在該實例中刀齒切削刃是直的。對于外側(cè)刀齒和外側(cè)刀齒刀盤半徑仏，和Rmb相同。沿凹形齒側(cè)的導程方向展成的曲率半徑為PIB=Rw_IB/c0SaIB。沿凸形齒側(cè)的導程方向展成的曲率半徑為P ob=Rw-ob/cos α 0βΟ由于a 和α 1Β相等，則P 1Β和P 0Β也相等。如果使用圖3(a)中的刀盤體制造一個構(gòu)件(例如齒輪)，且如果使用該刀盤體的鏡像(鏡像平面是X-Z)制造另一構(gòu)件(例如小齒輪)，則該齒輪副完全共軛。
[0068]圖3 (b)示出垂直于刀盤半徑方向的視圖。刀盤體軸線平行于展成齒輪軸線。在該實例中刀齒切削刃是直的。內(nèi)側(cè)刀齒的刀盤半徑RW-1B比外側(cè)刀齒的半徑Rmb小AR。沿凹形齒側(cè)的導程方向展成的曲率半徑為PIB=Rw_IB/cosaIB。沿凸形齒側(cè)的導程方向展成的曲率半徑為P ob=Rw-ob/cos a qb。由于RW_IB比RW_QB小，則P IB也比P QB小。內(nèi)側(cè)刀齒和外側(cè)刀齒放置在 不同的刀盤體內(nèi)。內(nèi)側(cè)刀齒刀盤體的軸線定位成內(nèi)側(cè)刀齒與圖3 (a)的外側(cè)刀齒在相同點處與X-軸相交。如果使用圖3 (b)中的刀盤體制造一個構(gòu)件(例如齒輪)，且如果使用該刀盤體的鏡像(鏡像平面是X-Z)制造另一構(gòu)件(例如小齒輪)，則展成具有長度鼓形化并還具有正確齒槽寬度的齒輪組。圖3 (b)中布置的缺點在于需要2個切削機器設置(或者連接到復雜機器雙心軸連接的互鎖刀盤)。
[0069]圖3 (C)示出垂直于刀盤半徑方向的視圖。在該實例中刀齒切削刃是直的。在內(nèi)側(cè)刀齒和外側(cè)刀齒上半徑仏，和Rmb相等。內(nèi)側(cè)刀齒和外側(cè)刀齒放置在同一刀盤體內(nèi)。刀盤體關(guān)于垂直于圖面的軸線傾斜。相對于展成齒輪軸線(圖3 (c)中的水平軸線)的刀齒角度與圖3 (b)相等。這需要(例如在2°傾斜的情況下)18°的內(nèi)側(cè)刀齒角和22°的外側(cè)刀齒角。沿凹形齒側(cè)的導程方向展成的曲率半徑為PIB=Rw_IB/c0SaIB。沿凸形齒側(cè)的導程方向展成的曲率半徑為P QB=Rw-QB/cos Ct QB。由于αΙΒ比^小，則Pib也比Pqb小。如果使用圖3 (C)中的刀盤體制造一個構(gòu)件(例如齒輪)，且如果使用該刀盤體的鏡像(鏡像平面是X-Z)制造另一構(gòu)件(例如小齒輪)，則展成具有長度鼓形化并還具有正確齒槽寬度的齒輪組。圖3 (C)中布置的優(yōu)點在于僅需要一個切削機器設置來切削一個構(gòu)件的凸形(IB)齒側(cè)和凹形(OB)齒側(cè)。
[0070]圖4示出具有已知設定的常規(guī)機械(和如上所述理論)錐齒輪展成機器，已知設定包括搖臺(q)、徑向刀位裝置(S)、刀轉(zhuǎn)角裝置(j)、傾角裝置(i)、齒根角的擺動角設定(Ym)、中心到后部調(diào)整(Xp)、偏移量調(diào)整(Em)、滑動基部設定(Xb)。未示出搖臺轉(zhuǎn)動與工件轉(zhuǎn)動之間聯(lián)接的滾動比(Ra)、以及刀盤轉(zhuǎn)動與附加工件轉(zhuǎn)動之間聯(lián)接的分度比(Rind)。
[0071]圖5 Ca)示出機械機床的圖，各裝置，從而:
[0072].轉(zhuǎn)動展成齒輪-(即搖臺轉(zhuǎn)動q)；
[0073].使刀盤中心遠離機器搖臺中心(展成齒輪軸線)-(用于設定角
[0074]CpS以實現(xiàn)徑向距`離設定，S的轉(zhuǎn)動元件)；
[0075].刀盤體軸線的傾斜-(用于設定角以實現(xiàn)傾斜角設定，i的轉(zhuǎn)
[0076]動元件)；
[0077]?繞垂直于展成齒輪平面的軸線轉(zhuǎn)動傾斜的刀盤軸線-用于設定(角度tPj以實現(xiàn)刀轉(zhuǎn)角設定，j)的轉(zhuǎn)動元件。
[0078]在常規(guī)(且因此理論)錐齒輪展成機器上，搖臺q剛性地可連接到用于設定角度q>S的轉(zhuǎn)動元件，該轉(zhuǎn)動元件又剛性地可連接到用于設定角度tPj的旋轉(zhuǎn)元件，該旋轉(zhuǎn)元件又剛性地可連接到用于設定角度iPi的轉(zhuǎn)動元件。參見圖5 (a)，是這種布置的實例。為了清楚起見圖5 (a)中未示出工件齒輪和其相關(guān)的機器元件以及工件夾持設備。因此，給定上述剛性連接，在展成期間搖臺q轉(zhuǎn)動時，用于設定角度9s、以及q>i的轉(zhuǎn)動元件隨著搖臺q轉(zhuǎn)動。
[0079]圖5 (a)中所有的刀盤心軸設置位置在其當前設定處用箭頭標出。圖5 (a)中所示搖臺的轉(zhuǎn)動位置設置在起始滾動位置。連接到刀轉(zhuǎn)和傾斜機構(gòu)并包含刀具軸線T的輔助平面Pa顯示刀盤傾角i以及搖臺的轉(zhuǎn)動位置。
[0080]圖5 (b)示出圖5 (a)中所示同一機械機床,但搖臺沿逆時針方向轉(zhuǎn)動30°。搖臺轉(zhuǎn)動時，用于建立徑向距離、刀轉(zhuǎn)角和傾斜角的裝置(即元件)也隨搖臺沿逆時針方向轉(zhuǎn)動30°。附連到搖臺殼體的箭頭指示相對于搖臺上參考標記的30°角。連接到刀轉(zhuǎn)和傾斜機構(gòu)并包含刀具軸線T的輔助平面Pa顯示搖臺的新轉(zhuǎn)動位置。在機械機床中，傾斜裝置剛性地夾持到刀轉(zhuǎn)裝置，且刀轉(zhuǎn)裝置剛性地夾持到偏心裝置，這是圖5 (b)中動態(tài)條件對于機械機床是典型的原因。
[0081]圖5 (C)示出圖5 (a)中所示同一機械機床，但搖臺現(xiàn)沿逆時針方向轉(zhuǎn)動60°。搖臺轉(zhuǎn)動時，用于徑向距離、刀轉(zhuǎn)角和傾斜角的裝置也隨搖臺沿逆時針方向轉(zhuǎn)動60°。附連到搖臺殼體的箭頭包括現(xiàn)相對于搖臺上參考標記的60°角。連接到刀轉(zhuǎn)和傾斜機構(gòu)并包含刀具軸線T的輔助平面Pa顯示搖臺的新轉(zhuǎn)動位置。在機械機床中，傾斜裝置剛性地夾持到刀轉(zhuǎn)裝置，且刀轉(zhuǎn)裝置剛性地夾持到偏心裝置，偏心裝置是圖5 (c)中動態(tài)條件對于機械機床是典型的原因。
[0082]圖6 (a)示出具有與圖5 (a)所示相同裝置的機械機床的圖示。圖6 (a)中所有的刀盤心軸裝置位置以其當前設定用箭頭標出。在起始滾動位置裝置圖6 (a)中所示搖臺的轉(zhuǎn)動位置。連接到刀轉(zhuǎn)和傾斜機構(gòu)并包含刀具軸線T的輔助平面Pa顯示刀盤傾斜角以及搖臺的轉(zhuǎn)動位置。圖6 (a)與圖5 (a)相同，但現(xiàn)在是為了進行不同說明的出去位置。
[0083]圖6 (b)示出圖6 (a)中所示同一機械機床,但搖臺沿逆時針方向轉(zhuǎn)動30°。用于徑向距離S的裝置與搖臺q剛性地連接，且因此也隨搖臺轉(zhuǎn)動30°。但根據(jù)本發(fā)明，用于刀轉(zhuǎn)j (傾斜定向)的裝置不再剛性地連接到徑向距裝置，而是在搖臺轉(zhuǎn)動每個增量的同時向后(順時針方向)有效轉(zhuǎn)動(隨著剛性連接的傾斜定向i)與搖臺q轉(zhuǎn)動相等的量(即圖6(b)中的30° )。于是，附連到搖臺殼體的箭頭包括現(xiàn)相對于搖臺上參考標記且與圖5 (b)相比30°的角，連接到刀轉(zhuǎn)設定裝置的箭頭包括相對于搖臺上參考標記和徑向裝置-30°的角。換言之，刀轉(zhuǎn)和傾斜裝置的凈轉(zhuǎn)動結(jié)果為零。連接到刀轉(zhuǎn)和傾斜機構(gòu)并包含刀具軸線T的輔助平面Pa由于搖臺與刀轉(zhuǎn)之間相反轉(zhuǎn)動(相同的絕對量)的結(jié)果而在空間上并未轉(zhuǎn)動而是具有與圖6 (a)相同的定向。
[0084]圖6 (C)示出圖6 (a)中所示同一機械機床,但搖臺沿逆時針方向轉(zhuǎn)動60°。用于徑向距離S的裝置與搖臺q剛性地連接，且因此也隨搖臺轉(zhuǎn)動60°。但根據(jù)本發(fā)明，用于刀轉(zhuǎn)j (傾斜定向)的裝置不再剛性地連接到徑向距裝置，而是在搖臺轉(zhuǎn)動每個增量的同時向后(順時針方向)有效轉(zhuǎn)動(隨著剛性連接的傾斜定向i)與搖臺q轉(zhuǎn)動相等的量(即圖6(C)中的60° )。于是，附連到搖臺殼體的箭頭包括現(xiàn)相對于搖臺上參考標記且與圖6 (b)相比60°的角，連接到刀轉(zhuǎn)設定裝置的箭頭包括相對于搖臺上參考標記和徑向裝置-60°的角。換言之，刀轉(zhuǎn)和傾斜裝置的凈轉(zhuǎn)動結(jié)果為零。連接到刀轉(zhuǎn)和傾斜機構(gòu)并包含刀具軸線T的輔助平面Pa由于搖臺與刀轉(zhuǎn)之間相反轉(zhuǎn)動(相同的絕對量)的結(jié)果而在空間上并未轉(zhuǎn)動而是具有與圖6 (a)相同的定向。
[0085]圖7示出自由形式錐齒輪制造機器，具有用于垂向運動(Y)、工件軸向運動(Z)以及水平(X)運動以及工件轉(zhuǎn)動(A-心軸)、刀盤轉(zhuǎn)動(C-心軸)以及擺動(樞轉(zhuǎn))轉(zhuǎn)動(B-軸線)的線性滑動件。坐標變換能夠轉(zhuǎn)換圖4所示搖臺型錐齒輪切削(或研磨)機器的幾何和動態(tài)設定，從而用圖7所示自由形式機器精確地復制刀具與工件之間所有相對運動(參見前文提到的美國專利4，981，402,6, 669，415和6，712，566)。
[0086]在空間上隨著搖臺一起轉(zhuǎn)動的傾斜刀盤心軸(如圖5 (a)至5 (C)所示)從常規(guī)機械機床到如圖7所示自由形式機器的轉(zhuǎn)換中，在展成滾動工藝期間發(fā)生工件與刀具軸線之間定向的角度變化。這也意味著圖7的自由形式機器中刀具與工件軸線之間B-軸線擺動(樞轉(zhuǎn))角在制造工件過程中展成滾動工藝期間持續(xù)變化。
[0087]然而，在空間上獨立于搖臺的轉(zhuǎn)動而靜止的刀盤心軸(如圖6 (a)至6 (c)所示)從常規(guī)機械機床到如圖7所示自由形式機器的轉(zhuǎn)換中，在展成滾動工藝期間不發(fā)生工件與刀具軸線之間定向的角度變化。這也意味著圖7的自由形式機器中刀具與工件軸線之間B-軸線擺動(樞轉(zhuǎn))角在制造工件過程中展成滾動工藝期間不變。[0088]與圖5 (a)至5 (c)的運動轉(zhuǎn)換相比，圖6 (a)至6 (C)中的運動轉(zhuǎn)換的結(jié)果不僅對所有滾動位置產(chǎn)生恒定的B-軸線角度，而且形成X、Y和Z的不同值。
[0089]圖8 (a)示出用圖3 (a)中的刀盤布置制造的齒輪組的修正和計算的齒接觸圖案。該切削模擬工藝基于圖5(a)至5 (C)所示的傾斜定向條件。這些分析結(jié)果獨立于所用齒輪制造機器的類型(例如圖4或圖7)。這些分析結(jié)果顯示沒有長度鼓形化(由于圖3 (a)的刀盤布置)。圖8 (a)中看出的齒廓鼓形化是由于使用大型錐齒輪制造中通常使用的彎曲刀齒。由于沒有長度鼓形化，圖8 (a)中用于分析的齒輪組不適于實際使用。
[0090]圖8 (b)示出用圖3 (b)中的刀盤布置制造的齒輪組的修正和計算的齒接觸圖案。該切削模擬工藝基于圖5(a)至5 (C)所示的傾斜定向條件。這些分析結(jié)果獨立于是否使用圖4或圖7的制造機器。這些分析結(jié)果顯示100 μ m范圍內(nèi)的齒廓鼓形化(由于彎曲刀齒切削邊緣)和長度鼓形化。對于錐齒輪組的實際使用需要長度和齒廓鼓形化。根據(jù)圖3 (b)具有不同刀盤半徑的展成工藝的缺點在于需要2個切削機器設置(或者連接到復雜機器雙心軸連接的互鎖刀盤)。
[0091]圖8 (C)示出用圖3 (C)中的刀盤布置制造的齒輪組的修正和計算的齒接觸圖案。該切削模擬工藝基于圖5(a)至5 (C)所示的傾斜定向條件。這些分析結(jié)果獨立于是否使用圖4或圖7的制造機器。這些分析結(jié)果顯示100 μ m范圍內(nèi)的齒廓鼓形化(由于彎曲刀齒切削邊緣)和長度鼓形化。對于錐齒輪組的實際使用需要長度和齒廓鼓形化。該布置的優(yōu)點在于對每個構(gòu)件僅使用一個切削機器設置以在全工序工藝中用一個刀盤體切削內(nèi)側(cè)和外側(cè)齒側(cè)。該布置尤其結(jié)合圖7所示現(xiàn)代自由形式機器制造大型齒輪的缺點在于展成工藝期間B-軸線需要持續(xù)角度變化。
[0092]圖8 (d)示出用圖3 (C)中的刀盤布置制造的齒輪組的修正和計算的齒接觸圖案。該切削模擬工藝基于圖6(a)至6 (C)所示的傾斜定向條件。這些分析結(jié)果獨立于是否使用圖4或圖7的制造機器。但是，由于傾斜裝置未剛性地固定到搖臺而是在空間上靜止，所以基本設定從機械機床(圖4)到自由形式機器(圖7)的變換在整個展成工藝過程中形成固定B-軸線角度。圖8 (d)的分析結(jié)果顯示具有幾千微米(μ m)的修正量。根據(jù)圖8(d)的齒輪組不適于實際使用。
[0093]圖8 (e)示出用圖3 (C)中的刀盤布置制造的齒輪組的修正和計算的齒接觸圖案。該切削模擬工藝基于圖6(a)至6 (C)所示的傾斜定向條件。與圖8 (d)的齒輪組展成相t匕，圖8 (e)中分析的齒輪組的展成包括附加刀盤轉(zhuǎn)動。該轉(zhuǎn)動由于其上剛性連接的傾斜和刀轉(zhuǎn)裝置而損失，且其補償展成滾動期間不轉(zhuǎn)動的傾斜裝置。刀盤轉(zhuǎn)動相對于承載刀盤心軸的傾斜和刀轉(zhuǎn)裝置來致動和限定。例如從圖6 (a)至圖6 (b)，展成齒輪(搖臺)轉(zhuǎn)動30°。刀盤轉(zhuǎn)動應由例如恒定RPM加上(或減去)搖臺轉(zhuǎn)動的另外30°組成。考慮刀盤與工件之間的修正分度比，還可對工件齒輪進行轉(zhuǎn)動補償。僅對于連續(xù)分度切削工藝(端面滾齒)需要該轉(zhuǎn)動補償。
[0094]圖8 Ce)的分析結(jié)果顯示100 μ m范圍內(nèi)的齒廓鼓形化(由于彎曲刀齒切削邊緣)和長度鼓形化。對于錐齒輪組的實際使用需要長度和齒廓鼓形化。該布置的第一個優(yōu)點在于對每個構(gòu)件僅使用一個切削機器設置以在全工序工藝中用一個刀盤體切削內(nèi)側(cè)和外側(cè)齒側(cè)。該布置尤其結(jié)合圖7所示現(xiàn)代自由形式機器制造大型齒輪的另一優(yōu)點在于可以恒定值夾持B-軸線。這提供剛性和精度的顯著增加。[0095]圖8 (f)顯示圖8(e)所示相同齒輪組的修正和計算的接觸圖案(圖3 (C)的刀盤布置和圖6 (a)至6 (C)所示的傾斜定向條件)。與圖8 (e)的情況的區(qū)別在于應用幾何和動態(tài)齒側(cè)形狀修正(諸如U.S.5，580，298中所揭示類型的齒側(cè)形狀修正，其公開內(nèi)容以參見的方式納入本文)。應用的修正近似于圖8 (a)所示的初始修正和齒接觸，而在小齒輪和齒輪的展成工藝期間沒有任何B-軸線角度運動。該近似僅產(chǎn)生與圖8 (a)相比修正的極端角上非常小的差異。
[0096]盡管參照較佳實施例對本發(fā)明進行了描述，但應當理解，本發(fā)明并不限于其特定形式。本發(fā)明旨在包括對該主題所述領(lǐng)域技術(shù)人員顯而易見的各種更改而不偏離所附權(quán)利要求書的精神和范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種在線性多軸計算機控制齒輪展成機器上制造錐齒輪的方法，該方法根據(jù)展成工藝將具有刀具軸線的刀具和具有工件軸線的工件相對于彼此移動， 其中所述展成通過各參數(shù)定義，所述各參數(shù)包括理論直齒輪展成機器的搖臺的轉(zhuǎn)動，所述搖臺包括用于建立徑向距離S、刀具軸線刀轉(zhuǎn)j和刀具軸線傾斜i的可轉(zhuǎn)動和可定位元件；以及 其中輔助平面Pa定義為連接到用于建立用于所述刀具軸線刀轉(zhuǎn)j和刀具軸線傾斜i的角度設定的所述可轉(zhuǎn)動和可定位元件，所述輔助平面Pa還包含所述刀具軸線； 使所述刀具圍繞所述刀具軸線轉(zhuǎn)動； 使所述刀具與所述工件嚙合； 使所述刀具相對于所述工件移動以展成所述錐齒輪，所述刀具沿由所述搖臺的轉(zhuǎn)動繪出的路徑移動； 所述方法還包括隨著所述搖臺轉(zhuǎn)動而轉(zhuǎn)動用于建立徑向距離S的角度設定的所述可轉(zhuǎn)動元件，其中在所述搖臺轉(zhuǎn)動期間，用于建立刀具軸線刀轉(zhuǎn)j和刀具軸線傾斜i的角度設定的所述可轉(zhuǎn)動元件呈現(xiàn)等于零的凈轉(zhuǎn)動量，且其中所述輔助平面Pa在所述搖臺轉(zhuǎn)動期間保持在固定角度定向； 所述方法的特征還在于，在所述線性多軸計算機控制齒輪展成機器上進行所述展成期間所述刀具軸線與所述工件軸線之間沒有相對樞轉(zhuǎn)運動。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述錐齒輪是齒圈。
3.如權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，所述齒圈具有大于800mm的直徑。
4.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述錐齒輪是小齒輪。
5.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述展成工藝是端面銑齒工藝。
6.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述展成工藝是端面滾齒工藝。
7.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述刀具是切削刀具。
8.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述刀具是研磨刀具。
【文檔編號】B23F9/10GK103732339SQ201280038888
【公開日】2014年4月16日 申請日期:2012年8月8日 優(yōu)先權(quán)日:2011年8月8日
【發(fā)明者】H·J·斯塔特費爾德 申請人:格里森工場