CN101310906A - 在特定齿面线隆起处用特定扭曲来形成齿面的对角展形方法 - Google Patents

Abstract

通过协调刀具隆起的量和路线以及对角比，可使用简单的刀具形成扭曲，并且该扭曲被叠加到自然扭曲上，由此产生工件所需的扭曲。此外，隆起的附加部分被叠加到工件的隆起部分上，这就是在对角方法的加工过程中刀具隆起的结果，由此形成工件所要求的隆起，所述附加隆起部分是通过在加工过程中改变刀具和工件之间的距离而形成的。

Description

在特定齿面线隆起处用特定扭曲来形成齿面的对角展形方法

本申请要求提交于2007年5月22日的07010133.2号欧洲专利申请的权益，其全部内容被援引包含于此。

技术领域

本发明涉及以连续对角展形方法加工基本圆柱形但齿面线隆起的齿轮的齿面的方法。

背景技术

以连续展形方法形成螺旋齿齿面线隆起的圆柱齿轮导致扭转的齿面。扭转的一种计量是扭曲。所要达到的目的是避免扭曲或产生由于“自然扭曲”而形成的扭曲。

为了实现本发明的目的，即避免扭曲，从DE 3704607可知以连续对角展形方法加工齿轮并为此使用具有右侧齿面和左侧齿面的压力角的蜗形刀具，所述压力角在蜗轮的一端从最大值向另一端连续减小，在蜗轮一端的右侧齿面的最大压力角与左侧齿面的最小压力角一致，反之亦然。这种刀具非常难以制造并且使用起来不太灵活。

EP1 036624A2提出将一种具有修正螺距的蜗轮作为刀具。通过这种刀具，齿面的螺距从蜗轮的一端向蜗轮的另一端与离蜗轮这一端的距离成比例地变化，在蜗轮一端处的一个齿面的最大螺距与蜗轮该端处的另一齿面的最小螺距一致，反之亦然。这种刀具是齿面线隆起或齿面线中凹隆起的。这种刀具假设以对角方法工作。如果在以双齿面加工来加工工件的过程中刀具和工件之间的轴距保持固定，则工件两齿面上的齿面线的隆起——从外部凸起(正)或从外部凹进(负)——同时发生扭曲。

只要对角比D的符号，即轴向刀架在沿其转轴的方向上移动时刀具位移的方向，因加工附加工件而改变，则齿面线隆起和扭曲也会发生在两工件的齿面上。然而，相对于先前加工的工件，这种扭曲具有不同的量和相反的符号。

EP 1036624A2提出在轴向刀架平移过程中通过改变中心距来形成一部分的齿面线隆起和扭曲，还通过以对角方法工作的刀具形成第二部分的齿面线隆起和扭曲，并调整刀具的隆起并调整机床的数据，以在工件处形成要求的齿面线隆起和扭曲值。

EP 1036624A2还公开如何从轴向刀架平移过程中通过改变中心距形成的齿面线隆起来计算出关联的扭曲。这种说明基于这样的假设：由用于对角方法的螺距修正刀具形成的齿面线隆起所产生的扭曲可以根据本发明的与加工期间(刀具和工件)轴间距离的变化形成的齿面线隆起所导致的扭曲相同的方法计算得到。

尽管如前面欧洲专利申请所述那样，在对角方法中螺距修正刀具的使用导致一部分扭曲，然而所述部分——齿根线隆起量是相同的——与轴向刀架平移过程中轴间距离的变化导致的一部分扭曲不同。符号D的变化不改变这部分扭曲。

然而，使用螺距修正的刀具也形成附加的、先前未知的偏移部分。如果规定了齿面线的隆起量，则只有这部分能用来影响齿轮的扭曲。因此，如果存在齿面线隆起，这些欧洲专利申请中提出的方法无法避免扭曲，甚至会形成尤其不同于“自然扭曲”的扭曲。

因此本发明旨在于研究一种方法，这种方法使齿面线隆起修正的齿面能在实践上具有任何偏移的单齿面和/或双齿面加工工艺中形成，这类方法可使用几何形状简单的刀具，并且这种方法能很大程度上自由地选择加工所需的刀具长度。

发明内容

通过调整刀具隆起和对角比的量和路线(course)，扭曲通过简单刀具形成并叠加在自然扭曲上，由此形成工件所要求的扭曲。此外，附加隆起部分被叠加在工件的隆起部分上，这是在以对角方法加工过程中刀具隆起的结果，由此造成工件所要求的隆起，所述附加的隆起部分是通过在加工时改变刀具和工件之间的距离而形成的。可使用在很大程度上长度可随意选择的刀具来实现工件的齿面线隆起和扭曲的要求值。所述刀具的隆起必须适应所述长度。通过所建议的措施，可以简单的方式或简单的刀具达成本发明的目的。

也可在计算机上模拟加工过程。在工件宽度的每个区域内，中心距和对角比或中心距和刀具修正在轴向刀架平移过程中是变化的。为此，在轴向刀架平移期间中心距和对角比或中心距和刀具修正中的变化所导致的展形接触轨迹的影响被确定、叠加并反复修正，以形成所要求的齿面线路线并将齿面的扭转最优地调整到其规格。

附图说明

图1示出刀具0、工件2以及机床的轴A、B、C、X、Y和Z以描述刀具和工件的位置、路径和移动。

图2是确定具有用圆柱形刀具以对角展形方法形成的齿面隆起的右螺旋齿轮的左齿面和右齿面的齿面外形的示意图。

图3是确定具有用中凹隆起的修正刀具以对角展形方法形成的齿面隆起的右螺旋齿轮的右齿面的齿面外形的示意图。

图4示出轴Y和Z的关系并解释以对角展形工艺用中凹隆起刀具加工右螺旋齿轮的右齿面中展形接触轨迹的形式，并解释在该工艺中形成的齿面线隆起。

图5示出对角比的符号和扭曲部分的符号之间的关联，藉此使观察到的齿面的扭曲达到要求值。

图6示出在蜗形刀具上形成隆起或中凹隆起的方法。

具体实施方式

下面，将解释如何在用连续展形方法加工螺旋齿齿面线隆起的圆柱齿轮时产生齿面扭曲、如何避免齿面扭曲或如何将其调整至要求值、以及如何设计合需的刀具(例如铣刀、磨刀)。

从具有工件2的垂直旋转轴的机床开始说明，例如铣床。描述位置、路径和移动(图1)的轴是：

X  中心距(径向)

Y  刀具轴向(切向)

Z  工件轴向(轴向)

A  倾斜刀具轴

B  旋转刀具

C  旋转工件

除非有修正，这里说明的圆柱齿轮的齿面是由渐开线螺旋表面形成的，这不太适于解释定量的上下文。因此，在下文中，齿面被示出在基圆柱的切向平面(图2)。通过这种变换，几何形状复杂的渐开线螺旋表面最终成为具有边长L_α和L_β的矩形。以下，这些矩形被称为“测量域”。

如果轮子绕其轴转动，则螺旋线的穿透点在测量域中描绘出垂直行进的直线。齿轮的横截面描绘出水平行进的直线。蜗形刀具和无瑕疵加工的齿面之间的接触点也处于一直线上，即展形接触轨迹。只要轴向进给量小，展形接触轨迹以角度β_b相对横截面倾斜。这种情况出现在本文描述的场合下。如有必要，可经由已知背景计算出在倾斜角上进给的影响并且使用校正角来进一步讨论。

横跨图2中的齿面倾斜行进的直线1、2、3和5、6、7是展形接触轨迹。如果在左齿面L和右齿面R的经由经过点4的直线的展形接触轨迹之间保持刚性连接并且点4沿方向Z移动，则该直线描绘出正在形成的齿面的几何形状。如果在点4沿方向Z移动的同时该点和由此产生的展形接触轨迹对应于右半部分图的隆起曲线的路线而上升，则每个展形接触轨迹在左齿面和/或右齿面的测量域上描绘出包络表面。这些表面包络住展形的齿面并且它们表现出用圆柱形刀具展形的齿面线隆起的齿面的外形。

如果这些包络表面中的一个，例如右齿面的包络表面，与横截面相交，则相交线表示该齿面在各横截面中的轮廓偏差路线。如果包络表面与同心于轮位置轴线的圆柱体相交或相对图2具有垂直于测量域和垂直于横截面的平面，相交线在各圆柱体上表现出齿面线偏离的路线。可借助计算机根据本文所述的方法可靠地确定轮廓和/或重要的齿面线偏差，并且可从偏差的路线计算出各斜度偏差。分别在齿面的两个平面内测得的或分别在两个圆柱体上测得的轮廓或齿面线偏差是确定齿面扭曲所需的。随后通过下面的轮廓斜度偏差来确定扭曲S_α：

S_α＝f_Hal-f_Hall

其中f_Hal和/或f_Hall是在平面I和/或II中的轮廓斜度偏差。

为了进一步说明，需要从解析地确定扭曲。这更易于理解几何形状背景和确定工艺和所需要的刀具。在多数情形下，可用二次抛物线描绘齿面线隆起的要求路线。在这些情形下，可从测量域的四个角点之上和/或之下的包络表面的高度计算出齿面的扭曲。图2中右齿面的测量域的四个角点是8、9、13和12。图2中展形接触轨迹的所有点具有在测量域之上或之下非常接近的相同高度。如果该高度被指示为f，则应用下面的等式：

f_Hal＝f₁₁-f₁₀以及

f_Hall＝f₁₅-f₁₄

如果用描绘出工件的齿面线隆起的路线的二次抛物线计算出各高度，则能够为齿面的扭曲提供一简单的等式。当将根据现有技术在本例中产生隆起考虑在内时，这里计算出的扭曲被称为自然扭曲S_nat。应用下面的等式：

S_nat＝K₁*c_β

其中k₁是从上述计算中得出的常数。

由于轨迹偏移SV，左齿面和/或右齿面上的隆起的高位点沿工件2的轴向偏移2*SV。这导致在两齿面上的齿面线斜度偏差。这些偏差可通过在机床上的适当校正设置而消除和/或避免。

如果沿其旋转轴的方向以隆起方式修正的蜗形刀具用来形成一工件隆起，则对角工艺中的作用也会产生扭曲。所述扭曲的计算不象自然扭曲的计算那么简单。下面的观察涉及以对角工艺在右螺旋齿轮的右齿面加工中使用中凹隆起的刀具。刀具和工件之间的距离是恒定的。展形接触轨迹在投影面上的变换再次形成向横截面倾斜β_b的直线。然而，该展形接触轨迹不沿垂直于测量域的直线方向行进。相反，它们被描绘成引入到刀具中的隆起的一部分并因此作为抛物线曲线的一部分。在图3中，刀具的隆起已被投入投影面中。

由于以对角工艺进行加工，因此垂直于测量域的沿各个Z位置的所有展形接触轨迹具有不同形状。可计算这种形状。因此，可在计算机上模拟该工艺，与已结合自然扭曲描述的相似，并且能够计算出包络住齿面的修正表面。通过评价包络表面和横截面I和II之间的相交线的形状，可获得f_Hal和f_Hall以及齿面的扭曲。

扭曲较佳地通过在测量域的四个角点之上的包络表面的距离确定。为此，必须获得刀具位置相对各重要展形接触轨迹的Z位置的关系。对角比D对形成这种关系是有用的。应用下面的等式：

D＝Δy/Δz＝(y_e-y_a)/(z_e-z_a)

其中Δy  刀具沿其转轴方向的平移

Δz   刀具沿工件转轴方向的平移

y_e    刀具在Y轴上的结束位置

y_a    刀具在Y轴上的开始位置

z_e    刀具在Z轴上的结束位置

z_a    刀具在Z轴上的开始位置

如果刀具和工件被设置成齿面宽度与蜗轮的计划工作面积的中心相叠合(图4)并且D是已知的，则刀具和工件的位置关系是清楚的。此外，如果刀具的隆起相对路径Δy是已知的，则可确定工件处形成的隆起

由Δy产生的扭曲可以如下方式确定。如自然扭曲所解释那样确定图3中的距离f₁₀、f₁₁、f₁₄、f₁₅。然而，与自然扭曲的情况相反，点8、9、12、13不位于点10、11、14、15的层面上。在点8和10、9和11、12和14、13和15之间的展形接触轨迹的区域中，通过刀具隆起的路线确定附加的高度变化。对角工艺中由刀具几何形状引起的右齿面扭曲S_yR是通过下面的等式获得的：

$S_{\mathrm{yR}}=c_{{\mathrm{\β}}_y}\·k_1+c_{{\mathrm{\β}}_y}/(k_2*D)$

常数K₁是从使用圆柱形刀具产生的自然扭曲的计算得出的。常数K₂是发生在上述计算中出现的所有常量的结合的结果。S_yR的计算式揭示出在对角工艺中，刀具的齿面线隆起在工件上形成齿面线隆起

这形成一种扭曲，这种扭曲能以与使用圆柱形刀具发生的自然扭曲相同的方法计算出。此外，产生与成比例的一部分扭曲。如果D的符号改变，这部分的符号也改变。

上面的讨论引出下面的结论。当在对角工艺中以隆起刀具工作时，工件上产生的隆起可计算为两个部分的叠加，其中一个，

是通过在加工过程中改变中心距而产生的，而另一个，

是在对角工艺中使用隆起的刀具形成的。应用下面的等式：

$c_{\mathrm{\β}}=c_{{\mathrm{\β}}_x}+c_{{\mathrm{\β}}_y}$

由于工件上的隆起形成的自然扭曲——不管隆起是如何产生的——为：

S_nat＝k₁*c_β

在对角工艺中，隆起的刀具产生一部分自然扭曲再加上取决于D符号选择的一部分扭曲，增加或减少最终的扭曲。在下文中表示为S_k的这个部分可用来“校正”最终扭曲。应用下面的等式：

$S_k=c_{{\mathrm{\β}}_y}/(k_2*D)$

图5示出如何形成扭曲的不同部分S_k。图5示出两种场合下的右螺旋齿轮的右齿面的测量域。在俯视图中，展形接触轨迹由层面1中的角点8、9画出。此外，画出包含通过点8并垂直于测量域延伸的展形接触轨迹的一个平面。该平面被投入含测量域的切面。刀具修正的曲线形状是清楚可见的。在图的左半部，刀具在蜗轮的左端附近和蜗轮右端附近工作。为了形成点9，各刀具必须沿工件轴线滑动至较小的Z位置，另外其左半部滑动至较大的Y位置而右半部滑动至较小的Y位置。这导致图左半部中的对角比D＜0而图右半部中的对角比D＞0。

点9是在刀具相应的点9处形成的。在刀具的相应位置8和/或9’处的修正的比较示出：在图的左半部，在平面I形成f_Hα＞0，而在图的右半部，在平面I形成f_Hα＜0。如果将其用于层面2，显然相应的f_Hα值具有相反的符号。

由于在图的左半部的点8和/或9的形成中，点8比点9’更远离刀具的中心，并且刀具修正量随离开刀具中心的距离的增加而增加，因此本文所述效果就发生了。在图的右半部，点8比点9’更靠近刀具的中心。

在未经修正和/或隆起刀具的使用方面，解释如何确定以此方式产生的各齿面外形。当叠加在两种情形下确定的外形时，能获得标准应用场合下的外形，其中齿面线隆起和工件扭曲由两相应部分构成。这种“最终”外形可用来确定齿面线隆起和扭曲的最终值。

这种操作方法的缺点在于必须知道齿面线隆起和扭曲的组合，并因此必须知道两个变量部分的理想协调。这种操作方法的另一缺点是只能覆盖以二次抛物线描绘的动作的齿面线修正。

如上所述，扭曲被陈述为齿面扭转的计量并且计算为平面I和II中的轮廓斜度偏差的差。当轮廓斜度偏差的改变在平面I和II之间与离开这些平面的距离成比例地发生时，这种判断一般是适用的。只要面宽度上所要的齿面线修正情况能被描绘成二次抛物线，就能满足这个条件。然而，如果尚未满足这个条件，则应当使用齿面的一般术语“扭转”。

为使与标准场合不同的应用例获得改善的外形，提出通过在计算机上模拟制造工艺而确定接近于所要的齿面形状的外形。这样，面宽度较佳地被分解成至少两个区域，并且在每个区域中在轴向刀架平移期间较佳地变化设计轴距和对角比或轴距和刀具修正。为此，轴距和对角比和/或轴距和刀具修正的变化对展形接触轨迹的影响被确定、叠加和反复修正以形成所要的齿面线情况并使扭转最优地适应其规格。

前面陈述涉及右齿面和右螺旋齿轮。前面关于隆起的陈述适用于所有齿面，即适用于左螺旋齿轮和右螺旋齿轮的左齿面和右齿面。右螺旋齿轮的右齿面和左螺旋齿轮的左齿面的自然扭曲是正的，而其余齿面的自然扭曲是负的。自然扭曲量减少的对角比D的符号对右螺旋齿轮的右齿面和左螺旋齿轮的左齿面而言是正的，而对其余齿面而言是负的。

中凹隆起的刀具在对角工艺中在工件上形成正的隆起。隆起刀具(从外部凸起的)形成一种中凹隆起的工件。在这种情形下，在加工过程中一般通过中心距的改变将大的正隆起叠加于工件。上述效果也可通过从外部凸起的刀具来获得。然而，与使用中凹隆起刀具不同，其结果是具有相反符号的自然扭曲。符号D也必须反过来以减少最终扭曲相对自然扭曲的量。

一种形成刀具隆起的方法适用于可被校正(tured)的刀具(图6)。这项工作是通过涂覆金刚石的“对顶圆锥盘”完成的。其构形工艺与圆柱蜗轮的构形的区别仅在于：当蜗轮沿其轴线方向移动时，构形盘和蜗轮之间的距离是变化的。在蜗轮的中心，实现特定轴距并且该轴距对应于距离蜗轮中心的距离的平方向蜗轮的两端或者增加(负隆起，即刀具的中凹隆起)或者减小(正隆起)。在蜗轮修正的变换中，如从刀具的轴截面观察到的那样，必须注意在构形中中心距的变化必须乘以sinα以在齿面上获得隆起。从刀具轴线至共线轴线的路径变换通过对角比而发生。刀具齿轮在图6中未示出，而仅高倍放大地示出在轴截面中的刀具构形所产生的修正路线。隆起量为

有若干方法来确定变量

和D之间的适当协调。确定这种协调是对工件的右齿面进行的。为此，确定加工工件的轴向路径Δz，包括取决于要被去除的裕量(stock)和安全量S。此外，确定路径Δy＝y_e-y_a，刀具通过该路径沿其轴线方向位移而轴向刀架滑动Δz＝z_e-z_a。这里，标记“a”和/或“e”再次表征切向和/或轴向车架冲程的起点和/或终点。必须注意在路径Δy上构形刀具是不够的。相反，还必须构形与轮廓展开区l_P0加上安全量的长度相等的附加路径。安全量允许通过改变设定而在工件处将所产生的扭曲调整至新的规格。这很重要，尤其是对无法被校正的刀具。当然刀具的总长度不能大于可使用长度。

然而，为了获得刀具制造和/或校正的简单条件，构形可横跨刀具的整个长度l₀。在下面的等式中，S_target表征最终偏移的目标值，

是在图6所示的方法中在长度l₀上构形的情形下的轴截面中的刀具的隆起量。如果偏移的目标值被表述为S_target，并且如果根据图6所示的方法在蜗轮的整个长度l₀构形刀具，则在该长度上需要隆起量

为了调整必须计算下列变量。

D＝Δy/Δz

S_nat＝k₁*c_β

S_k＝S_target-S_nat

$c_{{\mathrm{\β}}_y}=k_2*D*S_k$

$c_{{\mathrm{\β}}_x}=c_{\mathrm{\β}}-c_{{\mathrm{\β}}_y}$

$c_{{\mathrm{\β}}_{0r}}=c_{{\mathrm{\β}}_y}/\sin a*(1_0/(D*1_{\mathrm{\β}}))^2$

最后，通过已知手段消除齿面线隆起的高位点的失配，根据上述信息制造和/或构形刀具，并且开始加工。

尽管本发明已结合较佳实施例作了说明，然而应当理解本发明不局限于其特例。本发明旨在包括所有与主题事项相关的本领域内技术人员熟知的修改，而不脱离所附权利要求的精神和范围。

Claims (6)

1.一种使用沿其转轴方向以隆起形式修正的蜗形刀具以对角展形方法加工齿面线隆起的圆柱形齿轮的齿面的方法，所述隆起是正的或负的，其特征在于，所述方法包括：

计算由产生在要被制造的齿轮中的所要求的齿面线所形成的自然扭曲；

协调(a)刀具沿其转轴方向隆起的量和路线，以及(b)对角比，由此在齿轮加工过程中产生扭曲，当将所述扭曲叠加到自然扭曲上时，其产生预定的扭曲；以及

将工件的进一步隆起叠加到对角方法中由于刀具隆起的工件隆起部分上，其中所述进一步隆起是通过改变刀具和工件之间的中心距而产生的，由此形成所要求的隆起。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述在整个刀具长度上的刀具隆起可用二次抛物线来描绘。

3.如权利要求1所述的方法，其中采用在足够长度上构形的已有刀具产生与考虑刀具设计和工艺的隆起和/或扭曲不同的隆起和/或扭曲，其特征在于，齿面线隆起和扭曲的要求值是通过在加工过程中调整对角比和调整中心距而产生的。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在单齿面加工的情形下，在加工过程中改变中心距可由加工过程中改变附加的工件旋转，或由加工过程中改变中心距和附加旋转的组合来代替。

5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，在单齿面加工的情形下，可实现刀具的隆起、对角比、以及中心距的变化和/或附加工件旋转的变化，从而为两工件齿面上的齿面线隆起和/或扭曲形成不同的值。

6.一种使用沿其转轴方向以正或负的隆起方式修正的螺纹刀具以对角展形方法加工基本呈圆柱形、但齿面线隆起的齿轮的齿面的方法，其中工件的宽度被分成至少两个区域，并且对这些区域中的每个区域规定齿面线的路线和扭转，

其特征在于，在计算机上模拟加工工艺并且在这些区域中的每个区域中改变中心距和对角比或中心距和刀具的修正，这样做的话，中心距和对角比的变化或者中心距和刀具修正的变化对展形接触轨迹的影响被确定、叠加和反复修正，从而获得要求的齿面线的路线并使扭转最优地适应于所要求的规格。

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