CN102223978B - 使用对角展成工艺加工大致圆柱形鼓形修正齿轮的齿侧的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种采用蜗杆形工具通过对角展成工艺加工大致圆柱形但鼓形修正齿轮的齿侧的方法，该蜗杆形工具修正成具有沿其转动轴线方向的鼓形，其中鼓形可以是正的或负的(凹形鼓形)，且其中通过使工具的鼓形与对角比匹配，借助于工具产生齿侧扭曲，并将该齿侧扭曲叠加到自然齿侧扭曲上，使得所述叠加的结果等于工件所要求的齿侧扭曲。

Description

使用对角展成工艺加工大致圆柱形鼓形修正齿轮的齿侧的方法

技术领域

本发明涉及一种使用对角展成工艺加工大致圆柱形但鼓形修正齿轮的齿侧的方法。

背景技术

当通过连续展成方法展成螺旋齿鼓形修正圆柱齿轮时，由该工艺形成的齿侧会扭曲。该性能的量化测度是齿侧扭曲。这里所要求的任务是避免齿侧扭曲，或避免产生源自“自然齿侧扭曲”的齿侧扭曲。

为了解决避免齿侧扭曲的任务，现有技术（DE3704607）提供了使用对角展成方法加工齿轮齿的技术方案，该技术方案使用蜗杆形工具，该工具的右齿侧或左齿侧的啮合角从一端的最大值开始朝向另一端连续减小，其中在蜗杆形工具一端处右齿侧的最大啮合角与左齿侧的最小啮合角一致，且反之亦然。该工具制造成本非常高，且在其使用中几乎没有灵活性。

EP1036624A2中揭示的概念是使用具有修正节距的蜗杆工具。在该工具中，齿侧的螺旋节距从蜗杆工具的一端开始朝向另一端与到蜗杆该端的距离成比例地变化，其中在蜗杆工具一端处一齿侧的最大节距与同一端处另一齿侧的最小节距一致，且反之亦然。该类型的工具在其宽度上呈凸形或凹形鼓形。该工具用于以对角模式运行。

当以对角模式使用凸形或凹形鼓形工具时，工件将最终具有齿侧扭曲。该齿侧扭曲可分成两个分量，如下文将示出的那样。第一分量与EP1036624A2中所描述的相同。第二分量具有迄今尚未认识的特性。仅通过该第二分量，才能够在具有给定宽度鼓形的工件上避免齿侧扭曲或将齿侧扭曲变为所要求的值。

发明内容

本发明的任务是进一步开发一般定义的方法，使得可在一齿侧或两齿侧工艺中展成具有实践中任何所要求齿侧扭曲的鼓形修正齿侧，且可使用几何形状简单的工具，且加工所需要的工具长度可在较宽范围内自由选择，且也可用短工具进行该工艺。

解决该任务一种采用蜗杆形工具通过对角展成工艺加工大致圆柱形但鼓形修正的齿轮工件的齿侧的方法，通过改变齿侧的螺旋节距蜗杆形工具修正成具有沿蜗杆形工具的转动轴线方向的鼓形，其中鼓形可以是正的或负的，其中工件的鼓形是通过在以对角模式加工时由于工具的鼓形造成的工件的鼓形分量和鼓形的另一分量彼此叠加而形成的，另一鼓形分量是在轴向车架运动期间通过改变工具与工件之间的轴向距离而产生的，其中这里所产生的扭曲是通过将自然分量和取决于沿工具的转动轴线方向上工具的鼓形的量和轮廓和对角比的另一分量叠加而形成的，其中自然分量与鼓形如何形成无关，为了产生所要求的鼓形和要求的扭曲，扭曲的自然分量由所要求的鼓形进行计算，与工具的鼓形和对角比匹配的扭曲的另一分量设定为可产生所要求的扭曲，并且通过改变轴向距离调整鼓形的另一分量以使得可产生所要求的扭曲，其中，如果对于满足所要求的扭曲和鼓形仍存在偏差，则通过扭曲和/或鼓形的校正的目标数据重新计算设定数据。

由于工具的鼓形与对角比匹配，所以简单工具产生叠加在自然齿侧扭曲上的齿侧扭曲，从而得到工件所要求的齿侧扭曲。此外，在以对角模式作业时由于工具的鼓形形成的工件的鼓形分量上叠加另一鼓形分量，从而由于该叠加，工件具有所要求的鼓形，其中鼓形的另一分量通过改变加工期间工具与工件之间的距离而产生。用可在宽范围内自由选择长度的工具能够产生工件的宽向鼓形和齿侧扭曲的所要求的值。然后工具的鼓形必须适应其长度。用提出的措施，使用简单工具以简单方式就可解决上述任务。

附图说明

在另外的权利要求书、说明书和附图中给出本发明的其它特征。在以下附图的辅助下更详细地解释本发明，其中：

图1示出工具0、工件2以及机床的各轴线以辅助描述位置、距离和运动；

图2示出具有用圆柱形工具在对角展成工艺中产生的具有宽向鼓形的右旋齿轮的左齿侧和右齿侧的齿侧形貌的确定。

图3示出具有用修正凹形鼓形工具在对角展成工艺中产生的具有宽向鼓形的右旋齿轮的右齿侧的齿侧形貌的确定；

图4示出在蜗杆形工具上展成凸形或凹形鼓形的方法。

具体实施方式

以下内容将解释在通过连续展成工艺加工螺旋齿鼓形修正圆柱齿轮时，如何产生齿侧扭曲，可如何避免齿侧扭曲或使其变为所要求的数量，以及如何设计该工艺所必须的工具。

这些内容基于机床具有用于常规展成方法中的工件的垂向转动轴线的假设。用于描述工具0和工件2（图1）的位置、路径和运动的这些轴线是：

X   轴线之间的距离（径向）

Y   工具轴线的方向（切向）

Z   工件轴线的方向（轴向）

A   工具轴线的斜度

A   工具的转动

C   工件的转动

这里所讨论的圆柱形齿轮的齿侧没有由渐开线螺旋面形成的任何修正。但是，渐开线螺旋面并不有助于方便地解释数量关系。因此，在下文中，在基圆柱的切平面中表示出齿侧（图2）。在该表示中，将几何形状复杂的渐开线螺旋面转换成具有边L_α和L_β的矩形。这些矩形此后称为“测量域”。

当齿轮绕其轴线转动时，螺旋线与测量域相交的点形成直的垂线。齿轮的法向截面（垂直于轴线）沿直的水平线与测量域相交。蜗杆形工具与完美加工的齿侧之间的接触点也位于直线、展成接触线上。只要轴向进给速率小，展成接触线相对于法向截面倾斜基圆螺旋角β_b。该条件符合在本文讨论的情况。如果必要，可根据已知关系计算进给速率对倾角的影响，且确切角度可用于进一步讨论。

在图2中，以一倾角与齿侧相交的直线1、2、3和5、6、7是展成接触线。如果左齿侧L和右齿侧R的展成接触线通过延伸穿过点4的线保持彼此刚性连接，且如果点4沿方向Z移动，则这些直线将限定正在展成的齿侧的几何形状。现在，在沿方向Z移动点4的同时，如果使该点升高，且因此使展成接触线升高，则根据在图的右部绘出的鼓形曲线，各展成接触线在左齿侧和右齿侧的相应测量域上各限定封闭的表面区域。这些表面区域包络展成的齿侧；它们表示用圆柱工具展成的宽向鼓形齿侧的形貌。

在根据连续展成工艺的工件加工中，工件上正在展成的齿侧具有以下特性：左齿侧和右齿侧的齿顶在实践中具有节圆柱上的同一Z位置；因此实践中没有展成接触线之间的偏移。

如果包络表面之一，例如右齿侧的包络表面，与法向截面相交，则交线表示该齿侧在选定的法向截面内的轮廓偏差。如果包络表面和与齿轮轴同心的圆柱相交，或者参照图2，与垂直于测量域且垂直于法向截面的平面相交，则交线表示选定圆柱上齿侧外形线的偏差。在计算机的帮助下，通过以下本文解释的方法可以可靠地确定所关注的齿廓偏差和齿侧外形线偏差，且从偏差曲线可计算相应的角度偏差。需要分别在齿侧的两个平面内测量轮廓偏差和外形线偏差，从而确定齿侧的扭曲。根据齿廓角的偏差，可如下计算齿侧扭曲S_α：

S_α=f_HαI-f_HαII,

其中f_HαI和f_HαII是在齿轮的平面I（前部）和II（后部）内的相应齿廓角偏差。

所要求的鼓形齿廓在大多数情况下可通过二次抛物线来描述。在这些情况下齿侧的扭曲可根据包络表面区域在测量域的四个角点上方或下方的垂直高度来计算。图2中右齿侧的测量域的四个角点是8、9、13、12。如果工具是圆柱形，则图2中展成接触线的所有点具有测量域上方或下方的相同高度（有良好的逼近度）。对于相应高度使用符号f，则满足下式：

f_HαI=f₁₁–f₁₀以及

f_HαII=f₁₅–f₁₄.

通过计算描述工件的鼓形齿廓的二次抛物线范围上方的各个高度，能够用简单方程表达齿侧的扭曲。考虑到在该例中根据现有技术产生的该情况中的鼓形，即例如通过在轴向刀架沿根据图1的方向Z进给过程中改变工具0与工件2的轴线之间的距离X，或换言之通过函数X(Z)产生的鼓形，这里计算出的齿侧扭曲称为自然齿侧扭曲S_nat1，可用下式表示：

S_nat1=k₁×c_βx,其中

k₁是通过上述计算得出的常数，以及

c_βx是在X(Z)上产生的工件的鼓形。

如果使用沿其旋转轴线的方向呈鼓形的蜗杆形工具来产生工件鼓形，则对角方式加工时同样会产生齿侧扭曲。该齿侧扭曲的计算不像自然齿侧扭曲的计算那么简单。以下讨论涉及以对角工艺在右旋齿轮的右齿侧加工中使用凹形鼓形工具。假设工具与工件之间的距离为常数。在展成接触线变换到图面上时，再次形成相对于法向截面以角β_b倾斜的直线。但是，该展成接触线不沿垂直于测量域的维度成直线；实际上它们被描绘成赋予刀具的鼓形的一部分。图3示出刀具的鼓形产生的工件的鼓形c_βy（已翻转到图面中）。

由于以对角工艺进行加工时，处于不同Z-位置的所有展成接触线具有垂直于测量域的不同弯曲形状。可计算该弯曲形状。因此，也能够计算出包络该齿侧的修正表面。通过分析平面Ⅰ和Ⅱ上包络表面和法向截面之间的交线的形状，可分别得到f_Hal和f_Hall且因此得到齿侧的扭曲。

对于该计算，必需知道工具的位置Y与选定展成接触线的展成接触线的位置Z之间的相互关系。称为展成接触线的Z-位置的位置是轴线B和C的交点的Z-位置（参见图1）。由于参照节圆圆柱定义齿侧线，该交点位于到节圆圆柱的展成路径L处。对于轴线Y与Z之间的相互关系，适当的对角比D可表示为：

D=ΔY/ΔZ=(Y_e–Y_a)/(Z_e–Z_a),其中

ΔY是工具沿其自身转动轴线方向的位移分量，

ΔZ是工具沿工件的转动轴线方向的位移分量，

Y_e是工具在Y轴上的结束位置，

Y_a是工具在Y轴上的开始位置，

Z_e是工具在Z轴上的结束位置，以及

Z_a是工具在Z轴上的结束位置。

图3示出右旋齿轮的右齿侧的具有角点8、9、13、12的测量域。点6位于在齿宽中部的到节圆圆柱的展成路径L处。为了使工具0的轴线y与工件2的轴线Z基本同步，工具的运行范围的坐标中心也设置在点6的位置，即点6处Y＝0且Z＝0。因此，使用对角比D，可得到工具0与工件2的位置之间唯一确定的相互关系。

为了表示点8的位置且为了计算工件的点8处的修正f₈，工具首先必须沿方向Z移动通过行进段6-10，即沿方向Z移动通过距离L_β/2+gfst×tan(β_b)。延伸通过点8的展成接触线经过点10，且相对于法向截面以角β_b倾斜。相对于展成接触线以角α倾斜的直线Y’也经过点10。线Y’平行于工具轴线延伸穿过工具的分度圆柱的表面线。但是，线Y’不位于图面内；而是工具的轴向截面轮廓绕延伸穿过点8和10的展成接触线翻转到图面内。所示位置内的轴向截面轮廓包含线8-8’。点8’处齿廓的修正表示工件的点8处修正f₈的良好逼近。

如果刀具轴线从6移动到10，则对于D>0,蜗杆刀具的零点在图3中向左移动。工具的点10现处于位置Y=-D×(L_β/2+gfst×tan(β_b))。这将Y＝0置于点17处。工件2的点8的修正f₈出现在位置8’处工具修正的抛物线上。

通过遵从在此解释的方法，可同样确定点9、12和13处的修正，即f₉、f₁₂和f₁₃。因此，工件的在位置9处的修正对应于工具在位置9’处的修正，Y＝0位于点18处。因而，对于点12和13处修正的计算来说，Y＝0的位置分别位于点19和20处。

通过用鼓形刀具对角切削产生的工件齿侧扭曲与用圆柱形工具通过轴向切削产生的工件齿侧扭曲不同。在使用圆柱形工具的轴向切削方法下，点8和10、9和11、12和14、13和15分别位于测量域上方或下方的相同高度处，在使用（凹形）鼓形工具的对角切削方法下不是这种情况。这里，已经计算出确定齿侧扭曲S=(f₉–f₈)-(f₁₃–f₁₂)的相应量f₈、f₉、f₁₂、f₁₃。通过用根据图3的几何量代替f₈、f₉、f₁₂、f₁₃，得到齿侧扭曲：

S_y=k₁×c_βy+k₂×c_βy。

从使用圆柱形工具形成的自然齿侧扭曲的计算获知常数k₁。常数k₂是在上述计算中出现的所有常量的结合的结果，去除了齿侧扭曲的在k₁×c_βy中已经考虑到的那些分量。

S_y由可命名为S_nat2和S_k的两个分量组成。两个分量定义为

S_nat2=k₁×c_βy以及

S_k=k₂/D×c_βy。

S_nat2的符号由c_βy的符号确定（对于凸形鼓形工件c_βy>0，且对于凹形鼓形工件c_βy<0）。给出c_βy，可从D的符号确定S_k的符号。因此，可将齿侧扭曲的分量分离出来，自然齿侧扭曲可根据特定要求通过该分量增加或减小。

现在，如果在对角切削工艺中使用凹形鼓形工具，且在轴向托架移动期间轴线之间的距离以与用圆柱工具产生鼓形c_βx的相同方式变化，可以得到：

c_β=c_βx+c_βy

S_nat=S_nat1+S_nat2

S_k=k₂/D×c_βy

S=S_nat+S_k

为了产生鼓形c_βs的目标值和齿侧扭曲S_s的目标值，提出以下布置：

S_nat=k₁×c_βs

S_ks=S_s-S_nat

c_βy=S_ks×D/k₂

c_βx=c_βs-c_βy

S_res=k₁×c_βs+k₂×c_βy.

S_res表示合成的齿侧扭曲。

有时候，为圆柱齿轮指定不能通过二次抛物线描述的齿侧修正，其中例如在齿轮的一个或两个轴向面对的表面附近的修正比二次抛物线的情况更猛然地下降到负数。可根据在此描述的方法加工这类齿轮，方法如下：使用常规装置，将所要求的修正分成分量1和分量2，分量1通过具有二次曲线的修正最佳地逼近所要求的修正，分量2组成所要求的修正的其余部分。根据权利要求6至13中的一项来加工工件，加工方式与如果仅由分量1构成指定修正的情况相同，但在机床的轴向运动上叠加产生分量2所需的这些附加运动。这可通过例如轴向托架运动期间轴线距离和/或工件台的附加转动的变化来实现。

到此所述的涉及右旋齿轮的右齿侧。以下适用于右旋齿轮的左齿侧：

如果在根据权利要求6的双齿侧工艺中进行加工，则在右齿侧上产生相同的鼓形。自然齿侧扭曲将在右齿侧上具有相同的数量，但符号相反。在根据权利要求6的双齿侧工艺中加工左旋齿轮时，对右旋齿轮产生相同的鼓形；自然齿侧扭曲具有与右旋齿轮相同的数量，但符号相反。因此，以下规则应用：在根据权利要求6的双齿侧工艺下加工时，如果对机床以相同方式编程，则形成相同的鼓形。如果c_βy>0且同时D>0，则右旋齿轮的右齿侧上和左旋齿轮的左齿侧上的自然齿侧扭曲是正的；而在相应相对齿侧上是负的。

用凸形鼓形工具也可实现上述效果。但是，与使用凹形鼓形工具的结果相反，得到c_βy<0和相反符号的自然齿侧扭曲。因此，D的符号与适用于使用凹形鼓形工具的情况相比必定相反，从而与自然齿侧扭曲相比降低合成的齿侧扭曲的数量。

产生工具的所要求的鼓形的尤其简单的方法适用于可进行修整的工具（图4）。该工艺用钻石涂层的“双锥盘”进行。该仿型工艺与圆柱形蜗杆刀具的仿型之间的区别仅在于在蜗杆刀具沿其自身轴线方向移动期间，仿型盘与蜗杆刀具之间的距离Z_αbr在变化。对于蜗杆刀具中部设置仿型盘到蜗杆轴线的限定距离，且该限定距离与到蜗杆刀具中心的距离的平方成比例地增加（对于刀具的正鼓形）或减小（对于刀具的负鼓形）。在传递蜗杆刀具修正时（如在工具的轴向平面中可以看到的），必须记住用于进行仿型的轴线距离的变化必须乘以sin(α_n)以得到轴向截面平面内的鼓形且因此得到大致在法向截面平面内的鼓形。通过对角比传递从工具轴线到工件轴线的线性距离。图4并未示出工具的齿外形，但仅示出在工具的仿型中产生的修正（如轴向截面中看到的那样）的轮廓（大大地被放大了）。工具的凹形鼓形沿轴向截面平面的数量为c_β0r。如果工具在长度l₀上进行仿型，且如果要产生c_βy的鼓形，则c_β0r必须满足以下方程：

c_β0r=c_βy/sin(α_n)×(l₀/(D×L_β))²

工具不必在（几乎）整个长度l₀上修正。还能够仅在该长度的小部分上进行修正，例如在刀具的一端附近进行修正。因此，留下工具的更大部分呈可利用的圆柱形。这提供在工件上使用圆柱形部分进行常规粗糙加工和使用修正部分产生所要求的修正的可能性。

所提出的方法是用于解决所给出任务的大致方法。当用该方法作业时，在某些情况下仍会留下不合要求的偏差；这尤其适用使用短工具的情况。这些偏差可以是关于齿侧扭曲和/或鼓形的规格不满足足够精度的情况下的偏差类型。还可能会产生不合要求的齿廓角偏差和少量的高度鼓形偏差。建议在这些情况下，用校正的“目标数据”重新计算设定数据，且如果必要，另外在蜗杆刀具轮廓的修整中进行轮廓校正。

综上所述，本发明提供了一种采用蜗杆形工具通过对角展成工艺加工大致圆柱形但鼓形修正齿轮的齿侧的方法，该蜗杆形工具修正成沿其转动轴线方向具有鼓形，其中该鼓形可以是正的或负的（凹形鼓形），其中产生对应于由于产生鼓形造成的齿侧扭曲的齿侧扭曲，其中工件齿侧的鼓形是以规定对角比在对角模式运行时工具的鼓形产生的分量和在进行加工期间通过改变工具与工件之间距离产生的另一分量的叠加，且另一分量对应于自然齿侧扭曲，且其中为了实现所要求的齿侧扭曲，通过相对于对角比改适工具的鼓形而进行两个分量的受控制的叠加。

Claims (12)

1.一种采用蜗杆形工具通过对角展成工艺加工大致圆柱形但鼓形修正的齿轮工件的齿侧的方法，通过改变所述齿侧的螺旋节距所述蜗杆形工具修正成具有沿所述蜗杆形工具的转动轴线方向的鼓形，其中所述鼓形可以是正的或负的， 

其中所述工件的鼓形是通过在以对角模式加工时由于所述工具的所述鼓形造成的所述工件的鼓形分量和鼓形的另一分量彼此叠加而形成的，所述另一鼓形分量是在轴向车架运动期间通过改变所述工具与所述工件之间的轴向距离而产生的， 

其中这里所产生的扭曲是通过将自然分量和取决于沿工具的转动轴线方向上所述工具的鼓形的量和轮廓和对角比的另一分量叠加而形成的，其中自然分量与鼓形如何形成无关，为了产生所要求的鼓形和所述要求的扭曲，扭曲的自然分量由所要求的鼓形进行计算，与所述工具的鼓形和对角比匹配的所述扭曲的另一分量设定为可产生所要求的扭曲，并且通过改变轴向距离调整所述鼓形的另一分量以使得可产生所要求的扭曲， 

其特征在于，如果对于满足所要求的扭曲和鼓形仍存在偏差，则通过扭曲和/或鼓形的校正的目标数据重新计算设定数据。 

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述工具的所述鼓形由所述齿侧的螺旋节距从所述蜗杆工具的一端到另一端的连续变化构成的。 

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述螺旋节距的变化与到所述蜗杆工具的所述端的距离成比例。 

4.如权利要求2或3所述的方法，其特征在于，所述蜗杆工具一端处一齿侧的最大节距与所述蜗杆工具同一端处另一齿侧的最小节距一致，且反之亦然。 

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，使用在足够长度上仿型的现有工具来产生与设计所述工具和所述工艺时所预期的不同的鼓形和/或齿侧扭曲，其特征在于，通过调节所述对角比和通过调节所述加工期间所述轴线距离来产生所要求量的鼓形和齿侧扭曲。 

6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在单齿侧加工工艺的情况下，所述加工期间所述轴线距离的变化可由在所述加工期间改变所述工件的附加转动来代替，或由所述加工期间改变所述轴线距离和所述附加转动的组合来代替。 

7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在单齿侧加工工艺的情况下，使用这样的工具，在所述工具中所述鼓形不是通过切向车架运动期间修整辊子与所述工具之间的轴线距离变化而产生的，而是通过所述切向车架运动期间所述工具的附加转动和/或通过所述切向车架运动期间所述工具沿其转动轴线方向的附加线性运动产生的。 

8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，其中对左齿侧和右齿侧分别指定不同量的鼓形和/或齿侧扭曲，对所述工具的相应仿型和机器设定的确定进行不同的设置，且通过单齿侧加工展成所述工件。 

9.如权利要求1所述的方法，其特征在于，其中对左齿侧和右齿侧分别指定不同量的鼓形和/或齿侧扭曲， 

所述方法是双齿侧加工工艺，且分别对所述左齿侧和所述右齿侧进行不同的设置，但其中对两种设定选择相等的对角比，且在X上产生的工件的鼓形c_βx由轴向车架运动期间工具与工件之间的轴线距离的变化与同时进行的轴向车架运动期间工件的附加转动的变化的叠加构成，且在Y上产生的工件的鼓形c_βy是通过工具以所述对角模式产生的，其中所述工具鼓形由两分量的叠加构成，一个分量通过修整辊子与所述工具之间的轴线距离的变化产生，且第二分量通过所述工具的附加转动或通过所述工具的附加线性运动产生，所述工具鼓形分量的所述产生是在切向车架运动过程中的仿型过程中进行的。 

10.如权利要求1所述的方法，其特征在于，对于齿侧修正不能通过二次抛物线描述的工件的加工，通过常规方法将所要求的修正分成分量1和分量2，所述分量1通过具有二次抛物线曲线的修正最佳地逼近所述所要求的修正，且所述分量2组成所述所要求的修正中的其余部分，且所述分量1的加工如权利要求1所述那样进行，其中产生分量2所需的轴线运动叠加在产生分量1所需的轴线运动上。 

11.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在每种情况下使用的所述 工具是能够或不能进行修整的研磨工具。 

12.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在每种情况下使用的所述工具是滚刀，其中所述工具的所述运动和仿型所要求的特性涉及所述工具的包络表面，且另外进行所述工具的自由表面的加工所需要的运动。