CN102398087A - 以连续铣削工艺铣削锥齿轮的齿系统的方法 - Google Patents

Abstract

一种用连续法铣削锥齿轮齿系统的方法，其中使用刀盘(20)，所述刀盘包括多对由内部切削刃和外部切削刃组成的对，其中，所述内部切削刃被设置在比所述外部切削刃小的飞圆半径上，以及其中，由切齿机以铣削方式进行金属切削加工的运动，使得工作锥齿轮和所述刀盘(20)以链接方式运作。执行以下步骤：使用所述切齿机以铣削方式进行连续金属切削加工，其中，通过数个内部切削刃来加工所述工作锥齿轮上的数个内部凸齿面，以及其中，使用第一机器设置以铣削方式进行第一连续金属切削加工；使用所述切齿机以铣削方式进行连续金属切削加工，其中，通过数个外部切削刃来加工所述工作锥齿轮上的数个外部凹齿面，以及其中，使用第二机器设置以铣削方式进行第二连续金属切削加工。

Description

以连续铣削工艺铣削锥齿轮的齿系统的方法

技术领域

本发明的主题是以连续铣削工艺铣削锥齿轮的齿系统的方法。具体地说，涉及螺旋形锥齿轮齿系统的铣削方法。

背景技术

加工齿轮的方法有很多。在螺旋锥齿轮的切削加工制造中，单分度法和连续法(在一定程度上也称为连续分度法)之间存在区别。

在例如连续法(也称为端面滚铣法)中，使用刀盘刀具来切削工件的凹和凸的齿面，该刀盘刀具包括以群组形式设置的内部和外部刀具。也就是说，在不停工的工艺中，工件在一个夹具中切削好。所述连续法是基于很复杂耦合的运动序列，其中，刀具和被加工工件进行连续分度运动。此分度运动是由相应机器的多个轴驱动器的协调驱动产生的。在连续分度方法中，刀盘的转动与被加工工件的转动相耦合，使得每次只有一组刀具移动通过齿间隙，而另一组刀具移动通过下一个间隙。因而进行连续的分度，且所有的间隙几乎同时产生。通过这些耦合运动，结果得到延长的外摆线，其在被制造的锥齿轮的冠齿轮上作为纵齿面线。在此连续法中，刀具组的刀具一前一后以相位角度布置，其中，外部和内部的刀具的切削刃的投影在一个共面内相交。

在分度法中(也称为单分度法或端面铣削法)，加工一个齿间隙，接着进行相对位移运动以使刀具退出齿间隙，以及所谓的分度运动(分度转动)，其中，在加工下一个齿间隙之前，工件相对于刀具转动。因此逐步地制作齿轮。在单分度法中，包括内部和外部刀具的第一刀盘可用于在工件上切削内齿面(凸齿面)并准备加工外齿面。外部刀具不制作外齿面的最终几何形状。接着，可以用带外部刀具的第二刀盘来更换第一刀盘，以准备在工件上切削外齿面(凹齿面)。这个过程也被称为单面切削。刀具的切削刃成圈状布置(例如，用于端面刀盘)，且因而在工件上生成的齿面线具有圆弧形状。

在所述单分度法中，会发生更换刀盘的情况，从而一方面导致总的持续加工时间延长，另一方面会涉及不准确度，因为每次更换夹具或新的夹具会导致小程度地偏离理想位置。此分度法还具有涉及所谓的分度误差的缺点。单面单分度法的优点是包含两个单独的刀盘，几乎可以彼此独立地对这两个单独刀盘的齿面进行优化。

所谓的完善法(completing process)是一种特殊的单分度法，其优选用于大规模的生产。在所述完善法中，以双齿面切削(two-flank-cut)方式加工和完成冠齿轮和小齿轮(pinion gear)。对于其它单分度法，所述完善法的特点是高效生产(双面切削能力)；但是，要改变齿面形状变得更困难，因为在机器运动方面的变化始终对两个齿面有一定影响，如同包括双齿面切削的所有方法一样。因此，所述完善法的缺点在于，藉由机器的运动学来改变一个齿面总是会涉及对其它齿面的变化。因此，只有当它们是“与双齿面切削兼容”的，这些改变才是有可能的。

因此，在按照分度法工作的机器和连续工作的机器之间本质上也有区别。

例如在文献“Oerlikon

Berechnungen，Herstellung UNDOptimierung”(“欧瑞康螺旋锥齿轮，计算，制造和优化”)，Schriftensammlung(汇编文件)1988/89，Werkzeugmaschinenfabrik Oerlikon-Bührle AG，OerlikonVerzahnungsmaschinen(欧瑞康齿轮加工机床)第73至77页中所描述的所谓多刀切削或欧瑞康(Oerlikon)多刀切削法，被认为是最接近的现有技术。

发明内容

本发明目的是提供一种齿轮齿面的铣削方法，此方法保证了齿面的良好的齿支撑式样或良好的表面性能，其特点是高效生产。减少每个齿轮的加工时间是本发明的主要目的。

按照本发明，此目的通过一种基本上可与半完善法相比的方法来解决，所述半完善法是用于对已用cyclo-palloid法(德文：Zyklo-Palloid-Verfahren，摆线齿加工法)预先铣削的齿轮系统在单分度法中进行研磨。

本发明方法的特征在于，用分别的机器设置但使用同一刀具连续地铣削锥齿轮的两个齿面(即，内部凸齿面和外部凹齿面)。然而就此而言，加工凹和凸齿面所需的刀具半径必须设置在共同的刀盘上。用于铣削加工斜面工作齿轮的内部凸齿面的数个内部切削刃都布置在第一飞圆半径(fly circleradius)上。用于铣削加工斜面工作齿轮的外部凹齿面的数个外部切削刃都布置在第二飞圆半径上。第一飞圆半径小于第二飞圆半径。通过规定不同的飞圆半径，内部切削刃和外部切削刃都可以容纳在一个相同的刀盘上，甚至优选在一个相同的杆状刀具上。由于飞圆半径与跟随角(follow angle)相关，因此机器设置必须是相适应的。

例如，改变内部和外部刀具之间的角度(这个角度称为跟随角)在连续法中会导致齿厚度发生变化，但在单分度法中则没有影响。因此，在根据本发明的方法中，必须对机器设置作出改进，以补偿或纠正螺旋角(螺旋角误差)的变化、齿厚度(齿厚误差)的变化及其它方面的变化。

与提到的多刀切削法相比，按照本发明的锥齿小齿轮和冠齿轮是单面制造的，而这些都是利用包括数个双面刀具或包括数个内部和外部刀具的刀盘分别加工的。

按照本发明，刀盘在付诸应用时，它被设计和配置数个刀具，使得外部刀具的飞圆半径大于内部刀具的飞圆半径。也就是说，设想不同的飞圆半径。

按照本发明，用分开的机器设置来铣削锥齿轮的凸和凹齿面。

因此，按照本发明，涉及一种连续的半完善铣削法，也就是一种将半完善方法的各方面应用于连续铣削法中的方法。

然而，按照本发明，如上所述，必须对机器设置作出改进，因为半完善单分度法不能以1∶1的方式转用。需要这些改进以在被制作的齿的齿中心内适当地定位齿支撑式样。

本发明的一个优势在于，它既不需要刀具的更换(改变夹具)，也不必使用包括两个不同刀具的双头机。

本发明的方法在干或湿两种工艺中都可以进行。

附图说明

本发明的进一步详情和优点将在下文使用实施方案并参照附图进行描述。

图1A示出将内部刀具和外部刀具组合成一个含有数个切削刃(中心之间具有正距离)的杆状刀具的示意图；

图1B示出几何导法的进一步详情；

图2A示出在第一个实施方案中的杆状刀具的透视图；

图2B示出图2A的杆状刀具的平面图；

图2C示出按照本发明的具有中心之间正距离的杆状刀具的前刀面的非常简化的示意图；

图2D示出不按照本发明的且具有中心之间负距离的一个示例杆状刀具的前刀面的非常简化的示意图；

图3A示出第一个实施方案的刀盘的透视图；

图3B示出图3A的刀盘的平面图。

具体实施方式

在有关本文的描述中，所使用的术语也应用于相关的出版物和专利中。然而应该注意到，使用这些术语仅仅是为了更好的理解。本发明的构思和专利权利要求的保护范围并不因这些特定选择的术语而受到限制。可以不费周折地将本发明转用到其它术语系统和/或技术领域。在其它技术领域中，必须类似地使用这些术语。

在以前公知的连续法中，两个齿面都是在相同的刀具半径(生成凸面的校正等除外)下进行加工的。相应的内部和外部刀具的主切削刃在节平面中相交。内部刀具以一定的角距离n/z₀跟随外部刀具。在此，z₀为齿轮数量。

当内部刀具2与外部刀具3接合而产生一个具有尖端宽度s_a0的单杆状刀具10时，正如本发明的情况，切削刃必须被彼此拉开相距2·Δr。或者是两个切削刃中的任一个被移开上述的全体数值，或者是两个切削刃a和i(参见图1A)各自被移开一半(即，Δr)。在此，Δr对应于刀具在倾斜方向(图1B中的27)中的位移量。内部刀具2和外部刀具3的轮廓在图1A中用细线条表示。而新的杆状刀具10的轮廓则用粗线条表示。

在这种情况下，用于制作凸齿面的刀具齿面被设定成半径较小，而用于生成凹齿面的刀具齿面则被设定成半径较大，也就是这样来生成刀具的正尖端宽度s_a0≈0.32·m_n(其中，m_n为平均法向模数)。半径的相应改变不可以径向进行，而是必须在倾斜方向27(图1B)上进行。在图1A和1B中，不同的几何量都标有“x”(为凸)或“v”(为凹)。

在图1A中，由图所示可以获知，两个单件的外部切削刃a和内部切削刃i是如何组合而得到中心之间的正距离s_a0。下面的等式更详细地描述了示于图1A中的情形的几何关系：

$\mathrm{\Δr}=\frac{s_{a_0}+t\·({\tan \mathrm{\α}}_{F_x}+{\tan \mathrm{\α}}_{F_v})}{2}$

$r_{{\mathrm{Fl}}_{x,v}}=\sqrt{r_w^2-{\left(\frac{m_n{z}_0}{2}\right)}^2}\underset{x}{\overset{v}{\±}}\mathrm{\Δr}$

$r_{x,v}=\sqrt{r_{{\mathrm{Fl}}_{x,v}}^2+{\left(\frac{m_n{z}_0}{2}\right)}^2}$

这里，α_Fx为生成凸齿面的刀面角，α_Fv为生成凹齿面的刀面角。符号t表示杆状刀具10的尖端高度，以及用于测量从外形(profile)的参考平面至刀具尖端的距离。该外形的参考线在图1A中用点虚线4表示。符号h为刀具外形高度，出于实际的考虑，此高度略大于被制作的齿的外形。在外形的参考线4中，两个刀具的外形在计算点P1处相交。外形的参考线4用作设计锥齿轮的齿系统的设计参数。在计算点P1，两个刀具2和3都具有相同的飞圆半径。上述等式中的符号r_FLx，v是指在倾斜方向中的外部和内部刀具的刀具半径，r_w是指刀盘标称半径，m_n是指平均法向模数。符号r_x表示用于凸齿面的切削刃的飞圆半径，而r_v表示用于凹齿面的切削刃的飞圆半径。

随着半径的改变，还必须采用径向

和平均生成位置(也称为生成摆角)α_m(参见图1B)，从而在两个齿面上生成所需要的相同的平均螺旋角β_n。从图1B可知，径向

与径向

不相同。生成摆角α_mx和α_mv也各不相同。在从第一机器设置到第二机器设置的转换中，这些参数会发生变化。

在图1B中，示出了几何导法的进一步详情。图1B中的符号M表示刀盘20的中心。符号K表示旋转轴。一部分当量冠齿轮(virtual crown gear)示于图1B中。下面的等式更详细地描述了示于图1B中的情形的几何关系：

${\sin \mathrm{\ν}}_{x,v}=\frac{m_n\·z_0}{2\·r_{x,v}}$

这里，v_x和v_v为导法的几何辅助量，β_m为计算点P1处的平均螺旋角，R_m为节锥的平均长度。

在从加工凸齿面转换为加工凹齿面时，也就是当从第一机器设置转换为第二机器设置时，冠齿轮必须转动半个分度，且工件(工作锥齿轮(bevelwork gear))必须按照冠齿轮的齿数z_p与工件齿轮的相应齿数z的比率来转动。由下面的等式得出此转动a_β：

$a_{\mathrm{\β}}=\frac{m_n\·\mathrm{\π}}{2\·R_m}\·\frac{z_p}{z}$

按照本发明，优选使用图2A，2B的杆状刀具10。此杆状刀具10包括轴杆11。轴杆11的形状被选择为使得杆状刀具10可以安全和准确地固定在刀盘20的相应刀具槽或腔21内。轴杆11的横截面可以是例如矩形或多边形。

在杆状刀具10的头部区域内，设置了第一退切面(relief face)14(A面或工具齿面A)，第二退切面13(B面或工具齿面B)，(共同的)前刀面12，头部刀面15，第一切削刃18，第二切削刃17以及头部切削刃16。

前刀面12与第一退切面14于一个虚拟交线(virtual intersection line)处相交，所述虚拟交线大致相当于第一切削刃18的路线或者就是第一切削刃18的路线，前刀面12与第二退切面13于另一个虚拟交线处相交，该虚拟交线大致相当于第二切削刃17的路线或者就是第二切削刃17的路线。

在所有实施方案中，形成适当刀具外形的杆状刀具10的不同刀面优选通过磨削杆状主体来生成。

在所有实施方案中，杆状刀具10的刀具外形优选具有特定刀盘的几何形状(刀面，切削刃及角度的配置)，其中，内部刀具和外部刀具被组合成一个单杆状刀具10。杆状刀具10的几何形状优选地选择成使得在规定第一机器设置时，第一切削刃18用作切齿机上的主切削刃，例如用于在工作锥齿轮上以连续法切削内部凸齿面。在规定第二机器设置时，不同于第一机器设置，第二切削刃17用作主切削刃，例如用于在同一工作锥齿轮上以连续法切削外部凹齿面，不需为此目的以不同方式夹持刀盘20，也不需夹持另外的刀盘。

在所有实施方案中，优选将第一切削刃18和第二切削刃17布置在杆状刀具10上，使得这两个切削刃17，18限定中心之间的正距离(即，在图2B中，L1＞0)。在图2A中，显示了这种杆状刀具10的一个例子，其中，中心之间的距离为正值，即，长度L1＞0的头部切削刃16导致一个顶端区域(参见图2C)。如果两个切削刃17，18这样设置而没有在中心之间造成正距离的话，则前刀面12具有例如一个真正的尖端，此尖端由两个切削刃17，18的交点P限定(参见图2D)。需注意的是，图2D是一个特例。在传统的连续法中，甚至会导致出现中心之间的距离为负值，即在这种情况下，尖端P位于较深处。

在本发明的多个实施方案中，用分开的内部和外部刀具工作(即内部和外部刀具被设置成相互与以跟随角相关)，内部和外部刀具以空间关系设置，使得获得中心之间的正距离以将内部和外部刀具的投影于一个共同的平面中。

在图2B中，以示意性的平面图示出杆状刀具10的一个实施方案的进一步详情。在此平面图中，可以辨认杆状刀具10的前区的几何形状的详情，其中应注意到，数个刀刃分别具有稍呈圆形的半径，但这没有显示在此示意图中。

在图2C中，以示意图显示了由两个切削刃17，18限定并具有中心之间正距离的一个共同前刀面12。前刀面12最好呈梯形，两个切削刃17，18的长度或斜度通常不相同。这两个切削刃17，18限定了位于前刀面12的平面上方(在平面以外)的交点P。在其顶部区，前刀面12由切削长度为L1的头部切削刃16限制。在实践中，此头部切削刃16并不代表是一条直线。通常情况下，齿面切削刃17，18会转换为具有半径的头部切削刃16，它没有显示在图2A至2C的示意图中。由于头部切削刃16的曲率，使得s_a0的长度大于长度L1。

在图2D中，图中示意性示出，由两个切削刃17，18限定的前刀面12并不限定中心之间的正距离。原理上，这涉及包括三角形前刀面12的一个特殊情况，其中，交点P与上述三角形的三个角的其中一个重合。

通过选择具有中心之间正距离的杆状刀具的几何形状，可以将外部切削刃17和内部切削刃18容纳在一个共同的杆状刀具10上，使得可以利用第一机器设置来切削内部凸齿面，利用第二机器设置来独立地切削在斜面工作齿轮上的外部凹齿面，其中所述切削刃17、18中的任一个不会在切削相应的另一个齿面时而可能导致误差。

在刀盘20上设置多个(这里：N＝26)这种杆状刀具10，其显示在图3A和3B的不同视图中。在这里，刀盘20包括26个槽或腔21，它们大致沿刀盘20的倾斜方向(direction of slope)从刀盘的设计面(plan face)25倾斜至刀盘端面24。刀具的槽或腔21相对于圆周方向转动γ(图3B)，从而在杆状刀具10的A面和B面上可以产生均匀的刀面角(rake tangles)。在图3A中，绘制了参考线HL来说明斜率δ。尺寸线29平行于刀盘的轴线28。

在图3B中示出，按照图2B的内置杆状刀具10处于位置I。图中示出其它的刀具槽或腔21此时还空着。由这个杆状刀具10可以看出，当刀盘20围绕中心的转轴(刀盘的轴线28)沿顺时针方向将开始转动时，切削刃17，18将如何在空间上移动。在沿顺时针方向转动时，使用第一机器设置为例，切削刃18将在锥管机齿轮(cone machine gear)上一个接一个地切削内部齿面。接着，在已经规定和设定了第二机器设置之后，切削刃17将在锥管机齿轮上一个接一个地切削外部齿面。刀具槽的斜度γ示于图3B中。

取决于机器设置的选择以及杆状刀具10的特定几何形状，有可能在第一机器设置中，切削刃18切削内部齿面，而切削刃17切削对面的(临时)齿面。例如，在刀盘20的杆状刀具10浸入不含预先加工的齿间隙的坯件时会发生这种情况。在这种情况下，杆状刀具10几乎利用其整个外形工作。然而，对面的临时齿面(它与内部齿面几乎是同时被切削的)并不对应于同一齿间隙的最终外部齿面。在已经规定了第二机器设置之后，接着仅由切削刃17来切削和完成外部齿面。

铣削锥齿轮齿系统的方法现在可以定义如下：其涉及一种连续法，其中使用刀盘20(例如根据图3A，3B)，其刀盘20包括多对由内部切削刃18和外部切削刃17组成的对。可以在杆状刀具10(例如，图2A，2B)上分别设置一个内部切削刃18和一个外部切削刃17作为一对。数个内部切削刃被设置在比数个外部切削刃17小的飞圆半径上。由切齿机以铣削方式进行切削生产加工的运动，使得工作锥齿轮和刀盘20以链接方式运作(run linkedly)。

按照本发明，由切齿机以铣削方式进行连续切削生产加工，其中，使用数个内部切削刃18来加工斜面工作齿轮上的数个内部凸齿面，以及其中，使用第一机器设置以铣削方式进行第一连续切削生产加工。接着，由切齿机以铣削方式进行连续切削生产加工，其中，使用数个外部切削刃17来加工斜面工作齿轮上的数个外部凹齿面，以及其中，使用第二机器设置以铣削方式进行第二连续切削生产加工。这些方法步骤的次序也可以反过来。在这种情况下，先加工外部凹齿面，紧接着加工内部凸齿面。

在此应该再次注意到，还可以设想以下的实施方案，其中，以跟随角彼此跟随的数个内部切削刃和数个外部切削刃可容纳在数个分开的杆状刀具上。

由切齿机以铣削方式进行第一连续切削生产加工，其中，使用数个内部切削刃18来加工斜面工作齿轮上的数个内部凸齿面，以及其中，使用第一机器设置以铣削方式进行此第一连续切削生产加工。接着，由切齿机以铣削方式进行连续切削生产加工，其中，使用数个外部切削刃17来加工斜面工作齿轮上的数个外部凹齿面，以及其中，使用第二机器设置以铣削方式进行此第二连续切削生产加工。

对于每一个刀具槽或腔21，在刀盘20的周向表面中最好设计用于紧固杆状刀具10的螺丝的两个螺纹孔22(参见图3A)。另外，可以有一个用于中心紧固螺丝的中心孔23以及用于另外四个紧固螺丝的另外四个孔26。刀盘20的转动凹槽由中心孔23的中心限定。相应的刀盘轴线28示于图3A中。

在所有实施方案中，优选使用单块刀盘(一体式刀盘)作为刀盘20。

在所有实施方案中，优选使用刀盘20，其中，所有刀具槽或腔21在形式、位置及斜度方面都是相同的。两个不同的飞圆半径是由杆状刀具10的前区的几何形状产生的。由于各自的机器设置，相应的主切削刃(例如，用于加工内部齿面的切削刃18和用于加工外部齿面的切削刃17)通过工作锥齿轮的原料来定位和引导。

在所有实施方案中，优选使用侵蚀方法来制作刀具槽或腔21，从而使它们准确地配合。

在所有实施方案中，对于刀盘20的每一组刀具，优选使用一个杆状刀具10。在图3A，3B中示出了刀盘20。然而，每组刀具也可使用两个杆状刀具。

在所有实施方案中，优选使用杆状刀具10，其刀面角为零或接近于零。

Claims (11)

1.用连续法铣削锥齿轮的齿系统的方法，其中使用刀盘(20)，所述刀盘包括多对由内部切削刃(18)和外部切削刃(17)组成的对，其中，所述内部切削刃(18)被设置在比所述外部切削刃(17)小的飞圆半径上，以及其中，由切齿机以铣削方式进行金属切削加工的运动，使得工作锥齿轮和所述刀盘(20)以链接方式运作，所述方法的特征在于以下步骤：

-使用所述切齿机以铣削方式进行连续金属切削加工，其中，通过数个内部切削刃(18)来加工所述工作锥齿轮上的数个内部凸齿面，以及其中，使用第一机器设置以铣削方式进行第一连续金属切削加工，

-使用所述切齿机以铣削方式进行连续金属切削加工，其中，通过数个所述外部切削刃(17)来加工所述工作锥齿轮上的数个外部凹齿面，以及其中，使用第二机器设置以铣削方式进行第二连续金属切削加工。

2.如权利要求1的方法，其特征在于，所述刀盘(20)配置有多个杆状刀具(10)，其中，每一个杆状刀具(10)的头部几何形状都包括设置在两个齿面之间的第一退切面(14)，第二退切面(13)以及前刀面(12)，其中，内部切削刃(18)设置在由所述第一退切面(14)和所述前刀面(12)相交形成的虚拟交线的区域中，以及其中，外部切削刃(17)设置在由所述第二退切面(13)和所述前刀面(12)相交形成的虚拟交线的区域中。

3.如权利要求1或2的方法，其特征在于，所述刀盘(20)配置有多个杆状刀具(10)，其中，在每一个杆状刀具(10)上形成成对的内部切削刃(18)和外部切削刃(17)，以及其中，成对的内部切削刃(18)和外部切削刃(17)的投影在所述杆状刀具(10)的前刀面(12)的平面内相交，而不是在所述杆状刀具(10)的所述前刀面(12)内相交。

4.如权利要求1或2或3的方法，其特征在于，每一对内部切削刃(18)和外部切削刃(17)在中心之间形成正距离。

5.如前述权利要求中任一项的方法，其特征在于，在不停工的工艺中，所述锥齿轮齿系统在所述工作锥齿轮的一个夹具内准备以连续铣削法进行切削，其中，在短暂的中断期间，所述第一机器设置变更为所述第二机器设置。

6.如权利要求1至5中任一项的方法，其特征在于，在所述第一机器设置变更为所述第二机器设置期间，

-所述当量冠齿轮转动半个齿面分度，以及

-所述工作锥齿轮按照相应的齿数比率转动。

7.如权利要求1至5中任一项的方法，其特征在于，在所述第一机器设置变更为所述第二机器设置期间，进行由第一生成摆角(α_mx)至第二生成摆角(α_mv)的变更，以及由第一径向

至第二径向

的变更。

8.如权利要求1至7中任一项的方法，其特征在于，进行所述机器设置的改进，以便在所述齿面上制作齿支撑式样，所述齿支撑式样大致位于齿的中心。

9.如权利要求1至8中任一项的方法，其特征在于，所述铣削法涉及一种连续端面铣削法，其中所述冠齿轮和所述锥齿轮都被转动。

10.如权利要求1至9中任一项的方法，其特征在于，所述铣削法涉及一种半完善铣削法。

11.如权利要求1至10中任一项的方法，其特征在于，所述锥齿轮齿系统涉及一种螺旋齿锥齿轮的齿系统。

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