CN105531058A - 机加工内锥齿轮的方法 - Google Patents

Abstract

一种加工具有大于90度的节锥角的、具有齿的锥齿轮(22)的方法包括提供可绕刀具轴线旋转的至少一个刀具(42、44)，其中，刀具包括具有周缘(49)的盘状刀体(43)和绕周界布置的至少一个材料去除表面(45,47)。刀具相对于齿轮旋转和进给以实现至少一个齿面的加工，其中，加工以非展成的方式进行。

Description

机加工内锥齿轮的方法

本申请要求2013年9月12日提交的美国临时专利申请第61/876,859号的权益，在此以参见的方式引入该专利申请的全文内容。

发明领域

本发明涉及锥齿轮，并且尤其是涉及内锥齿轮。

发明背景

高减速变速器可以用以不等于180°的轴间角彼此面对的锥环齿轮实现(例如，授予Lemanski的US7,147,583)。被称为周环式变速器的这种变速器包括包含高减速比、高齿重合度以及章动/旋转齿轮机构的系统，该章动/旋转齿轮机构包含啮合共轭锥环齿轮或端面齿轮副。例如，图1所示的周环式变速器2具有输入轴4，输入轴4连接到以章动角倾斜的轴承6。轴承的外环连接到在两端面上具有齿的周环运动转换器8。周环运动转换器8上的齿数与刚性连接到壳体12的反作用控制构件10的齿数相差1至4之间。输入轴4的每次旋转将引起周环运动转换器8的章动运动，周环运动转换器8在左侧与反作用控制构件10啮合，而在右侧与输出齿轮14啮合。输出齿轮14具有与反作用控制构件10相同的齿数。

如果周环运动转换器8上的齿数比反作用控制构件10(和输出齿轮14)的齿数多例如2个，则输入轴4的每次旋转将使输出轴16(其刚性连接到输出齿轮)旋转2个齿距(即，2个齿)。如果输出齿轮上的齿数例如是54，则传动比是i＝360°/[(360°/54)*2]＝27(或27x1)。这表明，章动周环运动转换器的原理可以在具有数量少的转动件的非常紧凑布置中实现非常高的减速。周环运动转换器8的齿与反作用控制构件10以及输出齿轮14的齿之间的重合度非常高。可能的是，5个或5个以上的齿参与运动传动，这使相当小的齿轮能够用于高转矩传动。周环运动转换器8的低旋转运动将使齿啮合过程中因摩擦引起的能量损耗降到最小并因此导致高传动效率。

能够引入在刚性连接到反作用控制构件10的壳体部件12与输入轴4之间的额外旋转。这种运动可以通过具有由电子电路控制的变速控制装置的电动机18致动。这种添加有效地将高减速传动转换成无级变速传动。

如上所述的变速器还没有实现为实际工业应用中的生产单元。仅原型已经使用具有球头端铣刀的加工中心加工出来，这需要非常长的加工时间并适合验证该传动原理的想法的需求。还作出了解释齿轮、尤其是周环运动转换器8的工业化、成本有效加工的障碍的下列观察报告。

反作用控制构件10和周环运动转换器8的节锥顶点在两个齿轮构件的轴线交点处重合，这由物理定律给出。这种类型的布置用图2(a)和2(b)的齿轮20、22表示。如果两个面对的环形齿轮组合的齿数不同(如在周环变速器2中)，则这也是正确的。如果两个面对的锥环齿轮具有在178°与175°之间的轴间角，则节锥可以如图2(b)所示画出，这意味着反作用控制构件10(和输出齿轮14)是外环形齿轮，而周环运动转换器8在两端面上具有内锥齿轮。为了讨论的目的，外锥齿轮被认为是那些具有小于90度的节锥角、由此具有远离齿轮轴线指向外的各齿的齿轮。内锥齿轮被认为是那些具有具有大于90度的节锥角、由此具有向齿轮轴线指向内指的各齿的齿轮。

因为刀具必须从齿轮的背面(图2c和2d)接近齿并将展成齿而不是槽，因此不能按常规加工内螺旋锥齿轮。结果将是内齿轮的完全损坏。即使能够(根据锥齿轮展成原理)从正面(图2c)切削内齿轮，但圆形刀具轨迹将导致二次切口并引起切断，这将损坏在切削区的相反侧处的齿(例如，图6，干涉区域)。

也公开了外端面齿轮构件和内端面齿轮构件可从同一插齿刀得到的如图3所示的端面齿轮解决方案。图3示出了直齿插齿刀，该直齿插齿刀处于其展成在左边齿轮上的外端面齿轮齿并在同一位置展成在右边齿轮上的内端面齿轮齿的位置。可以观察到，插齿刀从正面(外面)接近外齿轮，其中，插齿刀的同一部分应该在同一位置形成内齿轮的齿。这导致插齿刀损坏并切除内端面齿轮的外缘以从背面到达齿侧。展成与外端面齿轮正确匹配的齿侧所要求的这个关系不能在实际加工中实现。

上述讨论识别了阻止内锥齿轮的常规加工的某些原因。现有原型已经或者用三维打印或者用在多轴组合加工中心机床上的球头端铣刀加工出来。组合加工中心机床例如通常使用面坐标，该面坐标可以使用切削模拟来计算，该切削模拟不管在实际实践中各部件在从背面切削槽时会被切断或损坏都可工作。

发明内容

本发明涉及具有小于180°且优选地大于135°的轴间角的锥齿轮组，该锥齿轮组由外锥齿轮和内锥齿轮组成。内锥齿轮是非展成的并根据展成匹配的外齿轮的互补加工设定来制造。为了加工匹配的外齿轮，内直齿锥齿轮的镜像用作展成齿轮。

附图说明

图1示出了高减速周环变速器的三维局部分解图。

图2(a)示出了左边的外直齿锥齿轮和右边的内直齿锥齿轮。

图2(b)示出了处于具有重合的节锥的啮合位置的来自图2(a)的齿轮。

图2(c)示出了具有从正面出现的刀具和从背面出现的另一刀具的、具有展成齿廓的内环形齿轮的二维剖面图。

图2(d)示出了具有从正面出现的刀具和从背面出现的另一刀具的、具有非展成齿廓的内环形齿轮的二维剖面图。

图3示出了处于其展成在左边齿轮上的外端面齿轮齿并在同一位置展成在右边齿轮上的内端面齿轮齿的位置的直齿成型刀具。

图4示出了虚拟平面展成齿轮和形成展成齿轮的一个齿的两个互锁刀具的三维视图。

图5示出了在具有在上面展成的直齿小锥齿轮和在下面展成的直齿锥齿轮的水平布置中的、来自图4的平面展成齿轮的三维视图。

图6示出了具有干涉区域的内锥齿轮和圆形端面刀尖轨迹的图示的三维视图。

图7示出了内锥齿轮和互锁周缘刀具的两个圆形刀尖轨迹的图示的三维视图。

图8示出了具有虚拟锥形展成齿轮和内直齿锥工作齿轮的锥齿轮基本机床(数学模型)的二维俯视图。

图9示出了具有虚拟锥形内展成齿轮和外直齿锥工作齿轮的锥齿轮基本机床的二维俯视图。

具体实施方式

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。

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。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。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。

如上所述，图1示出了具有输入轴4的变速器的局部分解图，输入轴4连接到以章动角倾斜的轴承6。轴承的外环连接到周环运动转换器8，周环运动转换器8在两端面上有齿，周环运动转换器的齿数与刚性连接到壳体12的反作用控制构件10的齿数相差1至4。输入轴4的每个旋转将引起周环运动转换器8的章动运动，周环运动转换器8在左侧与反作用控制构件10啮合而在右侧与输出齿轮14啮合。输出齿轮14具有与反作用控制构件10相同的齿数。如果周环运动转换器8上的齿数比反作用控制构件10(和输出齿轮14)的齿数多二(2)个，则输入轴4的每次旋转将使输出轴16(其刚性连接到输出齿轮14)旋转2个齿距(即，2个齿)。例如，如果输出齿轮的齿数是40，则传动比是i＝360°/[(360°/40)*2]＝20(或20x1)。这表明，章动周环运动转换器的原理可以在具有数量少的转动件的非常紧凑布置中实现非常高的减速。周环运动转换器8的齿与反作用控制构件10以及输出齿轮14的齿之间的重合度非常高。可能的是，5个或5个以上的齿参与运动传动，这使相当小齿轮能够用于高转矩传动。周环运动转换器8的低旋转运动将使齿啮合过程中因摩擦引起的能量损耗降到最小，并因此导致高传动效率。

如前面提到的，能够引入在壳体部件12(其刚性连接到反作用控制构件10)与输入轴4之间的额外旋转。这种运动可以通过诸如具有由电子电路控制的变速控制装置的电动机18致动。这种添加有效地将高减速传动转换成无限变速传动。

图2(a)示出了左边的外直齿锥齿轮20和右边的内直齿锥齿轮22。两个齿轮之间的齿数差在该实例中是1个。在这种布置中，内齿轮22具有较大齿数。图2(b)示出了具有重合的节锥和与轴交点重合的节锥顶点的处于啮合位置的来自图2(a)的齿轮。节锥角的差等于轴间角Σ减去90°。

图2(c)示出了具有从正面出现的刀具26和从背面出现的另一刀具28的内环形齿轮24的二维剖面图。刀具表示展成齿轮(展成齿条)的一个齿，当内工作齿轮绕其中心旋转时，该刀具在图中垂直移动。如果内齿轮的齿廓应用从正面出现的刀具26展成，则齿30的凹齿廓在展成位置变成完全切断(损毁)。如果齿30的齿廓应用从背面出现的刀具28展成，则工作齿轮24的整个坯将被损坏。

图2(d)示出具有非展成齿廓34的内环形齿轮32的二维剖面图。刀具36从正面出现而另一刀具38从背面出现。从背面出现的刀具38表示与工作齿轮(仅需要插入，不需要展成运动)相同的展成齿轮的一个齿。从正面出现的刀具36表示其是工作齿轮(仅需要插入，不需要展成运动)的镜像的展成齿轮的一个齿。如果齿廓用从背面出现的刀具38形成，则工作齿轮32的整个坯将被损坏。如果内齿轮32的齿廓应用从正面出现的刀具36形成，则形成正确齿侧形状34而没有任何切断风险。

本发明涉及具有小于180°且优选地大于135°的轴间角的锥齿轮组，该锥齿轮组由外锥齿轮和内锥齿轮组成。如果旋转在具有小倾角的两轴之间传递(例如，图2b)，则在具有较小齿数的齿轮的节锥角γ₁小于轴间角Σ减去90°(γ₁<Σ-90°)的情况下，具有较大齿数的锥齿轮变成内齿轮(γ₂>90°)。根据如应用于锥齿轮的齿轮传动定律，两个构件的齿数以及轴间角具有下列关系：

$\frac{Z_1}{Z_2}=\frac{{\mathrm{sin\&gamma;}}_1}{{\mathrm{sin\&gamma;}}_2}---\left(1\right)$

其中：Z₁＝齿轮#1的齿数

Z₁＝齿轮#2的齿数

γ₁＝齿轮#1的节锥角

γ₂＝齿轮#2的节锥角

上述方程出现两个未知数。在90度的轴间角Σ的情况下，γ₁+γ₂＝90°并且

sinγ₂＝sin(90°-γ₁)＝cosγ₁(2)

其中：

并且

在Σ≠90°的情况下，迭代解用来确定节锥角，如下表所示：

上述齿轮组可以借助其各齿之间的共轭性滚动啮合，这意味着齿轮副满足齿轮传动定律并因此用恒定比平滑滚动。齿轮组通过在两个构件的共轭齿侧形状上包含纵长和轮廓齿冠来制造，以允许有影响载荷的挠曲度。内锥齿轮组具有各种工业应用的潜在性，诸如周环高减速齿轮箱。在现有技术中，内锥齿轮不能根据现有锥齿轮加工方法加工。内锥齿轮的展成加工方法将要求不从正面，如图2(c)左边示意性所示，而是从部件背面(参见图2(c)，右边)加工齿槽。这种加工操作可以理论上能够展成齿侧表面，但在实际加工过程中，会损坏齿轮坯的背面并最终完全切除坯。

本发明人认识到，在非展成直齿锥齿轮的情况下，基准齿廓是梯形槽，如图4中可以看见的，图4示出了虚拟平面展成齿轮40和形成展成齿轮的一个齿的两个互锁刀具42、44的三维视图。每个刀具包括刀体43，该刀体具有绕刀体的周缘49布置的多个切削刀片45。每个切削刀片45具有切削刃或材料去除表面47。由两个刀具形成的梯形槽绕平面展成齿轮40的圆周以一个齿距的旋转距离重复形成。已发现梯形槽具有与其在背面上(例如，侧2)的形状相同的、在正面上(例如，侧1)的同样形状。参见图4，梯形槽在 旋转之前和之后。在径向成比例的槽的情况下，能够不仅从侧1而且从侧2形成槽。绕X4轴的180°旋转会将槽放置到侧2上的所示位置。已进一步发现，限于非展成锥齿轮，在平面锥齿轮或锥形锥齿轮上的任何齿几何形状可以理论上从两侧切削成，通过采用为了从背面切割所限定的初始刀具来实现相同齿侧形状。

图5示出了在具有在上面展成的直齿小锥齿轮46和在下面展成的直齿锥齿轮48的水平布置中的来自图4的平面展成齿轮40的三维视图。展成齿轮40的齿廓是与到展成齿轮的旋转轴线的径向距离成比例地从外到内改变其宽度和高度的梯形槽。如果虚拟展成齿轮设想成由非常薄材料组成，则齿厚和槽宽在两侧是相等的。这使得能够展成在上面的第一齿轮和在同一展成齿轮的下面上的第二齿轮(具有相同或不同齿数)。由于用这种布置建立的运动学耦合条件的结果，在上面展成的齿轮将与在下面展成的齿轮共轭啮合。

由于从(初始正确)背面切削内锥齿轮实际上是不可能的，因此本发明解决方案是使用相同刀具几何形状和改型的机床设定从正面切削内直齿锥齿轮，正面是各齿被暴露的那侧(例如，参见图2(a))。加工内锥齿轮所需的另一要素是在远离切削区的区域中避免刀具与工件之间的干涉。这种干涉在端面切削(或磨削)刀具的情况下不可避免。刀尖轨迹会引起工件损坏。图6示出了内锥齿轮和圆形端面刀尖轨迹的图示的三维视图。虽然该端面刀具从正面接近内齿轮，但其会形成与由角倾斜引起的切削区域大致相对的干涉区域，以使端面刀具的圆形轨迹与内部区域相配以及离开切削区域的刀片必须沿圆形轨迹旋转。

用图4所述类型的互锁刀具制成的直齿锥齿轮使用周缘刀具，在该周缘刀具中，刀具和刀片的齿侧形成侧包络出垂直于刀具轴线的平面。形成两个齿侧的两个刀具的两个平面表示作为展成齿轮的一个齿的梯形槽的表面(参见图4)。图7示出了内锥齿轮和互锁周缘刀具的两个圆形刀尖轨迹的图示的三维视图。周缘刀具的切削刃包络出表示图4所示的梯形槽的“侧壁”的平面(在上面的上刀具和在下面的下刀具)。由于刀具相对于水平Y4-Z4平面的倾角小于45°并且刀尖轨迹远离内环形齿轮的正面移动，因此两个刀具与齿轮坯之间的干涉可以被避免。

在如图7中切削内齿轮的情况下，所示刀具不会引起任何干涉。如果连接好的上下刀具要进行绕图7中的轴线Y4的展成滚动运动，则这将会从内侧损坏内环形齿轮。仅具有直齿锥齿轮的周缘刀具的非展成切削刀具设定会避免切断和坯损坏，其中，刀具位于齿轮的内侧、邻近槽。

图8示出了在具有虚拟锥形展成齿轮和内直齿锥工作齿轮的锥齿轮基本机床(数学模型)上的二维俯视图，内直齿锥工作齿轮由展成齿轮形成，但没有展成运动，因为机床安装角(齿根角)Σ是180°并且展成齿轮和工作齿轮的齿数相同。在展成齿轮旋转的情况下，工作齿轮随其旋转而没有任何相对运动。图8示出了具有矢量EX和刀具半径矢量RW的基本锥齿轮机床的布置，矢量EX定位周缘刀具的中心，而刀具半径矢量RW在齿根下面指向端面宽度的中心。EX布置成使得RW的弧与理论齿根线在大端分界线和小端分界线相交。工作齿轮轴线Z1与展成齿轮轴线Y4之间的机床齿根角Σ是180°。

图9示出了在具有虚拟锥形内展成齿轮和外直齿锥工作齿轮的锥齿轮基本机床上的二维俯视图。工作齿轮的各齿由展成齿轮通过展成运动形成，因为机床齿根角Σ是177°(如由上表中的实例所示)并且展成齿轮和工作齿轮的齿数不同(分别是55和54)。在展成齿轮旋转的情况下，工作齿轮绕与展成齿轮不同的轴线旋转，这导致相对(展成)运动。

根据图8形成的非展成齿轮与匹配齿轮正确且共轭滚动的必要条件是展成匹配齿轮的机床的互补设定。为了加工匹配外齿轮，内直齿锥齿轮的镜像用作展成齿轮。这可以用图9中的布置来实现。刀具中心位于刀尖EX处。刀具半径矢量指向端面宽度的中心，而刀尖轨迹与理论齿根线以及小端边界线和大端边界线相交。机床根锥角Σ与在其齿轮箱中内齿轮和外齿轮之间的齿根角相同。根据齿轮传动定律的普遍规则，该齿根角与内展成齿轮结合需要一定数目的齿。如果计算出的齿数不是整数，则需要调整齿根角以获得整数齿数。展成齿轮绕轴线Y4的旋转和工作齿轮绕Z1的旋转会导致相对运动(展成运动)，该相对运动会形成与内构件(图8)的非展成齿精确共轭的外齿轮齿。图9中的展成齿轮表示内齿轮构件，这是满足两个构件之间的齿轮传动定律和共轭滚动特性的主要条件。

本发明的内锥齿轮可以在任何适当齿轮加工机床、优选地其内容由此以参见的方式纳入本文的US6,712,566所公开的多轴CNC齿轮加工机床上制造。优选的切削布置将形成每个齿槽，其中，单个旋转盘状刀具(例如图4的42或44)使用第一加工位置来形成齿槽的第一部分并接着将刀具重新定位到第二加工位置来形成齿槽的剩余部分。在其内容由此以参见的方式纳入本文的US7,364,391中公开了这种方法。

制造内锥齿轮的优选刀具是具有绕其周缘的直切削刃(面)的旋转盘状实心刀具(例如图4的42或44)，其中，切削刃包络出垂直于刀具轴线的平面，由此在非展成切削加工过程期间形成梯形槽(例如，如图4所示)的直“侧壁”。然而，刀具也可以是使用具有直切削刃的可替换刀片或棒型切削刀片的周缘刀具，由此也包络出一个平面。或者，切削刃可弯曲从而引起齿面的轮廓曲率。此外，刀具轴线可以倾斜，由此包络住内锥，以实现齿面的纵向齿冠(lengthwisecrowning)(曲率)。

本发明还设想了用周缘刀具精加工(例如，磨削)内锥齿轮，其中，例如，磨料绕盘状刀体的周缘布置。或者，上述切削刀片可以用精加工刀片(例如，刮削刀片)替换。

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。

Claims (10)

1.一种加工具有大于90度的节锥角的、具有齿的锥齿轮(22)的方法，所述方法包括：

提供能绕刀具轴线旋转的至少一个刀具，所述刀具包括具有周缘的盘状刀体和绕所述周界布置的至少一个材料去除表面，

绕工件轴线旋转所述至少一个刀具，

相对于所述齿轮进给所述至少一个刀具，

加工所述齿轮中的至少一个齿面，其中，所述加工以非展成的方式进行。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述刀具包括具有带切削刃的至少一个切削刀片的刀具。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述刀具是精加工刀具。

4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述精加工刀具包括研磨轮。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述加工过程中，所述至少一个材料去除表面限定垂直于所述刀具轴线的包络面，由此形成直的齿面轮廓。

6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述加工过程中，所述至少一个材料去除表面限定包络曲线，由此形成弯曲的齿面轮廓。

7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括定位所述刀具轴线，由此所述加工提供在齿面上的纵向齿冠。

8.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述盘状刀体和所述至少一个材料去除表面是整体的。

9.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述至少一个材料去除表面包括棒型切削刀片。

10.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述至少一个材料去除表面包括可更换的切削插入件。