CN102725089B - 制造面齿轮的连续方法 - Google Patents

Abstract

一种利用工具制造面齿轮的连续方法，代表能够在等于齿轮组（例如，面齿轮组）的配对小齿轮构件的压力度下被定向至面齿轮工件的平面，并且能够将其绕虚拟小齿轮轴线旋转，以在所述工件上产生齿面。所述工具为面切削刀具，所述刀具执行连续分度运动，其与切削刀具和工件（例如，面齿轮）的旋转同向，因此描述一种将沿面齿轮的面宽度产生直线的一次工件齿轮旋转期间进行的内摆线路径运动和两种刀具旋转的分度率。

Description

制造面齿轮的连续方法

技术领域

本发明涉及面齿轮的制造，并且具体地涉及一种制造面齿轮的方法和工具。

背景技术

面齿轮为具有等于面齿轮及其配对件之间的轴间角的齿面角（以及根锥角）的齿圈。该配对件为常规圆柱正小齿轮或螺旋小齿轮。标准面齿轮具有相应于也为90°的轴间角的90°齿面角（该90°齿轮也被称为“冠状”齿轮）。

迄今为止，制造面齿轮的方法都复杂，具有专用于应用在通常为改进圆柱齿轮制造机的机床上的单一设计的专用工具。该用于软制造面齿轮的方法包括：

·滚齿，在圆柱滚齿机上使用工作专用的专用滚刀，为了允许在滚刀的最低圆周部分切削（垂直滚齿机工作台轴线）而改进了该圆柱滚齿机。

·插齿，使用代表配对圆柱小齿轮的插齿刀，以及具有通过面齿轮组的根锥角（通常90°）旋转的工作台的插齿机（相对于常规圆柱齿轮插齿机）。

·万能铣削法，使用5轴加工中心上的端铣刀。

·从固体磨削，使用硬齿面精加工部分中下文所述的磨削法。

面齿轮硬齿面精加工的现有已知方法包括：

·连续磨削，使用具有螺纹基准齿廓的螺纹磨轮，其与大直径轮上的面齿轮组的小齿轮齿廓相同，而具有通常为1.5-2.5螺纹旋转的小宽度（参见WO98/02268、US 6,390,894和US 6,951,501，其公开内容被包含在此以供参考）。

·通过和面齿轮组的小齿轮齿廓相同的轮廓进行单分度展成磨削。

·刮削，使用插齿刀或专用滚刀。

·刮削，使用5轴加工中心上的端铣刀。

·珩磨，使用在齿表面具有磨料层的修正小齿轮。

目前，面齿轮软加工法取决于专项培训和专用工具，该专用工具昂贵并且关于它们用于其他工作或用于最优化的用途不灵活。面齿轮的加工时间通常明显比类似的圆柱或锥齿圈的切削时间更长。

两种更普通的面齿轮硬齿面精加工法或者使用非常复杂的难以磨光或者需要磨光时间长的工具几何形状（螺纹轮磨削），或者复杂并且耗时，产生结合面宽度方向上的进给运动的滚动（单分度展成磨削）。

使用由碳化物材料制成的专用滚刀或插齿刀刮削提供合理的切削时间，但是需要不仅昂贵而且不易获得或根本不能获得的工具。

面齿轮珩磨需要例如热处理、磨齿并且涂有CBN的小齿轮，该小齿轮昂贵、不灵活，并且依赖用于良好排屑的相当大的小齿轮偏置距（等于面齿轮和配对圆柱小齿轮之间所需的偏置距），这限制了对具有该高偏置距的面齿轮组的应用。

发明内容

本发明涉及一种工具，代表能够在等于齿轮组（例如，面齿轮组）的配对小齿轮构件的压力角下被定向至工件（例如，面齿轮）的平面，并且能够将其绕虚拟小齿轮轴线旋转，以在工件上产生齿面。发明工具为面切削刀具，该刀具执行连续分度运动，其与切削刀具和工件（例如，面齿轮）的旋转同向，因此描述运动的内摆线路径，以及在将沿工件面宽度产生直线的一次工件齿轮旋转期间的两个切削刀具旋转的分度率。

附图说明

图1示出面齿轮及其配对圆柱正小齿轮的二维、横截面图。

图2A和2B分别示出球形滚齿工具以及圆柱滚齿机。

图3示出面齿轮，其中图1中的小齿轮被插齿刀代替。

图4示出被修整过的螺纹磨削轮的三维视图，以便螺纹磨削轮在轴平面横截面复制图2A的滚齿工具的外形。

图5示出具有复制面齿轮配对小齿轮齿形的磨削外形的圆周磨盘磨削轮。

图6示出面齿轮和磨削轮的二维横截面图（面齿轮轴线位于横截面平面中，横截面平面垂直于虚拟小齿轮轴线）。图6也包括磨削轮外围的分解图。

图7示出内摆线运动的原理。在开始切削位置，观察刀片点在工件的内部开始切削。在工具以旋转的同时，工件以旋转。示出工具和工件之间的相对路径，该路径为直线，从点“开始切削”到“结束切削”并且最终为“外部超程”。

图8示出二维横截面侧视图或工件、工具和虚拟展成小齿轮之间的布置。

图9示出二维横截面顶视图或工件、工具和虚拟展成小齿轮之间的布置。虚拟小齿轮的轴线为展成齿轮轴线。在刀具和工件执行快速分度运动（为了使用内摆线原理建立直齿面线）的同时，工具必须绕第二轴线、即等于虚拟小齿轮的轴线的展成齿轮轴线旋转。工具轮廓虚线示出倾斜的工具，这是为了避免在向后运动期间刀片在槽内切断或反向运动。

图10示出展成渐开线与展成平面。刀片的切削刃能够按与原始小齿轮齿面的渐开线相同的形状形成，该原始小齿轮齿面应和将制造的面齿轮齿面配对。

图11示出六轴自由形式车床中切削刀具盘和面齿轮之间的布置。

图12示出相对于具有90°节面角的虚拟辅助面齿轮定位的具有小于90°节面角的工件齿轮。

具体实施方式

在详细解释本发明的任何特征和至少一种构造之前，应理解，本发明在其应用方面不限于以下说明中提出或附图中所示的构造细节以及组件布置。本发明能够为其他构造，并且能够被以各种方式实施或执行。同样地，应理解，本文中使用的措辞和术语是为了说明的目的，而不应将其视为限制。

使用“包括…”、“具有…”和“包含…”及其变体意味着包含其后列举的物件及其等效物，以及另外的物件。使用识别方法或工艺的要素的文字仅为了识别，不意味着表示应以特殊顺序执行该要素。

虽然下文在描述附图时参考方向，诸如上部、下部、向上、向下、向后、底部、顶部、前、后等等，但是仅为了方便而相对附图（正常观察）做这些参考。不应按字面意思确定这些方向，或者以任何方向或形式限制本发明。

面齿轮在某些应用中的利用高度依赖于高效和经济制造工艺的可用性。迄今为止，还不能获得用于面齿轮的经济软加工或硬齿面精加工工艺。

图1示出面齿轮及其配对圆柱正小齿轮的二维、横截面图。在该例子中，面齿轮轴线和小齿轮轴线之间的轴间角为90°。轴间角大于90°将使面齿轮成为内齿圈。在0°轴间角的特殊情况下，面齿轮副变为圆柱齿圈。

图2A示出球形滚齿工具。滚齿刀的切削刀片（切削齿）代表正小齿轮的齿，并且围在圆柱小齿轮主体周围（在由3个齿组成的部分中）。图2B也示出具有改进滚刀架的圆柱滚齿机，该圆柱滚齿机允许在滚齿刀的底部部分上切削面齿轮的齿。通常使用单个开始滚齿刀，对于滚齿刀的每一转，该滚齿刀都将要求一节工件旋转。从面齿轮的外部向内部进给该滚齿刀。在工具进给期间，根据工具导程角，必须考虑工件旋转的补偿量。

图3示出面齿轮，其中图1中的小齿轮被插齿刀代替。插齿刀有等于面齿轮的配对小齿轮（也等于虚拟小齿轮）的多个切削齿。处于垂直于插齿刀轴线的平面中的切削轮廓精确复制虚拟小齿轮的齿面轮廓。在插齿刀啮合面齿轮旋转的同时，需要用于排屑作用的轴向切削刀具方向上的行程运动。

图4示出被修整过的螺纹磨削轮的三维视图，以便螺纹磨削轮在轴平面横截面复制图1的滚齿工具的外形。在螺纹磨削轮旋转的同时，磨削螺纹外形的弯曲定向在由磨削轮轴线和行程方向限定的平面的位置靠近旋转虚拟小齿轮外形。为了模拟虚拟小齿轮的全部宽度，磨削轮必须在沿面齿轮齿面宽度的虚拟小齿轮轴线方向横向移动。在单螺纹磨削轮的情况下，对于每一次轮旋转，工件都必须旋转一节。在横向移动过程中，在工件旋转上叠加导程补偿值。

图5示出圆周磨盘磨削轮。磨削外形复制配对小齿轮齿外形的面齿轮。该外形在磨削轮每一侧上都形成面齿轮外形的一点（一个滚动位置和一个齿面宽度位置）。如果磨削轮在虚拟小齿轮的方向行进，就在虚拟小齿轮和面齿轮之间形成一条接触线（在展成外形的每一侧上）。为了形成完整的面齿轮齿外形，磨削轮必须绕虚拟小齿轮轴线旋转（同时磨削轮行进）。如果该行程运动无穷快，并且如果绕虚拟小齿轮轴的旋转无穷慢，那就将产生一对数学上完美的面齿轮齿面。图5中的磨削轮位置代表展成滚动进程中的中心滚动位置。

图6示出面齿轮的二维横截面图（面齿轮轴线位于横截面平面中，横截面平面垂直于虚拟小齿轮轴线）。该视图也针对磨削轮的外围，图5中示出其不处于中心滚动位置而是处于起始和结束滚动位置。

如上所述，所确定的面齿轮的现有技术软和硬加工方法取决于专项培训、复杂和专用工具，该专用工具昂贵并且关于它们用于其他工作或用于最优化的用途不灵活。另外，处理和/或修整时间长并且复杂。

发明人已发现，在连续分度运动的情况下，如果切削刀具旋转为工件旋转值的两倍，具有在其面上定向的切削刀片和以对切削刀具盘的旋转轴某一角度定向的刀片的切削刃的工具盘代表工件齿轮坐标系中的平面。工件和工具的旋转方向必须相同。为了避免在第二、多余干涉区域中的切断，能够以某一角度相对工件（面齿轮）定向切削刀具。

所述内摆线运动将形成具有为工具切削刃相同镜像的齿形的平面展成齿轮。已发现，绕其轴线旋转的切削刀具能够另外绕虚拟小齿轮轴旋转，这将引起在加工件上产生一个或两个面齿轮齿面。图7示出切削盘。切削盘在其面上具有切削刃，其与切削盘轴线方向的角度等于配对小齿轮压力角（投射到垂直于相对切削速度方向的平面）。该工具可具有交替的内部和外部刀片。内部和外部刀片的切削刃形成在中心滚动位置极好地代表虚拟小齿轮的节线的展成齿轮的一个齿。必须将工具盘绕虚拟小齿轮轴以一定角度旋转到每个新滚动位置，该角度通过面齿轮齿的数目除以虚拟小齿轮齿的数目，乘以增量工件齿轮旋转角度，加上另外少量旋转计算，这放置该盘，以便其在该特殊滚动位置具有含渐开线的公用线。

图9示出面齿轮和工具盘的二维视图。在中心滚动位置表示工具盘。仅通过其轮廓线表示所述虚拟圆柱小齿轮。虚拟小齿轮的中心处于垂直于附图平面的展成齿轮轴线的位置。虚线工具轮廓线示出为了避免在切削刀片的反向运动期间切断或工具接触所需的工具倾斜布置。在图9中也示出反向运动进入点。本领域技术人员应明白，为了在绕例如图7所示的轴线旋转工具时最小化齿面形状变形和齿根线变化，类似于斜齿锥齿轮和准双曲面齿轮计算空间中的工具倾斜角度。

通过发明工艺，优选齿轮齿的齿数为刀具头数目的两倍。也可能在刀具中使用半数刀片（或者四分之一，或八分之一等等）。然而，最小刀具头数目是这样的，其引起低生产率但是引起非常通用的刀具。为了获得导致正确比率的刀具头数目，应将面齿轮的齿数除以二。这继而意味着齿轮齿数优选为偶数。在奇数齿轮齿的情况下，为了能够将该新数目除以二并且获得刀具头的整数数目，可加或减一个齿。例如，在41个面齿轮齿的情况下，这意味着42/2=21。刀具头数目为21，不能将其除以2得到整数结果。因此，可能的刀具头数目为21，或者对于刀具的每一转为一个数目。凑整的优点是这样的事实，即刀具头和面齿轮齿不具有公分母（追逐齿原理）。凑整的缺点是这样的事实，即内摆线将偏离精确直线。该偏离产生近似圆形长度冠形，其在一个齿面为正，而在另一齿面为负。如果发现该负冠形不能接受，就能够利用两齿面上的正长度冠形效应在面齿轮上的相反位置切削两个相反齿面，然而这将需要双旋转周期。

能够将刀片磨齿为等于面齿轮组的配对小齿轮构件的压力角的角度。优选，将刀片关于工具和工件之间的相对运动方向而定向在工具盘的面上（例如，基于中心面宽度，因为速度方向沿该面持续变化）。然而，这将要求在面齿轮具有90°齿面角的情况下，工具轴线与工件轴线共线。共线轴线布置可引起已切削的齿槽切断（例如，在其第二次穿过面宽度期间）。能够应用几分之一度至10°之间的小切削刀具倾斜角度（以相等刀片角度修正），从而避免任何切断。切削刀片倾斜的副作用为齿面表面错配，这或者能接受，或者能用作期望的齿面修正的要素。

为了表现展成圆柱小齿轮（展成小齿轮），其中展成小齿轮和工件齿轮类似面齿轮及其配对圆柱小齿轮在其最终应用（例如，齿轮箱）中的相同关系，虚拟小齿轮轴线能够位于虚拟或理论锥齿轮展成基本车床中，诸如美国专利No.4,981,402或6,712,566中所述，其公开内容被包含在此以供参考。在切削刀具绕虚拟小齿轮轴线旋转的同时，工件必须根据小齿轮和面齿轮之间的比率（即滚比（Ra））绕其轴线旋转。即：

其中：Z_{圆柱小齿轮}=小齿轮上的齿数

Z_面齿轮=面齿轮上的齿数

如上所述，因为刀具刀片代表直边齿条的两齿面，其未复制小齿轮齿面的正确展成渐开线（图10，展成渐开线与展成平面）。能够通过成形与应配对将制造的面齿轮齿面的原始小齿轮齿面的渐开线相同的刀片的切削刃而实现上述工作。允许使用简单化和通用直刃切削工具的另一种可能性在于引入非恒量展成滚动关系（例如，改进滚动），同时展成一齿面或利用诸如美国专利No.5,580,298中所述的一种或更多主动车床设置，其公开内容被包含在此以供参考。将4阶或更高阶的滚动角度相关系数乘以展成小齿轮和工件齿轮（面齿轮）之间的恒定基本滚比，这将实现虚拟展成小齿轮的渐开线的良好近似值。

Ra=Ra₀+Ra₁·q+Ra₂·q²+Ra₃·q³+Ra₄·q⁴... (2)

其中：

Ra…滚比（不恒定）

q…到滚动中心的滚动角距离

Ra₀…基本滚比（恒定）

Ra₁…一阶系数，乘以到滚动中心的滚动角距离

Ra₂…二阶系数，乘以到滚动中心的滚动角距离的平方

Ra₃…三阶系数，乘以到滚动中心的滚动角距离的三次方

Ra₄…四阶系数，乘以到滚动中心的滚动角距离的四次方

能够在沿展成小齿轮外形的许多点上计算渐开线曲率半径。二阶系数Ra₂将主要定义节点处的渐开线曲率。三阶系数Ra₃将考虑根部和顶部之间的恒定曲率变化。能够通过定义四阶系数Ra₄实现大部分的非恒定渐开线曲率变化。计算最优系数的优选方法是使用回归计算，为了通过非线性滚比模拟渐开线形状，该计算例如应用“最小方差法”从而最小化正确渐开线和系数对滚动运动的影响之间的差异。为了提高渐开线精度，能够应用超过4的更高阶，或者能够在车床运动中直接应用渐开线的数学函数。在图10中示出直线和渐开线之间的修正量的计算例子。

图10示出刀片处的二维视图，该图也示出虚拟小齿轮轴线的位置和三个接触点的位置，代表底部、中心和顶部滚动位置。在刀片的内部绘制虚拟小齿轮的正确渐开线，其中渐开线接触中心滚动位置的接触点（接触线）中的展成平面。能够通过虚拟小齿轮信息诸如啮合角和节径计算渐开线函数。盘展成表面上的点能够连接具有圆的渐开线，这些圆在代表虚拟小齿轮轴线的位置的点中具有其起源。弧长度仅在节点（中心滚动位置）才会为零。在每个其他位置中，该弧都代表小另外旋转量的精确值（角），或者将其用于限定改进滚动系数（公式2），或者在展成滚动期间将其重合在绕虚拟小齿轮轴线的工具盘转动上。也可能给出完全为渐开线形状的外部外形，而非垂直于工具轴线的直线。在该情况下，不需要应用修正旋转。

发明的设置和运动学关系能够基于上述虚拟锥齿轮展成基本车床或也能应用的其他模型或程序。图8和图9中的关系将其坐标系和工具相对位置、工件和展成齿轮轴线以及工件和工具之间的上述分度率直接与摇台式锥齿轮刨齿机联系起来。

通过虚拟基本车床，能够将面齿轮切削工艺转化为合适的机械车床设置。也能够作为发明工艺的优选实施例将虚拟基本车床（或任何其他模型）转化为诸如图11中所示的五或六轴自由形式车床的轴线位置和/或运动表（例如美国专利No 4,981,402或6,721,566）。图11示出六轴自由形式车床中切削刀具盘和面齿轮之间的布置。图8和图9中的图以及展成滚比代表用于计算轴线位置表的所有信息。技术人员应理解，为了产生正确的齿面形式，应将少量的另外旋转叠加至工具旋转。

发明方法的另一方面在于，刀具盘仅在其轴向面上形成旋转对称表面。这允许近似正小齿轮齿面的渐开线。螺旋齿轮的齿面象螺旋一样缠绕小齿轮基圆柱。不能使用具有沿相对于工件齿轮的直线的刀片的旋转切削盘近似获得螺旋形状，这将本发明方法限于使用正小齿轮作为配对构件的面齿轮。具有非常小的螺旋角（例如小于5°）的螺旋齿轮将仅展现能够至少部分修正的微小齿面和齿根偏离。

通过发明方法，面齿轮和配对小齿轮之间的轴间角可能在0°（面齿轮变异为圆柱齿轮）和大于90°（面齿轮变为内齿圈）之间。内面齿轮受可能的切断限制，能够通过在特定限制（倾斜角最大为10°）内的刀具倾斜避免切断。在图9中示出该类型的刀具倾斜为虚线刀具轮廓。通过发明方法也能够实现面齿轮和配对小齿轮之间的轴偏置。

另外，常常将具有不等于90°而是在90°和0°之间的节面角的齿轮称为面齿轮，虽然它们为圆锥形。原因在于，和真正的面齿轮一样，它们也与作为配对构件的圆柱齿轮啮合。应用发明方法也能够完成非90°节面角的面齿轮的制造。图12示出具有小于90°的节面角的工件齿轮。相对于虚拟辅助齿轮（具有倾斜角90°）定位该齿轮。图12示出定位该工件齿轮，以便其节锥正切辅助齿轮的节平面。工件齿轮和辅助齿轮滚动，而其节面母线不滑动到彼此之上。该原理导致切削刀具和工件的角速度关系。即：

如果ω_工具=2ω_辅助 并且γ_辅助=90°

那么ω_工具=2ω_工件sinγ_工件work （4）

其中：ω_工件=工件齿轮的角速度；

ω_辅助=辅助面齿轮的角速度；

ω_工具=工具的角速度；

γ_工件=工件齿轮的节面角；

γ_辅助=辅助面齿轮的节面角；

虽然已参考优选实施例描述了本发明，但是应理解，本发明不限于其细节。本发明有意包括对本领域技术人员显而易见的、属于本主题、不偏离附加权利要求的精神和保护范围的更改。

Claims (11)

1.一种制造具有预定齿数的面齿轮的连续分度方法，所述面齿轮具有多个齿槽，每个齿槽都包括相对的第一和第二齿面表面，所述方法包括：

提供具有旋转轴线的面齿轮工件；

提供具有旋转轴线的切削工具，并且包括盘主体，所述盘主体具有一个或多个切削刃，所述切削刃限定位于所述盘主体的面上的一个或更多切削刃头；

以所述工件每旋转一次，所述切削工具就旋转两次的比率旋转所述切削工具和所述工件；

使所述切削工具和所述工件啮合；

通过将所述工具和所述工件相对彼此移动而在所述工件上展成所述齿面表面；

其中所述展成包括另外绕与所述面齿轮工件啮合的虚拟小齿轮的旋转轴线旋转所述切削工具，所述切削工具描述一种展成滚动，其中所述切削刃在所述展成期间模仿与所述面齿轮工件啮合旋转的所述虚拟小齿轮齿的滚动运动；

其中所述工件和所述切削工具绕其各自旋转轴线沿相同方向旋转。

2.根据权利要求1所述的方法，其中所述工件包括偶数齿数，所述偶数齿数为所述切削工具的切削刃头的数目的两倍。

3.根据权利要求1所述的方法，其中所述切削工具相对于所述工件倾斜。

4.根据权利要求1所述的方法，其中所述切削刃包括内部和外部切削刃。

5.根据权利要求1所述的方法，其中所述第一和第二齿面表面在所述工件的面宽度的方向是直的。

6.根据权利要求1所述的方法，其中将所述工件的齿面表面以压力角定向，并且将工具的切削刃以等于所述工件的压力角的压力角定向。

7.根据权利要求1所述的方法，其中所述切削刃为渐开线形状。

8.根据权利要求1所述的方法，其中所述展成滚动为非恒量展成滚动关系。

9.根据权利要求1所述的方法，其中所述面齿轮包括90度的节面角。

10.根据权利要求1所述的方法，其中所述面齿轮包括小于90度的节面角。

11.根据权利要求1所述的方法，其中所述面齿轮包括内面齿轮。