CN107107224B - 具有多转切削齿的轴向滚刀 - Google Patents
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Abstract
一种具有以螺旋形的图案绕圆柱(19)布置的切削齿(16)的轴向滚刀(14)。切削前刀面(18)垂直于螺旋线。可再磨刀片厚度沿螺旋导程方向的方向定向。当刀具旋转时,作用的切削前刀面从一个刀片变成下一个刀片,该下一个刀片取决于旋转方向处于前进或缩回位置。然而,旋转将不赋予单独刀片切屑去除运动,而仅将随后的刀片定位在前进或缩回位置,例如在待加工的齿槽中。
Description
本申请要求2014年10月2日提交的美国临时专利申请第62/058,719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
本发明涉及一种具有以螺旋形的图案绕圆柱体布置的齿的切削刀具。切削前刀面垂直于螺旋线。
发明背景
圆柱形滚刀用于诸如正齿轮、斜齿轮和蜗轮的外圆柱齿轮的加工。由于中心线的左右缺损,内齿轮不可能使用圆柱形滚齿刀具加工。圆柱形滚刀的齿廓是梯形,其反映待加工的部件的压力角和模量(深度和间距),并且被称为“基准齿廓”。基准齿廓可以在穿过在轴向平面(例如,图1中的水平面)上的滚刀中心的平面上观察。在正齿轮加工的情况下,滚刀和工件的轴线方向垂直或略微倾斜一角度,该角度与滚刀齿的导程角相同或相似。
在斜齿轮的情况下,滚刀轴线相对于工件轴线倾斜一螺旋角,该角度值可能加上或减去滚刀导程角的值(取决于导程方向)。一次滚刀旋转(在单头滚刀的情况下)要求当量(virtual)展成齿条沿方向“G”移位一个齿距。例如,如果外圆柱形工作齿轮位于与滚刀相对的齿条的一侧,并且如果该工作齿轮与当量展成齿条“啮合”,则滚刀在其旋转(方向F)时将渐开线齿切削到工作齿轮坯件上。工作齿轮在每次滚刀旋转(单头滚刀)期间必须旋转一个齿距。因为在滚刀旋转时,展成齿条必须沿方向“G”移动,所以工作齿轮也将必须沿方向“C”旋转,以展成渐开线齿廓并且绕工作齿轮逐渐前进(work its way)并且将所有齿(槽)切削在工作齿轮圆周上。
成形是圆柱形小齿轮状刀具在其与外部或内部工件接合时轴向(图2中的V)行进的方法。每次前进行程去除材料,而插齿刀与工件之间的连续分度旋转与行进同时进行。当插齿刀旋转一个齿距(旋转Sk)时,展成齿条沿方向“G”移位一个齿距,并且工作齿轮沿旋转方向“C”(在图2中)旋转一个齿距。每个反向行程都是非生产性的,这使得成形是一个相当缓慢的过程。成形在加工内齿轮(其不可能用滚齿加工法来加工)或允许在待加工齿的端部后面没有超程间隙的齿轮(也通常不可能用滚齿加工法来加工)中具有其优势。
动力刮削是利用工件与具有周向切削齿的盘形刀具之间的相对运动的方法。相对运动通过工件与刀具之间的倾角(参见图3中的轴交角Σ)产生。当刀具和工件旋转并产生图3中的速度V刀具和V工件时,切削齿接合在工件的槽中。两个周向速度之间的差用作切削速度V切削。
发明内容
本发明涉及一种具有以螺旋图案绕圆柱体布置的齿的轴向滚刀。切削前刀面垂直于螺旋线。可再磨刀片厚度沿螺旋导程方向的方向定向(例如图4)当刀具旋转时,作用切削前刀面从一个刀片变成下一个刀片,该下一个刀片根据旋转方向处于前进或缩回位置。然而,旋转将不赋予单独各刀片以切屑去除运动,而仅将随后的刀片定位在前进或缩回位置,例如在待加工齿槽中。
附图说明
图1示出了圆柱形滚刀、当量展成齿条和工作齿轮的三维图。
图2示出了插齿刀、当量展成齿条和工作齿轮的三维图。
图3示出了动力刮削刀具和内齿轮的定向的正视图和俯视图。
图4示出了具有多转切削齿的轴向滚刀的三维图。
图5(a)示出了螺旋轴向滚刀的端视图,而图5(b)示出了螺旋轴向滚刀的侧(纵向)视图。
图6示出了轴向零导程角滚刀的三维图。
图7示出了安装好的多盘式滚刀的三维图。
图8示出了安装好的条形刀片滚刀的三维图。
图9(a)示出了用于用轴向滚刀动力刮削外齿轮的刀具与工件之间的定向。唯一进给方向是径向横进给。
图9(b)示出了用于用轴向滚刀动力刮削外齿轮的刀具与工件之间的定向。进给沿轴向滚刀方向。
图10示出了用于用轴向滚刀动力刮削外齿轮的刀具与工件之间的定向。滚刀的进给方向沿轴向工作齿轮方向。
图11示出了用于用轴向滚刀动力刮削内齿轮的刀具与工件之间的定向。滚刀的进给方向沿径向方向。
图12示出了用于用轴向滚刀动力刮削内齿轮的刀具与工件之间的定向。滚刀的进给方向沿轴向滚刀方向。
图13示出了用于用轴向滚刀动力刮削内齿轮的刀具与工件之间的定向。滚刀的进给方向沿轴向工作齿轮方向。
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。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。
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。
虽然在描述附图中可参照以下诸如上面的、下面的、向上的、向下的、向后的、底部、顶部、前面、后面等的方向,但为了方便,相对于附图参照(如正常观察)。除非指定,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。
图1示出了圆柱形滚刀2和当量展成齿条4的三维图。滚刀模拟在水平面上的展成齿条的齿廓(图中示出了齿条的上齿廓平面),在图1所示的简单情况下,该水平面包含滚刀的旋转轴线。如果滚刀旋转(如“F”所示),则展成齿条将沿“G”方向移动。在具有单头的滚刀的情况下,一次旋转将使齿条沿方向G移位一个齿距。为了在图1中切削具有齿条的面宽的齿轮,滚刀必须沿“E”方向移动,直到水平面(其包括滚刀轴线)到达齿条的下齿廓平面。因此,如果前刀面(front,正面,锋面)与轴向平面一致,则滚刀齿显示在其前刀面上的齿条齿廓(轮廓)。因此,使齿轮移位一个齿距的每次滚刀旋转也要求工件6旋转一个齿距(旋转C)。在这种情况下,所有主切削力与滚刀相切,并直接转化成旋转滚刀所需的转矩。
图2示出了插齿刀8和当量展成齿条的三维图。当插齿刀绕其轴线旋转(如Sk所示)时,展成齿条沿方向“G”移动,并且插齿刀齿的渐开线齿廓将形成齿条的梯形基准齿廓。虽然所述刀具旋转和齿条移位将形成齿条的齿廓,但是它不会提供任何切削作用。插齿刀具有渐开线齿廓,该渐开线齿廓是在径向平面(垂直于插齿刀的轴线)上形成齿条齿的直齿廓所需的。插齿刀的轴向上的行程运动“V”是引入切削作用所需的,并且也是切削齿轮的齿宽所必需的。如果行程的长度等于齿条的宽度,则可以切削具有与图2所示相同的齿宽的圆柱形齿轮。当展成齿条沿方向“G”移位,例如移位一个齿距时,与齿条啮合的工件也必须旋转一个齿距(旋转C)。在图2所示的情况下,所有主切削力定向在轴向插齿刀方向上。
图3示出了动力刮削刀具10和内齿轮12的取向的正视图和俯视图。当刀具旋转时,其各齿的渐开线齿廓形成当量展成齿条(图3中未示出)的直齿廓。刀具的旋转使展成齿条侧向移位(像在图2中一样)。覆盖展成齿条各齿的宽度(相当于待切削的圆柱形齿轮的齿宽)需要刀具在轴向工作齿轮方向(Y4、Z4)上的进给运动。
与图2中的插齿刀8不同,切削作用不是通过轴向行进而是通过在刮削刀10与工作齿轮12之间(在两者的同步旋转期间)之间的相对运动产生的,该相对运动定向在工作齿轮齿的导程方向上。因此,切削速度V切削是刀具RPM(或角速度ω刀具)和倾角Σ的函数:
V切削=ω刀具*sinΣ
图4示出了具有可绕滚刀轴线T旋转的多转切削齿16的轴向滚刀14的三维视图。滚刀状刀具14的齿(即切削刀片)16沿第一螺旋方向H1(即,以第一螺旋角)定向,其中刀片沿第二螺旋方向H2(即,以第二螺旋角)在圆柱19(参见图(5a)和(5b))的周界上分组,圆柱19具有沿圆柱形滚刀的长度卷绕刀片的效果。滚刀14在一对轴向上相对的端部(第一端部21和第二端部23)之间延伸一定的轴向长度。轴向滚刀的实际长度根据诸如具体的滚齿机、工件尺寸、工艺参数等的因素确定,如技术人员将会理解的。第一螺旋角相对于滚刀轴线T测量,并且第二螺旋角相对于垂直于滚刀轴线T的线测量,如图5(b)所示。第一螺旋线类似于圆柱齿轮的螺旋角。第二螺旋线具有固定的导程角(即,第二螺旋角),该导程角沿圆柱19的宽度穿过(thread)刀片。第二螺旋线的方向优选地垂直于第一螺旋线的方向,这将在左右切削齿廓上形成具有相等的侧倾角(side rake angle,旁锋的刀面角)(零度)的刀片前刀面18(即,切削面)。优选地,刀片具有渐开线齿廓(图4和5a),该渐开线齿廓从待加工的圆柱形齿轮的标准齿廓得到。
刀片16可以被面磨(平面磨削),这减小了刀片的厚度,直到滚刀寿命结束。因此,刀片16的切削刃大致面向相对两端之一,对于图5(a)和5(b),该相对两端之一为端部21。因此,切削方向大致沿轴向方向T或相对于轴线T成某一限定角度。由于滚刀的前刀面沿刀片的厚度方向磨利,因此滚刀的外径减小,这在每次磨利后必须在机床设置中考虑到。由于在从顶部磨削每个刀片时这种类型刀片中的顶部修缘和侧部修缘由加工机床的径向齿廓修缘运动产生,因此外径减小。实际滚刀直径从两个相对刀片(例如20,22)的齿顶面(即,顶表面)测量。
当刀具旋转时,作用的切削前刀面从一个刀片变成下一个刀片,该下一个刀片根据旋转方向处于前进位置或缩回位置。然而,单单旋转将不会向单独各刀片赋予切屑去除运动,而仅将随后的刀片定位在前进或缩回位置,例如在待加工齿槽中。
如果轴向滚刀用于动力刮削过程,则刀具的轴线和工件的轴线必须相互倾斜。如同传统动力刮削,切屑去除表面速度必须通过该轴向倾角产生(参见图3中的轴交角Σ)。刮削中的主切削力沿轴向工作齿轮方向定向。
图5(a)示出了螺旋轴向滚刀14的轴向前端图并且图5(b)示出了螺旋轴向滚刀的侧(纵向)视图。第一螺旋线(刀片取向)和第二螺旋线(刀片的前刀面位置)的方向如图5(b)所示。这种滚刀的磨利可以用与第二螺旋角倾斜的薄磨削轮来进行。在磨利期间,滚刀可以旋转,同时磨削轮以沿滚刀轴线T方向的运动遵循该螺旋线:
磨削轮运动=(角切削速度)*(刀具的节圆半径)
如前面提到的,刀片16可以平面磨削,这减小了刀片的厚度,直到滚刀寿命结束。在刀片厚度的方向上,外径(在两个相对刀片的齿顶面之间测量)的大小由于导致顶部修缘和侧向修缘的径向齿廓修缘而减小。
因此,当滚刀是前刀片磨利时,其直径减小,并这在每次磨利后必须在机床设定中考虑到。
滚刀可在环形刀片(ring blade)取向下加工(图6),这意味着刀片不沿螺旋线而是沿正圆(第二螺旋角为零)定向。各个刀片沿类似于螺旋滚刀的第一螺旋方向定向。为了布置具有切削刀片的整个滚刀圆柱,一定数量的切削刀片环的层定向在滚刀基础圆柱上。
图6示出了轴向零导程角滚刀30的三维图。前面图4和5的描述适用,除了在本实施例的情况下,第二螺旋角为零,从而导致滚刀导程方向H2垂直于滚刀轴线T。如果滚刀30由单件材料(例如高速钢或硬质合金)制成,并且必须重新磨利有垂直于第一螺旋方向的前刀面32,则每个刀片(齿)34必须在单一设置中用小直径磨削轮磨利,以避免与周围刀片的干扰。
图7示出了包括多个切削(圆)盘42的轴向滚刀的三维图。虽然示出了四个刀盘,但本发明考虑了两个或多个刀盘中的任何个数。安装好的盘式滚刀具有与零导程角滚刀30相同的特征(图6)。其可以拆卸以重新磨利,并且在断齿或碎齿的情况下,单个盘可以更换。安装好的多盘式滚刀的加工比零导程角滚刀的加工简单,因为碳化钢或高速钢的各个零部件较小。安装好的刀盘的角度取向必须使得刀片从一个刀盘到下一个刀盘正确地遵循第一螺旋线。
图7的轴向滚刀表示产生轴向滚刀的非常成本有效的方法。这种滚刀是非常灵活的,因为其可安装成所需规格,考虑了工件的宽度以及任何超程情况。单个刀盘的加工比从一实心块高速钢或碳化钢加工出整个滚刀更成本有效。在非均匀磨损、切削刃磨损乃至齿断裂的情况下,可以重新布置刀盘(沿切削方向)或更换单个刀盘。盘刀具的大小必须安装成,使得各刀片的旋转方向变化了如下:
(刀具与工件之间的倾角)*(盘间距)/(滚刀节径)*180°/π
图8示出了包括多个单(圆)盘刀具52(示出四个)的轴向滚刀50的三维图,每个单(圆)盘刀具52都装配有条形刀片54。条形刀片可以单独取出并重新磨利。与单盘或实心滚刀相比,断裂刀片可以以更低的成本更换。安装好的各盘的角度取向必须使得刀片从一个盘到下一个盘正确地遵循第一螺旋线(即,刀片取向)。
轴向滚刀50还表示通过将一个或多个外周刀具安装在彼此后面来形成轴向滚刀以及形成零导程角滚刀的成本有效且模块化的方法。轴向滚刀50是非常灵活的,因为其可安装成所需规格,考虑工件的宽度以及任何超程情况。在非均匀磨损、切削刃磨损(碎裂)乃至齿断裂的情况下,可以更换单个刀片多个刀具52必须安装成,使得刀片的旋转方向变化了:
(刀具与工件之间的倾角)*(盘间距)/(滚刀节径)*180°/π
为了产生切削去除运动,本发明轴向滚刀可以像插齿刀一样用于成形过程中。优点是,在轴向行程期间,沿槽深度方向的横进给运动可以引入,这将允许在一个单行程中切削整个槽深度。展成渐开线齿廓仍然需要刀具与工件之间的滚动运动。在一次工件旋转之后,工件或者是成品或者是粗加工品。在高齿轮质量和高表面光洁度要求的情况下,具有精加工行程的第二次工件旋转可以施加。还设想了各自具有相应的精加工行程的额外工件旋转。为了精加工,刀具可以沿轴向方向重新定位,以利用仅用于精加工的刀具的新段。
为了产生切屑去除运动,轴向滚刀可像拉刀一样使用。当滚刀执行拉削行程(类似于成形)时,滚刀设成全深度并且旋转(以相对于工件的正确比),使得内圆柱齿轮在一个单行程中完成加工。对于高表面光洁度和较低的切削力,齿轮可以在几个行程中完成加工。在半拉削过程的情况下,齿应从滚刀的一端交错到滚刀的另一端。因此,滚刀的直径从切削开始的滚刀的一侧(前端)增加到切削结束的滚刀的一侧(后端)。
如果轴向滚刀用于动力刮削过程,则刀具的轴线和工件的轴线必须倾斜。如同传统动力刮削,切屑去除表面速度必须通过该轴向倾角产生(参见图3)。
本发明的轴向滚刀适于在机床上制造齿轮,机床包括但不限于齿轮成形机、动力刮削机、多轴自由型锥齿轮和准双曲面齿轮机床(例如US 6,712,566)和五轴加工中心。
实例1:
轴向滚刀定位成使滚刀与工件轴线的交叉点位于工件的齿宽的中间位置上(在工件的外侧上),并且刀具通过沿径向工件方向(指向内侧)进给来进给到工件材料中。具有喉部的展成的“圆柱形”齿轮形成。滚刀刀尖的包络圆柱具有离在齿宽中间的工作齿轮的中心线最短的距离(见图9(a))。该距离沿朝向圆柱形工作齿轮的端部的两个方向增加,并且因此形成包络齿轮或带喉齿轮。
图9(a)示出了用于用轴向滚刀62动力刮削外齿轮60的刀具与工件之间的取向。进给方向是径向横进给。展成的外圆柱形齿轮的几何形状示出了节面母线(pitch element,节元素)中的喉部。节面母线不是圆柱形的,而是双曲面的。
实例2:
轴向滚刀定位成使滚刀与工件轴线的交叉点位于工件的齿宽中间,并且滚刀沿其轴线移位到工作齿轮的外侧以清除工件。在该实例中,移位是沿切削刀具轴线的方向施加的轴向进给运动(参见图9(b))。此外,在该实例中,展成的“圆柱形”齿轮将具有喉部。滚刀刀尖的包络圆柱具有离在齿宽中间的工作齿轮的中心线最短的距离。该距离沿朝向形成喉部的圆柱形工作齿轮的端部的两个方向增加。
图9(b)示出了用于用轴向滚刀66动力刮削外齿轮64的刀具与工件之间的取向。进给沿轴向滚刀方向。在轴向进给方向的情况下,所产生的展成的外圆柱形齿轮的几何形状是在节面母线中的喉部。节面母线不是圆柱形的,而是双曲面的。
实例3:
图10示出了用于用轴向滚刀72动力刮削外齿轮70的刀具与工件之间的取向。滚刀的进给方向沿工作齿轮70的轴线W的方向。在该进给方向的情况下,实现了节面母线的完全铺开。所产生的节面母线是圆柱形的。
滚刀82定位成,使得轴线交叉点在离在工作齿轮70的一侧上(在工件的外侧上)的面的已知距离处,并且轴向进给运动沿工件轴线的方向施加。因此,滚刀刀尖的包络圆柱与工作齿轮轴线之间最短距离将沿齿宽扫过,同时进给运动使滚刀沿工作齿轮轴线的方向移动。工件旋转与滚刀旋转之间的比i从下式计算出:
i=z滚刀/z工件
其中:z滚刀=滚刀上的刀“头”数
z工件=工件上的齿数
RPM滚刀=RPM工件*i
为了展成正确的渐开线齿廓和正确的导程角,工件(或滚刀)必须进行叠加的差动旋转滚刀的差动旋转计算如下:
如果工作齿轮是正齿轮,则差动旋转为零。在这种情况下,展成的节面母线是圆柱形。
图11-13(实例4-6)示出了用于通过轴向滚刀动力刮削内齿轮的轴向滚刀与工件之间的取向。滚刀的进给方向要么是径向的,要么沿轴向滚刀方向或者轴向工作齿轮方向。径向插入和轴向进给到滚刀轴线的进给展成双曲面节面母线(喉状节面母线)。这种内齿轮可用于交叉轴线布置,其中内齿轮与圆柱形小齿轮啮合。
实例4:
参照图11,轴向滚刀80定位成使得滚刀(刀具)轴线和工件轴线的交点位于工件82的齿宽中间(在工件内侧上),并且滚刀80沿径向工件方向进给到工件中(向外侧)。带喉内齿轮形成。
实例5:
参照图12,轴向滚刀86定位成,使得滚刀(刀具)轴线与工件轴线的交叉点在离在工作齿轮88的一侧上(在工件的内侧上)的面的已知距离处,并且轴向进给运动沿滚刀轴线的方向施加。带喉内齿轮形成。
实例6:
参照图13,轴向滚刀90定位成,使得滚刀轴线与工件轴线的交叉点在离在工作齿轮92的一侧上(在工件的内侧上)的面的已知距离处,并且轴向进给运动沿工件轴线的方向施加。在这种情况下,工作齿轮将被滚刀的两端切断并且工作齿轮将被损坏。
施加在工件齿轮轴线方向上的进给将使内齿轮切断到齿被去除的程度(导致齿根圆柱坯)。随着滚刀变得越大,切断变得越大。
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)
1.一种用于加工齿轮和其它齿状制品的轴向滚刀,所述轴向滚刀为圆柱形形状的,并且包括:
长度、直径以及一对轴向相对的端部、延伸所述滚刀的长度的旋转轴线,其中,所述轴向滚刀能绕所述轴线旋转,
绕所述滚刀布置的多个切削齿,各齿沿由相对于所述旋转轴线的第一螺旋角限定的第一方向定向,
其中,每个切削齿包括切削面,并且所有切削面均朝向所述轴向相对的端部之一定向,
其特征在于,所述轴向滚刀要么构造成执行动力刮削过程作为加工,要么构造成执行成形过程作为加工,并且所述切削面构成与由所述第一螺旋角限定的螺旋线垂直的切削前刀面。
2.如权利要求1所述的轴向滚刀,其特征在于,还包括,所述切削齿沿相对于与所述旋转轴线垂直的线的第二螺旋角限定的第二方向定向。
3.如权利要求2所述的轴向滚刀,其特征在于,所述第一方向和所述第二方向相互垂直。
4.如权利要求2所述的轴向滚刀,其特征在于,所述第二螺旋角等于零度。
5.如权利要求1所述的轴向滚刀,其特征在于,所述滚刀包括多个切削盘,每个切削盘具有绕其周界布置的切削齿,所述切削盘沿轴向方向连续布置并且相对于彼此旋转定向,由此所有盘的切削齿均共同地布置成沿第一方向相对于所述旋转轴线定向,以限定所述第一螺旋角。
6.如权利要求1所述的轴向滚刀,其特征在于,每个切削面包括左切削齿廓和右切削齿廓。
7.如权利要求6所述的轴向滚刀,其特征在于,所述左切削齿廓和所述右切削齿廓各自具有呈渐开线形式的形状。
8.如权利要求6所述的轴向滚刀,其特征在于,还包括在所述左切削齿廓和所述右切削齿廓上的相等的侧倾角。
9.如权利要求1所述的轴向滚刀,其特征在于,每个切削面形成在可更换的切削刀片上。
10.一种用轴向滚刀从齿轮工件加工出齿轮的方法,所述齿轮工件具有旋转轴线,所述方法包括:
提供轴向滚刀,所述轴向滚刀是圆柱形的并且包括长度、直径和一对轴向相对的端部、延伸所述滚刀的长度的旋转轴线,其中,所述轴向滚刀能绕所述轴线旋转,多个切削齿绕所述滚刀布置,所述切削齿沿由相对于所述旋转轴线的第一螺旋角限定的第一方向定向,其中每个切削齿包括切削面,并且其中所有切削面均朝向所述轴向相对的端部之一定向,所述切削面构成与由所述第一螺旋角限定的螺旋线垂直的切削前刀面,
使所述滚刀和所述齿轮工件绕其各自旋转轴线以预定比旋转,
将轴向滚刀旋转轴线以一倾角(Σ)相对于齿轮工件轴线定向以用于动力刮削过程,或者与所述齿轮工件轴线平行以用于成形过程,
沿滚刀轴线的方向或者相对于所述齿轮工件轴线沿径向,将所述滚刀沿平行于所述齿轮工件的进给方向移动穿过所述齿轮工件的外表面。
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