CN109641296A - 在工具几何形状不变的情况下的强力刮齿压力角校正 - Google Patents

Abstract

可以在不需要改变工具几何形状的情况下实现强力刮齿刀具(20)中的切削刀片压力角变化或校正。刀片参考点(24)的轴向移位(26)将使刀片轮廓(22，23)上的现有渐开线移位至不同的径向位置。参考渐开线轮廓(30)达近似相同的量并且沿相同方向的伴随移位(AR)将重新建立工作齿轮与刀具之间的关系。由此产生的工作齿轮几何形状具有相同的槽径向位置、具有相同的槽宽和相同的齿厚度，但具有改变的压力角。

Description

在工具几何形状不变的情况下的强力刮齿压力角校正

技术领域

本发明涉及通过强力刮齿(power skiving)工艺制造齿轮，尤其涉及一种调节或校正强力刮齿工具的切削刀片的压力角的方法，而不需要改变刀片的几何形状。

背景技术

圆柱形滚齿用于制造外圆柱形齿轮、斜齿轮和蜗轮。由于中心线的左右断裂，无法使用圆柱形滚齿制造内齿轮。圆柱形滚刀的轮廓为梯形，其反映了待制造部件的压力角和模块(深度和模数)。如图1所示，可以在穿过滚刀中心的平面中在轴线平面(例如水平面)中观察到所谓的参考轮廓。在正齿轮制造的情况下，滚刀轴线H和工件轴线W的方向彼此垂直或成角度略微倾斜，所述角度与滚刀齿的导程角度相同或相似。

图1显示了圆柱形滚刀和虚拟生成齿条的三维图形。滚刀在水平面上模拟生成齿条的轮廓(图中显示了齿条的顶部轮廓平面)，在图1所示的简单情况下，其含有滚刀的旋转轴线。如果滚刀旋转(如“F”所示)，则生成齿条将沿方向“G”移动。如果滚刀启动一次，则旋转一次将使齿条沿方向G移动一个螺距。为了切削具有图1中齿条的宽度的齿轮，滚刀必须沿方向“E”移动，直到水平面(包含滚刀轴线)到达齿条的底部轮廓平面。因此，如果前表面与轴向平面重合，则滚刀齿在其前表面上显示齿条轮廓。每次滚刀旋转，使齿条移动一个螺距，也需要将工件旋转一个螺距(旋转C)。在这种情况下，所有的主要切削力都与滚刀相切并直接转换成旋转滚刀所需的扭矩。

在斜齿轮的情况下，滚刀轴线以螺旋角的值相对于工件轴线倾斜，可能增加或减少滚刀导程角(取决于导程方向)。一次滚刀旋转(在单次启动滚刀的情况下)需要将虚拟生成齿条N沿方向“G”移动一个螺距。例如，如果外部圆柱形工作齿轮位于齿条的另一侧而不是滚刀上，并且如果所述工作齿轮与虚拟生成齿条“接合”，则滚刀在它旋转(方向F)时将渐开线齿切削到工作齿轮坯料上。在每次滚刀旋转期间，工作齿轮必须旋转一个螺距(一个启动滚刀)。由于在滚刀旋转时生成齿条必须沿“G”方向移动，因此工作齿轮也不得不沿方向“C”旋转，以便生成渐开线轮廓，并且还可以在工作齿轮周围工作并在工作齿轮圆周上切削出所有齿(槽)。

图2显示了成形刀具和虚拟生成齿条的三维图形。当成形刀具围绕其轴线旋转(如Sk所示)时，生成齿条在方向“G”上移动，并且成形刀具齿的渐开线轮廓将形成齿条的梯形参考轮廓。尽管所描述的刀具旋转和齿条移位将形成齿条的轮廓，但它不会提供任何切削动作。成形刀具齿具有渐开线轮廓，其需要在径向平面(垂直于成形刀具的轴线)中形成齿条齿的直线轮廓。成形刀具的轴向上的行程运动“V”需要引入切削动作，并且还需要切削齿轮的面宽度。如果行程的长度等于齿条的宽度，则可以切削具有相同面宽度的圆柱形齿轮，如图2中左侧所示。当生成齿条沿方向“G”移动时，例如，通过一个节距，与齿条接合的工件也必须旋转一个节距(旋转C)。在这种情况下，如图2所示，所有主要切削力都指向轴向成形刀具方向。

成形是一种方法，其中圆柱形小齿轮状刀具在与外部或内部工件接合时轴向(图2中的V)行程。每个向前行程移除材料，同时在行程中，执行成形刀具与工件之间的连续指数旋转。当成形刀具旋转一个节距(旋转S_k)时，生成齿条在方向“G”上移动一个节距，并且工作齿轮在旋转方向“C”上旋转一个节距(图2中)。每个反向行程都是非生产性的，这使得形成一个相当缓慢的过程。在加工内齿轮(不可能用滚齿加工)或在加工齿末端后面不允许超行程间隙的齿轮(通常也不可能用滚齿加工)中，成型技术具有很强的优势。

图3示出了强力刮齿刀具和内齿轮的方向、前视图及俯视图。当刀具旋转时，其齿的渐开线轮廓形成虚拟生成齿条的直线轮廓(图3中未示出)。刀具的旋转使生成齿条侧向移动(如图2所示)。覆盖生成齿条齿的宽度(等于待切削的圆柱齿轮的面宽度)需要刀具在轴向工作齿轮方向(Y4、Z4)上的进给运动。

与图2中的成形刀具相比，强力刮齿中的切削动作不是通过轴向行程产生的，而是仅通过刮削刀具与工作齿轮之间的相对运动(在两者的同步旋转期间)产生的，所述相对运动指向工作齿轮的引导方向。利用工件与刀具之间的倾斜角度产生相对运动(参见图3中的轴角Σ)。切削齿接合在工件的槽中，同时切削器和工件旋转并产生速度V_工具和V_工件，如图3所示。两个圆周速度之间的差用作切削速度V_切削。因此，切削速度V_切削是刀具RPM(或角速度ω_工具)和倾斜角：Σ:的函数

V_切削＝ω_工具*sinΣ

通过强力刮齿，工具具有针对一个特定工作齿轮几何形状而确定和制造的复杂几何形状。如图4所示的实心高速钢刀具1是在强力刮齿过程中使用的最常见的工具类型。刀盘1例如由高速钢材料制成。刀盘1具有多个切削齿(或刀片)2，所述切削齿(或刀片)2具有正面3、两个切削刃4和5、在切削刃4和5后面的两个侧面修薄表面6和7以及顶部修薄表面8。

如果这种工具产生具有压力角误差的齿，则在现有技术中已知用于压力角变化的校正方法。这种纠正方法包含：

A.用修正后的压力角重新研磨刀盘的所有齿(刀片)2。

B.三维刀具倾斜，其在切削过程中利用工具正面3的轮廓的投影而不是真实的正面轮廓3。

方法A昂贵且耗时。为了重新成形和重新涂覆刀盘1的刀片轮廓4和5，可能需要几周的周转时间。在大多数情况下，由于校正的轮廓将需要改变盘1的直径和/或厚度，甚至不可能进行这种再加工。直径变化将导致制造的工作齿轮15的额外的齿廓变形，因此是不允许的。在大多数情况下，改变刀盘1的厚度是不可能的，因为前表面切削轮廓后面的侧面修薄(表面6和7)减小了切削齿的厚度，这将导致所产生的齿轮中的齿厚度误差。

方法B可以在非常小的范围内应用。改变刀盘的三维方向(图3)可能会校正压力角误差，但也会使渐开线轮廓变形，从而导致生产的工作齿轮出现二次轮廓误差。这种校正所需的附加工具倾斜也将减小或增加技术刀片角度，诸如侧倾角(表面3)、侧面后角(表面6和7)和顶部后角(表面8)，这可能具有对刀具寿命和产生的表面光洁度产生不利影响。

发明内容

可以在不需要改变工具几何形状的情况下实现强力刮齿刀具中的切削刀片压力角变化和/或校正。刀片参考点的轴向移动将使刀片轮廓上的现有渐开线移动到不同的径向位置。参考渐开线轮廓达相同的量并且沿相同方向的伴随移位将重新建立工作齿轮与刀具之间的关系。由此产生的工作齿轮几何形状具有相同的槽径向位置、具有相同的槽宽和相同的齿厚度，但具有改变的压力角。

特别地，本发明的方法包括改变利用切削工具通过强力刮齿产生的齿轮齿的压力角，所述切削工具具有周边以及围绕切削工具的周边定位的多个杆状切削刀片。所述方法包含提供一种切削工具，其具有切削刀片的初始径向位置，并提供第一齿轮，其具有初始压力角、齿槽的径向位置、齿槽宽度和齿厚度。利用所述工具通过强力刮齿形成第一齿轮(可以是理论参考齿轮)，所述工具具有切削刀片的初始径向位置，其中强力刮齿在第一齿轮与切削工具之间的第一中心距离处进行。切削刀片的初始径向位置以量(Y)改变到调节的径向位置，并且所述第一齿轮与所述切削工具之间的第一中心距离以量(△R)改变到调节的中心距离。利用所述工具通过强力刮齿(利用与第一齿轮的工件坯料相同的工件坯料)形成第二齿轮，所述工具具有切削刀片的调节的径向位置，其中强力刮齿在第二齿轮与切削工具之间的调节的中心距离处进行。第二齿轮包括具有与第一齿轮的初始压力角不同的压力角的齿，第二齿轮具有与第一齿轮相同的齿槽的径向位置、齿槽宽度和齿厚度。

附图说明

图1示出了圆柱形滚刀、虚拟生成齿条和工作齿轮的三维图形。

图2示出了成形刀具、虚拟生成齿条和工作齿轮的三维图形。

图3示出了强力刮齿刀具和内齿轮的定向的前视图和俯视图。

图4显示了固体高速钢强力刮齿刀具。

图5示出了外周杆状刀片刀具。

图6示出了在校正径向移位之前及之后的切削刀片的参考轮廓和一条渐开线。

图7示出了径向方向与刀片移位方向之间的关系。

具体实施方式

本说明书中使用的术语“发明”、“所述发明”和“本发明”旨在广泛地指代本说明书的所有主题以及以下任何专利权利要求。含有这些术语的陈述不应被理解为限制本文所述的主题或限制以下任何专利权利要求的含义或范围。此外，本说明书不寻求描述或限制由任何权利要求所涵盖的主题于本申请的任何特定部分、段落、陈述或附图中。通过参考整个说明书、所有附图和以下任何权利要求，应该理解主题。本发明能够具有其它结构，并且能够以各种方式实践或实施。而且，应理解，本文使用的措辞和术语是出于描述的目的，不应视为限制。

现在将参考附图讨论本发明的细节，附图仅以实例的方式说明本发明。在附图中，类似的特征或组件将由相同的附图标记表示。

本文中“包含”、“具有”和“包括”及其变体的使用旨在涵盖其后列出的项目及其等同物以及附加项目。使用字母来标识方法或过程的元素仅仅是用于识别，并不意味着表示元素应该以特定顺序执行。

尽管下面在描述附图时可以参考诸如上、下、上、下、后、底、顶、前、后等的方向，但是这些参考是相对于附图进行的(通常所观察的)为方便起见。这些方向并非字面意思或以任何形式限制本发明。另外，诸如“第一”、“第二”、“第三”等术语在本文中用于描述的目的，并且不旨在表示或暗示重要性或重大性。

图5示出了目前类型的外周切削工具20(例如US 2016/0175950)，其利用单独的刀片杆21作为切削工具，用于包含强力刮齿过程的过程。每个刀片杆21具有前表面25和两个切削刃22和23以及计算点或节点24。形成杆刀片21的切削刃轮廓22和23，以复制或近似可比较的实心刀具1的渐开线轮廓(例如图4)。通过刀片计算点或节点24的轴向位置调节组装刀片的节圆直径。外周杆状刀片刀具20中的节圆直径复制等效实心刀具1的节圆直径(图3中的2*Rw))为了确保外周杆状刀片刀具20产生与可比较的实心圆盘刀具1相同的工件几何形状。为了将节点24定位在正确的径向位置，刀片杆可以在方向26上移动。在杆状刀片21的长度方向上。

图6示出了参考轮廓34以及由参考轮廓34产生的渐开线30，分别通过从基圆39展开虚拟线l*_b。渐开线三角形l*_b→R*_b→(D_0工具/2-△R)能够确定点32处的压力角：α+△α＝arccos[R_b*/(D_0工具/2-△R)]。

发明人已经发现，刀片参考点24(图5)的轴向移动将使刀片轮廓22和23上的现有渐开线移动到不同的径向位置。如果渐开线轮廓30上的点32与渐开线30一起在方向26上以量Y移动到位置31(位于移位的渐开线35上)，那么渐开线30在点32处的压力角现在将被定位在渐开线35上的点31处。参考轮廓34移动相同的量Y(大约等于中心距离调节△R)并变成轮廓36。由于渐开线三角形l_b→R_b→D_0工具/2不同，正确点31处的压力角为α＝arccos[R_b/(D_0工具/2)]。换言之，由于刀片上的现有渐开线移动到更大的半径，点31处的压力角变化等于△α。刀片点32在轮廓34上制造与中心距离校正轮廓36上的刀片点31相同的侧面点。这是由于现有刀片轮廓向较大半径的移动(没有重新开发它制造相同原始参考轮廓将需要的渐开线)。由于上述事实适用于沿轮廓36的每个点，不仅是观察到的点31，而且整个制造的轮廓将相应地改变其压力角。

随着渐开线30向位置35的移动，参考轮廓34也在相同方向上以相同的量移位到位置36。生成参考轮廓34必须以相同的量Y在相同方向26上移位，以重新建立工作齿轮15与刀具20之间的关系，所述关系将产生相同的齿厚度以及在所述径向杆状刀片移位之前制造的工作齿轮15的相同齿深。参考轮廓34到位置36的移动需要切削工具20与工作齿轮15之间的中心距离校正量△R。由此产生的工作齿轮几何形状具有相同的槽径向位置、具有相同的槽宽和相同的齿厚度，但具有由△α改变的压力角。

中心距离是两个平行轴线或交叉轴线齿轮之间的距离。中心距离是连接两条轴线并与每条轴线垂直的线的长度。它也是平行轴线或交叉轴线之间的最短距离。中心距离计算为两个平行轴线齿轮构件的工作节距半径之和。在齿轮制造机器中，通过使工具和工件彼此分开来增加中心距离。

如上所述，原点渐开线位置30在点32处的压力角与工作齿轮制造相关，可通过以下公式计算：

α+△α＝arcos[R_b*/(D_0工具/2-△R)] (1)

在移位的渐开线35上的点31处的压力角可以通过以下公式计算：

α＝arcos[R_b/(D_0工具/2)] (2)

其中R_b＝R_b*并且

其中△α是移位后压力角变化或校正的量

图7示出了用于计算径向移位方向26和渐开线参考线方向37之间的角度γ的几何关系。刀片厚度T_B计算为大圆33的圆弧长度或2γ的圆段的割线。根据理论齿数，将节圆(或参考圆)33的圆周划分为刀片厚度的相等空间以及两个先前刀片之间的间隙。图4的刀具1中展示了理论齿数。根据等式4计算径向刀片移动方向和渐开线参考线之间的角度γ。

根据图7中所示的关系计算移位方向和径向之间的角度。

以下公式可以从图7中的关系派生：

T_B＝(π*D_0工具)/(2*Z_工具) (3)

γ＝arctan[(T_B/2)*(1/(D_0工具/2))]

或

γ＝arctan[π/(2*Z_工具)] (4)

得出：

△R＝Y*cosγ(5)

在通常情况下，当γ等于或小于2°时，等式(3)可以简化为：

△R≈Y (6)

其中：

T_B＝刀片厚度

D_0工具＝刀具节圆

Z_工具＝刀具的齿数(刀片)

γ＝刀片移动方向与渐开线参考线之间的角度

Y＝沿着杆状刀片刀柄方向的刀片移位量

△R＝渐开线的径向位置变化

增量径向刀片位置变化与压力角校正之间的关系计算如下：

R_b＝(D_0工具/2)*cosα (7)

或：

R_b＝[(D_0工具/2)-△R]*cos(α+△α) (8)

(7)→(8)(D_0工具/2)*cosα＝[(D_0工具/2)-△R]*cos(α+△α)

解压力角校正△α：

△α＝arccos[cosα*(1/(1-2*△R/D_0工具))]-α (9)

解△R，假设：

△R≈Y

△R＝D_0工具/2*[1-cosα/cos(α+△α)] (10)

其中：

R_b＝渐开线基圆

α＝压力角

△α＝压力角校正

实例：

工作齿轮齿数＝69

工作齿轮螺距＝175mm

工作齿轮压力角α＝20°

刀具齿数＝35

刀具间距D_0工具＝88.77mm

刀具基圆半径R_b＝R*_b＝(88.77mm/2)*cos[20°]＝41.708mm

△R＝.25mm

△α＝arcos[R*_b/(D_0工具/2-△R)]-arcos[R_b/(D_0工具/2)]

△α＝arcos[41.41mm/(44.385mm-.25mm)]-arcos[41.708mm/44.385

△α＝19.089°-20.000°＝0.91°

本发明的校正压力角的方法避免了需要对刀片轮廓重新研磨(现有技术方法A)，其也需要重新涂覆。重新研磨和重新涂覆是耗时且昂贵的。本发明的方法还避免了根据现有技术方法B的三维刀具倾斜。如果优化这些角度以实现良好的工具寿命和良好的表面光洁度，则方法B(改变工艺工具角度)的副作用尤其是不可接受的。优化的工艺刀片角度在硬切削过程中是特别重要的(软加工和表面硬化齿轮的硬加工)。为了保持技术刀片的几何形状，本发明的方法是适用的。在硬刮削的情况下，本发明的方法提出了压力角变化和/或校正方法，其保持所有技术刀片角度而不需要重新研磨和重新涂覆刀片轮廓。

虽然已经参考优选实施例描述了本发明，但是应该理解，本发明不限于其细节。本发明旨在包含对于本主题所属领域的技术人员显而易见的修改而不背离所附权利要求的精神和范围。

Claims (6)

1.一种改变利用切削工具通过强力刮齿产生的齿轮齿的压力角的方法，所述切削工具具有周边以及围绕所述切削工具的所述周边定位的多个杆状切削刀片，所述方法包括：

提供所述切削工具，所述切削工具具有所述切削刀片的初始径向位置，

提供第一齿轮，所述第一齿轮具有初始压力角、齿槽的径向位置、齿槽宽度和齿厚度，

利用所述工具通过强力刮齿形成所述第一齿轮，所述工具具有切削刀片的所述初始径向位置，所述强力刮齿在所述第一齿轮与所述切削工具之间的第一中心距离处进行，

将所述切削刀片的所述初始径向位置以量(Y)改变至调节的径向位置，

将所述第一齿轮和所述切削工具之间的所述第一中心距离以量(△R)改变至调节的中心距离，

利用所述工具通过强力刮齿形成第二齿轮，所述工具具有切削刀片的所述调节的径向位置，所述强力刮齿在所述第二齿轮与所述切削工具之间的所述调节的中心距离处进行，

其中所述第二齿轮包括具有不同于所述第一齿轮的所述初始压力角的压力角的齿，所述第二齿轮具有与所述第一齿轮相同的齿槽的径向位置、齿槽宽度和齿厚度。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，中心距离变化量(△R)近似等于径向位置的变化量(Y)。

3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述强力刮齿包括硬强力刮齿。

4.根据权利要求1所述的方法，其中，改变所述切削刀片的所述初始径向位置包括使所述多个切削刀片中的每一个的位置沿其长度方向移位。

5.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第一齿轮是理论参考齿轮。

6.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第一齿轮由第一工件坯料形成，所述第二齿轮由第二工件坯料形成，并且其中所述第一工件坯料和所述第二工件坯料是相同的。