專利名稱：制造直齒錐齒輪的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及錐齒輪的制造，尤其是直齒錐齒輪的制造。
技術背景已知通過一對傾斜的旋轉切削工具來生產直齒錐齒輪、以及斜齒錐齒輪、 面連接器以及花鍵部件，所述一對工具的旋轉切削刀片有效地互鎖以在工件上 同時切削相同的齒距。在授予Wildhaber的美國專利第2，586，451、授予Carlsen 的美國專利第2,567,273和2,775,921、授予Spear的美國專利第2,947,062 或在格里森工廠(Gleason Works)出版的"102號直齒錐齒輪Coniflex⑧滾 銑器"的公司手冊中可以看到這種類型加工的實例?？赏ㄟ^非滾銑工藝來形成直齒錐齒輪，其中傾斜工具插入工件以形成齒 槽，該齒槽的齒廓面與刀片切削刃的形式相同?；蛘?，可這樣滾銑齒面，其中 傾斜刀具承載在機床托架上，該托架將工具和工件一起滾動以在工件上形成所滾銑的廓面。在任一種情況下，工具都可包括相對于切削工具旋轉平面以微小 角度(例如3。)設置的切削刃。這種傾斜的切削刃與工具的傾斜相結合，在 齒槽的端部去除更多的材料，由此導致用于齒承載定位的齒面的縱向彎曲(即 縱向松弛(ease-off))。從授予Elbertz的美國專利第2,342,129中還已知提供了用于切削直齒錐 齒輪的機床和工藝，其中使用單個工具來切削齒槽的第一部分，隨后將工 具或工件180°再定位并接著使用工具切削齒槽的其余部分。工具相對于工 件的路徑由主表面和引導件控制。假如工具沒有傾斜，則Elbertz的工藝不 可能有縱向隆起，且切削工具會由此在齒端切削得較淺從而在齒端部留下多余的金屬。此外對于Elbertz來說，180°再定位工作臺或工具頭是耗時 的，且由于將工作臺或工具頭移動相當大的行進距離來加工整個齒槽而自 身導致加工不精確。發(fā)明內容本發(fā)明涉及一種在多軸線計算機控制機床上生產直齒錐齒輪等，其中在加 工過程中使用一個工具。


圖1示出了互鎖布置的一對傾斜刀具在工件上切削齒槽。 圖2是實施本發(fā)明方法的機床的實例。 圖3示出了基本錐齒輪滾銑機床。圖4示出了互鎖刀具裝置的上部刀具從機械直齒錐齒輪滾銑機床的總體 參數(shù)項(summary item)到基本機床設定的的轉換。 圖5示出了以相反方式安裝切削盤。圖6示出了機械加工機床和自由型(free form)機床的滾銑滾動范圍的比較。圖7示出了齒面的上部切割和齒面的下部切割之間的過渡旋轉。 圖8示出了用于使工件和切削刀具配合的矢量進給方法。
具體實施方式
現(xiàn)將參照僅示例性的表示本發(fā)明的附圖討論本發(fā)明的細節(jié)。在附圖中，相 同的部件用相同的標號來表示。盡管將參照直齒錐齒輪對較佳實施例進行討 論，但本發(fā)明并不限于此，而是想要包括類似類型的有齒構件，例如錐齒輪、 面連接器和花鍵軸。圖1示出了具有用于在工件8上切削齒槽的切割刀片6的一對傾斜旋轉盤 刀具2、 4 (通常稱為上部刀具和下部刀具)的現(xiàn)有技術布置。刀具2可圍繞軸 線12轉動且刀具4可圍繞軸線10轉動。在常規(guī)機械托架型機床上的滾銑過程 中，傾斜刀具2， 4通常進給到工件內預定深度，并以與工件8的旋轉同步的方式開始機床托架(未示出)的滾銑滾動以滾銑出齒廓面14、 16。本發(fā)明考慮了在任何所謂的6軸線CNC齒輪制造機床(通常稱為"自由 形式"機床)上切削直齒錐齒輪，這些機床為諸如美國專利第6,712,566、 4,981,402或5,961,260中所揭示的機床。圖2示出了美國專利第6,712,566 中揭示的類型的機床20，其內容以參見的方式納入本文。盡管迄今為止揭 示的這些類型的機床使用面銑或滾銑型刀具(其中切削刀片從刀具頭的前 表面突出)生產螺旋形錐齒輪和準雙曲面齒輪，但本發(fā)明人現(xiàn)發(fā)現(xiàn)具有徑 向延伸切削刀片的單個切削盤，諸如圖1中的刀具2或4，可設置在諸如圖 2的機床之類的機床上，并以可生產直齒錐齒輪的方式操作?，F(xiàn)將描述圖2的機床20。為了便于觀察各機床部件，圖2示出了不帶 門和外部金屬板的本發(fā)明機床。機床20包括單個固定的柱體24，該柱體較 佳地是諸如鑄鐵或礦物鑄件之類的單體結構，但也可用諸如多個金屬板(例 如鋼或鑄鐵)或多個單獨的框架構件(諸如角柱和支承構件)之類的其它 構件裝配而成。柱體24包括以所要求的角度定向的第一側26和第二側28， 較佳的是它們相互垂直。第一和第二側各包括寬度和高度(如圖2所示)。 或者，單體式柱體24可包括具有非平面?zhèn)鹊男问?，諸如大致圓柱形柱體。第一側26包括可圍繞軸線Q旋轉的第一心軸30并較佳地由直接驅動 電動機32驅動，該電動機32較佳的是液體冷卻并較佳地安裝在前部和后 部心軸軸承(未示出)后面。心軸30可樞轉地固定到心軸支承件31上， 該心軸支承件31隨著心軸30可沿第一側26的寬度的方向Z在附連到柱體 24上的導軌34上移動。心軸30沿方向Z的運動由電動機36通過直接聯(lián) 接滾珠絲杠(未示出)或通過直接驅動來提供。切削或磨削工具38 (示出為切削刀具)通過安裝裝置39可拆卸地安裝到 心軸30上。切削工具38是單個刀具，且較佳的是所示的圖1的刀具2或4的 類型，它包括從工具本體的周界徑向(相對于工具的旋轉軸線)突出的多個切 削刀片。圖7示出了切削刀片80，該刀片80包括切削刃82、前表面84、間隙 刃86、間隙側表面88、尖端90和背面92。圖8是圖7的后視圖，并示出了背 面92、尖端90、切削刃82和切削側表面94。工具38的切削刀片還較佳的包 括設置成相對于刀具旋轉表面成微小角度(例如3。 一4° )的切削刃，因此使刀具略微呈盤形形狀。該角稱為"盤角"且在圖8中由D表示。如上所述，第一心軸30附連到心軸支承件31上，使得可能發(fā)生心軸圍繞 樞轉軸線F的任何樞轉，以及因此工具38也同樣樞轉。心軸支架33通過至少 一個(較佳的兩個)軸承連接件40和42 (上部軸承連接件40和下部軸承連接 件42)可樞轉地附連到支承件31。借助于電動機44和直接聯(lián)接滾珠絲杠46 或通過直接驅動，通過軛架50的套管部分48作用來實現(xiàn)心軸30的樞轉。軛 架50較佳地在上部連接件52和下部連接件54處可樞轉地附連到心軸30上， 使得軛架50可圍繞軸線V相對于心軸30傾斜地移動。滾珠絲杠46的行進， 以及因此產生的軛架50的行進有效地推動驅動電動機32傾斜地遠離柱體24， 由此引起圍繞軸線F的樞轉運動以將工具38朝向機床柱24傾斜地移動。當然， 縮回滾珠絲杠46具有相反的效果。或者，為了實現(xiàn)心軸30的樞轉，在沿Z方 向定向并設置在心軸支承件31上的至少一個導軌上可移動的滑動件可通過連 桿機構連接到心軸30或電動機42上?；瑒蛹趯к壣系倪\動引起心軸30圍 繞軸線F樞轉。另一替代形式包括軸承連接件中42、 43的一個或兩個處的電 動機以實現(xiàn)心軸30的樞轉。第二側28包括可圍繞軸線N旋轉的第二心軸60并較佳地由直接驅動電 動機62驅動，該電動機62較佳的是液體冷卻，并較佳地安裝在前部和后部心 軸軸承(未示出)的后面。心軸60可沿第二側28寬度的X方向在附連到滑動 件66的導軌64上移動。心軸60沿方向X的運動由電動機通過直接聯(lián)接滾珠 絲杠69或通過直接驅動提供。較佳的是，工件(圖2中的小齒輪70或環(huán)齒輪) 通過本領域己知的適當?shù)墓ぜ３盅b置61可拆卸地安裝到心軸60上。因為滑 動件66借助于導軌72可沿Y方向移動，所以心軸60還可沿第二側28高度的 Y方向移動，該運動由電動機74通過直接聯(lián)接滾珠絲杠75或通過直接驅動提 供。方向X、 Y和Z較佳地相對于彼此相互垂直，盡管它們中的一個或多個也 可相對于其垂直方向傾斜。為了說明目的，在所有附圖中，Y方向是垂直的。 第一心軸30沿方向Z的運動、第二心軸60沿方向X的運動、第二心軸 60通過滑動件66沿方向Y的運動、第一心軸30圍繞軸線F的樞轉、以及第 一心軸30的旋轉和第二心軸60的旋轉分別通過獨立的驅動電動機36、38、74、 44、 32和62來提供。上述部件能夠相對于彼此獨立運動或可彼此同時移動。各電動機較佳的與反饋裝置關聯(lián)，反饋裝置為諸如線性或旋轉編碼器，例如樞轉軸線編碼器43 (圖2)，它作為根據(jù)輸入計算機控制器(即CNC)的指令 控制驅動電動機的運行的CNC系統(tǒng)的一部分，CNC系統(tǒng)諸如富士通自動數(shù)控 模塊160i或西門子模塊840D (未示出)。實施例所示出的本發(fā)明的機床由控制器引導，該控制器較佳地向各驅動電 動機連續(xù)發(fā)出定位和/或速度指令?？蔀閳D2的機床構造開發(fā)出一組公式。但較 佳的是將與常規(guī)機械托架型齒輪滾銑機床(圖3所示的"基本型"機床)相同 的輸入?yún)?shù)用于具有不同數(shù)量和/或構造軸線的機床。換言之，將常規(guī)機械托架 型錐齒輪滾銑機床的坐標系統(tǒng)中的工具和工件軸線的位置轉換成多軸線機床 (諸如圖2的機床)的另一坐標系統(tǒng)?？稍谇笆銮夜餐D讓的U.S. 6,712,566 或共同轉讓的美國專利第4,981,402中發(fā)現(xiàn)這種類型的轉換的實例，其內容 以納入本文作為參考。圖3示出了用于生產錐齒輪的常規(guī)機械托架型錐齒輪滾銑機床160。該機 床通常包括機床框架162、工件支承機構164和托架支承件166，托架支承件 166包括托架機構168。傳統(tǒng)上，常規(guī)機械托架型錐齒輪滾銑機床通常裝有一 系列線性和角刻度(即設定(setting))，這有助于操作員精確地將各機床部 件定位在其正確位置。以下是諸如圖3所示機床之類的傾斜裝備常規(guī)機械托架 型錐齒輪上發(fā)現(xiàn)的設定的說明 偏心角170控制托架軸線AcR和工具軸線T之間的距離， 工具心軸旋轉角172控制托架軸線和工具軸線之間的角度，通常 稱為傾角， 旋角174控制工具軸線相對于托架188上固定參考系的定向， 托架角176圍繞托架軸線以相同的角度位置定位工具178， 齒根角180相對于托架軸線定向工件支承件164， 滑動基數(shù)182是調節(jié)工具與工件嚙合的深度的線性尺寸， 頭部設定184是沿工件軸線W對工件支承件164的線性調節(jié)，以 及 工件偏移量186控制工件軸線相對于托架軸線的偏移量。 最終設定、滾動比控制托架168和工件188之間的相對旋轉運動。應當注意，必須考慮以下工件和工具設計規(guī)格來計算以上一些機床設定 毛坯工件的安裝距離(符號一Md)， 工件保持裝置的總長度(符號一Ab)，以及 工具的總高度(符號一h)。發(fā)明人已經發(fā)現(xiàn)可通過使用單個切削盤(例如圖1的刀具2或4中的任意 一個)在如圖2所示的多軸線齒輪滾銑機床上生產直齒錐齒輪，與上述現(xiàn)有技術中所示的一對傾斜互鎖切削盤完全不同。單個盤型切削工具相對于工件被定 位，以切削齒槽的第一部分。然后工具和工件相對于彼此重新定位并使用同一 工具切削齒槽的其余部分。在本發(fā)明中，由于常規(guī)機械型直齒錐齒輪滾銑機床包括兩個斜的刀具軸 線，本發(fā)明的切削循環(huán)較佳地被分成兩次切削循環(huán)。起初，進行從常規(guī)機械型 直齒錐齒輪滾銑機床的斜刀具之一的機床軸線設定(機械機床"總體參數(shù)")到被稱為"基本"機床(圖3)的理論托架型錐齒輪滾銑機床的軸線設定的第 一轉換。然后將這種基本設定轉換成多軸線機床(如以上U.S. 6,712,566或美 國專利第4,981 ，402中所述)的軸線布置，以切削直齒錐齒輪的齒槽的第一 部分。根據(jù)機械機床的另一斜軸線刀具，類似地對多軸線機床進行第二組轉換， 以切削直齒錐齒輪的齒槽的其余部分。使用互鎖刀具的過程的直齒錐齒輪切削總體參數(shù)包含以下齒輪幾何參數(shù) 相關設定。第1組的設定最初對于上部和下部刀具來說是相同的，但在機械機 床上接觸優(yōu)化過程中可能發(fā)生改變。第2組的設定對于機械機床的上部和下部 刀具來說總是相同。在自由型機床中，為了優(yōu)化小齒輪或環(huán)形齒輪，第l組和 第2組的所有設定都可變化。第1組空間角刀具偏移量刀具圓錐距離刀具旋角第2組托架測試滾動量(roll)工件測試滾動量(roll)開始滾動位置終止?jié)L動位置機加工齒根角滑動基數(shù)為了將刀具正確地定位在機械機床中，需要與工具相關的第3組尺寸 第3組實際刀具直徑 刀具參考高度為了將機械機床的大體參數(shù)轉化成基本設定，還需要第4組機床常數(shù)第4組 刀具傾角 回轉軸線常數(shù) 刀具計量參考半徑圖4示出了互鎖刀具布置的上部刀具從機械直齒錐齒輪滾銑機床的總體 參數(shù)項到基本機床設定的轉換。參見圖4和以下方程，將描述從常規(guī)機械型直 齒錐齒輪滾銑機床(上部刀具)到基本錐齒輪滾銑機床的轉換。需要對下部刀 具進行模擬求解，這會產生不同的基本設定。在上部位置用自由型機床切削的 每個齒槽(齒面l)的部分是用圖4中產生的基本設定進行切削的。在下部位 置用自由形式機床切削的每個齒槽(齒面2)的部分是用由總體參數(shù)項的模擬 轉換得到的基本設定進行切削的。工件中心的初始矢量<formula>formula see original document page 9</formula>其中Af刀具圓錐距離。(1)加上刀具偏移量其中E產刀具偏移]<formula>formula see original document page 9</formula>(2)繞空間角旋轉<formula>formula see original document page 10</formula>
其中05=空間角(3)加上滑動基數(shù)位置: 「0<formula>formula see original document page 10</formula>其中Xb=滑動基數(shù)(4)初始刀具半徑矢量: 0 R<formula>formula see original document page 10</formula>其中R^二刀具半徑(5)圍繞切削傾角旋轉:<formula>formula see original document page 10</formula>(6)其中(p=刀具傾角(機械機床中刀具的傾斜]計算初始刀具位置矢量<formula>formula see original document page 10</formula> (7)圍繞空間角旋轉<formula>formula see original document page 10</formula>(8)從圍繞Y軸線的j旋轉和圍繞X軸線的i旋轉得到刀具軸線矩陣:<formula>formula see original document page 10</formula>(9)1=傾角=90° —cpx』=旋角=與上部刀具呈卯° (與下部刀具呈-90° )包括圍繞空間角^的旋轉<formula>formula see original document page 10</formula>(10)基本設定計算_徑向距離<formula>formula see original document page 11</formula>(11)中心滾動位置<formula>formula see original document page 11</formula>(12)旋角 <formula>formula see original document page 11</formula>13)傾角 <formula>formula see original document page 11</formula> (14)機加工齒根角 <formula>formula see original document page 11</formula> (15)滾動比 <formula>formula see original document page 11</formula> (16)<formula>formula see original document page 11</formula>其中 WTSTR二工件測試滾動量(roll)(作業(yè)規(guī)范)CTSTR-托架測試滾動量(roll)(作業(yè)規(guī)范) 根據(jù)前述U.S.6,712，566或U.S.4，981,402所揭示的方法來完成基本機床設置到多軸線自由型機床的軸線位置的轉換。較佳的是，切削盤在自由型機床上的安裝位置相對于在機械型直齒錐齒輪 滾銑機床上的安裝位置是相反的。例如，在圖2的自由型機床中，切削盤2(如 圖l所示)在工具心軸上的安裝位置較佳地翻轉180度(即，反向安裝)，使 得圖1中所示切削盤2的可見頂部被定位成與自由型機床的工具心軸相鄰。圖 5示出了以這種反向方式90安裝切削盤，不再需要在切削盤以與安裝到機械機 床心軸上的相同方式92安裝到自由型心軸上時所需要的負加工齒根角。很多 機床在關于負齒根角方向行進量方面都受到限制(例如最大負3-4度)，因此 降低或消除對負齒根角的需要是有利的。圖6顯示，對于機械機床中的上部刀具，滾銑齒面1的完整漸開線需要在 位置2U和3U之間進行滾銑滾動，在該實例中，該滾銑滾動是40。。要求機 械機床中的下部刀具從位置2L滾動到位置1L，在該實例中，該滾動也是40 ° 。因此，為了用常規(guī)機械機床的一對互鎖型刀具完全滾銑圖6中的齒面1和 2，要求從位置1L到位置3U進行滾銑滾動，總的滾動范圍是80。。在自由型機床中，對特定的齒面只需要任一刀具滾動(滾銑)經過所要求 的范圍。機械機床中的附加滾動會引起底切和切斷，這在自由型機床中是可以 避免的。圖6中的圖表部分示出了滾動范圍的不同可能性自由型機床-下部位置的-40°至0°和上部位置的0。至+40°之間的無縫滾動-下部和上部滾動范圍之間的間隙-下部和上部滾動范圍之間的交疊。機械機床-互鎖刀具的從-40°至+40°的僅一個滾動范圍圖7示出了設置在機械機床中并由基本設定表示的上部刀具的正視圖以 及俯視圖。第一旋轉是圍繞所指示坐標系的X-軸線旋轉約加工齒根角Ym，該 第一旋轉將工件軸線與坐標系的Y-軸線對直。第二旋轉是圍繞Y-軸線旋轉直 到刀具軸線矢量水平且不包含X-軸線方向的分量，該第二旋轉對于確定角 AWZu是有必要的。這是刀具和工件在自由型機床中所具有的相對于當?shù)毒咻S 線水平時工件和刀具之間關系的位置。在切削第一 (上部)齒面時，這不是很 重要。在切削第二 (下部)齒面時，為了得到正確的齒槽寬度以將工件旋轉約 -厶 21;而回到空置位置并然后它必須與圖7所示的轉動反向地轉動約AWZ^ 而回到下部位置，這是很重要的。以上可表示成(TK3)=△WZIT = arctan1 0 0 0 consi — sini 0 sini cosi(TK2)其中(TK3),,2(TK3)2,2(TK3)3，2(TK3)表示刀具軸線矢:(17)(18)AWZL是使用機械機床的下部刀具的基本設定刀具軸線矢量模擬計算得到的。因此，為了在正確位置切削出正確的齒槽寬度而進行的齒面1的上部切削 和齒面2的下部切削之間過渡旋轉表達為△WZ = AWZu+AWZL (19) 應當理解，自由型機床中的一個刀具可代表機械機床中的兩個刀具。刀具的下 部代表上部刀具，且刀具的上部代表下部刀具。這就是單個刀具在自由形式機 床上(在轉化成基本設定并將基本設定轉換成自由形式坐標之后)在上部位置 運動時使用機械機床中用于上部刀具的總體參數(shù)、而在下部位置運動時使用機 械機床中用于下部刀具的總體參數(shù)的原因。同樣，通過相位角旋轉AWZ來形 成正確的工件旋轉位置。在如上所述首先切削上部齒槽時，以防止由刀具刀片的間隙側進行切削的 方式使工件接近刀具是很重要的。圖8顯示刀具在開始滾動位置。在開始滾動 位置處的最終插入位置產生進給矢量，從而在尚未嚙合的齒面2上留下足夠的 材料(stock)，該開始滾動位置附屬于刀具的位于中心面寬度處的間隙拐角。 該進給矢量較佳地在平均面寬度處垂直于齒根。盡管關于切削進行了討論，但本發(fā)明還可應用于磨削，因為它將使用互鎖 刀具的方法轉換成用單個刀具切削的方法。在磨削機床中，砂輪可修正成復制 切削刃的包絡面，因此這能夠進行保留相同齒面形式的支持錐齒輪的所限定的 硬精加工。應當理解，切削步驟的順序要求并不嚴格。例如，盡管在以上實例中通過 在頂部位置的第一切削和在底部位置的第二切削形成齒槽，但也可在底部位置 首先切削然后在頂部位置進行最后切削來形成齒槽?；蛘撸稍陧敳炕虻撞课?置之-一上切削工件上的所有齒槽，然后在頂部或底部位置中的另一位置切削所 有齒槽的其余部分。本方法使相對于工具重置刀具而進行的加工行進量最小(且因此時間最短)。參照圖2，可以看出重置基本上僅需要在Y方向移動，且移動距離大約等于工具和工件的直徑之和。重置不需要將很大的質量回轉一定弧度而到達新 的位置。滾銑齒槽不需要主表面和引導件。此外，由于盤形工具和機床軸線運 動的組合，可產生長度方向的隆起。本發(fā)明還考慮到在單次轉化步驟中將機械機床的設定直接轉化成自由型 機床的軸線位置。盡管參照較佳實施例對本發(fā)明進行了描述，但應當理解本發(fā)明并不限于這 些具體形式。本發(fā)明包括對本主題所屬領域技術人員顯而易見的更改。
權利要求
1.一種在多軸線自由型齒輪滾銑機床上加工錐齒輪的方法，所述方法包括從第一機床提供軸線設定，所述第一機床包括第一和第二工具，所述第一和第二工具各具有材料去除表面，所述第一和第二工具各以傾斜方式定位于所述第一機床內，由此在加工過程中轉動時，形成第一和第二工具的材料去除表面的互鎖布置來加工齒槽，將所述第一機床的所述第一傾斜工具的軸線設置轉換成基本齒輪滾銑機床的軸線設置，將所述基本齒輪滾銑機床的軸線設置轉換成所述多軸線自由型齒輪滾銑機床的軸線設置，在所述多軸線自由型機床上在工件內加工齒槽的第一部分，用具有所述第一和第二工具之一的形式的工具進行所述加工。
2. 如權利要求1所述的方法，其特征在于，還包括將所述第一機床的所述第二傾斜工具的軸線設置轉換成基本齒輪滾銑機 床的軸線設置，將所述基本齒輪滾銑機床的所述軸線設置轉換成所述多軸線自由型齒輪 滾銑機床的軸線設置，在工件上加工所述齒槽的其余部分，用具有所述第一和第二工具之一的形 式的所述工具進行所述其余部分的所述加工。
3. 如權利要求2所述的方法，其特征在于，在加工所述工件上所有齒槽的所述第一部分之后加工所述工件的所有齒槽的所述其余部分。
4. 如權利要求1所述的方法，其特征在于，所述工具和所述工件以所述工 具沿矢量進給路徑進給到所述工件內的方式相對彼此移動。
5. 如權利要求1所述的方法，其特征在于，具有所述第一和第二工具之一 的形式的所述工具是切削工具。
6. 如權利要求1所述的方法，其特征在于，具有所述第一和第二工具 之一的形式的所述工具是砂輪。
全文摘要
本文揭示了一種在多軸線計算機控制機床上生產直齒錐齒輪等的方法和工具設置，其中在加工過程中使用一個工具。
文檔編號B23F5/20GK101282810SQ200680037059
公開日2008年10月8日 申請日期2006年10月4日 優(yōu)先權日2005年10月4日
發(fā)明者E·D·厄維, H·J·斯塔特費爾德, T·J·克倫澤, U·蓋瑟 申請人:格里森工場