CN103732339A - 用没有摆动轴线运动的端面刀盘的锥齿轮制造 - Google Patents

Abstract

一种加工锥齿轮的方法，通过该方法通过在齿轮展成期间通过更改径向和刀转基本设定之间的常规关系而无需有效枢转轴线来实现齿槽两个齿侧的加工，以及齿表面沿纵长方向的鼓形化。

Description

用没有摆动轴线运动的端面刀盘的锥齿轮制造

本申请要求2011年8月8日提交的美国临时专利申请第61/521,154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

本发明涉及齿轮的制造，且具体是在齿轮展成机器上展成锥齿轮而没有有效摆动或枢转轴线的方法。

发明背景

在齿轮的生产，尤其是锥齿轮的生产中，通常采用两种工艺，展成工艺和非展成工艺。

展成工艺可分成两类，端面铣齿（间歇分度）和端面滚齿（连续分度）。在展成端面铣齿工艺中，将转动刀具进给入工件至预定深度。一旦达到该深度，刀具和工件就以预定的相对滚动一起滚动，称作展成滚动，如同工件与理论展成齿轮啮合地转动那样，该理论展成齿轮的齿由刀具的切削表面来表示。齿的齿廓形状通过展成滚动过程中刀具与工件的相对运动来形成。

在展成端面滚齿工艺中，刀具和工件以同步关系转动，将刀具进给至一深度，由此在刀具的单次***中就形成所有齿槽。在达到完全深度之后，开始展成滚动。

在非展成工艺中，无论是间歇分度还是连续分度，工件上齿的齿廓形状由刀具上的齿廓形状直接形成。将刀具进给入工件，并将刀具上的齿廓形状赋予工件。尽管没有采用展成滚动，但是呈理论“冠齿轮”形式的理论展成齿轮的概念也可应用于非展成工艺中。该冠齿轮是如下的理论齿轮：在非展成工艺中，其齿表面与工件的齿表面互补。因此，当在非展成工件上形成齿表面时，刀具上的切削刀齿表示理论冠齿轮的齿。

工件与展成齿轮之间的关系可通过称为“基本机床设定”的一组参数来定义。这些基本设定表示关于展成齿轮与工件的尺寸和比例的意义，且提供用于齿轮设计的通用起始点，且因此在多种型号的机床中统一设计程序。基本设定总地描述在任何瞬时刀具与工件之间的相对定位。

用于形成齿轮的基本机床设定是本领域已知的并可定义如下：

1.摇台角（q），其定义刀具绕摇台轴线的角度位置；

2.径向刀位（S），其为摇台轴线与刀具轴线之间的距离；

3.刀转角（j），其定义刀具轴线相对于摇台上固定参照物的定向；

4.倾角（i），其定义摇台轴线与刀具轴线之间的角；

5.齿根角（γ_m）其规定工件支承件相对于摇台轴线的定向；

6.中心至后部或头部设定（X_p），其为沿从工件与摇台轴线的明显相交处到位于到工件固定距离的位置的工件轴线的距离；

7.工件偏移量（E_m），其定义工件轴线与摇台轴线之间的距离；

8.滑动基部（X_b），其为从机器中心到工件与摇台轴线的明显相交处的距离；

9.工件的转动位置（ω_w）；

10.用于端面滚齿的刀具的转动位置（ω_t）；

11.用于展成的摇台转动与工件转动之间的滚动比（R）。

在常规齿轮成型机器中，在其它设定通常保持固定的同时，展成期间摇台角、工件转动和刀具转动变化。其两个显著例外是螺旋运动，螺旋运动涉及滑动基部X_b的运动以及作为工件偏移方向E_m上的运动的垂向运动。

常规机械机床符合理论基本机床的概念，因为几乎所有的机床设定对应于各理论基本设定。这种机器可由图4示出。在机械机床中，基本径向刀位S由称为偏心角的角度机床设定控制。

通常在常规机械齿轮展成机器或在线性多轴计算机控制（例如CNC）齿轮展成机器（诸如也称为“自由形式”机床的机床）上实施展成和非展成工艺。用于生产锥齿轮的常规机械齿轮展成机器包括工件支承机构和摇台机构。在展成工艺期间，摇台沿绕称为摇台轴线的轴线的圆形路径承载圆形刀具。这称为展成滚动或摇台滚动。摇台表示理论展成齿轮的本体，且摇台轴线对应于理论展成齿轮的轴线。刀具表示展成齿轮上一个或多个齿。工件支承件将工件相对于摇台定向并以与摇台转动特定比值使其转动。通常，常规机械摇台型锥齿轮展成机器通常装备有一系列线性和角度刻度（即设定），其有助于操作者将各机器部件精确地定位在其正确位置。

在多种类型的常规机械摇台型锥齿轮展成机器中通常包括可调节机构，该可调节机构使得刀盘主轴、且因此使切削刀具轴线相对于摇台的轴线倾斜（即，刀盘轴线不平行于摇台轴线）。称为“刀盘倾斜”的调整通常用于使切削刀具压力角与工件的压力角匹配，和/或将刀具的切削表面定位成适当表示理论展成齿轮的齿表面。在没有刀盘倾斜机构的某些类型的常规机械摇台型锥齿轮展成机器中，通过改变摇台与工件之间的相对滚动关系也可实现刀盘倾斜的效果。该改变也称为“更改滚动。”(仅对于固定设定)

在多轴计算机控制的齿轮展成机器中，如由美国专利4981402、6669415和6712566所公开的那些，其公开内容以参见的方式纳入本文，刀具相对于工件沿或绕多个机器轴线（例如5轴或6轴）的运动可以与在常规机器工艺中利用已知端面铣刀或研磨轮展成锥齿轮相同（或几乎相同）的方式执行包括工件与刀具的动态关系的运动循环。

本领域通常普遍对于具有不同轴线数量和/或构造的多轴计算机控制的齿轮展成机器利用与常规机械摇台型齿轮展成机器相同的输入参数（例如，机器设定）。换言之，常规摇台型锥齿轮展成机器的坐标系中刀具和工件轴线的位置转换成多轴计算机控制的齿轮展成机器的替代坐标系。以上提到的美国专利4,981,402、6,669,415和6,712,566中可找到这种转换的实例，其公开内容以参见的方式纳入本文。

在连续分度工艺（端面滚齿）中切削的锥齿轮和准双曲面齿轮具有沿齿宽大致平行的齿高。展成或摇台平面中的基本切削设置将使刀盘体的中心处于远离展成齿轮中心（摇台轴线）通常称为径向距离的量的位置。刀盘体轴线平行于展成齿轮或摇台轴线。齿轮坯件可定位在摇台或刀盘前面，使得刀盘刀齿会切削齿槽。基本切削设置的切削刃是直的，从而类似展成齿轮齿轮。由于刀盘具有多头（齿刀组），在刀盘转动的同时，齿轮会在每次刀盘旋转期间必须转动同样多的节距。为了展成齿轮齿的齿廓形状，展成齿轮必须绕其轴线转动，同时齿轮转动经过展成齿轮转动角度乘以滚动比的量。滚动比是展成齿轮齿的数量除以工件齿轮齿的数量。

以同样方式将切削和展成与所描述的齿轮匹配的小齿轮。但是，如果齿轮用中心在展成齿轮(右旋螺旋)的中心上方的刀盘体展成，则小齿轮必须用中心在展成齿轮（右旋螺旋）中心下方的刀盘展成。这样展成的小齿轮和齿轮将具有行星齿侧线和“8”字形齿廓。由于两构件都用展成齿轮的镜像展成，所以它们完全共轭地一起滚动。这意味着小齿轮和齿轮沿在整个有效齿侧表面上延伸的接触线彼此接触。在理论环境下，小齿轮和齿轮将无运动误差地滚动并具有全齿侧接触。

为实际应用生产的齿轮需要局部齿侧接触以允许齿轮箱、轴、齿轮体和齿的负载引起的偏移。具体来说，对于大型齿轮，对于两构件应用齿廓（即齿高度）方向的鼓形化和齿宽（即齿长度）方向的鼓形化。齿廓方向的鼓形化通常通过将切削刀齿的直切削刃轮廓变为凸形曲线来实现。小齿轮和齿轮刀齿较佳地接受相同的曲率半径，从而它们中的每个贡献50％的齿廓鼓形化。

对于齿圈直径高达约800mm的齿轮沿长度方向的鼓形化通常通过刀盘体的倾斜（即刀盘倾斜）来实现。刀盘体倾斜布置成使得齿的中心的初始螺旋角和齿槽比例保持恒定。朝向齿端的更深切削使得齿槽朝向齿端更宽，由此形成沿齿宽方向的鼓形化。

在具有直径大于800mm齿圈的锥齿轮组中，在机床中难以实现将刀盘体在空间中倾斜的装置。如果制造机器是6轴数控自由形式机床，则刀盘倾斜转换成枢转轴线的内插运动（例如上述US4,981,402）。在这些大型齿轮的情况下，业已发现也难以实现会重达几吨的机器部件的这种高度精确内插运动。因此，所有专用的大型锥齿轮制造机器都避免倾斜刀盘的原理。于是，通过相对于刀盘体轴线轻微改变切削刀齿位置的半径来展成所需长度鼓形化。在某些情况下，例如，如果小齿轮和齿轮刀盘的内侧刀齿的径向位置减小标称刀盘半径的约1％就够了。内侧刀齿会产生从齿中心移动到齿内端或外端的圆形余量偏移条件。更改的凸形小齿轮齿侧与未更改的凹形齿轮齿侧啮合，而更改的凸形齿轮齿侧与未更改的凹形小齿轮齿侧啮合。该相互作用会提供沿齿轮组两转动方向齿宽方向所需量的鼓形化。

端面滚齿刀盘体的外侧和内部刀齿最初在引入半径更改之前在刀齿参考点处具有相同的半径。连续分度运动使得工件在一个刀齿组的第一刀齿（例如外侧刀齿）沿齿宽经过一定点之后至该刀齿组的第二刀齿（例如内侧刀齿）经过同一齿槽内同一点为止转动角度齿槽宽度。如果内侧刀齿的半径减小以展成长度鼓形化，则形成的齿槽宽度会太大。于是，有两种方法来切削正确的齿槽宽度：

(a)用于切削凸形齿侧的第一设置和用于切削凹形齿侧的第二设置

(b)连接到切削机器上两个不同心轴连接的两个互锁端面刀盘

方法（a）需要两种不同的切削机器设置和两个独立的切削循环。方法（b）需要复杂的“第一心轴内的第二心轴”布置，其中第二心轴需要相对于第一心轴的偏心度，第一心轴也需要展成齿轮平面中用于正确角度定向的装置。方法（b）降低机器刚度并因此需要小的展成滚动比（与单刀盘-心轴连接相比）。根据方法（a）制造需要刀盘体直径大于210mm的所有大型端面滚齿齿轮。方法（a）需要常规全工序工艺几乎两倍的切削时间。

刀盘半径更改因此妨碍用于大型齿轮的全工序切削工艺。刀盘体倾斜在数控机器中会在整个展成工艺期间启动内插摆动角（齿根角）运动。尽管这仍会允许全工序工艺，但重几吨的机器部件的仅小度数量的内插（耦合）转动会降低工艺刚度和精确度且在其机械实现中成本高昂。

执行展成所需长度量鼓形化的全工艺切削工艺的端面滚齿或端面铣齿切削方法需要刀盘半径更改或内插摆动轴线运动。对于制造具有直径大于约800mm齿圈的锥齿轮的生产全工序工艺，并不一定能够合理地更改刀盘半径，且刀盘体倾斜（等于自由形式机器中内插摆动（枢转）轴线运动）降低工艺刚度并因此降低生产效率和精确性。本发明提出克服这些和其它缺陷的方案。

发明内容

本发明涉及一种加工锥齿轮的方法，通过该方法通过在齿轮展成期间通过更改径向和刀转基本设定之间的常规关系而无需有效枢转轴线来实现齿槽两个齿侧的加工，以及齿表面沿纵长方向的鼓形化。

附图说明

图1示出用于共轭完成锥齿轮的三角形矢量图。

图2示出具有到两个分开刀盘中心的两个径向距离矢量的展成齿轮平面，两个分开刀盘中一个具有用于切削凸形齿侧的内侧刀齿，而一个具有用于切削凹形齿侧的外侧刀齿。

图3（a）示出具有相同轴线的2个刀盘体的横截面上的侧视图。对于外侧刀齿和内侧刀齿刀盘半径R_W-IB和R_W-OB相同。曲率半径ρ_OB和ρ_IB也相同。

图3（b）示出具有不同轴线的2个刀盘体的横截面上的侧视图。在附图平面中示出其刀盘半径。R_W-IB比R_W-OB小ΔR（对齐的刀齿参考点）。此外，曲率半径相差Δρ。ρ_OB=ρ_IB+Δρ。

图3（c）示出具有外侧刀齿和内侧刀齿的单个刀盘的横截面上的侧视图。在附图平面中示出刀盘半径。刀盘关于垂直于图面的轴线倾斜。对刀齿角α_IB和α_OB进行修正以提供与非倾斜刀盘相同的相对于水平线的参考轮廓。对于外侧刀齿和外侧刀齿刀盘半径R_W-IB和R_W-OB相同。曲率半径ρ_OB和ρ_IB不同（ρ_OB=ρ_IB+Δρ）。

图4示出常规锥齿轮展成机器，具有摇台、径向刀位装置、刀转角装置、倾角装置、齿根角的摆动角设定、中心到后部调整、偏移量调整、滑动基部设定和不可见的摇台转动与工件转动之间联接的滚动比、以及刀盘转动与附加工件转动之间联接的分度比。

图5（a）示出摇台，径向、刀转和倾斜机构共同转动（0°位置）。

图5（b）示出摇台，径向、刀转和倾斜机构共同转动（30°位置）。

图5（c）示出摇台，径向、刀转和倾斜机构共同转动（60°位置）。

图6（a）示出刚性连接到径向鼓轮的摇台。该倾斜机构刚性连接到刀转机构，但刀转机构并不刚性连接到径向鼓轮。刀转机构和倾斜机构在摇台转动的同时静止（0°位置）。

图6（b）示出刚性连接到径向鼓轮的摇台。该倾斜机构刚性连接到刀转机构，但刀转机构并不刚性连接到径向鼓轮。刀转机构和倾斜机构在摇台转动的同时静止（30°位置）。

图6（c）示出刚性连接到径向鼓轮的摇台。该倾斜机构刚性连接到刀转机构，但刀转机构并不刚性连接到径向鼓轮。刀转机构和倾斜机构在摇台转动的同时静止（60°位置）。

图7示出自由形式锥齿轮制造机器，具有用于垂向运动（Y）、工件轴向运动（Z）以及水平（X）运动以及工件转动（A-心轴）、刀盘转动（C-心轴）以及摆动转动（B-轴线）的线性滑动件。

图8（a）示出根据图3（a）的刀盘定义和根据图5（a）至5（c）的摇台构造（转动）的图形分析结果。

图8（b）示出根据图3（b）的刀盘定义和根据图5（a）至5（c）的摇台构造（转动）的图形分析结果。

图8（c）示出根据图3（c）的刀盘定义和根据图5（a）至5（c）的摇台构造（转动）的图形分析结果。

图8（d）示出根据图3（c）的刀盘定义和根据图6（a）至6（c）的摇台构造（转动）的图形分析结果。

图8（d）示出根据图3（c）的刀盘定义和根据图6（a）至6（c）的摇台构造（转动）和刀盘转动的附加补偿（相对于图8（d）的情况）的图形分析结果。

图8（f）示出根据图3（c）的刀盘定义和根据图6（a）至6（c）的摇台构造（转动）和刀盘转动的附加补偿的图形分析结果。用一阶基本设定和二阶运动修正了图8（f）中的齿侧表面。

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，应该理解到，本发明不局限于其对结构细节的应用和以下详细描述中阐述的或附图中所示的部件的布置。本发明可具有其它构造并可以其它方式实践或实施。而且，应理解本文所采用的措辞和术语是为说明的目的而不应认为是限制。

该说明书中使用的术语“发明”、“该发明”以及“本发明”用于泛指该说明书和以下本专利权利要求书中的所有主题。包含这些术语的表述不应理解为限于本文描述的主题或限于以下任何权利要求的含义或范围。此外，该说明书并不寻求在本申请任何特定部分、段落、表述或附图中描述或限制由权利要求书覆盖的主题。该主题应参照整个说明书、所有附图和以下权利要求书来理解。

在本发明的上下文中，属于“锥”齿轮应理解为包括称为锥齿轮、“准双曲面”齿轮、斜交轴锥齿轮那些类型的齿轮，以及称为“冠状”齿轮或“面”齿轮的那些齿轮的充分范围。还应理解，属于“齿轮组”或“齿轮副”是指包括小齿轮构件（通常是驱动件）和匹配齿轮构件（例如齿圈，通常是从动件）的匹配构件。

本发明涉及一种切削锥齿轮的方法，该方法通过更改有效半径允许齿槽的齿侧的完全切削并实现小齿轮和齿轮的相互作用时的长度鼓形化。本发明方法可适用于锥齿轮组的任一构件或两个构件。

可以理解，如果根据图3（c）中原理的刀盘体倾斜应用于常规锥齿轮展成机器的中心滚动位置（图4），则当对于该特定滚动位置转换成自由形式机器的构造（图7）时这形成一定的X-、Y-、Z-和B-轴位置。其中在中心滚动位置的值下，在所有滚动位置自由形式机器的X-、Y-和Z的所有轴的值从基本设定正确地转换，但B-轴线角度保持恒定的滚动工艺由于与齿轮组的小齿轮构件和/或齿轮构件的理论齿侧表面的非常大的偏差是不可接受的。已经发现，一阶反向刀转运动使倾斜定向转动，对于每度摇台转动，向初始定向退回一度。

具有反向刀转运动的这种布置会消除自由形式机器的B-轴线运动（在对所有滚动位置转换基本设定之后），且还产生不同的X、Y和Z值（与没有反向刀转运动的情况相比）。由于倾斜和刀转装置承载刀盘心轴，所以刀盘转动（在连续切削中）必须对每个相对转动量进行修正（在它们通过反向转动刀转机构而发生的同时）。也能够替代地修正工件转动。

在滚动位置中心，形成的齿侧表面（展成平坦部）会是与没有反向倾斜运动切削的情况下相同的展成平坦部。对于少量的倾斜角，滚动中心与滚动端部位置（例如大端）以及滚动中心与起始滚动位置（例如小端）之间的齿侧形状偏差非常小且可忽略不计。对于较大的倾斜量，可通过使用一阶和二阶螺旋运动、一阶和二阶径向运动以及一阶更改滚动修正形成的齿侧偏差。

图1示出具有展成齿轮轴线的展成齿轮平面，具有到齿宽中心的矢量R_M，从展成齿轮轴线到刀盘中心的径向距离矢量E_X以及从E_X矢量的末端到R_M矢量末端的刀盘半径矢量R_W。这表示在中心滚动位置切削的瞬间，观察到刀盘刀齿处于转动位置，在该位置它们切削齿端面中点的位置。

图2示出展成齿轮平面，具有到两个分开刀盘中心的两个径向距离矢量E_X-IB和E_X-OB。一个刀盘具有由R_W-IB表示的用于切削凸形齿侧的内侧刀齿，而第二刀盘具有由R_W-OB表示的用于切削凹形齿侧的外侧刀齿。刀盘中心具有不同位置（用于切削凸形齿侧的IB和用于切削凹形齿侧的OB），因为内侧切削刃位置移动到比外侧刀齿半径小的半径。两个刀盘半径矢量必须定位成矢量末端处于齿宽中心处的同一点处并在展成齿轮坐标系的Z-轴上。为了形成正确的齿槽宽度（为一个节距减去齿厚度加上任何侧隙），这是必须的。

图3（a）示出垂直于刀盘半径方向的视图。刀盘体轴线平行于展成齿轮轴线。在该实例中刀齿切削刃是直的。对于外侧刀齿和外侧刀齿刀盘半径R_W-IB和R_W-OB相同。沿凹形齿侧的导程方向展成的曲率半径为ρ_IB=R_W-IB/cosα_IB。沿凸形齿侧的导程方向展成的曲率半径为ρ_OB=R_W-OB/cosα_OB。由于α_OB和α_IB相等，则ρ_IB和ρ_OB也相等。如果使用图3（a）中的刀盘体制造一个构件（例如齿轮），且如果使用该刀盘体的镜像（镜像平面是X-Z）制造另一构件（例如小齿轮），则该齿轮副完全共轭。

图3（b）示出垂直于刀盘半径方向的视图。刀盘体轴线平行于展成齿轮轴线。在该实例中刀齿切削刃是直的。内侧刀齿的刀盘半径R_W-IB比外侧刀齿的半径R_W-OB小ΔR。沿凹形齿侧的导程方向展成的曲率半径为ρ_IB=R_W-IB/cosα_IB。沿凸形齿侧的导程方向展成的曲率半径为ρ_OB=R_W-OB/cosα_OB。由于R_W-_IB比R_W-OB小，则ρ_IB也比ρ_OB小。内侧刀齿和外侧刀齿放置在不同的刀盘体内。内侧刀齿刀盘体的轴线定位成内侧刀齿与图3（a）的外侧刀齿在相同点处与X-轴相交。如果使用图3（b）中的刀盘体制造一个构件（例如齿轮），且如果使用该刀盘体的镜像（镜像平面是X-Z）制造另一构件（例如小齿轮），则展成具有长度鼓形化并还具有正确齿槽宽度的齿轮组。图3（b）中布置的缺点在于需要2个切削机器设置（或者连接到复杂机器双心轴连接的互锁刀盘）。

图3（c）示出垂直于刀盘半径方向的视图。在该实例中刀齿切削刃是直的。在内侧刀齿和外侧刀齿上半径R_W-IB和R_W-OB相等。内侧刀齿和外侧刀齿放置在同一刀盘体内。刀盘体关于垂直于图面的轴线倾斜。相对于展成齿轮轴线（图3（c）中的水平轴线）的刀齿角度与图3（b）相等。这需要（例如在2°倾斜的情况下）18°的内侧刀齿角和22°的外侧刀齿角。沿凹形齿侧的导程方向展成的曲率半径为ρ_IB=R_W-IB/cosα_IB。沿凸形齿侧的导程方向展成的曲率半径为ρ_OB=R_W-OB/cosα_OB。由于α_IB比α_OB小，则ρ_IB也比ρ_OB小。如果使用图3（c）中的刀盘体制造一个构件（例如齿轮），且如果使用该刀盘体的镜像（镜像平面是X-Z）制造另一构件（例如小齿轮），则展成具有长度鼓形化并还具有正确齿槽宽度的齿轮组。图3（c）中布置的优点在于仅需要一个切削机器设置来切削一个构件的凸形（IB）齿侧和凹形（OB）齿侧。

图4示出具有已知设定的常规机械（和如上所述理论）锥齿轮展成机器，已知设定包括摇台(q)、径向刀位装置(S)、刀转角装置(j)、倾角装置(i)、齿根角的摆动角设定(γ_m)、中心到后部调整(X_p)、偏移量调整(E_m)、滑动基部设定(X_b)。未示出摇台转动与工件转动之间联接的滚动比(R_a)、以及刀盘转动与附加工件转动之间联接的分度比(R_ind)。

图5（a）示出机械机床的图，各装置，从而：

·转动展成齿轮–（即摇台转动q）；

·使刀盘中心远离机器摇台中心(展成齿轮轴线)–(用于设定角

以实现径向距离设定，S的转动元件)；

·刀盘体轴线的倾斜–(用于设定角

以实现倾斜角设定，i的转

动元件)；

·绕垂直于展成齿轮平面的轴线转动倾斜的刀盘轴线–用于设定（角度

以实现刀转角设定，j）的转动元件。

在常规（且因此理论）锥齿轮展成机器上，摇台q刚性地可连接到用于设定角度

的转动元件，该转动元件又刚性地可连接到用于设定角度的旋转元件，该旋转元件又刚性地可连接到用于设定角度

的转动元件。参见图5（a），是这种布置的实例。为了清楚起见图5（a）中未示出工件齿轮和其相关的机器元件以及工件夹持设备。因此，给定上述刚性连接，在展成期间摇台q转动时，用于设定角度

以及

的转动元件随着摇台q转动。

图5（a）中所有的刀盘心轴设置位置在其当前设定处用箭头标出。图5（a）中所示摇台的转动位置设置在起始滚动位置。连接到刀转和倾斜机构并包含刀具轴线T的辅助平面P_A显示刀盘倾角i以及摇台的转动位置。

图5（b）示出图5（a）中所示同一机械机床，但摇台沿逆时针方向转动30°。摇台转动时，用于建立径向距离、刀转角和倾斜角的装置（即元件）也随摇台沿逆时针方向转动30°。附连到摇台壳体的箭头指示相对于摇台上参考标记的30°角。连接到刀转和倾斜机构并包含刀具轴线T的辅助平面P_A显示摇台的新转动位置。在机械机床中，倾斜装置刚性地夹持到刀转装置，且刀转装置刚性地夹持到偏心装置，这是图5（b）中动态条件对于机械机床是典型的原因。

图5（c）示出图5（a）中所示同一机械机床，但摇台现沿逆时针方向转动60°。摇台转动时，用于径向距离、刀转角和倾斜角的装置也随摇台沿逆时针方向转动60°。附连到摇台壳体的箭头包括现相对于摇台上参考标记的60°角。连接到刀转和倾斜机构并包含刀具轴线T的辅助平面P_A显示摇台的新转动位置。在机械机床中，倾斜装置刚性地夹持到刀转装置，且刀转装置刚性地夹持到偏心装置，偏心装置是图5（c）中动态条件对于机械机床是典型的原因。

图6（a）示出具有与图5（a）所示相同装置的机械机床的图示。图6（a）中所有的刀盘心轴装置位置以其当前设定用箭头标出。在起始滚动位置装置图6（a）中所示摇台的转动位置。连接到刀转和倾斜机构并包含刀具轴线T的辅助平面P_A显示刀盘倾斜角以及摇台的转动位置。图6（a）与图5（a）相同，但现在是为了进行不同说明的出去位置。

图6（b）示出图6（a）中所示同一机械机床，但摇台沿逆时针方向转动30°。用于径向距离S的装置与摇台q刚性地连接，且因此也随摇台转动30°。但根据本发明，用于刀转j（倾斜定向）的装置不再刚性地连接到径向距装置，而是在摇台转动每个增量的同时向后（顺时针方向）有效转动（随着刚性连接的倾斜定向i）与摇台q转动相等的量（即图6（b）中的30°）。于是，附连到摇台壳体的箭头包括现相对于摇台上参考标记且与图5（b）相比30°的角，连接到刀转设定装置的箭头包括相对于摇台上参考标记和径向装置-30°的角。换言之，刀转和倾斜装置的净转动结果为零。连接到刀转和倾斜机构并包含刀具轴线T的辅助平面P_A由于摇台与刀转之间相反转动（相同的绝对量）的结果而在空间上并未转动而是具有与图6（a）相同的定向。

图6（c）示出图6（a）中所示同一机械机床，但摇台沿逆时针方向转动60°。用于径向距离S的装置与摇台q刚性地连接，且因此也随摇台转动60°。但根据本发明，用于刀转j（倾斜定向）的装置不再刚性地连接到径向距装置，而是在摇台转动每个增量的同时向后（顺时针方向）有效转动（随着刚性连接的倾斜定向i）与摇台q转动相等的量（即图6（c）中的60°）。于是，附连到摇台壳体的箭头包括现相对于摇台上参考标记且与图6（b）相比60°的角，连接到刀转设定装置的箭头包括相对于摇台上参考标记和径向装置-60°的角。换言之，刀转和倾斜装置的净转动结果为零。连接到刀转和倾斜机构并包含刀具轴线T的辅助平面P_A由于摇台与刀转之间相反转动（相同的绝对量）的结果而在空间上并未转动而是具有与图6（a）相同的定向。

图7示出自由形式锥齿轮制造机器，具有用于垂向运动（Y）、工件轴向运动（Z）以及水平（X）运动以及工件转动（A-心轴）、刀盘转动（C-心轴）以及摆动（枢转）转动（B-轴线）的线性滑动件。坐标变换能够转换图4所示摇台型锥齿轮切削（或研磨）机器的几何和动态设定，从而用图7所示自由形式机器精确地复制刀具与工件之间所有相对运动（参见前文提到的美国专利4,981,402、6,669,415和6,712,566）。

在空间上随着摇台一起转动的倾斜刀盘心轴（如图5（a）至5（c）所示）从常规机械机床到如图7所示自由形式机器的转换中，在展成滚动工艺期间发生工件与刀具轴线之间定向的角度变化。这也意味着图7的自由形式机器中刀具与工件轴线之间B-轴线摆动（枢转）角在制造工件过程中展成滚动工艺期间持续变化。

然而，在空间上独立于摇台的转动而静止的刀盘心轴（如图6（a）至6（c）所示）从常规机械机床到如图7所示自由形式机器的转换中，在展成滚动工艺期间不发生工件与刀具轴线之间定向的角度变化。这也意味着图7的自由形式机器中刀具与工件轴线之间B-轴线摆动（枢转）角在制造工件过程中展成滚动工艺期间不变。

与图5（a）至5（c）的运动转换相比，图6（a）至6（c）中的运动转换的结果不仅对所有滚动位置产生恒定的B-轴线角度，而且形成X、Y和Z的不同值。

图8（a）示出用图3（a）中的刀盘布置制造的齿轮组的修正和计算的齿接触图案。该切削模拟工艺基于图5(a)至5（c）所示的倾斜定向条件。这些分析结果独立于所用齿轮制造机器的类型（例如图4或图7）。这些分析结果显示没有长度鼓形化（由于图3（a）的刀盘布置）。图8（a）中看出的齿廓鼓形化是由于使用大型锥齿轮制造中通常使用的弯曲刀齿。由于没有长度鼓形化，图8（a）中用于分析的齿轮组不适于实际使用。

图8（b）示出用图3（b）中的刀盘布置制造的齿轮组的修正和计算的齿接触图案。该切削模拟工艺基于图5(a)至5（c）所示的倾斜定向条件。这些分析结果独立于是否使用图4或图7的制造机器。这些分析结果显示100μm范围内的齿廓鼓形化（由于弯曲刀齿切削边缘）和长度鼓形化。对于锥齿轮组的实际使用需要长度和齿廓鼓形化。根据图3（b）具有不同刀盘半径的展成工艺的缺点在于需要2个切削机器设置（或者连接到复杂机器双心轴连接的互锁刀盘）。

图8（c）示出用图3（c）中的刀盘布置制造的齿轮组的修正和计算的齿接触图案。该切削模拟工艺基于图5(a)至5（c）所示的倾斜定向条件。这些分析结果独立于是否使用图4或图7的制造机器。这些分析结果显示100μm范围内的齿廓鼓形化（由于弯曲刀齿切削边缘）和长度鼓形化。对于锥齿轮组的实际使用需要长度和齿廓鼓形化。该布置的优点在于对每个构件仅使用一个切削机器设置以在全工序工艺中用一个刀盘体切削内侧和外侧齿侧。该布置尤其结合图7所示现代自由形式机器制造大型齿轮的缺点在于展成工艺期间B-轴线需要持续角度变化。

图8（d）示出用图3（c）中的刀盘布置制造的齿轮组的修正和计算的齿接触图案。该切削模拟工艺基于图6(a)至6（c）所示的倾斜定向条件。这些分析结果独立于是否使用图4或图7的制造机器。但是，由于倾斜装置未刚性地固定到摇台而是在空间上静止，所以基本设定从机械机床（图4）到自由形式机器（图7）的变换在整个展成工艺过程中形成固定B-轴线角度。图8（d）的分析结果显示具有几千微米（μm）的修正量。根据图8(d)的齿轮组不适于实际使用。

图8（e）示出用图3（c）中的刀盘布置制造的齿轮组的修正和计算的齿接触图案。该切削模拟工艺基于图6(a)至6（c）所示的倾斜定向条件。与图8（d）的齿轮组展成相比，图8（e）中分析的齿轮组的展成包括附加刀盘转动。该转动由于其上刚性连接的倾斜和刀转装置而损失，且其补偿展成滚动期间不转动的倾斜装置。刀盘转动相对于承载刀盘心轴的倾斜和刀转装置来致动和限定。例如从图6（a）至图6（b），展成齿轮（摇台）转动30°。刀盘转动应由例如恒定RPM加上（或减去）摇台转动的另外30°组成。考虑刀盘与工件之间的修正分度比，还可对工件齿轮进行转动补偿。仅对于连续分度切削工艺（端面滚齿）需要该转动补偿。

图8（e）的分析结果显示100μm范围内的齿廓鼓形化（由于弯曲刀齿切削边缘）和长度鼓形化。对于锥齿轮组的实际使用需要长度和齿廓鼓形化。该布置的第一个优点在于对每个构件仅使用一个切削机器设置以在全工序工艺中用一个刀盘体切削内侧和外侧齿侧。该布置尤其结合图7所示现代自由形式机器制造大型齿轮的另一优点在于可以恒定值夹持B-轴线。这提供刚性和精度的显著增加。

图8（f）显示图8（e）所示相同齿轮组的修正和计算的接触图案（图3（c）的刀盘布置和图6（a）至6（c）所示的倾斜定向条件）。与图8（e）的情况的区别在于应用几何和动态齿侧形状修正（诸如U.S.5,580,298中所揭示类型的齿侧形状修正，其公开内容以参见的方式纳入本文）。应用的修正近似于图8（a）所示的初始修正和齿接触，而在小齿轮和齿轮的展成工艺期间没有任何B-轴线角度运动。该近似仅产生与图8（a）相比修正的极端角上非常小的差异。

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。本发明旨在包括对该主题所述领域技术人员显而易见的各种更改而不偏离所附权利要求书的精神和范围。

Claims (8)

1.一种在线性多轴计算机控制齿轮展成机器上制造锥齿轮的方法，该方法根据展成工艺将具有刀具轴线的刀具和具有工件轴线的工件相对于彼此移动，

其中所述展成通过各参数定义，所述各参数包括理论直齿轮展成机器的摇台的转动，所述摇台包括用于建立径向距离S、刀具轴线刀转j和刀具轴线倾斜i的可转动和可定位元件；以及

其中辅助平面P_A定义为连接到用于建立用于所述刀具轴线刀转j和刀具轴线倾斜i的角度设定的所述可转动和可定位元件，所述辅助平面P_A还包含所述刀具轴线；

使所述刀具围绕所述刀具轴线转动；

使所述刀具与所述工件啮合；

使所述刀具相对于所述工件移动以展成所述锥齿轮，所述刀具沿由所述摇台的转动绘出的路径移动；

所述方法还包括随着所述摇台转动而转动用于建立径向距离S的角度设定的所述可转动元件，其中在所述摇台转动期间，用于建立刀具轴线刀转j和刀具轴线倾斜i的角度设定的所述可转动元件呈现等于零的净转动量，且其中所述辅助平面P_A在所述摇台转动期间保持在固定角度定向；

所述方法的特征还在于，在所述线性多轴计算机控制齿轮展成机器上进行所述展成期间所述刀具轴线与所述工件轴线之间没有相对枢转运动。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述锥齿轮是齿圈。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述齿圈具有大于800mm的直径。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述锥齿轮是小齿轮。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述展成工艺是端面铣齿工艺。

6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述展成工艺是端面滚齿工艺。

7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述刀具是切削刀具。

8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述刀具是研磨刀具。

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