CN1126626C - 生产切削刃的方法 - Google Patents

Abstract

一种在使用两侧磨切削刀片时允许三侧磨切削刀片的所有自由度的切削刀片及***。在两侧磨切削刀片上可以确定一新的切削刃，此种两侧磨切削刀片可用来复制由具有不同的前角和副前角的三侧磨切削刀片切削的齿表面。两侧磨切削刀片的新的切削刃由多个点决定，每一个点与三侧磨切削刀片上的一点对应，这样在切削时，沿两侧磨刀片的切削刃的每一点将位于同样的外摆线上，而此外摆线由具有不同的前角和副前角的三侧磨切削刀片上的相应的点产生。

Description

生产切削刃的方法

本申请要求1999年5月5日提交的美国临时申请No.60/132,709的权益。

技术领域

本发明涉及一种用于生产带齿物件的切削工具。本发明特别揭示了一种用于平面滚齿方法生产齿轮的切削工具。

背景技术

在带有弯曲的齿线的圆锥齿轮与准双曲面齿轮的生产中，所用的切削工具主要为平面铣刀或平面滚刀等刀具，这些类型的切削工具在齿轮生产领域是常见的。在平面铣刀中，切削刃设置在刀具的头部，这样每一次刀具的***可形成一齿槽，而后必须退出刀具，工件被分度至下一个齿的位置以形成下一个齿槽。

平面滚刀包括在刀具周围设置的切削刀片，这些切削刀片相互间不是成一直线的，而是成一组一组的，通常每组具有两或三个切削刀片。在有两个刀片的组中，如Blakesley的专利号为4,575,285美国专利、Kitchen et al的专利号为4,621,954专利以及Krenzer的专利号为4,525,108专利中所揭示的，刀片对包括一内部刀片以及一外部刀片。在有三个刀片的组中，如Kotthaus的专利号为3,760,476的利号中所揭示的，沿一内部和外部切削刃包括一“底部”切削刃。

在大多数的平面铣齿加工中在齿槽的成形过程中所有的切削刀片都通过齿槽，与此过程不同的是，平面滚齿包括切削刀片的每一个连续的组通过各个连续的齿槽，组中的每一个刀片形成一完全沿齿槽的纵向部分的切口。刀具与工件相互间以定时关系转动，因此使得工件被连续的分度且连续地成形齿轮的每个齿槽。如果滚齿的过程是一种生成的类型，适当的生成动作应与工具和工件的转动的定时关系重叠。因此在平面滚齿中，切削工具单一的***使工件的所有齿槽形成。

用于平面滚齿过程的工具通常由带有杆型切削刀片的碟形刀头组成，例如可由棒料的高速钢(HSS)或硬质合金制成，这些材料被***并定位在形成在刀头中的若干槽中。每一个切削刀片包括以预定的角度即通常所称的副前角定位的一平面部分，切削刃，以一个预定后角定位的一切削侧表面，间隙刃，以一个预定的后角定位的间隙侧表面，以及一顶面。

在切削刀片的一种类型中，如在先前已揭示的专利号为3,760,476美国专利中所示的，切削刀片相对于含有刀具轴线的平面(轴平面)倾斜，切削轴线旋转地定位以与切削刃接触，倾斜的角度即为通常所称的有效的前角。有效的前角(无论每组刀刃的数量为多少)由两要素组成：固有的前角以及切削刀片前角。固有的前角为在刀头内机加工的一刀片安装槽的角度。当切削刀片本体安装在刀头中时，这个固有的前角就会使切削刀片带有角度的定位，而它的范围通常大约为4°至12°。另外一个前角为在切削刀片上实际的前刀面带有角度的定位。在平面滚齿中，有效的前角，即由固有前角与实际切削刀片前刀面前角产生的角度，最好为0度(0°)。本技术领域训练有素的人员还应理解，在具有副前角的切削刀片中，切削刃的压力角或其中任何的改变都会影响有效的前角。

在切削工具的一种类型中(例如上述专利号为3,760,476的美国专利)通过打磨切削侧表面、间隙侧表面以及前刀面使切削刀片变得锋利。这些切削刀片在下文中将被称为“三侧磨”切削刀片。通过打磨前刀面，也可以实现对副角和前角的调整。可以利用这些变化使有效的前角保持在0°或影响齿表面的几何结构。然而，由于打磨了前刀面，任何位于前刀面上的涂层都会被破坏。

在切削工具的另一种类型中，通常可以在包括内部切削刀片和外部切削刀片的每组两个刀片的切削工具中发现(例如上述专利号为4,575,285的美国专利中)，仅从切削侧和间隙侧表面(即下文中的“两侧磨”切削刀片)上去除材料即可使切削刀片锋利。这样，在磨刀片的过程中，便能够保存前刀面以及位于前刀面上的任何涂层(例如TiN、TiAlN)。然而，在两侧磨刀片中，在磨刀片过程中前刀面是不经打磨的，因此，由于不能通过打磨前刀面来获得对副前角及前角的调整，就无法对有效前角进行控制，从而对齿表面的几何结构的控制也就缺乏灵活性。

因此，可以看到在三侧磨刀片中，由于特定的压力角和副前角的成形而产生的任何前角可通过打磨前刀面进行调整，从而形成0°的有效前角。然而，如以专利号为4,575,285的美国专利为例，在切削刀片中任何有效前角都必须保持在切削刀片上。例如，当压力角的范围为16°-24°、副前角的范围为10°-20°，在以上切削刀片上可形成大约±4°的有效前角。其中±表示的是在一个内部或外部的切削刀片上前角为正，而在另一个内部或外部切削刀片上为负。

因此，可以发现，由三侧磨类型的切削刀片切削出的齿轮副中的一个构件是不能与由两侧磨类型的切削刀片切削出的齿轮副中的另一个构件相啮合的。由于齿侧面弯曲、轮廓凸起、被引入由两侧磨切削工具切削的构件中的螺旋角的差异以及具有一有效的前角——例如为±4°，使得啮合构件间不能适当啮合。

本发明的目的是提供用于切削此前由三侧磨切削刀片切削过的带齿物件的两侧磨切削刀片。

本发明的另一个目的是提供两侧磨切削刀片，由此引出一种有效前角的修改，从而使由两侧磨切削刀片切削的带齿物件可以与此前由三侧磨切削刀片切削的那些物件基本相同。

本发明的另一个目的是提供一种包括上述两侧磨切削刀片的切削工具。

发明内容

本发明提供了一种允许三侧磨切削刀片的所有自由度的两侧磨切削刀片。在两侧磨切削刀片上可以确定一新的切削刃，此种两侧磨切削刀片可用来复制由具有不同的前角和副前角的三侧磨切削刀片切削的齿表面。两侧磨切削刀片的新的切削刃由多个点决定，每一个点与三侧磨切削刀片上的一点对应，这样在切削时，沿两侧磨刀片的切削刃的每一点将位于同样的外摆线上，此外摆线由具有不同的前角和副前角的三侧磨切削刃上的相应的点产生。

附图说明

图1是以图解法说明齿轮切削工具的基本参数。

图2是在刀头位置处具有零度有效前角的切削刀片的放大示图。

图3是用于平面滚齿的、包括若干组两侧磨切削刀片的本发明的切削工具的顶视图。

图4说明了通过副前角的成形在切削工具参数所产生的效果。

图5示出了图2中的切削刀片上的有效前角的形成。

图6说明了在平面滚齿中前角时切削工具的外摆线路径的影响。

图7说明了本发明中用于复制由三侧磨切削刀片切削而成的齿轮而确定一新的两侧磨切削刃轮廓的方法。

图8是图7的简化示图，其中示出了矢量R_B0的X和Z分量。

图9是图7的简化示图，其中示出了矢量R_B3的X和Z分量。

具体实施方式

下面，将参考以上附图对本发明进行讨论。

从上述讨论过的专利号为4,525,108，的美国专利中可以得知，在用于生产圆锥齿轮的平面滚齿的工具中，刀片安装槽的布置，以及由此切削刀片本身，应被选择在需要用于切削齿轮尺寸的一相应范围的两极端的刀片位置间的一中途位置上。因此，一个单一的切削工具可切削出一定范围尺寸的工件。而后，通过具有适当的参数(压力角、前副角等等)的用于特定工件的切削刃的选择来解决齿轮尺寸和齿表面几何形状的变化。

在用于复制那些用三侧磨切削刀片的工具切削出的齿轮的两侧磨切削刀片的切削工具的生产中，从一个工具到另一个工具，确定的基本的参数必须保持不变。这些参数包括槽的半径、刀片组的数量、刀片的间距以及刀具的高度。

图1、图2及图3说明了上述参数。为了说明的目的，图1示出了两个切削刀片1、2(每一个均不具有副前角)从刀片的中心以各自的半径R₁＝R₂安置在刀片头的安装槽中。偏角δ₁和δ₂表示由于相对的速度方向的不同，同一个刀片头应适用于不同的有效偏移量，但此有效偏移在物理上仅具有一个固定的固有偏移量。每一个刀片的相对切削速度与切削刀片的前刀面垂直。图2示出了当刀片高度为H_B时刀头中槽的倾角。当然，如同本技术领域中训练有素的人员所知的，在刀头上的刀片组的数量取决于所要切削的特定的齿轮。

图3示出了在本发明的切削工具上切削刀片的间距。在外部切削刀片后面的内部切削刀片的角度如图所示为λ₁，而在内部切削刀片后的外部切削刀片的角度如图所示为λ₂。刀头上的所有刀刃根据这些角以及配置并适用于下式：

λ₁+λ₂＝360°/刀具上起点的数量

图4示出了位于刀具固有的偏移位置上的切削刀片如何能够通过改变前刀面的取向(α)来模拟一个不同的偏角(或相对偏移量)。与之相比，图1为两个不同的偏移量由两个不同的固有的偏移量实现。相对切削速度决定了所需的有效的刀片的偏移量。图5示出了在图2(即具有零度有效前角)的切削刀片上形成的一有效的前角，图5的相对切削速度矢量在表示的平面中。

通过从三侧磨切削刀片的前刀面上去除受控制量的材料，副前角可以被调整以改变切削方向，同时有效的前角可以被调整到可以引起沿齿的长度方向齿面弯曲、轮廓凸起的变化以及压力角的变化。这些变化的引入不会改变刀头本身。因此，三侧磨切削刀片允许有效前角发生变化，且这一自由度被用于齿侧面的成形以及接触运动(可调整性)优化。这些是刀片的控制参数，这些参数对于保存前刀面而仅打磨侧面的两侧磨刀片是无效的。

图6示出了沿具有一个正的前角(两侧磨)的切削刀片具有点A、B和C的切削刃。图6还示出了一个不具有任何前角(三侧磨)的切削刃(点A₁、B₁和C₁)。由A产生的外摆线的路径E与由A₁产生的路径E₁是不同的。同A₁相联系的曲线与由A产生的曲线相比具有相似(但不相同)的形状。两曲线在Z轴方向相互间有相对倾斜与位移。这意味着曲线A的螺旋角相对于A₁减少。相反的情况发生在曲线的C与C₁。点B和B₁是重合的。因此，基于上述的论述，前角的存在使得在齿轮齿的根(外部)和尖(内部)端间产生一个正的齿侧面弯曲。

本发明提供了一种刀具以及刀片***，在使用两侧磨切削刀片时，本***提供三侧磨切削刀片所有的自由度。通过找到多个点的半径的位置以确定给定的两侧磨切削刀片的切削刃(位于由一带有不同的前角与副前角的三侧磨切削刀片产生的同样的外摆线上多个点)，在给定的两侧磨切削刀片上重新确定的切削刃将可复制出由带有不同的前角与副前角的三侧磨切削刀片切削出的齿面。可以假设给定的刀刃由一永久性的前刀面、无前角以及沿刀柄为常数的副前角组成。本***的前角由刀头中的安装槽的倾角产生。

如上所述，点B与B₁是相同的(图6)。这就需要在Z方向找到点A和C的位置从而使它们切削出同A₁和C₁相同的外摆线的路径(沿简化的给定的切削刀片的现有的前刀面)。相对于刀头前刀面的切削刀片的几何高度保持不变。

为了找到点A新的位置，图7中的外摆线运动学上的表示涉及到其中滚动圆和基圆顺时针转动直至A点与“新”切削刀片的前刀面接触。这就是位置A’。从A点到A’点的运动需绕滚动圆中心转动，并叠加上绕基圆中心的转动。图7中所示的这种运动的关系可以用下列式子表示：

E_X0X+R_B0X＝E_X3X+R_B3X                                                                (1)

      或

S*sin(-φ₀+δ_W)+R_B0*sin(δ_W)＝S*sin(-φ₀+δ_W+_W)+R_B*sin(δ_W+_Hook+_C) (2)式中：R_B0X＝刀具半径矢量的x分量(图8)(不具有前角的刀刃)；

  R_B3X＝刀具半径矢量的x分量(图9)(具有前角的刀刃，转向零度前角平面中)；

  E_X0X＝从机器中心到刀具中心的矢量E_X0的x分量(不具有前角的刀刃)；

  E_X3X＝从机器中心到刀具中心的矢量E_X3的x分量(具有前角的刀刃，转向零度前角平面中)；

  S＝半径的距离(E_X0X的标量)；

  φ₀＝刀具相角；

  j＝摆角；

  δ_W＝偏移角(平面滚齿)；

  R_B0＝刀具半径的标量(无前角)；

  _W＝刀具中心关于基圆的旋转度；

  R_B＝刀具半径的标量(带有前角)；

  _Hook＝R_B与R_B0间的角度；

  _C＝带有前角的刀刃绕滚动圆(刀具中心)的旋转度；

  q₀＝生成的齿轮滚动的位置；以及，

  β＝工件的螺旋角；以及，

  R_B3＝刀具半径矢量的标量(具有前角的刀刃，转向零度前角平面)。

在_W与_C间有以下的关系：

      _W＝_C/(1+Z_{生成的齿轮}/Z_刀具)       (3)

式中：

      Z_{生成的齿轮}＝生成的齿轮中齿的数量，以及

      Z_刀具＝刀具上起点的数量。

方程式(2)可以解得_W。这个数学的解可以由迭代法导出，例如(用于最大量为100次的迭代)：

_W＝起始值DO    I＝1,100_旧＝_W

IF    (_旧-_W＜limit)  GO TO STOPEND

A’与A₂(图7)间的差定义为：

               Δ＝|R_B3-R_B0|                 (4)

Δ是从点A’到点A₁(即导致点A₂)的标准半径(沿Z轴)的位移，在A₁具有(在图7的相等的***中)与点A₂相同的位置处，它可以切削出与点A₁相同的外摆线。此处所揭示的方法相对于由A₁切削出的实际外摆线可精确到一极小的观测值。给定任何差值的大小，本发明的方法可提供一种代数的精确的解，即在实践中这个精确的解可使在整个齿侧面上的差值仅为几个微米，因此可以被忽略不计。

这种类似的方案可以用于找出点C₂(图7)，此点C₂可切削出与点C₁(图5)相同的外摆线，外摆线运动学上的基圆和滚动圆以逆时针方向的旋转使点C达到新的切削刀片的前刀面。与最初位于两侧磨切削刀片上的给定的切削刃A、B、C相比，在图7中示出了新的切削刃轮廓A₂、B₂、C₂。新的切削刃轮廓A₂、B₂、C₂可切削出与具有A₁、B₁、C₁切削刃轮廓的三侧磨切削刀片切削出的相同的外摆线形状的齿表面。

根据上述方法，沿一个特定的前角的切削刃任何所需的多个点都可被转变成不具有前角或具有另一个选定的前角的切削刃上的一点。

根据由代数方程式确定的新的切削刃的形状(例如圆形、椭圆形或更高阶的)，从原始切削刃到新的切削刃可以转换出三点、四点、五点或更多点。三点——切削刃的尖端一点、中心一点以及端部一点，这三点充分定义了的切削刃功能，从而可捕捉到不同的前刀面前角的特征。

通过打磨内部或外部切削刃的前刀面，本发明还可以影响刀头中刀片的间距，进一步致使齿厚度或槽宽度的改变。一个齿的厚度的调整通过分割开所需要的量来完成，以及例如增加切削刃外部切削刀片的半径和减少内部切削刀片的半径，增加或减少的量均为所需量的一半。

应用本发明，副后角和前刀面被磨锋利的(三侧磨)切削刀片可以被转换成具有一永久性前刀面的一切削刀片，以及仅为轮廓成形或重新使副后刀面(两侧磨)锋利。所有三侧磨的工件(即由三侧磨切削刀片切削的齿轮组)可以被转换成由本发明中具有一永久性前刀面涂层的两侧磨切削刀片切削的工件。由于齿侧面的几何形状可与用原始的三侧磨的切削刀片切削出的原始齿表面的几何形状保持一致，故齿轮组在转换后无需重新检验合格。

可以理解的是两侧磨切削刀片的最初的切削刃A、B、C可为实际的切削刃根据本发明的方法修改而成，或最初的切削刃A、B、C为从一理论上的切削刃计算出定位的新的切削刃例如A₂、B₂、C₂(如当新的切削刃由切削刀片毛坯切削和/或打磨形成时)。本技术领域训练有素的人可以意识到，还可以有其它的实施例，如点的重新定位可以导致在初始的相关的切削刃上加上材料从而取代从中去除材料。

在三侧磨的切削刀片具有一前角的情况下，沿切削刃的相同的点将位于不同的平面中，而相比之下当前角为零时所有相同的点都位于同一平面中。在这种情况下，沿切削刃包含每一点的各个平面是确定的，而两侧磨的初始切削刃上的每一个相应的点在适当的平面中重新定位(如图7所示反转)，而后就可计算出半径的偏移量(Δ)。当若干的点是一致时(例如图6中点B和B1)，就无需重新定位或半径偏移。

替代三侧磨切削刀片的优点特别在于前刀面以及可以存在于新的两侧磨切削刀片中的它的涂层是永久性。利用硬质合金高速工具的切削加工在很大程度上依靠在正确的前刀面的涂层。以利用三侧面磨切削刀片的***设计的所有齿轮组很难转换成使用高速硬质合金切削的生产方法。为了在每一次重新磨锋利刀刃后将一组三侧磨切削刀片送至一涂层设备，就需要一份更昂贵的硬质合金切削刀片的投料量，并且要包括用于每一切削刀片的100次重新涂层的成本。单单重新涂层的过程就可能增加工具成本至约八倍。

本发明参考上述较佳实施例加以叙述，应该理解到本发明并不仅限于上述特例。在不脱离所附的权利要求书的范围及要点的情况下，本技术领域中训练有素的人员可以显而易见的变换也将被包括在本发明中。

Claims (5)

1.一种生产切削刃的方法，所述切削刃位于用于切削外摆线形齿表面的两侧磨切削刀片上，此外摆线形齿表面为由三侧磨切削刀片切削的一外摆线形齿表面的复制品，所述两侧磨切削刀片具有一切削刃、前角以及一副前角，而所述三侧磨切削刀片具有一切削刃、前角以及一副前角，所述三侧磨切削刀片的所述前角和所述副前角与所述两侧磨切削刀片的是不同的，这种方法包括：

在所述两侧磨切削刀片上确定一参考切削刃；

在一三侧磨切削刀片上确定一切削刃；

在所述参考切削刃上确定多个点以及在所述三侧磨切削刀片的所述切削刃上确定多个相应的点；

在所述三侧磨切削刀片的切削刃上为每一个所述的点确定一个各自零度的前角平面；

将在所述参考切削刃上每一个点重新定位至对于所述三侧磨切削刀片的切削刃上相应的点的各自零度前角平面；

决定各重新定位的点与三侧磨切削刀片的各自相应的点之间的距离；

通过分别决定的距离调整位于所述参考切削刃上每一个点的位置；

根据调整了的点的位置，从两侧磨切削刀片上去除材料或加上材料，由此在两侧磨切削刀片上形成一新切削刃，此刀片切削出的外摆线形状的齿表面是由三侧磨切削刀片切削出的齿表面的复制品。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，三侧磨切削刀片的前角为零，以及三侧磨切削刀片上的切削刃上所有的相应的点位于一单独零前角平面中。

3、如权利要求1所述的方法，其特征在于，三侧磨切削刀片包括一非零前角，以及三侧磨切削刀片的切削刃上的相应的点位于各自不同的零前角平面中。

4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述参考切削刃各相应的点重新定位到三侧磨切削刀片的切削刃上的各个点的零前角平面中。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述相应点中至少两个是相同的。

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