一種用於平面滾齒生產齒輪的切削工具的製作方法
2023-07-13 22:21:51 2
專利名稱：一種用於平面滾齒生產齒輪的切削工具的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種用於生產帶齒物件的切削工具。本發明特別揭示了一種用於平面滾齒方法生產齒輪的切削工具。
背景技術：
在帶有彎曲的齒線的圓錐齒輪與準雙曲面齒輪的生產中，所用的切削工具主要為平面銑刀或平面滾刀等刀具，這些類型的切削工具在齒輪生產領域是常見的。在平面銑刀中，切削刃設置在刀具的頭部，這樣每一次刀具的插入可形成一齒槽，而後必須退出刀具，工件被分度至下一個齒的位置以形成下一個齒槽。
平面滾刀包括在刀具周圍設置的切削刀片，這些切削刀片相互間不是成一直線的，而是成一組一組的，通常每組具有兩或三個切削刀片。在有兩個刀片的組中，如Blakesley的專利號為4,575,285美國專利、Kitchen et al的專利號為4,621,954專利以及Krenzer的專利號為4,525,108專利中所揭示的，刀片對包括一內部刀片以及一外部刀片。在有三個刀片的組中，如Kotthaus的專利號為3,760,476的利號中所揭示的，沿一內部和外部切削刃包括一「底部」切削刃。
在大多數的平面銑齒加工中在齒槽的成形過程中所有的切削刀片都通過齒槽，與此過程不同的是，平面滾齒包括切削刀片的每一個連續的組通過各個連續的齒槽，組中的每一個刀片形成一完全沿齒槽的縱向部分的切口。刀具與工件相互間以定時關係轉動，因此使得工件被連續的分度且連續地成形齒輪的每個齒槽。如果滾齒的過程是一種生成的類型，適當的生成動作應與工具和工件的轉動的定時關係重疊。因此在平面滾齒中，切削工具單一的插入使工件的所有齒槽形成。
用於平面滾齒過程的工具通常由帶有杆型切削刀片的碟形刀頭組成，例如可由棒料的高速鋼(HSS)或硬質合金製成，這些材料被插入並定位在形成在刀頭中的若干槽中。每一個切削刀片包括以預定的角度即通常所稱的副前角定位的一平面部分，切削刃，以一個預定后角定位的一切削側表面，間隙刃，以一個預定的后角定位的間隙側表面，以及一頂面。
在切削刀片的一種類型中，如在先前已揭示的專利號為3,760,476美國專利中所示的，切削刀片相對於含有刀具軸線的平面(軸平面)傾斜，切削軸線旋轉地定位以與切削刃接觸，傾斜的角度即為通常所稱的有效的前角。有效的前角(無論每組刀刃的數量為多少)由兩要素組成固有的前角以及切削刀片前角。固有的前角為在刀頭內機加工的一刀片安裝槽的角度。當切削刀片本體安裝在刀頭中時，這個固有的前角就會使切削刀片帶有角度的定位，而它的範圍通常大約為4°至12°。另外一個前角為在切削刀片上實際的前刀面帶有角度的定位。在平面滾齒中，有效的前角，即由固有前角與實際切削刀片前刀面前角產生的角度，最好為0度(0°)。本技術領域訓練有素的人員還應理解，在具有副前角的切削刀片中，切削刃的壓力角或其中任何的改變都會影響有效的前角。
在切削工具的一種類型中(例如上述專利號為3,760,476的美國專利)通過打磨切削側表面、間隙側表面以及前刀面使切削刀片變得鋒利。這些切削刀片在下文中將被稱為「三側磨」切削刀片。通過打磨前刀面，也可以實現對副角和前角的調整。可以利用這些變化使有效的前角保持在0°或影響齒表面的幾何結構。然而，由於打磨了前刀面，任何位於前刀面上的塗層都會被破壞。
在切削工具的另一種類型中，通常可以在包括內部切削刀片和外部切削刀片的每組兩個刀片的切削工具中發現(例如上述專利號為4,575,285的美國專利中)，僅從切削側和間隙側表面(即下文中的「兩側磨」切削刀片)上去除材料即可使切削刀片鋒利。這樣，在磨刀片的過程中，便能夠保存前刀面以及位於前刀面上的任何塗層(例如TiN、TiAlN)。然而，在兩側磨刀片中，在磨刀片過程中前刀面是不經打磨的，因此，由於不能通過打磨前刀面來獲得對副前角及前角的調整，就無法對有效前角進行控制，從而對齒表面的幾何結構的控制也就缺乏靈活性。
因此，可以看到在三側磨刀片中，由於特定的壓力角和副前角的成形而產生的任何前角可通過打磨前刀面進行調整，從而形成0°的有效前角。然而，如以專利號為4,575,285的美國專利為例，在切削刀片中任何有效前角都必須保持在切削刀片上。例如，當壓力角的範圍為16°-24°、副前角的範圍為10°-20°，在以上切削刀片上可形成大約±4°的有效前角。其中±表示的是在一個內部或外部的切削刀片上前角為正，而在另一個內部或外部切削刀片上為負。
因此，可以發現，由三側磨類型的切削刀片切削出的齒輪副中的一個構件是不能與由兩側磨類型的切削刀片切削出的齒輪副中的另一個構件相嚙合的。由於齒側面彎曲、輪廓凸起、被引入由兩側磨切削工具切削的構件中的螺旋角的差異以及具有一有效的前角——例如為±4°，使得嚙合構件間不能適當嚙合。
本發明的目的是提供用於切削此前由三側磨切削刀片切削過的帶齒物件的兩側磨切削刀片。
本發明的另一個目的是提供兩側磨切削刀片，由此引出一種有效前角的修改，從而使由兩側磨切削刀片切削的帶齒物件可以與此前由三側磨切削刀片切削的那些物件基本相同。
本發明的另一個目的是提供一種包括上述兩側磨切削刀片的切削工具。
發明內容
本發明提供了一種允許三側磨切削刀片的所有自由度的兩側磨切削刀片。在兩側磨切削刀片上可以確定一新的切削刃，此種兩側磨切削刀片可用來複製由具有不同的前角和副前角的三側磨切削刀片切削的齒表面。兩側磨切削刀片的新的切削刃由多個點決定，每一個點與三側磨切削刀片上的一點對應，這樣在切削時，沿兩側磨刀片的切削刃的每一點將位於同樣的外擺線上，此外擺線由具有不同的前角和副前角的三側磨切削刃上的相應的點產生。
圖1是以圖解法說明齒輪切削工具的基本參數。
圖2是在刀頭位置處具有零度有效前角的切削刀片的放大示圖。
圖3是用於平面滾齒的、包括若干組兩側磨切削刀片的本發明的切削工具的頂視圖。
圖4說明了通過副前角的成形在切削工具參數所產生的效果。
圖5示出了圖2中的切削刀片上的有效前角的形成。
圖6說明了在平面滾齒中前角時切削工具的外擺線路徑的影響。
圖7說明了本發明中用於複製由三側磨切削刀片切削而成的齒輪而確定一新的兩側磨切削刃輪廓的方法。
具體實施例方式
下面，將參考以上附圖對本發明進行討論。
從上述討論過的專利號為4,525,108，的美國專利中可以得知，在用於生產圓錐齒輪的平面滾齒的工具中，刀片安裝槽的布置，以及由此切削刀片本身，應被選擇在需要用於切削齒輪尺寸的一相應範圍的兩極端的刀片位置間的一中途位置上。因此，一個單一的切削工具可切削出一定範圍尺寸的工件。而後，通過具有適當的參數(壓力角、前副角等等)的用於特定工件的切削刃的選擇來解決齒輪尺寸和齒表面幾何形狀的變化。
在用於複製那些用三側磨切削刀片的工具切削出的齒輪的兩側磨切削刀片的切削工具的生產中，從一個工具到另一個工具，確定的基本的參數必須保持不變。這些參數包括槽的半徑、刀片組的數量、刀片的間距以及刀具的高度。
圖1、圖2及圖3說明了上述參數。為了說明的目的，圖1示出了兩個切削刀片1、2(每一個均不具有副前角)從刀片的中心以各自的半徑R1＝R2安置在刀片頭的安裝槽中。偏角δ1和δ2表示由於相對的速度方向的不同，同一個刀片頭應適用於不同的有效偏移量，但此有效偏移在物理上僅具有一個固定的固有偏移量。每一個刀片的相對切削速度與切削刀片的前刀面垂直。圖2示出了當刀片高度為HB時刀頭中槽的傾角。當然，如同本技術領域中訓練有素的人員所知的，在刀頭上的刀片組的數量取決於所要切削的特定的齒輪。
圖3示出了在本發明的切削工具上切削刀片的間距。在外部切削刀片後面的內部切削刀片的角度如圖所示為λ1，而在內部切削刀片後的外部切削刀片的角度如圖所示為λ2。刀頭上的所有刀刃根據這些角以及配置並適用於下式λ1+λ2＝360°/刀具上起點的數量圖4示出了位於刀具固有的偏移位置上的切削刀片如何能夠通過改變前刀面的取向(α)來模擬一個不同的偏角(或相對偏移量)。與之相比，圖1為兩個不同的偏移量由兩個不同的固有的偏移量實現。相對切削速度決定了所需的有效的刀片的偏移量。圖5示出了在圖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，圖5的相對切削速度矢量在表示的平面中。
通過從三側磨切削刀片的前刀面上去除受控制量的材料，副前角可以被調整以改變切削方向，同時有效的前角可以被調整到可以引起沿齒的長度方向齒面彎曲、輪廓凸起的變化以及壓力角的變化。這些變化的引入不會改變刀頭本身。因此，三側磨切削刀片允許有效前角發生變化，且這一自由度被用於齒側面的成形以及接觸運動(可調整性)優化。這些是刀片的控制參數，這些參數對於保存前刀面而僅打磨側面的兩側磨刀片是無效的。
圖6示出了沿具有一個正的前角(兩側磨)的切削刀片具有點A、B和C的切削刃。圖6還示出了一個不具有任何前角(三側磨)的切削刃(點A1、B1和C1)。由A產生的外擺線的路徑E與由A1產生的路徑E1是不同的。同A1相聯繫的曲線與由A產生的曲線相比具有相似(但不相同)的形狀。兩曲線在Z軸方向相互間有相對傾斜與位移。這意味著曲線A的螺旋角相對於A1減少。相反的情況發生在曲線的C與C1。點B和B1是重合的。因此，基於上述的論述，前角的存在使得在齒輪齒的根(外部)和尖(內部)端間產生一個正的齒側面彎曲。
本發明提供了一種刀具以及刀片系統，在使用兩側磨切削刀片時，本系統提供三側磨切削刀片所有的自由度。通過找到多個點的半徑的位置以確定給定的兩側磨切削刀片的切削刃(位於由一帶有不同的前角與副前角的三側磨切削刀片產生的同樣的外擺線上多個點)，在給定的兩側磨切削刀片上重新確定的切削刃將可複製出由帶有不同的前角與副前角的三側磨切削刀片切削出的齒面。可以假設給定的刀刃由一永久性的前刀面、無前角以及沿刀柄為常數的副前角組成。本系統的前角由刀頭中的安裝槽的傾角產生。
如上所述，點B與B1是相同的(圖6)。這就需要在Z方向找到點A和C的位置從而使它們切削出同A1和C1相同的外擺線的路徑(沿簡化的給定的切削刀片的現有的前刀面)。相對於刀頭前刀面的切削刀片的幾何高度保持不變。
為了找到點A新的位置，圖7中的外擺線運動學上的表示涉及到其中滾動圓和基圓順時針轉動直至A點與「新」切削刀片的前刀面接觸。這就是位置A』。從A點到A』點的運動需繞滾動圓中心轉動，併疊加上繞基圓中心的轉動。圖7中所示的這種運動的關係可以用下列式子表示EX0X+RB0X＝EX3X+RB3X(1)或S*sin(-φ0+δW)+RB0*sin(δW)＝S*sin(-φ0+δW+W)+RB*sin(δW+Hook+C)(2)其中 RB0X＝刀具半徑矢量的x分量(不具有前角的刀刃)；
RB3X＝刀具半徑矢量的x分量(具有前角的刀刃，轉向零度前角平面中)；EX0X＝從機器中心到刀具中心的矢量的x分量(不具有前角的刀刃)；EX3X＝從機器中心到刀具中心的矢量的x分量(具有前角的刀刃，轉向零度前角平面中)；S＝半徑的距離(EX0X的標量)；φ0＝刀具相角；j＝擺角；δW＝偏移角(平面滾齒)；RB0＝刀具半徑的標量(無前角)；W＝刀具中心關於基圓的旋轉度；RB＝刀具半徑的標量(帶有前角)；Hook＝RB與RB0間的角度；C＝帶有前角的刀刃繞滾動圓(刀具中心)的旋轉度；q0＝生成的齒輪滾動的位置；以及，β＝工件的螺旋角。
在W與C間有以下的關係W＝C/(1+Z生成的齒輪/Z刀具)(3)式中Z生成的齒輪＝生成的齒輪中齒的數量，以及Z刀具＝刀具上起點的數量。
方程式(2)可以解得W。這個數學的解可以由迭代法導出，例如(用於最大量為100次的迭代)W＝起始值D0l＝1,100舊＝WC＝W/(1+Z生成的齒輪/Z刀具)
W＝arcsin[sin(-φ0+δW)+RB0/S*sinδW-RB*sin(δW+前角+C)]+φ0-δWIF (舊-W＜limit) GO TO STOPEND D0A』與A2(圖7)間的差定義為Δ＝|RB3-RB0|(4)Δ是從點A』到點A1(即導致點A2)的標準半徑(沿Z軸)的位移，在A1具有(在圖7的相等的系統中)與點A2相同的位置處，它可以切削出與點A1相同的外擺線。此處所揭示的方法相對於由A1切削出的實際外擺線可精確到一極小的觀測值。給定任何差值的大小，本發明的方法可提供一種代數的精確的解，即在實踐中這個精確的解可使在整個齒側面上的差值僅為幾個微米，因此可以被忽略不計。
這種類似的方案可以用於找出點C2(圖7)，此點C2可切削出與點C1(圖5)相同的外擺線，外擺線運動學上的基圓和滾動圓以逆時針方向的旋轉使點C達到新的切削刀片的前刀面。與最初位於兩側磨切削刀片上的給定的切削刃A、B、C相比，在圖7中示出了新的切削刃輪廓A2、B2、C2。新的切削刃輪廓A2、B2、C2可切削出與具有A1、B1、C1切削刃輪廓的三側磨切削刀片切削出的相同的外擺線形狀的齒表面。
根據上述方法，沿一個特定的前角的切削刃任何所需的多個點都可被轉變成不具有前角或具有另一個選定的前角的切削刃上的一點。
根據由代數方程式確定的新的切削刃的形狀(例如圓形、橢圓形或更高階的)，從原始切削刃到新的切削刃可以轉換出三點、四點、五點或更多點。三點——切削刃的尖端一點、中心一點以及端部一點，這三點充分定義了的切削刃功能，從而可捕捉到不同的前刀面前角的特徵。
通過打磨內部或外部切削刃的前刀面，本發明還可以影響刀頭中刀片的間距，進一步致使齒厚度或槽寬度的改變。一個齒的厚度的調整通過分割開所需要的量來完成，以及例如增加切削刃外部切削刀片的半徑和減少內部切削刀片的半徑，增加或減少的量均為所需量的一半。
應用本發明，副后角和前刀面被磨鋒利的(三側磨)切削刀片可以被轉換成具有一永久性前刀面的一切削刀片，以及僅為輪廓成形或重新使副後刀面(兩側磨)鋒利。所有三側磨的工件(即由三側磨切削刀片切削的齒輪組)可以被轉換成由本發明中具有一永久性前刀面塗層的兩側磨切削刀片切削的工件。由於齒側面的幾何形狀可與用原始的三側磨的切削刀片切削出的原始齒表面的幾何形狀保持一致，故齒輪組在轉換後無需重新檢驗合格。
可以理解的是兩側磨切削刀片的最初的切削刃A、B、C可為實際的切削刃根據本發明的方法修改而成，或最初的切削刃A、B、C為從一理論上的切削刃計算出定位的新的切削刃例如A2、B2、C2(如當新的切削刃由切削刀片毛坯切削和/或打磨形成時)。本技術領域訓練有素的人可以意識到，還可以有其它的實施例，如點的重新定位可以導致在初始的相關的切削刃上加上材料從而取代從中去除材料。
在三側磨的切削刀片具有一前角的情況下，沿切削刃的相同的點將位於不同的平面中，而相比之下當前角為零時所有相同的點都位於同一平面中。在這種情況下，沿切削刃包含每一點的各個平面是確定的，而兩側磨的初始切削刃上的每一個相應的點在適當的平面中重新定位(如圖7所示反轉)，而後就可計算出半徑的偏移量(Δ)。當若干的點是一致時(例如圖6中點B和B1)，就無需重新定位或半徑偏移。
替代三側磨切削刀片的優點特別在於前刀面以及可以存在於新的兩側磨切削刀片中的它的塗層是永久性。利用硬質合金高速工具的切削加工在很大程度上依靠在正確的前刀面的塗層。以利用三側面磨切削刀片的系統設計的所有齒輪組很難轉換成使用高速硬質合金切削的生產方法。為了在每一次重新磨鋒利刀刃後將一組三側磨切削刀片送至一塗層設備，就需要一份更昂貴的硬質合金切削刀片的投料量，並且要包括用於每一切削刀片的100次重新塗層的成本。單單重新塗層的過程就可能增加工具成本至約八倍。
本發明參考上述較佳實施例加以敘述，應該理解到本發明並不僅限於上述特例。在不脫離所附的權利要求書的範圍及要點的情況下，本技術領域中訓練有素的人員可以顯而易見的變換也將被包括在本發明中。
權利要求
1.一種生產切削刃的方法，所述切削刃位於用於切削外擺線形齒表面的兩側磨切削刀片上，此外擺線齒表面為由三側磨切削刀片切削的一外擺線形齒表面的複製品，所述兩側磨切削刀片具有一切削刃、前角以及一副前角，而所述三側磨切削刀片具有一切削刃、前角以及一副前角，所述三側磨切削刀片的所述前角和所述副前角與所述兩側磨切削刀片的是不同的，這種方法包括在所述兩側磨切削刀片上確定一參考切削刃；在一三側磨切削刀片上確定一切削刃；在所述參考切削刃上確定多個點以及在所述三側磨切削刀片的所述切削刃上確定多個相應的點；在所述三側磨切削刀片的切削刃上為每一個所述的點確定一個各自零度的前角平面；將在所述參考切削刃上每一個點重新定位至對於所述三側磨切削刀片的切削刃上相應的點的各自零度前角平面；決定各重新定位的點與三側磨切削刀片的各自相應的點之間的距離；通過分別決定的距離調整位於所述參考切削刃上每一個點的位置；根據調整了的點的位置，從兩側磨切削刀片上去除材料或加上材料，由此在兩側磨切削刀片上形成一新切削刃，此刀片切削出的外擺線形狀的齒表面是由三側磨切削刀片切削出的齒表面的複製品。
2.如權利要求1所述的方法，其特徵在於，三側磨切削刀片的前角為零，以及三側磨切削刀片上的切削刃上所有的相應的點位於一單獨零前角平面中。
3.如權利要求1所述的方法，其特徵在於，三側磨切削刀片包括一非零前角，以及三側磨切削刀片的切削刃上的相應的點位於各自不同的零前角平面中。
4.如權利要求3所述的方法，其特徵在於，所述參考切削刃各相應的點重新定位到三側磨切削刀片的切削刃上的各個點的零前角平面中。
5.如權利要求1所述的方法，其特徵在於，所述相應點中至少兩個是相同的。
全文摘要
一種在使用兩側磨切削刀片時允許三側磨切削刀片的所有自由度的切削刀片及系統。在兩側磨切削刀片上可以確定一新的切削刃,此種兩側磨切削刀片可用來複製由具有不同的前角和副前角的三側磨切削刀片切削的齒表面。兩側磨切削刀片的新的切削刃由多個點決定,每一個點與三側磨切削刀片上的一點對應,這樣在切削時,沿兩側磨刀片的切削刃的每一點將位於同樣的外擺線上,而此外擺線由具有不同的前角和副前角的三側磨切削刀片上的相應的點產生。
文檔編號B23F21/22GK1349443SQ00807087
公開日2002年5月15日 申請日期2000年5月5日 優先權日1999年5月5日
發明者H·J·斯塔特菲爾德 申請人:格裡森工場