齿轮设计和制造方法

专利名称：齿轮设计和制造方法
技术领域：
本发明属于齿轮设计和制造领域。
背景技术：
齿轮是复杂的三维体。包括至少两个齿轮的高级齿轮传动装置的 用途在于在没有相对滑动或其它形式振动能量损耗的情况下以高负载 和高转速均匀传递运动振动，并且噪音低。这些齿轮通常釆用铣削或 切削技术制造。
市场上很早就可以买到用来满足针对齿轮设定的要求的铣床。所 有这些已知的机床都是基于形成与渐开线对应或至少基于渐开线形式 的齿形。
采用这些机床，尤其在圆柱齿轮的情况下，渐开线齿形很容易通 过沿着所设计的齿轮的节距圆在齿条刀或针刀上施加均匀的运动用铣 削或切削来制造，为此齿轮按照适当的方式尤其以适当的选定速度转 动。这样在具有直齿的圆柱齿轮中形成精确渐开线，并且由此形成精 确满足设定规范的齿轮。
另一种生产具有渐开线齿形的齿轮的方法使用了滚刀。在这种情 况中，旋转的滚刀均匀地移动穿过同样转动的齿轮材料。
根据再一种生产方法，仿形磨盘将齿轮材料研磨出齿形，其中在 仿形盘式研磨设备中预先设置好齿形。
除了具有直齿、斜齿或双斜齿(v形齿)的圆柱齿轮之外，锥形
齿轮也具有直齿、斜齿或其中齿角在齿宽上变化的齿。因此，形成弧， 这些弧实际上具有凸起或凹进形式并且这些圆弧形成为圆、摆线、渐 开线、准渐开线或外摆线的一部分。除了上述圆柱和锥形齿轮之外， 也可以应用于锥齿轮或伞齿轮。这些是其中所涉及的轴线不相互平行的齿轮。
所有上述渐开线齿形是通过锚固在专门铣齿机中的机械加工工具 的运动以及所要制造的齿轮相对于彼此的运动而形成的。所有这些齿 轮的齿形和弧因此动态锚固在用来制造齿轮的机床中，并且采取所使 用的工具形式。
虽然在伞齿轮的情况下在平面中继续从圆来制作渐开线(圆柱齿
轮的基本起点)，但是这种渐开线就像它投影到三维锥体上，从该投影 中现在在空间平面中形成球面渐开线。对于伞齿轮的该生产方法本身 而言，在锥形齿轮的情况下相对于所期望的球面渐开线齿部会出现明 显的差异。由于这些偏差，不会根据球面渐开线来形成齿形，而是形 成奥克托齿形，由此不再可能完全满足均匀传递运动的上述条件，这 对具有两个或更多这些齿轮的传动装置的运行性能造成负面影响。参
考文献如下
Herman J. Stadfeld博士 "The basics of Spiral Bevel Gears", 200 年1月/2月，Gear Technology,第31-38页。
G. Niemann, H. Winter, Maschinelements Band III，第26-27页。
在伞齿轮的情况中，通过不再采用会得到偏离球面渐开线的齿形 的固定动态限定的机床-工具组合，而是通过釆用自由可编程的组合， 从而实现改进，通过自由可编程组合可以通过才几械加工实现精确的球 面渐开线齿形。
沿着该方向的开始阶段是已知的，尤其是可以从Figliolini， 6zal 和Suh的研究文献中可知。为此将参照下面所提到的参考文献。例如 Figliolini公开了具有球面渐开线齿的齿轮的通用数学描述，由此伞齿 轮的数学模型的通用描述也是已知的。基于这些数学模型，也可以通 过采用自由可编程机床-工具组合并且基于球面渐开线进行机械加工 来实现复杂锥形齿轮。
这些机床当然必须具有足够的自由度以便能够实现伞齿轮的复杂 齿形。
为了按照这样一种方式铣削伞齿轮，现在在所有情况中都釆用了三轴同时操作的铣床。因此采用了附加的转盘，由此基本上形成了四 轴铣床。但是，在自身铣削期间，具有额外自由度的该转盘是固定的， 从而这也实质上为三轴同时操作的铣床。
这些铣床使用小直径球头铣削装置来进行铣削，从而在齿根的底 面上也仍然可以实现足够的自由度。
使用该球头铣削装置的优点在于，铣削装置接触铣削表面的角度 不同，当然其限制在于，铣削装置的针刀不会接触齿面并且与切削侧 接触的球头铣削装置的底面不能用于铣削。
所用的铣床因此在理论上只需提供到达空间中在伞齿轮上的每个
小x-、 y-和z-位置的可能性，其中铣削装置的针刀的位置是不相关的。 这可以用相对简单可自由编程的三轴铣床来实现。
这个方案在将在下面描述的图l和2中显示出，并且在Figliolini, 6zal和Suh的各种文献中描述
Figliolini Giorgio ( 1 ): Angeles Jorge ( 2 ) ， "Algorithms for involute and octoidal bevel-gear generation" 。 Journal of mechanical design ( J. mech.des.) ISSN 1050-0472 2005，第127巻，第4期，第 664-672页。
S.H. Suh、 D.H. Jung、 E.S. Lee， "Modelling, implementation, and manufacturing of spiral beleve gears with crown', ， International Journal of Advanced Manufacturing Technology Springer画Verlag， 第 21巻，2003年，第775-786页。
S.H. Suh等人，"Sculptured surface machining of spiral bevel gears", International Journal of Machine Tool & Manufacture, 第41 巻，2001年5月，第833-850页。
S.H. Suh， W.H. Jih, H.D.Hong， D.H.Jung， "Manufacturing Spiral
Bevel Gears with CNC milling"Proceedings of he second International Conference on Advanced Manufacturing Technology，Johor-bahru， M勿sia，第261-267页，2000。
S.H. Suh， W.S. Jih， H.D.Hong， D.H.Jimg， "Sculptured surfacemachining of spiral bevel gears": a feasible study, 15th ISPE/IEE International Conf. On CAD/CAM, Robotics,以及Factories of the Future, Brazil，第1巻，第11-16页，1999。
Cihan 6zal, Ali nan 和 Latif 6zal ， "An Investigation on Manufacturing of the Straight Bevel Gear Using End Mill". Journal of Mamifacturing Science and Engineering—2005年8月一第127巻，第 3期，第503-511页。
这些作者描述了所进行的试验的方法和结果，这些试验基于翻译 成机床代码的模型，采用该模型来控制自由可编程的、三轴同时操作 的CNC机床。
该方法的缺点在于，球头铣削装置的直径受到在齿面之间的最小 空间以及可能的齿根的规定直径的限制，也参见将在下面描述的图3。 这种小球头铣削装置的机械加工能力非常低，由此铣削时间变得非常 长，这导致该方法不能应用于更宽的商业用途不得不被实际上排除。
而且用小球头铣削装置进行铣削留下了清晰的凹进铣削加工轨 迹，这导致粗糙的表面，或者至少光洁度不太满意的表面。因此在铣 削期间在齿面上形成由脊部清楚地表现的相邻的狭窄的凹进铣削加工 轨迹。在这点上参照将在下面描述的图4。
这些铣削加工轨迹形成粗糙的齿面，这对齿轮的运行性能和使用 寿命具有非常大的不利影响，并且由此不能满足针对高级齿轮传动装 置所设定的多个上述要求。
合。而且在磨合期间出现了大量磨损，其中，不能防止研磨灰尘释放 到到齿轮传动装置中，这是非常不理想的。
因此所述磨合时间伴随着额外的危险，例如承载损害和齿面损坏， 或者需要额外的注意和成本，例如润滑油过滤和监测。而且，由于这 些铣削加工轨迹在两个相互共同作用的齿轮中形成较小的接触表面， 并且存在大大增大的表面张力，并且存在形成微凹坑的危险，即从齿 面中破碎出材料微粒，这导致加速磨损。从另一个方面也可以非常明显地看出通过铣削实现非常光滑的齿面的重要性。如果通过铣削来获得所期望的规定表面质量，则可以省却为此通常所需的通过研磨来进行额外并且昂贵的精加工的必要。而且釆用研磨进行精加工也必须用同样自由的可编程铣床来完成，因此要采用同样的小球头研磨石。显然，由于在磨盘的转速、装载和结块方面的限制，用这种小球头研磨石来进行研磨精加工实际上是不切实际的。因此需要采取现有的用于精细研磨的与机床相关的动态研磨技术。结果现有技术齿形与精确的球面渐开线齿形不同，因此也与粗铣削齿形不同，由此，如上面简要所述一样不再能够满足针对高级传动装置设定的要求。
对于精确并且高负载的球面渐开线齿轮而言，这意味着必须规定铣削过程的要求，即，与精研磨可能实现的同样的平滑精确的规定表面。
可以通过非常多的铣削运动来部分克服所述粗糙度的负面影响。在该情况中，铣削加工轨迹最终会变得非常窄，这提高了齿面的光洁度。但是显然，由于每次铣削加工都需要许多铣削运动以及较小的机械加工体积，所以即使在釆用已经经过粗铣的齿轮或通过铸造或其它非机械加工成型工艺形成的预成型齿的情况下，满足完全铣削齿轮也
需要更长的时间。在这点上参照将在下面描述的图5。
另夕卜，已经发现只是采用简单的自由可编程铣床实际上是不够的。因此发现需要能够相对于齿面在某些限制条件内改变铣削装置的角度。这在底切齿形的情况中是重要的，这会在小锥角的情况中和/或在齿方向具有尖锐曲线的情况中出现，参见将在下面描述的图11。
这是重要的，因为球头铣削装置具有几个不能铣削的位置例如与机械加工表面接触的铣削装置的铣削主轴和内侧。
因此从上面必然确定，基于釆用与小球头铣削装置结合的三轴或
发明内容从H.國P. Schossig的文章"Auf einfachem Weg zu guten zShnen"，
Werkstatt und Betrieb， Carl Hanser Verlag， Munich, Germany, part140， No.4，第28-32页，ISSN 0043-2792中可知一种通过计算机控制的机械加工设备来设计和制造齿轮例如圆柱齿轮或伞齿轮特别是螺旋伞齿轮的方法，该方法包括一下按照合适的顺序进行的步骤
a) 根据基本设计要求确定边界条件和起始条件；
b) 借助计算机根据这些边界条件和起始条件来确定基本设计；
c) 生成与该基本设计对应的基本机床代码；
d) 将步骤(c)和(d)的结果放入到控制计算机的基本程序中；
e) 使计算机生成限定的机床代码；
f) 使用适于执行包括铣削和电火花腐蚀的组中的操作的机械加工设备；
g) 使用工具尤其是铣削装置或电火花腐蚀头；并且
h) 使用具有至少五个同时独立的自由度的机械加工设备。与在该文章中简要描述并且具体涉及使用具有至少五个同时独立
自由度的机械加工设备来制造齿轮的可能性的技术相比，本发明的目的在于如此实施上述特定类型的方法，从而可以在更短的时间内以相同的光洁度制造出通过机械加工成型的表面，或者可以在相同的时间内明显改善光洁度，或者可以在两者之间实现折衷。
为此，本发明提供了一种上述类型的方法，该方法具有以下特征用细长工具执行步骤(g)，其形式至少在一定程度上对应于所期望的用于机械加工成型的表面形式，尤其是用于成型凹进表面的凸起形式，用于成型或多或少平坦或至少稍微凸起的表面的圆柱形形式，以及用于成型或多或少平坦或至少稍微凹进的表面的凸起形式。
显然不可能有6个以上的独立自由度，即三个平移自由度和三个旋转自由度。
沿着表面按照受控的方式逐渐倾斜地引导工具以相对于该对比文件以至少一个附加的自由度来进行铣削。
在其中工具其主体形状为圆柱形的实施方案中，除了采用球头铣削装置之外，通过细长形式的工具尽管在扫描运动轨迹之间的间距相 对较大也能实现几乎可以忽略的粗糙度。在这点上参见将在下面描述
的图6A和6B。
在其中所要形成的表面具有一定凸度的情况下，该方法具有特定 的特征，即该工具其主体形状为稍微凹进。凹进形式的工具必须具有
比所要成型的表面更大的曲率半径。
在必须形成具有凹进特征的表面的理论情况中，该方法可以具有 这样的特定特征，即该工具其主体形状为稍微凸起。在该情况中，该 工具的凹进表面的曲率半径必须小于所要成型的表面的曲率半径。
在其中工具的自由端区域具有凸起主体形状的实施方案中，尤其
是在相邻齿之间的谷部很容易根据设计要求实现并且成型。这一点参
照将在下面描述的图8、 9和10。
根据本发明的另一个方面，该方法包括以下步骤
i)将由机械加工设备连续进行的制造齿轮循环分成多个阶段，并
且给每个阶段分配特定的工具；并且
j)将分配给各个阶段的工具顺序装入在机械加工设备中，通过构 成一部分机械加工设备的激光测量装置来测量其相关的尺寸，并且将
这些尺寸输入到计算机中，然后使计算机如此执行步骤(i)，从而该 工具总是具有所期望的标称位置。
除了在现有技术中之外，本发明还基于往往或多或少的圆柱形或 锥形工具，尤其是具有笔直或稍微凹进侧面的铣削装置。
这种工具的优点在于，除了在用小球头铣削装置进行铣削的情况 之外，还形成了平坦或很轻微球形的宽机械加工轨迹。在非常小的机 械加工深度处，也仍然能够获得宽机械加工轨迹并且由此获得平滑的 表面，它们由与在采用小直径球头铣削装置的情况中相比其曲率半径 明显更大的线段或片段构成。
在这种铣削过程中，机械加工工具能够相对于齿面的双弯曲表面 只有一个位置。该位置在任意情况中都由与双弯曲齿面瞬时相切角表 示。在采用这种机械加工工具时，如根据本发明所教导的一样，因此必须使用具有至少五个自由可编程轴线的机械加工设备。这是因为， 除了铣削装置在空间中的位置之外，也必须相对于齿面限定机械加工
工具的位置。因此必须向x-、 y-和z-定位能力选择中加入空间角度定 位，例如两个角度E、 N。
在釆用具有笔直、稍微凹进或稍微凸起的侧面的圆柱形或锥形机 械加工工具时，因此需要至少可以有五个能够同时作用的可编程轴线 的才几械加工i殳备。
因为对于齿面的齿头和齿根在表面质量方面没有设定同样严格的 要求，所以出于实际原因考虑例如可以用不同的机械加工工具来铣削 这些表面。这是为什么在这些情况中可以在可自由编程的五轴机械加 工设备中加入工具更换装置的原因。这可以部分通过使铣削装置在其 内侧上具有与在齿根中所要铣削的倒圆部分对应的弧形部分来解决。
显然，在控制用于复杂三维齿型例如具有精确(球形)渐开线横 截面的螺旋伞齿轮的五轴铣床的复杂度方面，不可能用现有的数学模 型和机床代码来满足。
本发明将用于在用或多或少的圆柱形或锥形机械加工工具进行铣 削的基础上通过铣削来制造具有球形渐开线齿的伞齿轮的方法与自由 可编程CNC控制的至少有五轴的铣床结合在一起，基于准确描述了 所期望的球形渐开线齿形的数学模型，该模型被翻译成适用于该机床 的复杂度和齿形的机床代码。
要指出的是，可能通过使用利用具有模块"齿轮，，或者"伞齿轮"的 三维CAD程序而形成的实体(solid)根据不同的方法成功地成型伞 齿轮。这些都基于理论上精确描述的渐开线齿轮外形的数学模型，精 确描述的渐开线齿轮外形被翻译成用于具有最多四个自由度的数字可 编程的铣床的机床代码。
在多次使用研磨机械加工工具例如转动的铣削头之后，根据本发 明的方法优选被重校，以便防止产生由于磨损引起的不希望的尺寸变 化并因此确保将被制造的齿轮的最大可能的精确性。为此，上述方法 可以包括以下步骤k)通过构成一部分机械加工设备的激光测量装置测量出所用工 具的相关尺寸并且将这些尺寸输入到计算机中；以及
1)任选使计算机根据步骤(k)的结果生成新的机床代码，从而 所述工具即使在例如由于磨损而可能出现尺寸变化的情况下也能占据 标称位置。
根据本发明的另 一个方面，根据本发明的方法可以包括以下步骤 m)执行步骤(d)，从而在每个相关阶段中执行的操作通过所分
配的工具根据设定的要求，例如在最短可能时间内，并且具有最小的
剩余表面粗糙度，与根据规定的机床代码而形成的理想形式相比最小
的剩余偏差等来进行。
本发明还涉及通过应用上述方法而获得的齿轮。 本发明还涉及采用如上所述的方法制造齿轮的机械加工设备，该
设备为至少具有五个同时独立自由度的类型。
根据本发明的方法的实施方案可以包括以下步骤
(n)用具有可更换的位板的铣削装置来执行步骤(g)。正在磨损
并且因此正在日益钝化的一部分铣削装置由此可以更换，由此预计工
具成本将降低。


在现在将根据这些附图来说明本发明，其中以高度示意的方式示 出现有技术和本发明。 这些附图中
图1显示出由可旋转驱动的转盘承载并且采用现有技术方法成型 为限定的形式的预制齿轮的透视图，其中转盘开始沿着旋转方向Rl 转动；
图2显示出与图l对应的视图，其中转盘沿着转动方向-Rl转动； 图3为齿轮的剖开局部透视图，用来说明应用球头铣削装置的可 能性和限制。
图4为与图3对应的视图，显示出具有相对较大表面粗糙度的齿面的成型；
图5为与图4对应的视图，显示出具有明显更小表面粗糙度的齿 面的成型；
图6A为与图3、 4、 5和5A对应的视图，显示出圆柱形铣削头的
使用；
图6B为与在图6A中所画出的情形对应的齿面的侧视图7A和7B为与图6A和6B对应的视图，其中使用了大的空心
陀螺形凹面铣削头来制造凸起齿面；
图8、 9和10为与图l和2对应的三个视图，其中如根据本发明
的教导一样除了分度的自由度Rl之外在转盘上还加入了第五转动自
由度R1;并且
图ll是出对应于图5的视图，具有出于对可移动的铣削轴进行说 明的必要而底切的齿。
优选实施方案的详细说明
图1显示出转盘1,它可以根据如由箭头2所示的自由度Rl通过 驱动装置(未示出)转动。转盘1承载有必须成型为其规定形式的预 成型齿轮3。
为此使用了具有由驱动装置4转动驱动的球形头的铣削装置5。 铣削装置5的主轴比球形头6的直径更小。通过根据预定的限定齿轮 的标称形式进行必要的运动，与转盘l的旋转运动结合，在机械加工 期间通过计算机来连续调节三个平移自由度Tl (7)、 T2 (8)和T3 (9)。
随着转动Rl,通过球形头来加工位于图中左边的齿面10。针对 齿轮3齿的所有相应齿轮都进行该操作，这些齿面为了方便起见都用 11表示。
图2显示出这样一种情况，其中转动方向2相反，因此对应于Rl。 由此来成型右边的齿面12。
图1和2显示出三轴同时操作的现有技术铣床的原理，其中转盘IO具有与第四分度自由度对应的旋转自由度。
也参照图l和2，图3显示出球头铣削装置6具有这样小的直径， 从而它在齿谷13的最底部处具有足够大的运动自由度。这里要指出的 是，在这里的使用球头铣削装置的情况下，铣削主轴5相对于相应的 齿11所成的角度并不重要，从而铣削装置4、 5、 6的位置并不相关。
要注意的是，球头铣削装置的直径受到位于齿谷13的底部处的最 小标称空间的限制。
图4显示出，随着铣削头6的相对"粗糙"的往复扫描运动，球头 铣削装置6留下清晰表现出的凹进铣削加工轨迹14。
图5显示出通过选择较短的扫描轨迹间距离并且因此选择更大数 量的扫描运动从而可以选择更多数量的明显更窄并且更浅的铣削加工 轨迹17。
图6A和6B示意性地显示出在使用细长圆柱形夹套铣削刀具15 时铣削轨迹16宽而平滑。
图7A和7B显示出在使用凹进夹套铣削刀具17的情况下，在该 情况中可以只是用两条铣削加工轨迹18来形成充分接近理想的齿面 形式。
图8、 9和10显示出使用三个平移自由度Tl、 T2和T3以及两个 旋转自由度Rl和R2来成型齿面。
最后，图11显示出齿21具有底切齿面22、 23。如用虛线所示的 一样，承栽着铣削头6的针5不能获得底切形状。这是通过画出贯穿 铣削主轴5的齿面22的剖视图来示意性地显示出。该剖面由24表示。 但是，用实线画出的是通过将这里用4，、 5，、 6，表示的铣削装置设置 在角度3处可以获得底切齿形。
权利要求
1.通过计算机控制机械加工设备来设计和制造齿轮例如圆柱齿轮或伞齿轮特别是螺旋伞齿轮的方法，所述方法包括以下按照合适的顺序进行的步骤a)根据基本设计要求确定边界条件和起始条件；b)借助计算机根据这些边界条件和起始条件来确定基本设计；c)生成与所述基本设计对应的基本机床代码；d)将步骤(c)和(d)的结果放入到控制计算机的基本程序中；e)使计算机生成限定的机床代码；f)使用适于执行包括铣削和电火花腐蚀的组中的操作的机械加工设备；g)使用工具尤其是铣削装置或电火花腐蚀头；并且h)使用具有至少五个同时独立的自由度的类型的机械加工设备，其特征在于，用细长工具执行步骤(g)，其形状至少在一定程度上对应于所期望的用于通过机械加工成型的表面形状，尤其是用于成型凸起表面的凹进形状，用于成型或多或少平坦或至少稍微凸起的表面的圆柱形形状，以及用于成型或多或少平坦或至少稍微凹进的表面的凸起形状。
2. 如权利要求l所述的方法，其中，所述工具具有圆柱形的主体 形状。
3. 如权利要求l所述的方法，其中，所述工具具有稍微凸起的主 体形状。
4. 如权利要求l所述的方法，其中，所述工具具有稍微凹进的主 体形状。
5. 如权利要求l所述的方法，其中，所述工具的自由端区域具有 凸起的主体形状。
6. 如前述权利要求中任一项所述的方法，还包括以下步骤i)将由机械加工设备连续进行的制造齿轮循环分成多个阶段，并且给每个阶段分配特定的工具；并且j)将分配给各个阶段的工具按顺序装入机械加工设备中，通过构 成机械加工设备的一部分的激光测量装置来测量各工具的相关的尺 寸，并且将这些尺寸输入到计算机中，然后使计算机执行步骤(i), 从而所述工具总是具有所期望的标称位置。
7. 如前述权利要求中任一项所述的方法，还包括以下步骤k)通过构成机械加工设备的 一 部分的激光测量装置测量出所用 工具的相关尺寸并且将这些尺寸输入到计算机中；并且1)可选择的使计算机根据步骤(k)的结果生成新的机床代码， 从而所述工具即使在例如由于磨损而可能出现尺寸变化的情况下也占 据标称位置。
8. 如前述权利要求中任一项所述的方法，包括以下步骤m)执行步骤(d)，从而在每个相关阶段中要执行的操作通过所 分配的工具根据设定的要求，例如在可能最短d时间内，并且具有最 小的剩余表面粗糙度，还具有与根据规定机床代码形成的理想形式相 比最小的剩余偏差，等等来进行。
9. 如前述权利要求中任一项所述的方法，还包括以下步骤 n)用具有可更换的位板的铣削装置来执行步骤(g)。
10. 通过应用如前述权利要求中任一项所述的方法而获得的齿轮。
11. 用如权利要求1-9中任一项所述的方法制造齿轮的机械加工 设备，该设备是具有至少五个同时独立自由度的类型。
全文摘要
通过计算机控制机械加工设备来设计和制造齿轮的方法，包括以下步骤使用适于执行包括铣削和电火花腐蚀的组中的操作的机械加工设备；使用工具尤其是铣削装置或电火花腐蚀头；使用具有至少五个同时独立的自由度的类型的机械加工设备；使用细长工具，其形状至少在一定程度上对应于所期望的用于通过机械加工成型的表面形状。
文档编号B23F5/20GK101678488SQ200880013668
公开日2010年3月24日 申请日期2008年4月26日 优先权日2007年4月26日
发明者A·N·J·范罗斯马伦, W·J·T·梅根斯 申请人:Hpg荷兰有限责任公司