本发明涉及齿轮齿的制造，尤其涉及在圆柱形或圆锥形基体坯件上添加制造齿轮齿。
背景技术：
术语“添加制造”通常用于三维物体的三维打印。三维打印最初主要用于制造表示三维物体的几何形状和甚至机械功能的原型。然而，三维打印对象通常由具有与复制对象不同的物理性质的材料组成。此外，材料结构由粉末层(通常是塑料粉末)的粘附过程限定。塑料粉末类似于注射成型机中使用的塑料粒料，但粒料尺寸大大减小，直径降至50μm或更小。粉末颗粒层的粘附在化学工艺中通过具有例如打印粉末的负电荷和正电荷的周围电解质来实现。也可以像在激光熔覆中那样，将热量局部引入打印区，并实现打印层之间的打印材料的微熔化。在以后的应用中，三维打印还使用金属粉末，包括例如铝颗粒。为了实现颗粒层之间的良好粘附，将粘合剂材料添加到颗粒层中，并且类似于烧结工艺，实现颗粒表面的化学连接和/或物理粘附。三维打印物体的开孔结构与烧结物体非常相似，但它们缺乏传统烧结材料的密度。传统的烧结工艺需要高热高压。三维打印只有在局部加热和没有压力的情况下才可能实现。
另一种已经存在了一个多世纪的添加制造技术是焊接。焊接用于将钢或其它材料的不同尺寸的零件连接到复杂结构，在焊接界面上具有高材料密度和高强度。复杂结构的焊接消除了在大型和复杂铣床上为了用固体大块金属制造相同结构所需的昂贵的金属去除工艺。焊接加工也消除了碎片和切削油形式的浪费。
补焊也有近一个世纪的历史。它用于复制磨损或损坏的机器部件，如轴、凸轮甚至齿轮齿。补焊实现了主体部件与添加层之间的熔化结合。如果焊条或电极材料选择正确，则主体材料与外修复层之间的化学结构相似甚至相同。像钢这样的材料允许一些正火或回火工艺或低温处理，以便在主体部件与添加层之间平衡部件结构，使得新添加的材料部段显示出与原始部件相同的物理性能。在这种处理之后，主体部件与添加层之间的过渡区在结构和密度上也相似或甚至相同。
电弧焊接技术或使用金属粉末的激光焊接也用于进行添加制造，不是为了修复，而是为了制造完整的部件或为较大的基体部件添加几何形状。用于这种添加制造的机器类似于五轴线铣床，五轴线铣床使用预处理的计算机辅助设计(CAD)模型，该模型允许它们例如从标准渗碳钢直接从电子零件打印品自动产生期望的形状。
技术实现要素：
本发明涉及一种通过添加制造来制造齿轮齿的方法。每个齿由预定数量的材料层(例如钢)构成，每个层由预定数量的、优选由焊接头或等效装置施加的材料行形成。
附图说明
图1示出了用于制造锥齿轮和准双曲面齿轮的多轴线机床的示例，其装备有用于执行齿轮齿的添加制造的焊接头。
图2示出了由多列和多行组成的锥齿轮齿的模型。
图3示出了描绘本发明的焊接层方法的部分齿轮齿的顶侧和后侧侧面。
图4示出了焊接头，其轴线与表面法向矢量对准。
图5示出了具有带齿部段的轴的截面图。
图6示出了在较大部分直径的圆周内具有凹进带齿部段的盘形部分。
具体实施方式
在本说明书中使用的术语“发明”和“本发明”旨在广义地指本说明书的所有主题和下面的任何专利权利要求。包含这些术语的陈述不应被理解为限制本文描述的主题或限制以下任何专利权利要求的含义或范围。此外，本说明书不试图在本申请的任何特定部分、段落、陈述或附图中描述或限制由任何权利要求覆盖的主题。本主题应当通过参考整个说明书、所有附图和下面的任何权利要求来理解。本发明能够具有其它构造并且能够以各种方式实践或实施。此外，应当理解，这里使用的措词和术语是为了描述的目的，而不应被认为是限制性的。
现在将参考附图来讨论本发明的细节，附图仅通过示例来说明本发明。在附图中，相似的特征或部件将由相似的附图标记表示。为了更好地理解本发明和便于观察，在适当的情况下，从附图中省略了门和任何内部或外部防护。
本文中使用“包括”、“具有”和“包含”及其变型意味着包括其后列出的项目及其等同物以及附加项目。使用字母来标识方法或过程的元素仅仅是为了标识，并不意味着这些元素应该以特定的顺序执行。
尽管在描述附图时下面可以参考诸如上、下、向上、向下、向后、底部、顶部、前部、后部等方向，相对于附图(如通常所见)进行这些参考是为了方便起见。除非明确说明，否则这些方向不旨在字面上理解或以任何形式限制本发明。此外，“第一”、“第二”、“第三”等术语在此用于描述的目的，并且除非明确指定，否则不旨在指示或暗示重要性或意义。
本发明涉及在诸如圆柱形或圆锥形基体坯件之类的基体上添加制造齿轮齿。图1示出了定位在多轴线CNC机器上的齿轮工件坯件10，例如自由形式的锥齿轮切削机或磨床11(例如，在此以引用的方式并入的US6,712,566)，或者坯件10可以定位在三轴线至五轴线计算机控制的铣床上。焊接头13定位在不可旋转(相对于工具轴线C)的工具头或主轴壳体15上，焊接头13优选地被设计用于具有自动供给的焊条14的电弧焊接工艺或用于具有自动定量供给的合适材料(例如钢棒或钢粉末)的激光焊接工艺。优选地，CNC机器预处理器接收单个齿20(图2)的数字模型，该单个齿20包括齿的每一侧上的齿根圆角(齿根过渡圆弧)21，尽管也可以设想多于一个齿的模型。因此，图1的机器可在可绕工作轴线A旋转的工件坯件10上执行常规锥齿轮制造以及齿轮齿的添加制造。
图2示出了具有预定数量的列22和行23的锥齿轮齿20的模型。列点在方向“i”上从1到i编号，方向“i”是沿着行的方向。各层在方向“K”上从1到K编号，各行在方向“N”上从1到N编号。因此，这些点根据：(层K、行N、列i)编号。
如图3所示，第一层和最低层是(齿)根层30。部分地示出了第二层31。也部分地示出了第三层32。齿顶面44是最后一层。焊接从行33开始。第一行33与第二行34之间的距离由43表示。焊接按以下顺序继续:行35、36、37、38、39、40和41沿箭头所示的方向进行。在完成最低层30之后，焊接在层31、32中继续并且以此类推，直到它到达作为最后一层的齿顶面44。
每个层30、31、32和以此类推均由两个外部行或表面行(例如33和41)和多个内侧行(例如34至40)组成。这些行沿着面宽度42引导焊接头。内侧行将每个层的第一行(例如33)与每个层的最后一行(例如41)连接。内侧行位于等距圆柱(圆柱齿轮)或圆锥(锥齿轮)上，并且被定位成优选地以相等的距离分割圆形齿厚。距离优选等于焊接宽度。例如，在锥齿轮中，如果需要改变齿根部(heel)和齿顶部(toe)之间的内侧行距离，则可以用焊接进给速率来控制焊接宽度。层的厚度等于一次添加的材料层。
在图4中，示出了理论焊接头末端定位在例如点P(3，4，9)，并且与表面法向矢量46对准。焊接头13的轴线45与沿着焊接头移动路径的点的表面法向矢量对准(例如P(3，4，6))。焊接头13以恒定或可变速度沿方向47移动。添加齿制造已经完全完成了前两层并且部分完成了第三层。
如图2和3所示，焊接头可以首先沿着左侧表面从点P(1，1，1)移动到点P(1，1，i1)(第一层30中的第一行33)从齿根端移动到齿顶端，然后从齿顶部沿着内侧行34从点P(1，2，i1)移动回到点P(1，2，1)。接下来，焊接沿着行35从齿根部移动到齿顶部，并且沿着行36返回到齿根部。这重复进行直到到达行41。在一层中偶数N行的情况下，焊接头将在焊接一层结束时到达齿根部(例如点P(1，N1，1))。此时，焊接头移动到下一层31，并跟随从点P(2，N2，1)开始并从齿根部到齿顶部以点P(2，N2，i2)结束的行。当它到达齿顶部时，它沿着以点P(2，N2-1，i2)开始并以点P(2，N2-1，1)结束的行返回齿根部。重复该循环直到焊接头在偶数行N的情况下到达齿根部处的行P(2，1，1)。该过程对于第三层、第四层等重复到最终层K。层K表示齿的齿顶面，这结束了单个齿的添加制造。
现在可以通过在坯件已经旋转一节距之后重复制造齿号1的过程来添加制造齿轮的其余齿。
结合优化的电流和电频率，可以用焊接头13的较低进给速率与焊接材料(例如焊丝)的较低进给速率来焊接表面行。优化表面行参数的目的是获得尽可能好的表面密度和表面光洁度。
焊接头轴线45最初与表面法向矢量(例如46)对准。为了优化行焊接运动学的动态效果，焊接头轴线可以在沿着一行的不同位置以不同角度倾斜(在焊接头移动方向上或逆着焊接头移动方向)。该倾斜角在包括焊接头移动速度和表面法向矢量的平面内。
为了焊接表面行，除了所描述的倾斜平面之外，焊接头还可以倾斜(电弧稍微指向齿的外侧(或内侧))。这样做是为了改进表面密度和表面光洁度
为了减小新形成的齿轮中的内应力并且还减小热影响造成的变形，可以焊接用于齿号1的每一行层，然后焊接用于齿号2的每一行层，以及如果有的话，焊接附加齿，直到每个齿具有该层。然后对所有齿上的下一层重复该过程。用这种方法，所有的齿同时建立。
表面行由沿行(列)的一定数量的离散点组成。可以使用表面行点的相同极坐标(逐列)计算内侧行。通过将相应表面点的角度差分成一定数量的相等差，可以为每行的每列计算内层点的角度位置。根据焊接宽度，由于层1和层K之间的齿厚变化，内侧行的数量必须逐层改变。希望改变内侧行的数量，因为这将实现不同层之间的行重叠并减轻新构建的材料结构的接缝弱化。
可以将与坯件材料不同的材料用于添加制造的齿。也可以改变齿芯与表面之间的材料组成(不同的钢合金)。
根据添加制造的齿轮齿的应用，可能需要精加工操作。在热处理(包括例如表面渗碳)后，可以进行抛光。在需要硬精加工的情况下，例如使用与齿轮齿的添加制造类似的原型制造工艺或低量制造工艺，则可以采用专用的5轴线齿轮齿铣削工艺(例如，以引用的方式并入到本文中的US 8,967,926)，以便在执行添加齿制造的同一机器上执行硬精加工操作，例如研磨或刮削。
在一些情况下，常规的齿制造是不可能的。由于强度原因而需要整体零件的零件设计通常是禁止的，因为用传统的减材制造方法不可能制造。
在第一示例中，图5示出了具有带齿部段51的轴50的截面图。带齿部段51的常规的减材制造(例如面铣)需要圆形刀具，圆形刀具的刀片末端跟随圆弧52。在零件50的情况下不能采用常规的工艺，因为圆形工具轨道与轴53的在带齿区域前面的部分干涉。图5的下部示出了齿轮54的根锥，其没有用于减材切槽的多余材料。相反，焊接头13通过应用本发明的方法来增加齿的形状。
在另一个示例中，图6示出了在较大直径61的圆周上具有凹进部段的盘形部分60。凹部从台阶62开始，并以台阶63结束。台阶62与63之间的带齿部段64不能用常用的减材滚齿或成形工艺制造，因为这些工艺将干扰这些段限制台阶62和63。可以应用本发明的添加剂齿制造工艺以形成带齿部段64。
如果来自焊接工艺的粗糙表面结构不允许用于最终应用，则根据前面提到的US 8,967,926的精铣提供了对本发明的添加齿制造的最佳工艺补充。
本发明的方法适用于圆柱形齿轮(例如正齿轮和斜齿轮)以及包括直齿轮、螺旋齿轮、准双曲面齿轮和平面齿轮或冠状齿轮的锥齿轮。本发明的方法同样适用于外齿轮和内齿轮。或者，本发明的方法也可以通过激光熔覆来实施。此外，本发明的方法适用于修复或替换破碎的、部分破碎的、破裂的、磨损的或以其他方式损坏或损毁的齿轮齿，如本领域技术人员可以理解的。例如，在损坏或部分断裂的齿的情况下，可以看出，制造齿的“基体”可以是损坏或部分断裂的齿的现有或剩余部分(例如，结构健全的部分)。
尽管本发明已经关于齿轮齿的添加制造进行了讨论和说明，但是也可以根据本发明的工艺制造齿轮结构的其它元件或包括一个或多个齿轮齿、与齿轮齿一体或远离齿轮齿的工件的其它元件。
虽然上面已经关于在行的方向(方向i和方向-i)上执行的材料的施加讨论了本发明的方法，但是本发明不限于此。替代地，尽管不太优选，材料可以沿N方向(正和负)施加。然而，在任一情况下，材料优选地以重复的来回方式(例如±i或±N)逐行施加以形成每一层。
虽然已经参考优选实施例描述了本发明，但是应当理解，本发明不限于其细节。本发明旨在包括对本主题所属领域的技术人员显而易见的修改。