齿轮的齿顶面倒角的制作方法

本发明涉及例如伞齿环齿轮和小齿轮的齿轮的制造，并且特别涉及齿轮上的齿顶面倒角的形成。

背景技术：

伞齿轮和准双曲面齿轮(小齿轮和环齿轮)可以在单个或间歇分度工艺(端面铣削)中或在连续分度工艺(端面滚铣)中予以切削。端面滚铣工艺产生齿面锥角与齿根锥角相同的齿比例。因此，端面滚铣后的伞齿轮具有平行(即均一)深度齿，如图1(a)所示出。因为切削刀片移动总是被定向为平行于齿根线，所以它也将平行于齿的齿顶面拐角。如果端面滚铣刀片的特征是具有切削刃的肩部，如例如masseth的us5,374,142所公开，那么有可能切削齿顶面倒角或齿顶面倒圆(即修缘)，其在齿侧面表面与齿顶面之间提供平滑的过渡。

端面铣削工艺产生齿面锥角大于齿根锥角的齿比例。因此，端面铣削后的伞齿轮具有楔形深度齿，如图1(b)所示出。因为切削刀片移动总是被定向为平行于齿根，所以仅有可能沿着齿面宽度(即齿长度)或沿着齿面宽度的部分在三角形截面中加工齿顶面倒圆或倒角。三角形截面呈现齿的齿跟侧(齿的外端)上的过量倒角宽度与齿的齿顶侧(齿的内端)上的无倒角之间的折衷，如图2所示出。

许多伞齿轮和准双曲面齿轮制造商需要齿顶面倒角或齿顶面拐角倒圆。这种所谓的“拔顶(topping)”尤其在造成齿轮和壳体偏转的负荷条件下提供了较平滑的齿啮合，并且在制造和装配公差总计为大齿轮组位置偏差的情况下也是有益的。在具有高功率密度要求的齿轮组中发现了拔顶的另一种应用，所述齿轮组在最终磨削操作之后经历喷丸硬化处理。喷丸硬化可能会在通过球撞击而形成的凹坑周围造成一些材料堆积。少量的堆积会带来齿啮合干扰，并且还可能会造成局部表面应力增加。磨削之后的拔顶操作将会移除材料堆积的斑点，并提供即使在高负荷下也能进行平滑的齿接合的额外优点。

技术实现要素：

本发明包括一种方法，其中沿着齿轮的齿面宽度通过一个齿槽(例如从齿跟到齿顶)引导切削或磨削倒角工具，同时它接触邻近的相应凸和凹齿侧面的齿顶面拐角。所述工具移动到分度位置，将所述齿轮分度到下一个齿槽位置，且所述工具移动通过所述齿槽(例如从所述齿顶到所述齿跟)。重复所述循环直到所有齿顶面拐角都被倒角。

附图说明

图1(a)示出具有均一深度的齿的三维视图。

图1(b)示出具有楔形深度的齿的三维视图。

图2以简化二维视图示出沿循小齿轮或齿轮的齿根线的切削刀片。所述刀片可以用倒圆后的肩部予以磨削，所述肩部将对仅部分地沿着齿的齿面宽度延伸的三角形区域进行倒角。

图3示出三维图形，其中倒角工具接合在一个齿槽中。

图4示出自由形式的伞齿轮切削机的三维视图，所述伞齿轮切削机具有所附接的倒角单元和工具。

图5示出两个邻近齿的三维视图。在两个齿之间形成槽的侧面表面具有标称网格点(示出了可见侧面上的网格)。工具路径20以及法向向量和正切向量用于计算倒角期间的工具中心移动。

图6示出具有笛卡尔坐标系的环齿轮23、刀具路径21、侧面中心点24和刀具路径正切向量22的简化三维表示。倒角工具25被绘制在中心齿位置处。

图7(a)示出倒角工具的二维投影，所述倒角工具接合在位于齿轮中心平面处的齿槽中。

图7(b)示出倒角工具的二维投影，所述倒角工具接合在位于齿轮中心平面下方的齿槽中。

图8以二维投影示出向量图，所述向量图包含为确定瞬时工具中心点所需要的所有向量和尺寸。

图9示出小齿轮52及其笛卡尔坐标系的三维视图。具有轴54的倒角工具51沿循工具路径50。

具体实施方式

本说明书中所使用的术语“发明(invention)”、“本发明(theinvention)”和“本发明(thepresentinvention)”旨在广泛地指代本说明书和所附任何专利权利要求的所有主题。含有这些术语的陈述不应被理解为限制本文中所描述的主题或限制所附任何专利权利要求的涵义或范围。此外，本说明书并不设法描述或限制本申请的任何特定部分、段落、陈述或附图中的任何权利要求所涵盖的主题。应通过参考整个说明书、所有附图和所附任何权利要求来理解主题。本发明能够具有其它构造，并且能够以各种方式来实践或实行。此外，应理解，本文中所使用的措词和术语是出于描述的目的且不应被视为限制性的。

本文中“包含”、“具有”和“包括”及其变化的使用旨在涵盖其后所列出的项目及其等效物以及额外项目。

现在将参考附图来论述本发明的细节，附图仅以实例的方式绘示本发明。在附图中，相似的特征或组件将由类似的附图标记指代。尽管下文可以在描述附图时参考例如上部、下部、向上、向下、向后、底部、顶部、前部、后部等等的方向，但出于方便起见而相对于附图(如正常所观察)作出这些参考。这些方向并不旨在被视为字面意思或以任何形式限制本发明。另外，例如“第一”、“第二”、“第三”等等的术语在本文中用于描述的目的，并且并不旨在指示或暗示重要性或显著性。

图3示出环齿轮区段12的凸齿顶面拐角10和凹齿顶面拐角11，以及倒角工具25。沿着齿轮的齿面宽度通过一个齿槽(例如从齿跟到齿顶)引导切削或磨削倒角工具25，同时它接触邻近的相应凸和凹齿侧面的齿顶面拐角10、11。工具移动到分度位置，将环齿轮或小齿轮分度到下一个齿槽位置，并且工具25从齿顶到齿跟移动通过槽。重复此循环直到所有齿顶面拐角都被倒角。

可以通过参考环齿轮齿顶面倒角的实例来详细地阐释本发明的方法。环齿轮可以旋转，使得工具所接触的凸和凹齿侧面点的平均齿顶面切线在环齿轮的轴向平面中是水平的(或具有任何其它所要定向)。这允许将工具轴沿竖直定向放置在cnc机器中，例如在自由形式的伞齿轮切削机的工作腔室中，所述伞齿轮切削机是例如在例如us6,712,566中所公开的机器，us6,712,566的公开特此以引用的方式并入。

图4示出如上文所提到的自由形式的伞齿轮切削机73，其中倒角工具25位于刀头27旁边，刀头27用于在齿轮工件23中切削槽。倒角单元70经由支撑臂72附接到工具主轴壳体71。在槽切削之后，刚性地连接到刀具主轴壳体的倒角工具25与现有cnc机器轴一起移动以执行倒角操作。倒角单元70包括电动机、主轴壳体和主轴头部，工具25可释放地连接到主轴头部。除倒角工具主轴的额外旋转之外，不需要除了自由形式的伞齿轮切削或磨削机的现有轴以外的移动或自由度。

图5示出具有齿顶面6的两个邻近齿2、4的三维视图。在邻近齿之间形成槽8的邻近侧面表面具有标称网格点(示出了可见齿侧面上的网格)。根据沿着齿顶面拐角10和11的邻近点的平均值计算工具路径20。邻近点的法向向量的叉积提供正切向量vtan。根据齿面锥向量vface计算工具径向量方向，齿面锥向量vface围绕vtan旋转以便位于平面y-z中(图6)。

本发明的方法优选地基于标称侧面表面数据的利用。为本发明的倒角方法而开发的优选数学途径将工具路径20(图5)确定为齿顶面拐角点pfl11和pfl21到pfl1n和pfl2n的平均值。凸齿顶面侧面点n1i和凹齿顶面侧面点n2i的法向向量的叉积提供平均正切向量vtani，其沿着齿面宽度在每个离散点处正切地指向工具路径20。正切向量vtan的方向(图6中的方向22)用于使工件围绕其z轴旋转(旋转26)，直到工具接触点的每个瞬时点的正切向量水平地定向。

图6示出具有笛卡尔坐标系的环齿轮23、刀具路径21、侧面中心点24和刀具路径正切向量22的简化三维表示。刀具路径21具有齿跟端27和齿顶端28。齿轮可围绕z轴旋转，其被示出为旋转26。倒角工具25定位在齿轮前方并且在位置24处接触刀具路径。工具轴xt竖直地定向，其方向与环齿轮约束坐标系的x轴相同。

为了避免对本发明的单元进行任何计量，另外使用在机器设置期间所需要的原料分割以使实际的原料分割点与所计算的工具路径21同步。利用水平工具路径正切向量22在齿面宽度24的中间执行原料分割。通过使齿轮围绕其z轴旋转(旋转26)，将为原料分割而选择的槽的正切向量22旋转到水平定向(y-z平面的定向)。可以通过优选地在齿轮齿面宽度的中间将水平指示器或工具插入到齿槽中来确认水平定向。然后，使工具以慢进模式移动到槽中，使得两个邻近切削刃刚好在中间面处接触两个邻近齿顶面拐角。找到的位置具有x、y和z分量以及额外工作轴位置角，它们被传送到倒角程序的输入文件中。

取决于工具直径，工具与凸侧面的齿顶面拐角之间的接触点可以朝向齿顶28移位，并且工具与凹侧面的齿顶面拐角之间的接触点朝向齿跟27移位。如果接触点之间的距离不超过齿槽宽度的约30％，那么此类移位是可接受的。如果接触点之间的大移位导致倒角几何形状失真，那么倒角校正特征可用于优化倒角几何形状。推荐利用最小可能的倒角工具直径，以便避免或最小化接触点移位。

沿着齿面宽度的数学轴位置点减去原料分割位置中的数学轴位置加上为使工具与原料分割位置中的两个齿顶面拐角接触所需要的值提供了用于使工具沿着工作的齿面宽度滑动的真实机器工具轴位置：

xi＝axctpt(1)i-axctpt(1)stockdiv+xstdv(1)

yi＝axctpt(2)i-axctpt(2)stockdiv+ystdv(2)

zi＝axctpt(3)i-axctpt(3)stockdiv+zstdv(3)

ai＝zangi-zangstockdiv+astdv(4)

其中：

xi…机器工具x轴位置

yi…机器工具y轴位置

zi…机器工具z轴位置

ai…机器工具工作轴位置

axctpt(1)i…点i处的数学x值

axctpt(2)i…点i处的数学y值

axctpt(3)i…点i处的数学z值

zangi…点i处的数学工作轴角度

axctpt(1)stockdiv…原料分割点处的数学x值

axctpt(2)stockdiv…原料分割点处的数学y值

axctpt(3)stockdiv…原料分割点处的数学z值

zangstockdiv…原料分割点处的数学工作轴值

xstdv…当工具在原料分割位置中与两个齿顶面拐角接触时的机器x轴位置

ystdv…当工具在原料分割位置中与两个齿顶面拐角接触时的机器y轴位置

zstdv…当工具在原料分割位置中与两个齿顶面拐角接触时的机器z轴位置

astdv…当工具在原料分割位置中与两个齿顶面拐角接触时的机器工作轴位置

数学坐标系是环齿轮定向的笛卡尔x-y-z系统，其包含围绕z轴的工作轴旋转26，如图6所示出。

图7(a)示出倒角工具25的二维投影，倒角工具25接合在齿轮中心平面(图6中的x-z平面)中所示出的槽30中。此类位置用于例如直齿伞齿轮的齿顶面倒角。在螺旋伞齿轮和准双曲面齿轮的情况下，工具路径需要具有水平的正切向量(即位于图6中的环齿轮约束坐标系的y-z平面中)。

图7(b)示出倒角工具25的二维投影，倒角工具25接合在位于中心平面(x-z)下方的槽31中。此工具位置等效于图6所示出的工具位置，并且用于在工具对沿着工具路径21的某个点进行倒角时满足水平工具路径切线的要求。可以看出，上部齿顶面拐角32处的角条件非常适于加工足够的倒角或拐角裂缝。槽31的下部侧面处的接触条件是不可接受的，这是因为工具25在点33处接触侧面表面内的下部齿。

实际切削位置可能并不处于如图7(a)所示出的对称位置(在图6的平面x-z中示出附图)，而是可以在工件的中心平面上方或下方，如图7(b)所示出，其中工具的中心线在工作齿轮的z轴下方。在图7(b)中还看出，工具角度是不对称的，以便切削足够破裂齿顶面拐角的倒角。

图8表示不对称倒角位置与具有不对称工具角度的工具的组合作为一般情况。图8以二维投影示出向量图，所述向量图包含为计算瞬时工具中心点所需要的所有向量和尺寸。工具相对于y-z平面(图8中的竖直方向)是不对称的，以便在两个齿顶面拐角41和42上加工足够的倒角。为了相对于槽正确地定位工具，对于工具路径的每个点(示出了点24)，必须计算向量rw0i。rw0i将工具中心点40相对于工具路径24的瞬时点定位在正确位置中。图8还示出工具尖端宽度blpt、槽宽度slotw、对凸侧面齿顶面拐角进行倒角的工具压力角αx，以及对凹侧面齿顶面拐角进行倒角的αv。齿轮齿面锥的法向向量vface示出在点24中。是水平方向(x轴)与点41和42之间的slotw连接线之间的不对称角。额外变量h1、h2、s1、s2、rw0yz、rw0x和d/2是方程式(5)到(16)中所使用的辅助值。

以下公式(5)到(16)提供相对于沿着工具路径20的瞬时点确定工具的中心点的实例：

s1＝h1*tanαv(6)

s2＝h2*tanαx(7)

其中：

blpt…工具的尖端宽度(图8)

s1…从右尖端拐角到具有右齿顶面拐角的接触点的工具距离(图8)

s2…从左尖端拐角到具有左齿顶面拐角的接触点的工具距离(图8)

h1…从工具尖端到接触点的右接触点高度(图8)

h2…从工具尖端到接触点的左接触点高度(图8)

αv…朝向凸齿轮侧面的工具压力角(图8)

αx…朝向凹齿轮侧面的工具压力角(图8)

slotw…一个瞬时倒角位置中的法向槽宽度(图8)

齿顶面连接与x轴之间的不对称角(图8)

用(6)和(7)取代方程式(5)中的s1和s2

然后用(8)取代h1并求解方程式h2：

沿着工具路径20的点与倒角工具的中心40之间的偏移向量可以由下式确定：

其中：

rw0x…瞬时工具路径点与工具中心的连接的x分量

rw0y…瞬时工具路径点与工具中心的连接的y分量

rw0z…瞬时工具路径点与工具中心的连接的z分量

cdia…外倒角刀具直径

vnrwx…瞬时工具路径20与倒角工具的中心40之间的最短距离方向的x分量

vnrwy…瞬时工具路径20与倒角工具的中心40之间的最短距离方向的y分量

vnrwz…瞬时工具路径20与倒角工具的中心40之间的最短距离方向的z分量

方程式(1)到(3)中所使用的数学轴位置是根据沿着工具路径50的坐标和以下方程式来确定：

axctpt(1)i＝(pfl1xi+pfl2xi)/2+rw0x(14)

axctpt(2)i＝(pfl1yi+pfl2yi)/2+rw0y(15)

axctpt(3)i＝(pfl1zi+pfl2zi)/2+rw0z(16)

其中：

pfl1xi…凸侧面上的齿顶面拐角点i的x分量

pfl1yi…凸侧面上的齿顶面拐角点i的y分量

pfl1zi…凸侧面上的齿顶面拐角点i的z分量

pfl2xi…凹侧面上的齿顶面拐角点i的x分量

pfl2yi…凹侧面上的齿顶面拐角点i的y分量

pfl2zi…凹侧面上的齿顶面拐角点i的z分量

图8所示出的倒角工具位置仅仅提供工具的侧与齿轮的齿顶面之间的接触。为了产生所要的倒角宽度，将工具位置在向量vface的相对方向上改变预定量。

还开发了三种修改以用于优化两个同时产生的倒角。工具路径20朝向两个齿顶面拐角中的一个齿顶面拐角的移位将会在此拐角上增加倒角。工具路径20沿着槽的齿面宽度的倾斜将会例如朝向齿跟增加倒角宽度并朝向齿顶减小倒角宽度。工具路径20围绕齿面锥法向向量vface的旋转将会增加倒角宽度，例如在凸齿顶面拐角的齿顶处和在凹齿顶面拐角的齿跟处。

图9示出小齿轮52及其笛卡尔坐标系的三维视图。具有轴54的倒角工具51沿循工具路径50。当工具51定位在工具路径50的一个瞬时点处时，工具中心点57必须定位在向量rw0的尖端处，向量rw0起源于点56。工具轴54围绕x轴旋转达角度53(摆角)，以便提供与刀具路径切线58相切的倒角作用。随着工具接触点从点56移动到点59，不仅必须改变点57的中心坐标，而且工具57与工具路径50之间的下一个离散接触点59在小齿轮锥上示出不同的旋转位置，这需要增量工作旋转62，以便将点59定位在竖直x-z平面中。此外，点59处的工具路径切线相对于点56处的工具路径切线改变，这需要将摆角53改变61的量(必须在y-z平面中计算角度61)。

可以对伞齿环齿轮和伞齿轮进行齿顶面倒角。在环齿轮的情况下，齿被分组在扁锥的面上，所述扁锥的锥角高于45°。在小齿轮的情况下，齿被分组在细锥的面上，所述细锥的锥角低于45°(图9中的52)。环齿轮锥较接近于如下所述的平面：在所述平面处，倒角工具轴可以定向在x轴方向上(图6)，同时通过环齿轮围绕z轴的旋转(方向26)，槽对于每个瞬时倒角位置水平地定向。小齿轮锥52(图9)较接近于圆柱。在这种情况下，通过使用处于水平面(y-z平面)中的工具轴54将倒角工具放置在小齿轮(图9中的51)上方或小齿轮下方(取决于螺旋角方向)，可以实现如为环齿轮倒角所描述的倒角工具与齿顶面拐角之间的相同配置。当倒角工具沿着工具路径50移动时，倒角工具的中心是使用如为环齿轮倒角所阐释的相同方程式(1)到(16)来计算。

小齿轮倒角相对于环齿轮倒角的工具运动的显著差是倒角工具的额外角倾角53(摆角)。当工具沿着工具路径50行进时，角度53会不断地改变。与在环齿轮的情况下一样，在齿面宽度的中间进行原料分割位置。除了用于齿轮倒角的原料分割以外，还必须将角度53调整到工具路径正切向量vtan的方向。任何其它位置中的vtan相对于原料分割位置中的vtan的差用于计算每个瞬时工具位置的实际工具轴摆角bangi(图9中的角度53)。使用以下方程式(17)计算额外摆角位置：

bi＝bangi+bstdv-bangstockdiv(17)

其中：

bi…图6中围绕x的机器摆动轴

bangi…位置i中的数学摆动轴角度

bangstockdiv…原料分割点中的数学机器摆动轴角度

bstdv…当工具与原料分割位置中的两个齿顶面拐角接触时的机器摆动轴位置

根据图6的具有竖直工具轴的齿顶面倒角可仅应用于齿面锥角高于约45°的伞齿轮(环齿轮)。对齿面锥角低于约45°的伞齿轮(小齿轮)的应用会导致不利的倒角角度和切削条件。

根据图9的具有水平轴的齿顶面倒角对于0°与90°之间的任何所要齿面锥角允许齿顶面倒角，这也允许正齿轮和斜齿轮、小伞齿轮和齿轮以及端面齿轮和端面联轴器的齿顶面倒角。根据图9的工具定向需要5轴机器(包含协调的工作轴旋转)。

虽然已参考通过端面铣削而生产的伞齿轮和准双曲面齿轮(环齿轮和小齿轮)论述和示范了本发明，但本发明同样适用于通过端面滚铣而生产的齿轮。此外，可以通过本发明的方法向其它类型的齿轮提供齿顶面倒角，所述齿轮是例如直齿伞齿轮、正齿轮、斜齿轮和端面齿轮以及端面联轴器。

此外，倒角工具可以是切削工具或磨削工具。倒角工艺可以在自由形式的切削和磨削机上实施，或在具有最少四个计算机控制轴的任何其它cnc机器上实施。

虽然已参考优选实施例描述了本发明，但应理解，本发明并不限于其细节。本发明旨在包含对于主题所属领域的技术人员来说将显而易见的修改，而不偏离所附权利要求书的精神和范围。