具有多轉切削齒的軸向滾刀的制作方法

本申請要求2014年10月2日提交的美國臨時專利申請第62/058,719號的權益，在此以參見的方式引入該專利申請的全文內容。

發明領域

本發明涉及一種具有以螺旋形的圖案繞圓柱體布置的齒的切削刀具。切削前刀面垂直于螺旋線。

發明背景

圓柱形滾刀用于諸如正齒輪、斜齒輪和蝸輪的外圓柱齒輪的加工。由于中心線的左右缺損，內齒輪不可能使用圓柱形滾齒刀具加工。圓柱形滾刀的齒廓是梯形，其反映待加工的部件的壓力角和模量(深度和間距)，并且被稱為“基準齒廓”。基準齒廓可以在穿過在軸向平面(例如，圖1中的水平面)上的滾刀中心的平面上觀察。在正齒輪加工的情況下，滾刀和工件的軸線方向垂直或略微傾斜一角度，該角度與滾刀齒的導程角相同或相似。

在斜齒輪的情況下，滾刀軸線相對于工件軸線傾斜一螺旋角，該角度值可能加上或減去滾刀導程角的值(取決于導程方向)。一次滾刀旋轉(在單頭滾刀的情況下)要求當量(virtual)展成齒條沿方向“g”移位一個齒距。例如，如果外圓柱形工作齒輪位于與滾刀相對的齒條的一側，并且如果該工作齒輪與當量展成齒條“嚙合”，則滾刀在其旋轉(方向f)時將漸開線齒切削到工作齒輪坯件上。工作齒輪在每次滾刀旋轉(單頭滾刀)期間必須旋轉一個齒距。因為在滾刀旋轉時，展成齒條必須沿方向“g”移動，所以工作齒輪也將必須沿方向“c”旋轉，以展成漸開線齒廓并且繞工作齒輪逐漸前進(workitsway)并且將所有齒(槽)切削在工作齒輪圓周上。

成形是圓柱形小齒輪狀刀具在其與外部或內部工件接合時軸向(圖2中的v)行進的方法。每次前進行程去除材料，而插齒刀與工件之間的連續分度旋轉與行進同時進行。當插齒刀旋轉一個齒距(旋轉sk)時，展成齒條沿方向“g”移位一個齒距，并且工作齒輪沿旋轉方向“c”(在圖2中)旋轉一個齒距。每個反向行程都是非生產性的，這使得成形是一個相當緩慢的過程。成形在加工內齒輪(其不可能用滾齒加工法來加工)或允許在待加工齒的端部后面沒有超程間隙的齒輪(也通常不可能用滾齒加工法來加工)中具有其優勢。

動力刮削是利用工件與具有周向切削齒的盤形刀具之間的相對運動的方法。相對運動通過工件與刀具之間的傾角(參見圖3中的軸交角σ)產生。當刀具和工件旋轉并產生圖3中的速度v刀具和v工件時，切削齒接合在工件的槽中。兩個周向速度之間的差用作切削速度v切削。

技術實現要素：

本發明涉及一種具有以螺旋圖案繞圓柱體布置的齒的軸向滾刀。切削前刀面垂直于螺旋線。可再磨刀片厚度沿螺旋導程方向的方向定向(例如圖4)當刀具旋轉時，作用切削前刀面從一個刀片變成下一個刀片，該下一個刀片根據旋轉方向處于前進或縮回位置。然而，旋轉將不賦予單獨各刀片以切屑去除運動，而僅將隨后的刀片定位在前進或縮回位置，例如在待加工齒槽中。

附圖說明

圖1示出了圓柱形滾刀、當量展成齒條和工作齒輪的三維圖。

圖2示出了插齒刀、當量展成齒條和工作齒輪的三維圖。

圖3示出了動力刮削刀具和內齒輪的定向的正視圖和俯視圖。

圖4示出了具有多轉切削齒的軸向滾刀的三維圖。

圖5(a)示出了螺旋軸向滾刀的端視圖，而圖5(b)示出了螺旋軸向滾刀的側(縱向)視圖。

圖6示出了軸向零導程角滾刀的三維圖。

圖7示出了安裝好的多盤式滾刀的三維圖。

圖8示出了安裝好的條形刀片滾刀的三維圖。

圖9(a)示出了用于用軸向滾刀動力刮削外齒輪的刀具與工件之間的定向。唯一進給方向是徑向橫進給。

圖9(b)示出了用于用軸向滾刀動力刮削外齒輪的刀具與工件之間的定向。進給沿軸向滾刀方向。

圖10示出了用于用軸向滾刀動力刮削外齒輪的刀具與工件之間的定向。滾刀的進給方向沿軸向工作齒輪方向。

圖11示出了用于用軸向滾刀動力刮削內齒輪的刀具與工件之間的定向。滾刀的進給方向沿徑向方向。

圖12示出了用于用軸向滾刀動力刮削內齒輪的刀具與工件之間的定向。滾刀的進給方向沿軸向滾刀方向。

圖13示出了用于用軸向滾刀動力刮削內齒輪的刀具與工件之間的定向。滾刀的進給方向沿軸向工作齒輪方向。

具體實施方式

此說明書中使用的術語“發明”、“該發明”和“本發明”意在寬泛地涉及此說明書和下述任何專利權利要求的所有主題。包含這些術語的陳述不應理解為限制文中所述的主題，或者限制下面任何專利權利要求的含義或范圍。此外，此說明書并不試圖在本申請的任何具體部分、段落、陳述或附圖中描述或限制被任何權利要求覆蓋的主題。應參照整個說明書、所有附圖和下文的任何權利要求來理解主題。本發明能夠呈其它構造，并能夠以各種方式來實踐或實施。還有，應理解的是，這里所用的措詞和術語是為了說明的目的，而不應被認作為是限制性的。在此使用“包括”、“具有”和“包含”及其變型意味著包含了下文所列的物品及其等效物以及附加的物件。

現將參照僅示例地示出表示本發明的附圖對本發明的細節進行討論。

圖中，類似的結構或部件用相同的附圖標記來表示。

雖然在描述附圖中可參照以下諸如上面的、下面的、向上的、向下的、向后的、底部、頂部、前面、后面等的方向，但為了方便，相對于附圖參照(如正常觀察)。除非指定，這些方向并不意在按文字上來取或以任何形式來限制本發明。

圖1示出了圓柱形滾刀2和當量展成齒條4的三維圖。滾刀模擬在水平面上的展成齒條的齒廓(圖中示出了齒條的上齒廓平面)，在圖1所示的簡單情況下，該水平面包含滾刀的旋轉軸線。如果滾刀旋轉(如“f”所示)，則展成齒條將沿“g”方向移動。在具有單頭的滾刀的情況下，一次旋轉將使齒條沿方向g移位一個齒距。為了在圖1中切削具有齒條的面寬的齒輪，滾刀必須沿“e”方向移動，直到水平面(其包括滾刀軸線)到達齒條的下齒廓平面。因此，如果前刀面(front,正面，鋒面)與軸向平面一致，則滾刀齒顯示在其前刀面上的齒條齒廓(輪廓)。因此，使齒輪移位一個齒距的每次滾刀旋轉也要求工件6旋轉一個齒距(旋轉c)。在這種情況下，所有主切削力與滾刀相切，并直接轉化成旋轉滾刀所需的轉矩。

圖2示出了插齒刀8和當量展成齒條的三維圖。當插齒刀繞其軸線旋轉(如sk所示)時，展成齒條沿方向“g”移動，并且插齒刀齒的漸開線齒廓將形成齒條的梯形基準齒廓。雖然所述刀具旋轉和齒條移位將形成齒條的齒廓，但是它不會提供任何切削作用。插齒刀具有漸開線齒廓，該漸開線齒廓是在徑向平面(垂直于插齒刀的軸線)上形成齒條齒的直齒廓所需的。插齒刀的軸向上的行程運動“v”是引入切削作用所需的，并且也是切削齒輪的齒寬所必需的。如果行程的長度等于齒條的寬度，則可以切削具有與圖2所示相同的齒寬的圓柱形齒輪。當展成齒條沿方向“g”移位，例如移位一個齒距時，與齒條嚙合的工件也必須旋轉一個齒距(旋轉c)。在圖2所示的情況下，所有主切削力定向在軸向插齒刀方向上。

圖3示出了動力刮削刀具10和內齒輪12的取向的正視圖和俯視圖。當刀具旋轉時，其各齒的漸開線齒廓形成當量展成齒條(圖3中未示出)的直齒廓。刀具的旋轉使展成齒條側向移位(像在圖2中一樣)。覆蓋展成齒條各齒的寬度(相當于待切削的圓柱形齒輪的齒寬)需要刀具在軸向工作齒輪方向(y4、z4)上的進給運動。

與圖2中的插齒刀8不同，切削作用不是通過軸向行進而是通過在刮削刀10與工作齒輪12之間(在兩者的同步旋轉期間)之間的相對運動產生的，該相對運動定向在工作齒輪齒的導程方向上。因此，切削速度v切削是刀具rpm(或角速度ω刀具)和傾角σ的函數：

v切削＝ω刀具*sinσ

圖4示出了具有可繞滾刀軸線t旋轉的多轉切削齒16的軸向滾刀14的三維視圖。滾刀狀刀具14的齒(即切削刀片)16沿第一螺旋方向h1(即，以第一螺旋角)定向，其中刀片沿第二螺旋方向h2(即，以第二螺旋角)在圓柱19(參見圖(5a)和(5b))的周界上分組，圓柱19具有沿圓柱形滾刀的長度卷繞刀片的效果。滾刀14在一對軸向上相對的端部(第一端部21和第二端部23)之間延伸一定的軸向長度。軸向滾刀的實際長度根據諸如具體的滾齒機、工件尺寸、工藝參數等的因素確定，如技術人員將會理解的。第一螺旋角相對于滾刀軸線t測量，并且第二螺旋角相對于垂直于滾刀軸線t的線測量，如圖5(b)所示。第一螺旋線類似于圓柱齒輪的螺旋角。第二螺旋線具有固定的導程角(即，第二螺旋角)，該導程角沿圓柱19的寬度穿過(thread)刀片。第二螺旋線的方向優選地垂直于第一螺旋線的方向，這將在左右切削齒廓上形成具有相等的側傾角(siderakeangle，旁鋒的刀面角)(零度)的刀片前刀面18(即，切削面)。優選地，刀片具有漸開線齒廓(圖4和5a)，該漸開線齒廓從待加工的圓柱形齒輪的標準齒廓得到。

刀片16可以被面磨(平面磨削)，這減小了刀片的厚度，直到滾刀壽命結束。因此，刀片16的切削刃大致面向相對兩端之一，對于圖5(a)和5(b)，該相對兩端之一為端部21。因此，切削方向大致沿軸向方向t或相對于軸線t成某一限定角度。由于滾刀的前刀面沿刀片的厚度方向磨利，因此滾刀的外徑減小，這在每次磨利后必須在機床設置中考慮到。由于在從頂部磨削每個刀片時這種類型刀片中的頂部修緣和側部修緣由加工機床的徑向齒廓修緣運動產生，因此外徑減小。實際滾刀直徑從兩個相對刀片(例如20,22)的齒頂面(即，頂表面)測量。

當刀具旋轉時，作用的切削前刀面從一個刀片變成下一個刀片，該下一個刀片根據旋轉方向處于前進位置或縮回位置。然而，單單旋轉將不會向單獨各刀片賦予切屑去除運動，而僅將隨后的刀片定位在前進或縮回位置，例如在待加工齒槽中。

如果軸向滾刀用于動力刮削過程，則刀具的軸線和工件的軸線必須相互傾斜。如同傳統動力刮削，切屑去除表面速度必須通過該軸向傾角產生(參見圖3中的軸交角σ)。刮削中的主切削力沿軸向工作齒輪方向定向。

圖5(a)示出了螺旋軸向滾刀14的軸向前端圖并且圖5(b)示出了螺旋軸向滾刀的側(縱向)視圖。第一螺旋線(刀片取向)和第二螺旋線(刀片的前刀面位置)的方向如圖5(b)所示。這種滾刀的磨利可以用與第二螺旋角傾斜的薄磨削輪來進行。在磨利期間，滾刀可以旋轉，同時磨削輪以沿滾刀軸線t方向的運動遵循該螺旋線：

磨削輪運動＝(角切削速度)*(刀具的節圓半徑)

如前面提到的，刀片16可以平面磨削，這減小了刀片的厚度，直到滾刀壽命結束。在刀片厚度的方向上，外徑(在兩個相對刀片的齒頂面之間測量)的大小由于導致頂部修緣和側向修緣的徑向齒廓修緣而減小。

因此，當滾刀是前刀片磨利時，其直徑減小，并這在每次磨利后必須在機床設定中考慮到。

滾刀可在環形刀片(ringblade)取向下加工(圖6)，這意味著刀片不沿螺旋線而是沿正圓(第二螺旋角為零)定向。各個刀片沿類似于螺旋滾刀的第一螺旋方向定向。為了布置具有切削刀片的整個滾刀圓柱，一定數量的切削刀片環的層定向在滾刀基礎圓柱上。

圖6示出了軸向零導程角滾刀30的三維圖。前面圖4和5的描述適用，除了在本實施例的情況下，第二螺旋角為零，從而導致滾刀導程方向h2垂直于滾刀軸線t。如果滾刀30由單件材料(例如高速鋼或硬質合金)制成，并且必須重新磨利有垂直于第一螺旋方向的前刀面32，則每個刀片(齒)34必須在單一設置中用小直徑磨削輪磨利，以避免與周圍刀片的干擾。

圖7示出了包括多個切削(圓)盤42的軸向滾刀的三維圖。雖然示出了四個刀盤，但本發明考慮了兩個或多個刀盤中的任何個數。安裝好的盤式滾刀具有與零導程角滾刀30相同的特征(圖6)。其可以拆卸以重新磨利，并且在斷齒或碎齒的情況下，單個盤可以更換。安裝好的多盤式滾刀的加工比零導程角滾刀的加工簡單，因為碳化鋼或高速鋼的各個零部件較小。安裝好的刀盤的角度取向必須使得刀片從一個刀盤到下一個刀盤正確地遵循第一螺旋線。

圖7的軸向滾刀表示產生軸向滾刀的非常成本有效的方法。這種滾刀是非常靈活的，因為其可安裝成所需規格，考慮了工件的寬度以及任何超程情況。單個刀盤的加工比從一實心塊高速鋼或碳化鋼加工出整個滾刀更成本有效。在非均勻磨損、切削刃磨損乃至齒斷裂的情況下，可以重新布置刀盤(沿切削方向)或更換單個刀盤。盤刀具的大小必須安裝成，使得各刀片的旋轉方向變化了如下：

(刀具與工件之間的傾角)*(盤間距)/(滾刀節徑)*180°/π

圖8示出了包括多個單(圓)盤刀具52(示出四個)的軸向滾刀50的三維圖，每個單(圓)盤刀具52都裝配有條形刀片54。條形刀片可以單獨取出并重新磨利。與單盤或實心滾刀相比，斷裂刀片可以以更低的成本更換。安裝好的各盤的角度取向必須使得刀片從一個盤到下一個盤正確地遵循第一螺旋線(即，刀片取向)。

軸向滾刀50還表示通過將一個或多個外周刀具安裝在彼此后面來形成軸向滾刀以及形成零導程角滾刀的成本有效且模塊化的方法。軸向滾刀50是非常靈活的，因為其可安裝成所需規格，考慮工件的寬度以及任何超程情況。在非均勻磨損、切削刃磨損(碎裂)乃至齒斷裂的情況下，可以更換單個刀片多個刀具52必須安裝成，使得刀片的旋轉方向變化了：

(刀具與工件之間的傾角)*(盤間距)/(滾刀節徑)*180°/π

為了產生切削去除運動，本發明軸向滾刀可以像插齒刀一樣用于成形過程中。優點是，在軸向行程期間，沿槽深度方向的橫進給運動可以引入，這將允許在一個單行程中切削整個槽深度。展成漸開線齒廓仍然需要刀具與工件之間的滾動運動。在一次工件旋轉之后，工件或者是成品或者是粗加工品。在高齒輪質量和高表面光潔度要求的情況下，具有精加工行程的第二次工件旋轉可以施加。還設想了各自具有相應的精加工行程的額外工件旋轉。為了精加工，刀具可以沿軸向方向重新定位，以利用僅用于精加工的刀具的新段。

為了產生切屑去除運動，軸向滾刀可像拉刀一樣使用。當滾刀執行拉削行程(類似于成形)時，滾刀設成全深度并且旋轉(以相對于工件的正確比)，使得內圓柱齒輪在一個單行程中完成加工。對于高表面光潔度和較低的切削力，齒輪可以在幾個行程中完成加工。在半拉削過程的情況下，齒應從滾刀的一端交錯到滾刀的另一端。因此，滾刀的直徑從切削開始的滾刀的一側(前端)增加到切削結束的滾刀的一側(后端)。

如果軸向滾刀用于動力刮削過程，則刀具的軸線和工件的軸線必須傾斜。如同傳統動力刮削，切屑去除表面速度必須通過該軸向傾角產生(參見圖3)。

本發明的軸向滾刀適于在機床上制造齒輪，機床包括但不限于齒輪成形機、動力刮削機、多軸自由型錐齒輪和準雙曲面齒輪機床(例如us6,712,566)和五軸加工中心。

實例1：

軸向滾刀定位成使滾刀與工件軸線的交叉點位于工件的齒寬的中間位置上(在工件的外側上)，并且刀具通過沿徑向工件方向(指向內側)進給來進給到工件材料中。具有喉部的展成的“圓柱形”齒輪形成。滾刀刀尖的包絡圓柱具有離在齒寬中間的工作齒輪的中心線最短的距離(見圖9(a))。該距離沿朝向圓柱形工作齒輪的端部的兩個方向增加，并且因此形成包絡齒輪或帶喉齒輪。

圖9(a)示出了用于用軸向滾刀62動力刮削外齒輪60的刀具與工件之間的取向。進給方向是徑向橫進給。展成的外圓柱形齒輪的幾何形狀示出了節面母線(pitchelement，節元素)中的喉部。節面母線不是圓柱形的，而是雙曲面的。

實例2：

軸向滾刀定位成使滾刀與工件軸線的交叉點位于工件的齒寬中間，并且滾刀沿其軸線移位到工作齒輪的外側以清除工件。在該實例中，移位是沿切削刀具軸線的方向施加的軸向進給運動(參見圖9(b))。此外，在該實例中，展成的“圓柱形”齒輪將具有喉部。滾刀刀尖的包絡圓柱具有離在齒寬中間的工作齒輪的中心線最短的距離。該距離沿朝向形成喉部的圓柱形工作齒輪的端部的兩個方向增加。

圖9(b)示出了用于用軸向滾刀66動力刮削外齒輪64的刀具與工件之間的取向。進給沿軸向滾刀方向。在軸向進給方向的情況下，所產生的展成的外圓柱形齒輪的幾何形狀是在節面母線中的喉部。節面母線不是圓柱形的，而是雙曲面的。

實例3:

圖10示出了用于用軸向滾刀72動力刮削外齒輪70的刀具與工件之間的取向。滾刀的進給方向沿工作齒輪70的軸線w的方向。在該進給方向的情況下，實現了節面母線的完全鋪開。所產生的節面母線是圓柱形的。

滾刀82定位成，使得軸線交叉點在離在工作齒輪70的一側上(在工件的外側上)的面的已知距離處，并且軸向進給運動沿工件軸線的方向施加。因此，滾刀刀尖的包絡圓柱與工作齒輪軸線之間最短距離將沿齒寬掃過，同時進給運動使滾刀沿工作齒輪軸線的方向移動。工件旋轉與滾刀旋轉之間的比i從下式計算出：

i＝z滾刀/z工件

其中：z滾刀＝滾刀上的刀“頭”數

z工件＝工件上的齒數

rpm滾刀＝rpm工件*i

為了展成正確的漸開線齒廓和正確的導程角，工件(或滾刀)必須進行疊加的差動旋轉滾刀的差動旋轉計算如下：

如果工作齒輪是正齒輪，則差動旋轉為零。在這種情況下，展成的節面母線是圓柱形。

圖11-13(實例4-6)示出了用于通過軸向滾刀動力刮削內齒輪的軸向滾刀與工件之間的取向。滾刀的進給方向要么是徑向的，要么沿軸向滾刀方向或者軸向工作齒輪方向。徑向插入和軸向進給到滾刀軸線的進給展成雙曲面節面母線(喉狀節面母線)。這種內齒輪可用于交叉軸線布置，其中內齒輪與圓柱形小齒輪嚙合。

實例4：

參照圖11，軸向滾刀80定位成使得滾刀(刀具)軸線和工件軸線的交點位于工件82的齒寬中間(在工件內側上)，并且滾刀80沿徑向工件方向進給到工件中(向外側)。帶喉內齒輪形成。

實例5:

參照圖12，軸向滾刀86定位成，使得滾刀(刀具)軸線與工件軸線的交叉點在離在工作齒輪88的一側上(在工件的內側上)的面的已知距離處，并且軸向進給運動沿滾刀軸線的方向施加。帶喉內齒輪形成。

實例6：

參照圖13，軸向滾刀90定位成，使得滾刀軸線與工件軸線的交叉點在離在工作齒輪92的一側上(在工件的內側上)的面的已知距離處，并且軸向進給運動沿工件軸線的方向施加。在這種情況下，工作齒輪將被滾刀的兩端切斷并且工作齒輪將被損壞。

施加在工件齒輪軸線方向上的進給將使內齒輪切斷到齒被去除的程度(導致齒根圓柱坯)。隨著滾刀變得越大，切斷變得越大。

盡管參照較佳實施例對本發明進行了描述，但應當理解，本發明并不限于其特定形式。本發明旨在包括對本發明所屬領域的技術人員顯而易見的、不偏離所附權利要求書的精神和范圍的各種改型。