齿轮精加工用方法及内齿工具

本发明涉及精加工齿轮用的一种方法和一种内齿工具。

本发明可依据的齿轮加工方法，其原理已在德国的专利 申请P4214851.o,EP-A-568849中得有描述，该方法可在 有关的德国专利申请P4323935.8,GB-9407940.7中的采用 带内齿的机床上实施。实践中业已发现，在小宽度修正的情 形(例如凸型)采用不带托架或类似物的三个相互垂直轴向 同时运动、外齿工具的机床上，其修正齿加工不会出现问题， 可是采用一种内齿工具加工却时常得不到满意的结果。

其原因是在外齿工件与工具情况下，是由两个凸状基体 产生相对运动。但在内齿的工件和工具情况下，一个凸状基 体与一个凹状基体相接触。因此，不只该接触区的外侧接触 间隙大大减小，而且在工件与工具间作相对运动过程中即使 作小的宽度修正时也存在有被第二切刀或刃口接触引起误切 的危险。不止于此，越小的接触间隙导至相对该接触区的位 置和尺寸也越是敏感。这反过来又影响到该接触力的正反向 平衡，结果局部的瞬时性齿侧面去除对于所得到的侧面质量 起到决定性的作用。

所以，工件齿轮与工具的该接触的基体相互法向的空间 运动常感不足，特别是在内齿工具的情形。

因此，本发明的目的是讨论这种类型方法的改进至使采 用内齿工具下可得到令人满意的结果。另外尚待开发一种尽 可能广泛采用的工具，特别是用于粗珩和精珩的工具。不仅 为此，它还应该是能根据工件加工进行调整的工具。

在该接触区内，环绕该接触法向周围，存在有一个旋转 的自由度，这同时包括在该三轴法向的变更。

伴随有在该横交轴角变化的一种变换的这种三个垂直轴 线的(即是沿轴向的同时发生的运动)同步变动表示了这种 所要求的最小运动。此运动的状态，现今所知的剃齿和珩齿 机上都能实现这种运动，而要供备比这更大的自由度(即摇 杆的倾斜)，则必得有更多的机床轴受到控制(这会增加花费， 因此不可取)。

本发明提供了一种用一内向带齿工具对齿轮成型工件的 齿侧进行精加工的方法，所述工具和工件分别具有基体和旋 转轴线，所述方法包括：使所述工具与所述工件啮合而使所 述两轴线以一相交轴角相交；使所述工具相对于所述工件运 动，该相对运动沿三条互相垂直的轴线(X,Y,Z)同时发生并绕 一条垂直于所述相交轴角的轴线摆动(A)，从而使所述相交轴 角变化；其中，所述工具和工件的齿侧面有相互的切向接触， 并且，在位置连续变化的一接触点处相互接触的工具和工件 的所述基体连续地具有相互的切向接触；在相应接触点处垂 直贯穿工具基体和工件基体的一条直线汇交工件或其基体的 轴线以及工具或其基体的轴线，所述直线还在所述接触点处 穿过工件基体的一个理想包络球面的中心。

本发明的方法包括了两个相互独立的动态效应。三个垂 直轴向上相对工具的该工件的同时发生的相对位移基本上满 足了该齿轮工件和工具基体形状的自由设计，以及实现对齿 轮工件和工具齿侧面上加工区域的瞬时相对位置和齿侧面宽 度修正(凸形，圆锥形，凹形，凸圆锥形，凹凸形)。相对齿 轮工件轴轴向，对角方向，横向或径向的有利的进给方式相 继作出或以此方式相互地进行。这种绕相交轴角轴的瞬时旋 转允许每个齿间本体的瞬时相对接触位置以及该工件和工具 的每个齿作相对旋转，这样不会发生二次切削以及出现所限 制的接触状况。按照本发明，该依运动学方式起作用的工具 基体是圆柱体，也就是说以这种基体只可产生与该工具的圆 柱基体相同、或比它大的动态凸度的该运动学上起作用基体 的齿轮工件的凸形齿侧面。

在此说明书中”运动学(Kinematic)”及相关术语涉及 的是由一个物体结合其实际形状和空间运动所产生的该物体 的有效形式。

或者，本发明的方法中所采用的工具可以具有一个凸形 基体。故可产生凸的，直的和凹凸形的齿轮工件的齿侧，而 工件与工具侧面间该接触区的大小可按意图受控制。

适用上述本发明方法中的乃是一种内向带齿的工具，它 包括：多个齿，所述多个齿各具有一宽度，所述齿沿所述宽 度各具有多个区域，所述区域中的一个或多个包括一宽度修 正，该一个或多个宽度修正在运动学方面是不同的，从而在 所述加工过程中实现所述工具和所述工件之间不同的运动学 作用。

这种齿最好具有按运动学角度考虑对初始精磨起大的宽 度修正作用的一个区域，以及在随后的细珩中不起、或少起 宽度修正作用的一个区域。

本发明还试图将一个或多个这种具有不同动态作用的宽 度修正的工具装在一个卡盘上操作。这对于例如采用为减小 加工力以小接触区的一种合用切削工具(acutting-friendly tool)作初珩，而用它在细珩中采用大接触区的光整该侧面 可以是很有利的。

粗珩和细珩都采用双侧面接触，或可于粗珩中采用单侧 面接触，在单侧面接触时最好采用电约束方式。

在粗精珩过程中，该工具与工件啮合都可以一种自由运 转方式。也可以粗珩让工具和工件于约束状态下运转，而在 随后的精珩中以自由运转方式相啮合。

采用按本发明方法中单侧面接触的受约束运转基本能使 自由设计的齿轮工件的左右旋齿侧得到宽度修正。在后进行 的自由运转的双侧接触方式则只使该基体作相对位移而起到 光整侧面作用。

该工具可具有轴向邻近的两组或多组的相同齿，它们沿 该X和/或Y和/或Z轴作往复运动以进入工作位置，其间以 轴相交、或以离开相交位置的方式。该工具也可以是以两个 或多个轴向邻接的不同齿组。

在理想状况下，有可能用以每种情况下将圆柱布置的各 个齿代替以与机床的X和Z轴成交叉或轴相交，并且通过对 相应工具实体端部的齿形替换以增加该工具的内径。欲使齿 轮工件自己及夹紧装置都不在轴向上与该工具上后面的齿碰 撞的条件是让这些齿不要布置在圆柱的基体上，而是双曲线 的基体上。

然而，本发明的方法也允许该工件和工具的基体都是圆 锥形的，或凸圆锥体的。因此可能以另一种状态，即工具倾 斜于X,Y,Z的往复运动及对A旋转的状态来加工齿轮工件， 这样使那些尚未采用的后面的齿带离碰撞区域。

若以在卡盘内的几个邻接的不同工具齿加工一个轴状工 件或有不同齿的齿轮组，为使避免碰撞可以邻近齿处在倾斜 状态下进行加工。

该内向带齿的工具大致可以与以该内齿工具加工齿轮工 件相同的方式，采用一种适当的修整工具进行修整。这对于 产生以单双侧面接触方式加工出粗精珩磨区的不同齿宽特别 有利。

因此本发明也涉及带有以与其内齿工具所加工出相应齿 形样式的齿的修整轮来修整一种内齿工具的方法，并且修整 轮上齿的侧面复盖有极硬的磨粒，其中该工具和修整轮轴相 交成一个相交轴角，该工具与修整轮互相啮合且与之作相对 运动。同时进行的相对运动发生在三个相互垂直的轴上并附 加一个垂直于被相交轴角的轴的定点摆动，因此该相交轴角 发生变化，这样不仅工具和修整轮的齿侧面有相互的切向接 触，而且该工具和修整轮的基体也在连续变化的位置的接触 点处互相接触，具有相互连续的切向接触，同时在该对应接 触点处法向贯穿该工具和修整轮基体的一条直线不仅与修整 轮或其基体的轴线、以及和该工具或其基体的轴线相交叉， 而且还通过在所述接触点处适应于该修整轮基体的一个理想 包络球面的中心。

对于其齿具有初珩区和精珩区的工具，该初珩及精珩区 最好是在受约束状态下以修整轮与内齿工具间单侧接触情况 下进行修整。

该修整轮最好作有端部斜面，且至少为45°，其作用是在 切向分给工件以自由浮动使加工出一个宽的连续的工具区使 在运动学方面起到不同的宽度修正作用。该端部斜面最好延 伸超过整个修整轮的齿高，同时复盖以很坚硬的磨削颗粒。

本发明可有不超出权利要求措词及其保护范围内的诸多 变化。软性及硬性剃削也属受保护的范围以内。

有关这里采用的诸如珩磨，软性剥削，硬性剃削，基体 等各种术语的定义。参阅德国杂志“Werkstatt und Betrieb 126(1993)7,411-415页”中 “H.Schriefer:Zahnflanken-Feinbearbeitung fur die Grossserienfertigung”。

以下参照以附图说明的实施例来描述本发明，其中：

图1为以立体表示的可实行本发明方法及使用在发明工 具的一种机床结构；

图2为甚为概要地示出该工件及工具基体的一幅三维立 体图；

图3概括示出的大比例的工件基体，及工具与工件间接 触点处的状况；

图4a至4c表示的是加工中不同相对位置上的工具和工 件基体的前视、平面视和侧视图；和

图5示出的是设定加工工具为静止时的工件或修整轮的 相对运动和形状的图形。

图1表示一种齿轮精加工机床，本发明可用它实行。除 去它在加工中提供工具以摆动运动外，大多数方面皆与普通 结构的机床无异。可以看出，三个正交安装的机床轴X,Y和 Z，以及可同时改动该X,Y,Z轴的枢接转轴A，而沿着它工 具T2和工件T1的相交轴枢角可被调整。轴C1是齿轮工件的旋 转轴而轴C2是内向带齿工具的旋转轴。这两根轴可以自由运 转，或可通过一个电子系统来加以约束。

图2为齿轮工件T1和工具T2，以及它们各自的包络球面 K1,K2，分配以该瞬时接触点Ⅳ，而该接触线通过接触点Ⅳ的 一幅三维视图。座标系统X1-Y1-Z1以轴向定向方式示出齿 轮工件的定位而座标系统见X2-Y2-Z1以轴向定位方式示出 该工具的定位。

Z1为工件的旋转轴。X1和Y1的原点设在该工件宽度的中 点。该工具的座标系也以类似方式定义。工件旋转轴于操作 中是静止的，该工件除了绕其轴线旋转外不动。工具进给轴 是轴X2，它平行于该工件轴X1。该工件轴平行于在先提及的 机床轴。

该工具能作摆动、或绕其轴X2作定点转动，这样一个相 交轴角A遂在Y轴和该工具的旋转轴间，以及Y轴和该工件 旋转轴间形成。

与工件和工具相关连的是各自的理想包络球面K1和K2， 这些球面的曲率半径相应是该工件或工具在接触点处的曲率 半径。结果这些球面中心也相应地被确定了。于图2中该接 触点Ⅳ处，紧随工件包络面K1的是该工件的齿冠外形，而紧 随工具包络面的是凹形冠状的工具外形。由于该曲率可随工 具和工件由点至点作变化，所以这些理想包络球面是不定的。

座标系Xk1-Yk1-Zk1描述的是该齿轮工件齿测线瞬时修正 的包络球面中心，而应标系Xk2-Yk2-Zk2则描述的是该工具齿侧 面线性修正的包络球面中心。这些座标轴平行于X1-Y1-Z1。 C1和C2是工件和工具的转向，而A为该工具绕轴交角轴X2的 瞬时旋转位置。该直线g描绘的是该包络球面与基体间的接 触点Ⅳ的瞬时接触状况。为此目的，该直线g必得与该包络 球面中心相交于Ⅰ和Ⅴ，并与齿轮工件相交于Ⅲ，与工具轴 相交于Ⅱ。如果需要在宽度方向Z1上让接触点顺序包裹整体， 例如为该齿轮工件基体T1,X1-Y1-Z1和X2-Y2-Z2间的该瞬 时旋转和位移则应这样选择，即该直线g须满足在前说过的 条件。与此同时，如果前述的接触条件得到遵守，接触点顺 序能在该工具基体T2上预先确定，该基体表面T1和T2然后可 被相互代替。

该接触点顺序显然应该是被子选确定的，由此产生的有 利进展由工件和工具间相对位置的一种稳定变化得到证实。

可以看出，例如，该包络球面K1和K2的中心也可以这样 一种方式存在，即所生成的基体形式为宽度上为凹形的、圆 锥形或是凸的圆锥形。如果该包络球面的半径趋于无穷大， 遂产生圆柱形基体。采用已知的基体形状，要当心的就是按 前述接触条件要避免多点接触的可能。这意味着工件侧面会 被二次切削所扭曲。还必须避免，不明确的结果表示的刃边 接触。

图3表示的是齿轮工件基体T1，以及直线g延伸通过的 接触点Ⅳ的状况。

基体T1，T2及包络球面K1和K2在接触点Ⅳ处具有切向接 触，切向平面T的法向以g表示。可以想像各自的基体和包 络体可绕该直线g旋转而无损于前述的接触状况。然而，涉 及一个实际的齿轮时，在齿轮工件与工具齿侧间接触运行方 面，这种旋转造成的影响就非同一般。因此，存在于平面T 内的线L描绘出该齿侧面的接触运行，它用以说明各个瞬时 接触位置Ⅳ。供备正确接触状态的该瞬时转动位置L导出的 同时进行的旋转A得到一个适当的几何变换的结果。

图4a,4b,4c为从运动学角度表示出该基体和包裹情况 的前视，平面视和侧视的示意图。按齿轮工件宽度上瞬间发 生的接触位置o,1，和2作出表示。对应于直线g’、g和g"， 该接触点由Ⅳ’变换到Ⅳ、然后再到Ⅳ"。相对工件的工具运 动，按前视图中为从Y2’,Z2’通过Y2,Z2到Y2",Z2"。这三个 位置标示以1、2和3。该工具经过的路径为(X2-Y2-Z2)’,(X2 -Y2-Z2)到(X2-Y2-Z2)"。该工具包络球的半径变化为R’K2, RK2和R"K2。在前视图中该转动位置是从L’,L到L"。

图5表示的是一个两部分工具T2，带有轴向邻接的不相 同齿部。

标有T1的元件可被当被加工的工件，或者是作为修整工 具的修整轮。

所示工具是静止的。实际中不是这样的，该工具与工件、 工具与修整轮的相对运动是按已作描述的参考图1至4起效 用的。

图5所示工具有两个基体T2F和T2V。该工件或修整工具 的基体的不同位置1至4，被显示出相对于该工具的位置。 其接触状况图示作有大的简化并在平面部分作了放大。

工具基体T2V于工具作程序的空间相对运动中按运动学方 法产生有一个较小的凸度半径RTV。这个第一基体用作工件的 初始珩磨。轴向邻接的基体T2F具有较大的有效半径RKF以用 作工具的精细珩磨。

在前已有叙述，这些半径相应接有RK2。各自基体的曲率 中心是在MKV和MKF，对应于图2中的点V。

使用中，工件首先以参考图4中所描绘的方式以工具基 体T2V受到珩磨，此后随轴向相对运动，该工件用工具基体T2F 作有精珩。

图5中所示工具基体的曲率是以由按经验值选定的两段 弧予以表示的。但这并非必要的，其他工具外形也是可以的， 在一种极端理性的情况，该工具外廓形状可以是直线。

图5更具体地示出示以T1、按顺序的相对位置1至4的 一个修整轮方式的工具整修。

该修整轮备有端斜面F于两端部，且超过全齿的高度。 修整过程中，该修整轮体沿着从MKV和MKF的包络球面路径被 导行，而在该两段包络球面之间作有两个切向的过渡。两段 中间包络球面RK2，MKZ使当位处该两段包络球面间的齿轮工件 的加工过程中能有面部的自由浮动。

修整时，这种自由浮动是通过该端部斜面F产生的，复 盖有硬磨材料，以圆柱形基体并以端部斜面作有斜面的该基 体形成的修整轮被连续地引入与该中间包络球面部相接触。 以切向速度VT从右手达起的工具面不间断地修整至左边，修 整遂得以完成。作为依靠于宽度接触程序的修整轮，以粗制 的复盖修整轮件用作该初始珩磨工具区的修整、而让一个精 细复盖的修整轮件使与该精细工具珩磨区的修整也是可以 的。在作初始和最终珩磨中，该齿轮工件沿切向从该初珩区 连续地移至该细珩区。这样就确保了于自由运转珩磨中使由 初珩向细珩的转换过程中保持该齿形侧面接触。