技术领域
[0001] 在第一方面，本
发明涉及齿轮铣刀，该类型的齿轮铣刀一方面包括能围绕中
心轴线旋转且具有
旋转对称的基本形状的基体，该基体包括从基体的外周径向向内延伸的两个相对的侧面，且另一方面包括多个可更换的铣削刀片，该多个可更换的铣削刀片安装在侧面上且各自包括形成在切屑表面和间隙表面之间并在铣削刀片的一对相对的且径向分开的端部之间延伸的切削刃，铣削刀片中的某些为齿根刀片，齿根刀片放置于沿基体的外周切向间隔开的
位置，而铣削刀片中的其它刀片为齿侧面刀片，齿侧面刀片被切向间隔开且放置成形成位于齿根刀片径向内侧的至少一个环形排列，径向分开的铣削刀片的扫过区域在环形重叠区域中相互重叠，更准确地说通过使至少所述齿根刀片的径向内端部比接下来内侧的齿侧面刀片的径向外端部更靠近基体的中心轴线设置而使径向分开的铣削刀片的扫过区域在环形重叠区域中相互重叠。
[0002] 在第二方面，因此本发明还涉及齿轮铣刀刀片。
背景技术
[0003] 上述类型的齿轮铣刀最初用于金属
工件的粗加工，目的是提供各种机器元件比如齿轮、齿板、
齿条等的齿轮轨迹。在工业生产中，这样的粗铣通常通过如下方式执行：将工件夹在步进移动的
保持架中，由此铣刀在旋转状态下直线地(比如垂直地)进给通过工件的一部分，同时铣出各个
齿槽或齿间隙。该步骤通过使保持架步进地移动到达关于铣刀的新位置而重复进行，铣刀铣出另外的间隙直到产生出期望数量的齿或牙。初始的粗铣的结果使齿或“齿坯”变为具有合适地符合名义上规定的确切的齿形状的形状，但是还不具有最终的尺寸
精度。因而，需要在一个或多个精加工操作比如精铣、
研磨、滚铣等中精加工齿，以便最终实现期望的尺寸精度。就此而言，应指出所述技术领域内的尺寸精度要求通常是约千分之几(thousandths)毫米而不是百分之几(hundredths)毫米。因而，在最终的精加工过程中，大约将去除十分之几(tenths)毫米或百分之几(hundredths)毫米来实现齿轮轨迹的规定的公差。
[0004] 在齿轮铣刀中以及在利用可更换的硬铣削刀片的其他去屑刀具中，存在可能干扰或完全地危及刀具的加工精度的若干误差源。例如，实际上，铣削刀片关于其名义计算尺寸有时增大以及有时缩小(误差在±0.5％范围内)，使得铣削刀片的制造结果可能变化。也不能绝对保证基体中的其中安装铣削刀片的座在基体中获得其确切的期望的实体几何位置。可能影响粗铣齿的侧面表面的其他误差源一方面是驱动机床的状态(老化)，另一方面是出现振动的
风险。
[0005] 先前已知的齿轮铣刀(参见比如JP 2002144129A)的缺点是难以控制与初始粗铣相关的、通常出现在齿的齿侧面中的不可避免的表面
缺陷。这样的表面缺陷首先出现在铣削刀片的扫过区域相互重叠的区域中，且这样的表面缺陷可能交替地显现出铣削表面中的凸度(比如，脊、隆起等)或凹度(比如，凹槽、坑、高度差)的形式。利用已知的齿轮铣刀，这些表面缺陷特征不能预测；这些缺陷中的一些缺陷随后可能使得最终的精加工操作更为困难。实际上，凸度相对简单地通过比如关于周围表面磨光而消除，而不会损害齿的公差。然而，凹度是明显更需慎重处理，因为周围表
面层必须被磨光或去除直到得到平滑的、尺寸精确的侧面表面。如最常见的情况，如果粗铣的齿侧面表面包括以不可预测模式混乱地相互交替的凹度以及凸度，则最终的精加工操作变得特别棘手。换句话说，关于最终的精加工操作不能实现规定的公差的危险相当大；最糟糕的情形可能引起工件报废。考虑到精加工产品有时具有非常高的经济价值(例如，直径＞2000mm的稀缺的齿轮环可能具有约或更大的价值)，这样的报废是非常不希望的。
发明内容
[0006] 发明目的和特征
[0007] 本发明旨在避免先前已知的齿轮铣刀的上述缺点并提供一种齿轮铣刀，通过该齿轮铣刀，粗铣齿中的表面缺陷能被预测且从而能被克服。因此，本发明的主要目的是提供一种在粗铣齿时产生表面尤其是齿侧面的齿轮铣刀，所产生的表面具有可预测的形状且所产生的表面的不可避免的表面缺陷被限于凸度，而不是凹度。
[0008] 此处已经强调，本发明决不声称能够消除最终的精加工操作。相反，本发明基于的理解是每个粗制的齿轮铣刀不可避免地受到误差源的削弱，这使得不可能实现绝对的加工完美性，且本发明的理解是最终的精加工操作总是需要的。因而，本发明的主要目的是方便实现最终的加工同时确保齿轮轨迹尤其是昂贵的工件的期望公差被维持。
[0009] 根据本发明，主要目的通过
权利要求1的特征部分中限定的特征来实现。根据本发明的齿轮铣刀的优选实施方式在
从属权利要求2-8中进一步看到。
[0010] 在特定方面中，本发明还涉及齿轮铣刀刀片。所述齿轮铣刀刀片的特征在
独立权利要求9中看到，除此之外，所述齿轮铣刀刀片的优选实施方式在从属权利要求10-16中限定。
附图说明
[0011] 在附图中：
[0012] 图1是根据本发明的齿轮铣刀的分解透视图，
[0013] 图2是显示了在盘形工件的加工过程中的齿轮铣刀的透视图，
[0014] 图3是刀具的侧视图，
[0015] 图4是齿轮铣刀中包括的齿根刀片的放大透视图，
[0016] 图5是根据图4的齿根刀片的平面图，
[0017] 图6是所述齿根刀片的侧视图，
[0018] 图7是显示了齿根刀片的一端部的几何形状的放大的示意图，
[0019] 图8是根据本发明的且包括在齿轮铣刀中的齿侧面刀片的透视图，[0020] 图9是根据图8的齿侧面刀片的平面图，
[0021] 图10是齿侧面刀片的侧视图，
[0022] 图11是显示了齿侧面刀片的端部的几何形状的放大的示意图，
[0023] 图12是示出了根据本发明的铣刀的两个相互重叠的铣削刀片的几何形状的以极大程度放大的示意图，
[0024] 图13是显示了铣削刀片之间的交替重叠关系的、类似于图12的图，以及[0025] 图14是显示了本发明的关于铣削刀片的端部的几何特征的示意图。
具体实施方式
[0026] 在图1至图3中，显示了齿轮铣刀，其根据本发明制造且包括基体1和多个铣削刀片2、3。基体1可围绕中心轴线C旋转且具有旋转对称的基本形状。因此，基体包括从公共外周5径向向内延伸的两个相对的镜像对称的侧面4。在该情形中，侧面4具有锥形形状，其赋予基体盘形几何形状。在传统方式中，可更换的铣削刀片2、3由硬的耐磨的材料比如硬质
合金构成，而基体1由较软的材料通常为
钢制成。
[0027] 本领域技术人员称为齿根刀片的铣削刀片2紧邻基体的外周安装，而铣削刀片3沿基体的侧面4安装且称为齿侧面刀片。在所示的优选实施方式中，所有的铣削刀片2、3是可颠倒(invertible)的且包括多个交替有用的切削刃。各个铣削刀片通过螺钉6固定在基体上，除
螺纹杆7之外，螺钉6还包括具有部分锥形形状的头部8。在安装中，将齿根刀片2放入座或刀片座9中，刀片座9朝基体的外周5开口且包括切向
支撑表面10以及侧支撑表面11，用于螺钉6的
螺纹孔12开口在侧支撑表面11中。在该情形中，在特别硬的支撑板14(比如，硬质合金)上形成了径向支撑表面13，支撑板14可拆卸地径向地安装在铣削刀片2内侧。应明白，在根据刀片2的安装状态中，齿根刀片2的径向外端从外周5略微突出。
[0028] 各个齿侧面刀片3安装在座15中，座15与外周5径向间隔开且具有平行六面体的基本形状。在该座15中包括切向支撑表面16和铣削刀片3被拧紧抵靠的侧支撑表面17。
[0029] 在其他方面，基体1包括具有通孔19的毂部18，两个不同类型的
键槽20、21连接到毂部18，用于将来自驱动
主轴(未显示)的
扭矩传递到铣刀。
[0030] 还应指出，基体包括切屑间隙22、23，当在铣刀的旋转方向R上观察时，切屑间隙22、23位于各自铣削刀片2、3的前方。
[0031] 在图2中，结合工件24的加工示出了铣刀，在该情形中，工件24具有环形或圆盘形状且在实际中被固定在可转动的保持架(未显示)上，由此该盘能够以步进方式转动至铣刀的工作位置。铣刀则垂直地可移动(参见双向箭头)，用于铣出齿槽(gash)或齿隙25，齿槽或齿隙25与相邻的间隙一起限定齿或牙26。齿26包括齿顶27以及两个齿侧面28，齿侧面28朝各个间隙25中的公共底部29会聚且在该情形中为平面的或“直的”。各个齿26的内部被称为“齿根”且由两个齿隙底部29包围。在该情形中，铣刀的外周齿根刀片2的目的是形成各个间隙25中的倒圆底部29，而齿侧面刀片3应形成平的或直的齿侧面28。
[0032] 现参考图4至图7，其详细示出了各个齿根刀片2的设计。在所示的优选实施方式中，铣削刀片2为双面且可颠倒的，以及另外形成为使得铣削刀片2能用于基体1的两个相对的侧面4中的任一个。为此，铣削刀片形成有一对平面的且相互平行的通常表示为31的表面，其可交替地用作间隙表面以及用作抵靠座9的侧支撑表面11的底表面。在下面，然而，这些表面31仅被称为“间隙表面”。而且，包括了两个相对的切屑表面30，与间隙表面类似，两个相对的切屑表面30为平面的且相互平行。每个单独的切屑表面30与单独的间隙表面31形成90°的
角度。由此，沿表面30、31相遇的边缘(参见图4)形成切削刃32。沿每个切屑表面30，有两个这样的切削刃32以便允许铣削刀片的倒置。各个切屑表面30在平面形式的两个相对端部33之间延伸，在示例中，相对端部33垂直于切屑表面30延伸。
[0033] 为了功能上将两个切削刃32相互分开，在图6中(但不在其他图中)，两个切削刃32的附图标记分别设有后缀a和b。此外，两个端部分别用33a和33b表示。当齿根刀片安装在基体中的相关的座9中且使用切削刃32a来去屑时，端部33a径向地转向外，而端部
33b径向地向内转向基体的中心。表示为31b的间隙表面随后压靠座9的侧支撑表面11，而间隙表面31a从座向外露出。
[0034] 除包括与间隙表面31的平面部311接近的直主刃321之外，各个切削刃32还包括表示为322、323、324、325的多个部分刃。在这其中，部分刃322为拱形的且具有适中的弧半径r1(参见图7)，而部分刃323为直的。拱形部分刃322通过与主刃321以及部分刃323相切而连接到主刃321以及部分刃323，其目的是形成各个齿槽25中的倒圆的凹形底部29的一半。直部分刃323经具有半径r2的常规半径过渡部326转变为端部表面33的未工作的直刃327。关于切削刃的包括部分刃322的端部，根据本发明的铣削刀片2与已知的齿根刀片并无根本上的不同。
[0035] 在进一步详细描述齿根刀片2之前，参考图3，图3显示了径向分离的铣削刀片2、3如何具有不同的扫过区域。第一扫过区域当在旋转方向观察时其显示为在齿根刀片2后面，且表示为S1。毫无疑问，该扫过区域为圆环形状且具有由齿根刀片的长度L(参见图5)决定的宽度或径向延伸。在图3中的旋转尾部的
外齿侧面刀片3后面，进一步显示了所述刀片的扫过区域S2。下一个尾部内齿侧面刀片3的扫过区域表示为S3。通过齿根刀片2的径向内端
定位成比尾部齿侧面刀片3的径向外端更靠近基体的中心轴线C的事实，两个扫过区域S1和S2将在表示为Z1的环形重叠区域相互重叠。分别在外齿侧面刀片3的扫过区域S2和内齿侧面刀片3的扫过区域S3之间，以类似的方式存在表示为Z2的重叠区域。
该重叠区域由于使外齿侧面刀片3的内端比内齿侧面刀片3的外端设置得更靠近中心轴线C而实现。
[0036] 在这一点上，应记住，不同的切向间隔开的铣削刀片在时间上分开的步骤中接合并挖入工件。例如，当齿根刀片2已经穿过工件的某一几何轨迹并挖出圆形“沟槽”时，其中该沟槽的深度取决于铣刀的进给，旋转尾部的外齿侧面刀片直到短的时刻之后才将通过相同的几何轨迹，且就此而言产生位于内侧的且沿位于重叠区域Z1中的弧线或交点切入第一沟槽内的沟槽。当然相同的现象也在齿侧面刀片之间的重叠区域Z2中出现。
[0037] 可使齿的齿侧面的最终的精加工更困难的、开始描述的不可预测的表面缺陷首先出现在扫过区域之间的重叠区域，这是由于先前已知的齿轮铣刀刀片中的切削刃的重叠端部一直到铣削刀片的端表面都是直的且经相当尖锐的角部转变为端表面(即使角部区域是具有小半径的传统半径过渡，情况也是如此)。如果一对配合的铣削刀片关于规定的期望的其空间位置以一种方式或其他方式被移位或包括形状缺陷，则出现重叠区域中的角部以不同深度挖入待制造的齿的齿侧面且在齿的齿侧面中引起各种畸形的风险。这样的畸形以不可预测的方式可能为凹度(凹槽，凹部等)以及凸度(脊突，脊等)，其中凹度以及凸度能以不合理的方式混乱地出现。换句话说，齿侧面的粗铣表面将得到不能预确定或预计算的形状或特征。
[0038] 现再次参考图4-7，从中看到，根据本发明的铣削刀片不仅包括在主刃321沿端表面33转变为未工作的刃327的区域中的常规半径过渡部325，而且还包括另外的部分刃324。该部分刃324的几何形状参见图14的放大比例。在铣削刀片的本优选的实施方式中，部分刃324为拱形的且几何形状上由在端点EP1和EP2之间延伸的圆弧限定。圆弧的半径表示为r3且其弦为CH。部分刃324的特征在于部分刃324短于主刃321，以及其偏离主刃延伸上的直的基准线RL。更准确地，部分刃324以表示为α的偏离角度(其为基准线RL和弦CH之间的角度)在铣削刀片的端表面33的方向上连续地偏离。包括在部分刃324的圆的虚扇形中的两个径向线之一，即径向线A与直主刃321形成直角。换句话说，点EP1形成主刃321和部分刃324之间的切点。
[0039] 在该情形中，在部分刃324和关于主刃321垂直地延伸的平端表面33的刃327之间，也形成了具有半径r4的常规半径过渡部325。如在图14中肉眼看到的，部分刃324的弧半径r3显著地大于半径过渡部的半径r4。因此，在铣削刀片的
原型设计中，r4等于1mm，而r3而等于13mm。应注意，圆扇形的弧度β大于偏离角度α。
[0040] 在图8至图11中详细看到各个齿侧面刀片3的几何形状。类似于齿根刀片2，齿侧面刀片3包括一对相对的切屑表面30、一对相对的间隙表面31和一对相对的端表面33。沿每个切屑表面30，形成了两个切削刃32，与齿根刀片2的切削刃类似，两个切削刃包括直主刃321和位于主刃和两个端表面33之间的两个部分刃(参见图8和图9)。然而，与齿根刀片2的切削刃不同，齿侧面刀片3的各个切削刃32包括两个相同的部分刃324(此后称为“重叠的部分刃”)，其目的仅是重叠另一相邻的铣削刀片的类似的重叠的部分刃的扫过区域。换句话说，齿侧面刀片3没有齿根刀片2中包括的形成齿隙底部的部分刃322。
[0041] 类似于齿根刀片2，齿侧面刀片3(见图10)包括通孔34，该通孔34垂直于间隙表面31延伸且经烟囱形状的腔35在间隙表面31中开口，烟囱形状的腔35通过环形台肩36分开。无论将使用哪一个切削刃32，即无论哪一个间隙表面31在适当的座中从侧支撑表面11、17面向外，螺钉6的头部8(见图1)都能沉入腔35中且被拧紧抵靠台肩36。
[0042] 在齿根刀片2以及齿侧面刀片3中，重叠的部分刃324明显短于各个切削刃32的直主刃321。这在图5和图9中最佳地看到，其无可否认地(为简化起见)在平面视图中显示了不同的刃部分的长度且因此不要求显示绝对准确的线性尺寸，而是良好地图示了各个长度之间的比例。
[0043] 在铣刀的原型设计中，齿根刀片2具有24mm的总长度L(参见图5)、14mm的宽度W，以及7mm的厚度T。此处，直主刃321的长度L1等于15.8mm，而重叠的部分刃324具有1.6mm的长度L2。同时，半径过渡部325的半径r4等于1mm。这里，重叠的部分刃325的半径r3(参见图15)等于13mm。这与形成齿隙底部的部分刃322的弧半径r1形成对比，在示例中半径r1等于4mm。换句话说，重叠的部分刃324的弧半径r3比形成齿隙底部的部分刃
322的弧半径r1大很多倍。在示例中，重叠的部分刃324的长度L2等于主刃321的长度L
1的约1/10(＝10％)。实践中，该关系当然是可变化的。然而，L2应等于L1的至少5％和至多20％。
[0044] 而且，在原型设计中，重叠的部分刃324的偏离角度α等于约3°(注意为清楚起见图15中的角度α被夸大地显示)。同样，该角度可变化，但应等于至少0.5°且至多10°。合适地，α在1-5°的范围内。
[0045] 参考图8-11，应指出，原型设计的各个齿侧面刀片3的长度L为20mm，宽度W为14mm，以及厚度T等于8mm。在该情形中，部分刃324的(投影)长度L2等于1.5mm，而主刃321的长度L1等于16mm，半径过渡部的半径r4为0.5mm。毫无疑问，铣削刀片的全部四个重叠的部分刃324相等，在该情形中部分刃的偏离角度α等于约1°。
[0046] 从上面看到，重叠的部分刃324的半径r3(＞12mm)显著地大于形成齿隙底部的部分刃322的半径r1(＝4mm)。实践中，r3应大于铣削刀片的厚度T，而r1较小(换句话说，限定部分刃322的圆形弧的中心位于铣削刀片内侧，而部分刃324的圆形弧的中心位于铣削刀片外侧)。
[0047] 在铣刀的示例性的优选实施方式中，齿根刀片2以及齿侧面刀片3由于切屑表面30与间隙表面31形成直角而具有负的切削几何形状。就此而言，切削刃的形状由间隙表面的连接部的形状决定。因而，主刃321因间隙表面31的连接部311为平面的原因而获得了其直形状，而部分刃322、324因连接表面部分312、314具有凸弧形形状而获得其弧形(参见图4和图8)。各个间隙表面31的平面部分311与两个凸表面部分312、314之间的边界线表示为37、38，而39表示表面部分312与连接到部分刃323的部分表面313之间的边界线。类似地，表面部分314不仅由边界线38限定而且还由与连接到半径过渡部325的拱形表面部分相接的边界线40限定。
[0048] 发明功能和优点
[0049] 在以图2所示的方式铣削齿槽的过程中，每个单独的齿根刀片2将通过部分刃322铣出齿槽25的倒圆底部29的一半，同时直主刃321产生齿侧面28的最内的平面部分。齿侧面28的其余部分通过径向间隔的齿侧面刀片3来铣出。在如此进行时，作为铣削刀片在前述的重叠区域中互相重叠的结果，获得了连续的齿侧面。这样的重叠区域Z1在图12和图13中以放大比例示意性图示，其中点EP1表示各个切削刃的直主刃321和连接的拱形部分刃324之间的过渡部(参考图4和图8中的边界线38)，而EP2表示部分刃324和半径过渡部325之间的过渡部(参考图4和图8中的边界线40)。在图12和图13中，左侧的铣削刀片被假定为齿根刀片2，其轮廓由实线示出，而右侧的铣削刀片是齿侧面刀片3，其部分地由虚线显示以图示其旋转地跟随齿根刀片。在图12中，显示了理想情形，其中两个配合的切削刃的直主刃321位于公共平面中，虚交点P位于主刃的端点EP1之间的中间。在该状态下，主刃产生两个平面部分表面41，平面部分表面41转变为在具有高度H的脊突或脊43处彼此相遇的拱形部分表面42。
[0050] 在根据图13的示例中，显示了由于一个原因或别的原因(在刀片制造中糟糕的结果，基体的刀片座的不够精确，等等)铣削刀片2、3如何关于彼此没有呈现其理想的期望的位置。本领域技术人员将该现象称为“失配”。因而，在该情形中，直主刃321不再位于公共平面中。此外，其关于彼此直线地位移使得重叠的区域Z的宽度增加。尽管该失配，不可避免的表面缺陷将仍旧是位于重叠区域的脊43形式的凸度。
[0051] 应强调，图12和图13的比例被极大程度地放大。实际上，高度H，即脊43的顶和工件的周围平面表面41之间的高度差可相应地是非常小的且在1/100mm-1/1000mm的范围内。尽管如此，脊形成明显的凸度，而不是凹度。换句话说，本发明的重叠的部分刃324的特性确保铣削刀片以可重复的且可靠的方式总是产生具有可预测的平滑
波形状的表面且在表面中没有难以控制的凹槽、划痕或其他凹部形式的表面缺陷。这样，显著地有利于齿或牙的最终精加工，尤其有利于满足比如昂贵的工件的规定公差。
[0052] 发明可行改进
[0053] 本发明并不仅限于附图示例的齿轮铣刀刀片的实施方式。因而，铣削刀片的形状和尺寸可在所附权利要求的范围内相当大地改变。此外，特征性的重叠部分刃可以为直的而不是拱形的(r3＝∞)。还可行的是形成如下的重叠的部分刃，该重叠的部分刃没有到铣削刀片的未工作的端表面的任何半径过渡。换句话说，部分刃可经尖锐的角部而转变为刃，因为这样的角部将位于部分刃324的交点P外侧(参见图12和13)。而且，取决于期望的进给和期望的表面精加工，特征性的重叠的部分刃的长度以及偏离角度可在宽的限制范围内变化。此外，铣削刀片可形成有正的切削几何形状，即切削刃角度小于90°。铣削刀片不必通过包括两个或更多个切削刃而是可颠倒的。因此，制造仅带有具有本发明的形状特征的一个切削刃的铣削刀片是可行的。
[0054] 最后，应指出，概念“直”主刃应在宽的意义上理解。替代于在该词的适当意义上的绝对地直，主刃能够是略微拱形的，比如具有1000mm或更大的曲面半径。
