已知通过一对倾斜的旋转切削工具来生产直齿锥齿轮、以及斜齿锥齿轮、 面连接器以及花键部件，所述一对工具的旋转切削刀片有效地互锁以在工件上 同时切削相同的齿距。在授予Wildhaber的美国专利第2,586,451、授予Carlsen 的美国专利第2,567,273和2,775,921、授予Spear的美国专利第2,947,062 或在格里森工厂(Gleason Works)出版的“102号直齿锥齿轮Coniflex滚 铣器”的公司手册中可以看到这种类型加工的实例。
可通过非滚铣工艺来形成直齿锥齿轮，其中倾斜工具插入工件以形成齿 槽，该齿槽的齿廓面与刀片切削刃的形式相同。或者，可这样滚铣齿面，其中 倾斜刀具承载在机床托架上，该托架将工具和工件一起滚动以在工件上形成所 滚铣的廓面。在任一种情况下，工具都可包括相对于切削工具旋转平面以微小 角度(例如3°)设置的切削刃。这种倾斜的切削刃与工具的倾斜相结合，在 齿槽的端部去除更多的材料，由此导致用于齿承载定位的齿面的纵向弯曲(即 纵向松弛(ease-off))。
从授予Elbertz的美国专利第2,342,129中还已知提供了用于切削直齿锥 齿轮的机床和工艺，其中使用单个工具来切削齿槽的第一部分，随后将工 具或工件180°再定位并接着使用工具切削齿槽的其余部分。工具相对于工 件的路径由主表面和引导件控制。假如工具没有倾斜，则Elbertz的工艺不 可能有纵向隆起，且切削工具会由此在齿端切削得较浅从而在齿端部留下 多余的金属。此外对于Elbertz来说，180°再定位工作台或工具头是耗时 的，且由于将工作台或工具头移动相当大的行进距离来加工整个齿槽而自 身导致加工不精确。

本发明涉及一种在多轴线计算机控制机床上生产直齿锥齿轮等，其中在加 工过程中使用一个工具。
附图说明
图1示出了互锁布置的一对倾斜刀具在工件上切削齿槽。
图2是实施本发明方法的机床的实例。
图3示出了基本锥齿轮滚铣机床。
图4示出了互锁刀具装置的上部刀具从机械直齿锥齿轮滚铣机床的总体 参数项(summary item)到基本机床设定的的转换。
图5示出了以相反方式安装切削盘。
图6示出了机械加工机床和自由型(free form)机床的滚铣滚动范围的比 较。
图7示出了齿面的上部切割和齿面的下部切割之间的过渡旋转。
图8示出了用于使工件和切削刀具配合的矢量进给方法。

现将参照仅示例性的表示本发明的附图讨论本发明的细节。在附图中，相 同的部件用相同的标号来表示。尽管将参照直齿锥齿轮对较佳实施例进行讨 论，但本发明并不限于此，而是想要包括类似类型的有齿构件，例如锥齿轮、 面连接器和花键轴。
图1示出了具有用于在工件8上切削齿槽的切割刀片6的一对倾斜旋转盘 刀具2、4(通常称为上部刀具和下部刀具)的现有技术布置。刀具2可围绕轴 线12转动且刀具4可围绕轴线10转动。在常规机械托架型机床上的滚铣过程 中，倾斜刀具2，4通常进给到工件内预定深度，并以与工件8的旋转同步的 方式开始机床托架(未示出)的滚铣滚动以滚铣出齿廓面14、16。
本发明考虑了在任何所谓的6轴线CNC齿轮制造机床(通常称为“自由 形式”机床)上切削直齿锥齿轮，这些机床为诸如美国专利第6,712,566、 4,981,402或5,961,260中所揭示的机床。图2示出了美国专利第6,712,566 中揭示的类型的机床20，其内容以参见的方式纳入本文。尽管迄今为止揭 示的这些类型的机床使用面铣或滚铣型刀具(其中切削刀片从刀具头的前 表面突出)生产螺旋形锥齿轮和准双曲面齿轮，但本发明人现发现具有径 向延伸切削刀片的单个切削盘，诸如图1中的刀具2或4，可设置在诸如图 2的机床之类的机床上，并以可生产直齿锥齿轮的方式操作。
现将描述图2的机床20。为了便于观察各机床部件，图2示出了不带 门和外部金属板的本发明机床。机床20包括单个固定的柱体24，该柱体较 佳地是诸如铸铁或矿物铸件之类的单体结构，但也可用诸如多个金属板(例 如钢或铸铁)或多个单独的框架构件(诸如角柱和支承构件)之类的其它 构件装配而成。柱体24包括以所要求的角度定向的第一侧26和第二侧28， 较佳的是它们相互垂直。第一和第二侧各包括宽度和高度(如图2所示)。 或者，单体式柱体24可包括具有非平面侧的形式，诸如大致圆柱形柱体。
第一侧26包括可围绕轴线Q旋转的第一心轴30并较佳地由直接驱动 电动机32驱动，该电动机32较佳的是液体冷却并较佳地安装在前部和后 部心轴轴承(未示出)后面。心轴30可枢转地固定到心轴支承件31上， 该心轴支承件31随着心轴30可沿第一侧26的宽度的方向Z在附连到柱体 24上的导轨34上移动。心轴30沿方向Z的运动由电动机36通过直接联 接滚珠丝杠(未示出)或通过直接驱动来提供。
切削或磨削工具38(示出为切削刀具)通过安装装置39可拆卸地安装到 心轴30上。切削工具38是单个刀具，且较佳的是所示的图1的刀具2或4的 类型，它包括从工具本体的周界径向(相对于工具的旋转轴线)突出的多个切 削刀片。图7示出了切削刀片80，该刀片80包括切削刃82、前表面84、间隙 刃86、间隙侧表面88、尖端90和背面92。图8是图7的后视图，并示出了背 面92、尖端90、切削刃82和切削侧表面94。工具38的切削刀片还较佳的包 括设置成相对于刀具旋转表面成微小角度(例如3°-4°)的切削刃，因此使 刀具略微呈盘形形状。该角称为“盘角”且在图8中由D表示。
如上所述，第一心轴30附连到心轴支承件31上，使得可能发生心轴围绕 枢转轴线F的任何枢转，以及因此工具38也同样枢转。心轴支架33通过至少 一个(较佳的两个)轴承连接件40和42(上部轴承连接件40和下部轴承连接 件42)可枢转地附连到支承件31。借助于电动机44和直接联接滚珠丝杠46 或通过直接驱动，通过轭架50的套管部分48作用来实现心轴30的枢转。轭 架50较佳地在上部连接件52和下部连接件54处可枢转地附连到心轴30上， 使得轭架50可围绕轴线V相对于心轴30倾斜地移动。滚珠丝杠46的行进， 以及因此产生的轭架50的行进有效地推动驱动电动机32倾斜地远离柱体24， 由此引起围绕轴线F的枢转运动以将工具38朝向机床柱24倾斜地移动。当然， 缩回滚珠丝杠46具有相反的效果。或者，为了实现心轴30的枢转，在沿Z方 向定向并设置在心轴支承件31上的至少一个导轨上可移动的滑动件可通过连 杆机构连接到心轴30或电动机42上。滑动件在导轨上的运动引起心轴30围 绕轴线F枢转。另一替代形式包括轴承连接件中42、43的一个或两个处的电 动机以实现心轴30的枢转。
第二侧28包括可围绕轴线N旋转的第二心轴60并较佳地由直接驱动电 动机62驱动，该电动机62较佳的是液体冷却，并较佳地安装在前部和后部心 轴轴承(未示出)的后面。心轴60可沿第二侧28宽度的X方向在附连到滑动 件66的导轨64上移动。心轴60沿方向X的运动由电动机通过直接联接滚珠 丝杠69或通过直接驱动提供。较佳的是，工件(图2中的小齿轮70或环齿轮) 通过本领域已知的适当的工件保持装置61可拆卸地安装到心轴60上。因为滑 动件66借助于导轨72可沿Y方向移动，所以心轴60还可沿第二侧28高度的 Y方向移动，该运动由电动机74通过直接联接滚珠丝杠75或通过直接驱动提 供。方向X、Y和Z较佳地相对于彼此相互垂直，尽管它们中的一个或多个也 可相对于其垂直方向倾斜。为了说明目的，在所有附图中，Y方向是垂直的。
第一心轴30沿方向Z的运动、第二心轴60沿方向X的运动、第二心轴 60通过滑动件66沿方向Y的运动、第一心轴30围绕轴线F的枢转、以及第 一心轴30的旋转和第二心轴60的旋转分别通过独立的驱动电动机36、38、74、 44、32和62来提供。上述部件能够相对于彼此独立运动或可彼此同时移动。 各电动机较佳的与反馈装置关联，反馈装置为诸如线性或旋转编码器，例如枢 转轴线编码器43(图2)，它作为根据输入计算机控制器(即CNC)的指令 控制驱动电动机的运行的CNC系统的一部分，CNC系统诸如富士通自动数控 模块160i或西门子模块840D(未示出)。
实施例所示出的本发明的机床由控制器引导，该控制器较佳地向各驱动电 动机连续发出定位和/或速度指令。可为图2的机床构造开发出一组公式。但较 佳的是将与常规机械托架型齿轮滚铣机床(图3所示的“基本型”机床)相同 的输入参数用于具有不同数量和/或构造轴线的机床。换言之，将常规机械托架 型锥齿轮滚铣机床的坐标系统中的工具和工件轴线的位置转换成多轴线机床 (诸如图2的机床)的另一坐标系统。可在前述且共同转让的U.S.6,712,566 或共同转让的美国专利第4,981,402中发现这种类型的转换的实例，其内容 以纳入本文作为参考。
图3示出了用于生产锥齿轮的常规机械托架型锥齿轮滚铣机床160。该机 床通常包括机床框架162、工件支承机构164和托架支承件166，托架支承件 166包括托架机构168。传统上，常规机械托架型锥齿轮滚铣机床通常装有一 系列线性和角刻度(即设定(setting))，这有助于操作员精确地将各机床部 件定位在其正确位置。以下是诸如图3所示机床之类的倾斜装备常规机械托架 型锥齿轮上发现的设定的说明：
·偏心角170控制托架轴线ACR和工具轴线T之间的距离，
·工具心轴旋转角172控制托架轴线和工具轴线之间的角度，通常 称为倾角，
·旋角174控制工具轴线相对于托架188上固定参考系的定向，
·托架角176围绕托架轴线以相同的角度位置定位工具178，
·齿根角180相对于托架轴线定向工件支承件164，
·滑动基数182是调节工具与工件啮合的深度的线性尺寸，
·头部设定184是沿工件轴线W对工件支承件164的线性调节，以 及
·工件偏移量186控制工件轴线相对于托架轴线的偏移量。
最终设定、滚动比控制托架168和工件188之间的相对旋转运动。应当注 意，必须考虑以下工件和工具设计规格来计算以上一些机床设定：
·毛坯工件的安装距离(符号-Md)，
·工件保持装置的总长度(符号-Ab)，以及
·工具的总高度(符号-h)。
发明人已经发现可通过使用单个切削盘(例如图1的刀具2或4中的任意 一个)在如图2所示的多轴线齿轮滚铣机床上生产直齿锥齿轮，与上述现有技 术中所示的一对倾斜互锁切削盘完全不同。单个盘型切削工具相对于工件被定 位，以切削齿槽的第一部分。然后工具和工件相对于彼此重新定位并使用同一 工具切削齿槽的其余部分。
在本发明中，由于常规机械型直齿锥齿轮滚铣机床包括两个斜的刀具轴 线，本发明的切削循环较佳地被分成两次切削循环。起初，进行从常规机械型 直齿锥齿轮滚铣机床的斜刀具之一的机床轴线设定(机械机床“总体参数”) 到被称为“基本”机床(图3)的理论托架型锥齿轮滚铣机床的轴线设定的第 一转换。然后将这种基本设定转换成多轴线机床(如以上U.S.6,712,566或美 国专利第4,981,402中所述)的轴线布置，以切削直齿锥齿轮的齿槽的第一 部分。根据机械机床的另一斜轴线刀具，类似地对多轴线机床进行第二组转换， 以切削直齿锥齿轮的齿槽的其余部分。
使用互锁刀具的过程的直齿锥齿轮切削总体参数包含以下齿轮几何参数 相关设定。第1组的设定最初对于上部和下部刀具来说是相同的，但在机械机 床上接触优化过程中可能发生改变。第2组的设定对于机械机床的上部和下部 刀具来说总是相同。在自由型机床中，为了优化小齿轮或环形齿轮，第1组和 第2组的所有设定都可变化。
第1组
空间角
刀具偏移量
刀具圆锥距离
刀具旋角
第2组
托架测试滚动量(roll)
工件测试滚动量(roll)
开始滚动位置
终止滚动位置
机加工齿根角
滑动基数
为了将刀具正确地定位在机械机床中，需要与工具相关的第3组尺寸：
第3组
实际刀具直径
刀具参考高度
为了将机械机床的大体参数转化成基本设定，还需要第4组机床常数：
第4组
刀具倾角
回转轴线常数
刀具计量参考半径
图4示出了互锁刀具布置的上部刀具从机械直齿锥齿轮滚铣机床的总体 参数项到基本机床设定的转换。参见图4和以下方程，将描述从常规机械型直 齿锥齿轮滚铣机床(上部刀具)到基本锥齿轮滚铣机床的转换。需要对下部刀 具进行模拟求解，这会产生不同的基本设定。在上部位置用自由型机床切削的 每个齿槽(齿面1)的部分是用图4中产生的基本设定进行切削的。在下部位 置用自由形式机床切削的每个齿槽(齿面2)的部分是用由总体参数项的模拟 转换得到的基本设定进行切削的。
工件中心的初始矢量：
${\overrightarrow{R}}_{m1}={\left\{\begin{array}{c}0\\ 0\\ \mathrm{Ac}\end{array}\right\}}_i$ 其中Ac＝刀具圆锥距离。                (1)
加上刀具偏移量：
${\overrightarrow{R}}_{m2}={\overrightarrow{R}}_{m1}+{\left\{\begin{array}{c}{E}_T\\ 0\\ 0\end{array}\right\}}_i$ 其中ET＝刀具偏移量。                  (2)
绕空间角旋转：
${\overrightarrow{R}}_{m3}=\left\{\begin{array}{ccc}\cos \mathrm{\theta s}& 0& \sin \mathrm{\theta s}\\ 0& 1& 0\\ -\sin \mathrm{\theta s}& 0& \cos \mathrm{\theta s}\end{array}\right\}{\overrightarrow{R}}_{m1i}$ 其中θs＝空间角            (3)
加上滑动基数位置：
${\overrightarrow{R}}_{m4}={\overrightarrow{R}}_{m3}+{\left\{\begin{array}{c}0\\ X_b\\ 0\end{array}\right\}}_i$ 其中Xb＝滑动基数           (4)
初始刀具半径矢量：
${\overrightarrow{R}}_{W0}={\left\{\begin{array}{c}0\\ R_{\mathrm{CP}}\\ 0\end{array}\right\}}_i$ 其中Rcp＝刀具半径          (5)
围绕切削倾角旋转：
${\overrightarrow{R}}_{W1}=\left\{\begin{array}{ccc}\cos {\phi }_x& -\sin {\phi }_x& 0\\ \sin {\phi }_x& \cos {\phi }_x& 0\\ 0& 0& 1\end{array}\right\}{\overrightarrow{R}}_{W0}---\left(6\right)$
其中
计算初始刀具位置矢量：
${\overrightarrow{E}}_{X1}={\overrightarrow{R}}_{m4}-{\overrightarrow{R}}_{W1}---\left(7\right)$
围绕空间角旋转：
${\overrightarrow{E}}_{X1}=\left\{\begin{array}{ccc}\cos \mathrm{\theta s}& 0& \sin \mathrm{\theta s}\\ 0& 1& 0\\ -\sin \mathrm{\theta s}& 0& \cos \mathrm{\theta s}\end{array}\right\}{\overrightarrow{E}}_{X1}---\left(8\right)$
从围绕Y轴线的j旋转和围绕X轴线的i旋转得到刀具轴线矩阵：
$\left(T_{K1}\right)=\left\{\begin{array}{ccc}\cos j& 0& \sin j\\ 0& 1& 0\\ -\sin j& 0& \cos j\end{array}\right\}\left\{\begin{array}{ccc}1& 0& 0\\ 0& \mathrm{consi}& -\sin i\\ 0& \sin i& \cos i\end{array}\right\}---\left(9\right)$

j＝旋角＝与上部刀具呈90°(与下部刀具呈-90°)
包括围绕空间角θs的旋转：
$\left(T_{K1}\right)=\left\{\begin{array}{ccc}\cos \mathrm{\theta s}& 0& \sin \mathrm{\theta s}\\ 0& 1& 0\\ -\sin \mathrm{\theta s}& 0& \cos \mathrm{\theta s}\end{array}\right\}\left(T_{K1}\right)---\left(10\right)$
基本设定计算：
径向距离 $S=\sqrt{{\left(E_{X{2}_x}\right)}^2+{\left(E_{{X2}_z}\right)}^2}---\left(11\right)$
中心滚动位置 $q_0=\arctan (E_{{X2}_x}/E_{{X2}_z})---\left(12\right)$
旋角        j＝-q0+arctan[(TK2)1，2/(TK2)3，2)]           (13)
倾角        i＝arccos[(TK2)2，2]                          (14)
机加工齿根角    γm＝γm(机械加工)                       (15)
滚动比 $R_A=\frac{\mathrm{WTSTR}}{\mathrm{CTSTR}}---\left(16\right)$
其中WTSTR＝工件测试滚动量(roll)(作业规范)
CTSTR＝托架测试滚动量(roll)(作业规范)
根据前述U.S.6,712,566或U.S.4,981,402所揭示的方法来完成基本机床 设置到多轴线自由型机床的轴线位置的转换。
较佳的是，切削盘在自由型机床上的安装位置相对于在机械型直齿锥齿轮 滚铣机床上的安装位置是相反的。例如，在图2的自由型机床中，切削盘2(如 图1所示)在工具心轴上的安装位置较佳地翻转180度(即，反向安装)，使 得图1中所示切削盘2的可见顶部被定位成与自由型机床的工具心轴相邻。图 5示出了以这种反向方式90安装切削盘，不再需要在切削盘以与安装到机械机 床心轴上的相同方式92安装到自由型心轴上时所需要的负加工齿根角。很多 机床在关于负齿根角方向行进量方面都受到限制(例如最大负3-4度)，因此 降低或消除对负齿根角的需要是有利的。
图6显示，对于机械机床中的上部刀具，滚铣齿面1的完整渐开线需要在 位置2U和3U之间进行滚铣滚动，在该实例中，该滚铣滚动是40°。要求机 械机床中的下部刀具从位置2L滚动到位置1L，在该实例中，该滚动也是40 °。因此，为了用常规机械机床的一对互锁型刀具完全滚铣图6中的齿面1和 2，要求从位置1L到位置3U进行滚铣滚动，总的滚动范围是80°。
在自由型机床中，对特定的齿面只需要任一刀具滚动(滚铣)经过所要求 的范围。机械机床中的附加滚动会引起底切和切断，这在自由型机床中是可以 避免的。图6中的图表部分示出了滚动范围的不同可能性：
自由型机床：
-下部位置的-40°至0°和上部位置的0°至+40°之间的无缝滚动
-下部和上部滚动范围之间的间隙
-下部和上部滚动范围之间的交叠。
机械机床
-互锁刀具的从-40°至+40°的仅一个滚动范围
图7示出了设置在机械机床中并由基本设定表示的上部刀具的正视图以 及俯视图。第一旋转是围绕所指示坐标系的X-轴线旋转约加工齿根角γm，该 第一旋转将工件轴线与坐标系的Y-轴线对直。第二旋转是围绕Y-轴线旋转直 到刀具轴线矢量水平且不包含X-轴线方向的分量，该第二旋转对于确定角 ΔWZU是有必要的。这是刀具和工件在自由型机床中所具有的相对于当刀具轴 线水平时工件和刀具之间关系的位置。在切削第一(上部)齿面时，这不是很 重要。在切削第二(下部)齿面时，为了得到正确的齿槽宽度以将工件旋转约 -ΔWZU而回到空置位置并然后它必须与图7所示的转动反向地转动约ΔWZL 而回到下部位置，这是很重要的。以上可表示成：
$\left(T_{K3}\right)=\begin{array}{c}\left\{\begin{array}{ccc}1& 0& 0\\ 0& \mathrm{consi}& -\sin i\\ 0& \sin i& \cos i\end{array}\right\}\left(T_{K2}\right)---\left(17\right)\end{array}$
$\Delta {\mathrm{WZ}}_U=\arctan \frac{{\left(T_{K3}\right)}_{\mathrm{1,2}}}{{\left(T_{K3}\right)}_{\mathrm{2,2}}}---\left(18\right)$
其中 $\left\{\begin{array}{c}{\left(T_{K3}\right)}_{\mathrm{1,2}}\\ {\left(T_{K3}\right)}_{\mathrm{2,2}}\\ {\left(T_{K3}\right)}_{\mathrm{3,2}}\end{array}\right\}$ 表示刀具轴线矢量。
ΔWZL是使用机械机床的下部刀具的基本设定刀具轴线矢量模拟计算得到的。
因此，为了在正确位置切削出正确的齿槽宽度而进行的齿面1的上部切削 和齿面2的下部切削之间过渡旋转表达为：
ΔWZ＝ΔWZU+ΔWZL                                        (19)
应当理解，自由型机床中的一个刀具可代表机械机床中的两个刀具。刀具的下 部代表上部刀具，且刀具的上部代表下部刀具。这就是单个刀具在自由形式机 床上(在转化成基本设定并将基本设定转换成自由形式坐标之后)在上部位置 运动时使用机械机床中用于上部刀具的总体参数、而在下部位置运动时使用机 械机床中用于下部刀具的总体参数的原因。同样，通过相位角旋转ΔWZ来形 成正确的工件旋转位置。
在如上所述首先切削上部齿槽时，以防止由刀具刀片的间隙侧进行切削的 方式使工件接近刀具是很重要的。图8显示刀具在开始滚动位置。在开始滚动 位置处的最终插入位置产生进给矢量，从而在尚未啮合的齿面2上留下足够的 材料(stock)，该开始滚动位置附属于刀具的位于中心面宽度处的间隙拐角。 该进给矢量较佳地在平均面宽度处垂直于齿根。
尽管关于切削进行了讨论，但本发明还可应用于磨削，因为它将使用互锁 刀具的方法转换成用单个刀具切削的方法。在磨削机床中，砂轮可修正成复制 切削刃的包络面，因此这能够进行保留相同齿面形式的支持锥齿轮的所限定的 硬精加工。
应当理解，切削步骤的顺序要求并不严格。例如，尽管在以上实例中通过 在顶部位置的第一切削和在底部位置的第二切削形成齿槽，但也可在底部位置 首先切削然后在顶部位置进行最后切削来形成齿槽。或者，可在顶部或底部位 置之一上切削工件上的所有齿槽，然后在顶部或底部位置中的另一位置切削所 有齿槽的其余部分。
本方法使相对于工具重置刀具而进行的加工行进量最小(且因此时间最 短)。参照图2，可以看出重置基本上仅需要在Y方向移动，且移动距离大约 等于工具和工件的直径之和。重置不需要将很大的质量回转一定弧度而到达新 的位置。滚铣齿槽不需要主表面和引导件。此外，由于盘形工具和机床轴线运 动的组合，可产生长度方向的隆起。
本发明还考虑到在单次转化步骤中将机械机床的设定直接转化成自由型 机床的轴线位置。
尽管参照较佳实施例对本发明进行了描述，但应当理解本发明并不限于这 些具体形式。本发明包括对本主题所属领域技术人员显而易见的更改。
本申请要求2005年10月4日提交的美国临时专利申请第60/723,396的权 益，其全部内容以参见的方式纳入本文。