[0001] 本
申请要求保护在2012年11月9日提交的美国临时
专利申请第61/724,531号的权益，该专利申请的全部公开以引用的方式并入到本文中。
技术领域
[0002] 本
发明针对于齿轮制造和特别地用于平面滚齿和平面
铣削的
锥齿轮面刀头。
背景技术
[0003] 锥齿轮和准双曲面齿轮能在单次或间歇转位过程(平面铣削)或者在连续转位过程(面滚)中切削。在展成或摇台平面中的基本切削设置将使刀头中心
定位在如下
位置：该位置以所谓的径向距离的量离开展成齿轮中心(摇台轴线)的位置。刀片的外形表示在刀具旋转时展成齿轮的一个齿。用于锥齿轮切削的常用平面刀具具有若干刀片组，每一组具有一个到四个刀片。最常用的刀具是交替(完成)刀具，每个刀片组具有一个外侧刀片和一个内侧刀片。为了在切削过程中实现所有内侧刀片和所有外侧刀片相等的切屑负荷，所有外侧刀片的切削刃优选地在相同径向位置彼此跟随。而且，所有内侧刀片应在相同径向位置彼此跟随。换言之，一种类型(内侧或外侧)的所有切削刃应在刀具旋转时生成相同锥表面。
[0004] 刀头主体、刀片坯件的制造公差和刀片轮廓磨削的偏差将引入一个刀头中不同刀片的不同切削刃位置。
[0005] 虽然较老的平面刀具系统允许调整径向刀片位置，目前的条形刀片系统没有设置成实现直接径向调整。然而，实现切削刃位置的径向变化的已知技术包括：
[0006] 1.如果条形刀片运动到不同于标称位置的轴向位置，那么，通过近似ΔR＝Δs·tanα，刀具参考平面的半径增加或减小，其中Δs是条形刀片的正或负轴向移动，并且α是刀片
压力角(例如，参看US 5,839,943)。
[0007] 2.如果利用两个夹紧螺钉(上和下)来夹紧条形刀片，那么上或下螺钉的
扭矩增加能使刀片末端略微径向移动，如果条形刀片并非精确地为直的或者如果正常槽壁并不完全是平面的。
[0008] 上述方法1的缺点在于所有轴向移位的刀片的刀片末端将运动离开其共同的末端平面。虽然刀片调整改进了径向切削刃位置，其造成刀片末端的跳动(runout)。刀片末端的跳动将造成刀片的过早的末端磨损。
[0009] 上述方法2的缺点在于刀具需要每个刀片两个夹紧螺钉，并且这两个夹紧螺钉的扭矩必须根据刀片和槽的各个不准确度来进行选择。也可能由于刀片和槽的特定形状，将不发生刀片半径变化、诸如刀片半径增加或刀片半径减小。在这种情况下，不能对这种特定的槽/刀片组合进行调整。方法2是根据可能仅通过耗时的尝试错误循环来控制的一致性。
发明内容
[0010] 本发明针对于用于平面滚齿和平面铣削的锥齿轮制造面刀头，其中，刀头包括正刀片承座，并且能在刀片预夹紧和轴向定位之后将刀片紧紧地夹紧到正承座表面上并且径向调整条形刀片。
[0011] 本发明的刀头总体上是盘形并且能绕刀片轴线旋转。刀头包括：第一侧和第二侧；布置于刀头中的一个或多个
切削刀片定位槽，其中刀片定位槽中的每一个在第一侧与第二侧之间延伸。刀片定位槽分别具有在第一侧与和第二侧之间延伸的至少一个刀片承座表面，刀片承座表面具有
修改的形状并且从第一侧延伸到第二侧，其中修改的形状偏离于从第一侧延伸到第二侧的连续直线形表面的形状。
[0012] 优选地，修改形状的承座表面包括第一部分和第二部分，第一部分从第一侧或第二侧之一延伸到第一侧与第二侧之间的预定位置，第一部分具有第一形状，第二部分从预定位置延伸到第一侧或第二侧中的另一个，第二部分具有使得第一部分的形状和第二部分的形状一起不构成从第一侧延伸到第二侧的连续直线(始终相同的斜率)的形状。第一部分优选地是直的并且第二部分优选地是弯曲的。
附图说明
[0013] 图1示出了用于条形刀片的刀头槽的多个不同承座表面修改。
[0014] 图2(a)示出了带条形刀片的刀头的截面图，条形刀片利用夹紧
块和两个夹紧螺钉连接到刀头，其中仅上夹紧螺钉处于扭矩下。
[0015] 图2(b)示出了与图2(a)的相同截面，其中下夹紧螺钉具有比上夹紧螺钉更高的扭矩。
[0016] 图3示出了在刀头槽中具有五边形截面和正承座的切削刀片的三维视图。两个刀片承座表面的下部段被修改。
[0017] 图4示出了在刀头槽中具有五边形截面的切削刀片的二维顶视图。虚线指示在承座表面的下(看不到)部段中两个承座表面的修改。
[0018] 图5示出了在刀头槽中具有五边形截面的切削刀片的二维顶视图。虚线指示相对于承座表面的下(未图示)部段中定向的切削圆更接近切向的承座表面的修改。
[0019] 图6示出了在刀头槽中具有五边形截面和正承座的切削刀片的三维图。相对于切削圆更接近切向定向的承座表面的下部段被修改。
[0020] 图7示出了在刀头槽中带有五边形截面和正承座的切削刀片的三维视图。相对于切削圆更接近切向定向的承座表面的下部段被修改。P是轴线并且 是用于刀片调整的刀片旋转方向。VPT是是刀片调整之前的枢轴-末端-距离的向量，并且VPT*是调整之后的枢轴-末端-距离的向量。
[0021] 图8示出了夹紧块-刀片-承座表面布置的截面图，但作为在图2(b)中修改的刀片承座表面的替代，其示出了枢转块，枢转块具有在其右侧上的刀片承座表面和在左侧上的枢轴布置(朝向刀具中心)。
[0022] 图9是图8的刀头的一部段的顶视图，示出了带有切削刀片的三个刀片槽。
[0023] 图10示出了夹紧块和刀片-承座表面结构的截面图，但作为在图2(b)中修改的刀片承座表面的替代，其示出了枢转块，枢转块具有顺应元件来代替机械枢轴线。这个元件使用
钢的线性弹性，以便允许承座表面枢转。刀片承座表面在其右侧并且枢转结构在左侧(朝向刀具中心)。
[0024] 图11是图10的刀头的一部段的俯视图，示出了带有切削刀片的三个刀片槽。
具体实施方式
[0025] 在本
说明书中使用用语“发明”、“该发明”和“本发明”意图广义地指此说明书和所附任何
权利要求的主题。包含这些用语的表述不应理解为限制本文所述的主题或者限制所附的专利权利要求的意义或范围。而且，本说明书并非意图在本申请的任何特定部分、段落、叙述或附图中描述或限制由任何权利要求所涵盖的主题。应参考整个说明书、所有附图和任何权利要求来理解本主题。本发明能有其它构造且能以各种方式来实践或执行。而且，应了解本文所用的短语和术语是出于描述目的且不应认为具限制意义。
[0026] 现将参考附图来讨论本发明的细节，附图仅以举例说明的方式示出了本发明。在附图中，相似特征或部件将由相似附图标记来标注。
[0027] 在本文中使用“包括”、“具有”和“包含”和其变型意谓涵盖之后列出的项目和其等效物以及额外物品。使用字母来识别方法或过程的要素只是为了标识并且并非意图表示这些要素要按照特定次序来执行。
[0028] 尽管在下文中附图描述中提及方向，诸如上部、下部、向上、向下、向后、底部、顶部、前部、后部等，这些只是为了方便起见相对于附图(在正常查看时)做出。这些方向不应从字面来理解或者以任何形式来限制本发明。此外，在本文中使用术语诸如“第一”、“第二”、“第三”等是出于描述目的并且并无表示或暗示重要性或显著性的意图，除非这样规定。
[0029] 本发明针对于带有一个或多个切削刀片的锥齿轮刀头的发展，切削刀片能以确定的方式进行径向调整，不具有或具有最小的
副作用。这些副作用可能是刀片末端高度变化、刀片偏移变化、在空间中围绕所有三个轴线(X,Y,Z)的刀片旋转和/或刀片承座
刚度损失。
[0030] 可以利用如下修改来将刀片承座表面从其直(平面)初始形状修改，这些修改包括：凹部、下(上)部段中的斜坡、桶形状、在下(或上)部段中的弯曲凹部、在下(或上)部段中的直上升形状、直下降和上升形状、在下(或上)截面中的弯曲上升形状、凹入形状或更高阶修改，如图1所示。
[0031] 图1示出了用于条或杆型切削刀片的刀头2中的切削刀片定位槽中的承座表面4的不同修改的示例。直承座表面是
现有技术，而本发明提供具有如下形状的承座表面，这些形状与在刀头的相对各侧之间、连续的平直承座表面的直线形状不同(例如，比较图1的“平直”形状和“下曲线”形状)。下凹部、下斜坡、下曲线、直上升和弯曲上升是能在更靠近切削刃伸出的承座表面的上部区域中做出的修改。初始承座优选地由直部分而不是承座表面的修改部分提供。位于凹陷区域中的夹紧螺钉的扭矩增加将导致刀片倾斜(和某些刀片弯曲)，这将改变刀片末端的径向位置。直下降和上升在虚线处具有其低点，这也可反过来，以在虚点线处具有高点。如果螺钉存在于虚线处并且使刀片弹性
变形，则直下降和上升以及凹入和更高阶修改允许径向刀片末端移动。
[0032] 图2(a)和图2(b)示出了参考刀头2的本发明的刀片调整原理，刀头2具有顶表面3、底表面或背表面5并且可绕刀具轴线A旋转，并且具有刀具半径R。具有修改的承座表面的刀片定位槽被示出在顶表面3与底表面5之间延伸。条形刀片8利用夹紧块6压靠到修改的承座表面上(例如，图1的“下曲线”)，其中，没有来自下螺钉12的扭矩(图2a)，以及来自下螺钉12的扭矩比来自上螺钉10的扭矩更高(图2b)。如果由于上夹紧螺钉的弹性而使上螺钉10的刀片夹紧力可以保持恒定或接近恒定，则下螺钉12的夹紧扭矩可以增加以便通过使切削刀片8在修改的承座表面上以顺
时针方向上有效地滚动而使切削刀片8摆动。上夹紧螺钉结构中的弹性可防止在顶部段中夹紧力明显增加、并且发生刀片滚动而不是刀片偏转。如果上夹紧螺钉10并不具有足够弹性，发生刀片弯曲和刀片滚动的组合，这仍将允许对切削刀片8进行径向调整。在两种情况下，在刀片与承座表面之间的间隙14从底部段(图2a)转移到顶部段(图2b)。如果图示的承座表面垂直于夹紧螺钉的轴向方向，那么，将导致夹紧刚度减小。
[0033] 取决于夹紧螺钉或压力点的数量(例如，一个、两个或三个)，可以根据夹具设置(参看图2b)的扭矩而实现刀片末端在径向方向R上的运动ΔR。一种副作用是切削刃压力角度改变了 。第二个副作用是在刀片与承座表面的上部段或下部段中的槽之间的间隙14，这可能会减小刀片承座刚度。
[0034] 本发明的刀头设计优选地适应具有五边形刀片截面类型的条形刀片系统。图3示出了在本发明的刀片槽中具有五边形截面(例如在US 5,890,846或US 6,120,217中所公开的类型)和正承座(seating，接合、承接)的切削刀片的三维视图。刀头槽的每个刀片承座表面16、18的下部段被修改成具有相应的弯曲凹部20、22。如果修改承座表面的下部，例如具有一定拱起(crowning)，然后能使用由下夹紧螺钉形成的力来使刀片旋转，从而径向调整刀片末端的位置。扭矩T1夹紧条形刀片8抵靠于承座表面16、18的平坦上部，而扭矩T2使刀片在顺时针方向上滚动，这将使刀片末端在正Z方向上移动。刀片旋转使间隙从底凹部移动到顶部段，而这减小了刀片承座刚度。
[0035] 图4示出了在刀头槽中具有五边形截面的刀片的二维顶视图。虚线指示在承座表面的下(看不到的)部段中的两个承座表面16、18的修改20、22。在此视图中，两个夹紧螺钉10、12位于彼此之上。切削刀片8在顶部紧贴在承座表面16、18上，因为尚未施加在下夹紧螺钉12上的扭矩。
[0036] 本发明者发现关于具有五边形切削刀片安装槽和如图所示不对称定向的多个承座表面(例如图4和图5中的表面16、18)的刀头，相对于刀具半径R更接近垂直定向的承座表面是将根据本发明修改的优选的承座表面，以允许有效的刀片运动。例如，在图4和图5中，承座表面16比承座表面18更接近垂直于半径R。因此，优选地修改承座表面16。示出了承座表面16的下部段已被修改，并且向下夹紧螺钉12施加扭矩(F2)，以由于夹紧力分量F2a实现切削刀片8末端的位置的径向调整，该夹紧力分量被引导到修改的和“更接近垂直定向的”承座表面16。分量F2a使下刀片部分移动到修改的凹陷区域20内，而力分量F2b确保了在切削刀片8与“不更不垂直定向的”承座表面18之间的恒定
接触。
[0037] 在图4和图5所示的
实施例中，将不修改“更不垂直定向的承座表面18”。夹紧螺钉力分量F2b同时将刀片充分压在更陡的承座表面上。在承座表面18上的力将防止切削刀片和刀头的表面分离。而且，大部分切削力抵靠于承座表面18定向，这将导致具有良好承座刚性的良好夹紧的刀片8。
[0038] 图6示出了在刀头槽中具有五边形截面和正承座的三维视图。仅修改了相对于刀具半径R更接近垂直定向的承座表面的下部段。夹紧力具有到两个承座表面上的分量。如果下夹紧螺钉12上的扭矩增加，那么刀片8仍保持与“不太垂直定向的”承座表面18接触，并且沿这个表面滑动到凹陷区域20内。由于经由夹紧螺钉12的增加的夹紧，在凹陷的承座表面16底部处的间隙将减小，并且在同一承座表面的顶部处形成间隙(参看例如在图2a和图2b中的14)。
[0039] 由于“更不垂直定向的”承座表面18不能与切削刀片8分开，力分量F2a(图5)使切削刀片的下部运动到“更垂直定向的”承座表面16的凹部20内(图6)，并且刀片将围绕
水平轴线“P”旋转(图7)，该水平轴线与更不垂直定向的承座表面18
正交。这种结构是本发明的刀头槽设计的一个优选实施例。
[0040] 图7示出了在刀头2的切削刀片槽中具有五边形截面和正承座(表面16、18)的刀片的三维视图。修改相对于刀具半径R更接近垂直定向的承座表面16的下部段。P是轴线，是用于刀片调整的刀片旋转方向。VPT是刀片调整之前的枢轴-末端-距离，VPT*是调整之后的枢轴-末端-距离。调整将刀片在ΔZ方向上移动，这是刀片末端位置的所希望的径向变化。由于切削刀片8的可旋转的滑动，也发生在X方向上的伴随的变化和在Y方向上的变化。虽然X和Y位置变化将通常被认为是不合需要的，发明者确定了这种变化较小并且对于切削过程所形成的齿几何形状具有可忽略的影响。本发明的刀片调整的额外副作用是与刀片旋转(或滚动)角度 大体上相同量值的、切削刃的角变化。然而，0.010mm的径向刀片调整量仅以约1角分改变有效切削刃压力角。这种刀片与刀片之间的变化对于切削性能和所产生的齿侧部几何形状而言是可忽略的。
[0041] 作为示例，使用图7中示出的具有切削刀片和槽的
坐标系做出由于调整造成的刀片末端移动的数学描述。水平旋
转轴线P垂直于该更不垂直定向的承座表面。为了实现围绕P的旋转，P的方向与图7中的坐标系的X轴线对齐，这需要围绕Y轴线、在P方向与X轴线之间的角度量的一次旋转。在五边形条形刀片中，这个角度是-γ(其通常为-30°)。然后，选择围绕X轴线以较大但现实的旋转 (取决于承座表面的修改量值)进行旋转，例如0.08°。在这种旋转之后，转动回到原始方向P，这需要围绕Y轴线旋转30°(γ)。
[0042] 绕Y轴线-γ的旋转矩阵为：
[0043]
[0044] 绕X轴线 的刀片调整旋转为：
[0045]
[0046] 绕Y轴线γ的返回旋转矩阵为：
[0047]
[0048] 其中
[0049] γ＝30°
[0050]
[0051] 用于中间
节距刀片的初始枢轴-末端-距离向量为：
[0052]
[0053] 以从左向右旋转次序的旋转矩阵乘法得到矩阵(ROT)，其包含所有三个旋转：
[0054] (ROT)＝(+GAMA)x(+PHI)x(-GAMA)
[0055] 枢轴-末端-距离向量与矩阵(ROT)乘法将考虑枢轴-末端-向量围绕水平轴线P的精确旋转：
[0056]
[0057] 向量-矩阵乘法的结果在下文中以其一般形式示出：
[0058]
[0059] 如果VPT的向量分量和角度γ和 代入到上述三个分量公式中，那么可以获得调整后枢轴-末端-距离向量的结果。
[0060]
[0061] 从调整后枢轴-末端-距离向量减去调整前枢轴-末端-距离得到由于调整造成的刀片末端位置的分量：
[0062] ΔX＝VPTX＊-VPTX＝0.002mm
[0063] ΔY＝VPTY＊-VPTY＝-0.009mm
[0064] ΔZ＝VPTX＊-VPTZ＝0.039mm
[0065] 可以利用下式来计算刀片压力角变化：
[0066]
[0067] Δα＝0.07°
[0068] 图6中的坐标系的Y轴线被选择为平行于刀具
旋转轴线和Z轴线向左的延伸(负方向与刀具旋转轴线相交)。理论刀片前部在由Y轴线和Z轴线限定的平面中定向。尽管在实际刀头中条形刀片通常以其长度方向相对于Y轴线倾斜并且以其理论前表面相对于Z轴线偏移，但调整的主要功能将不改变，并且所得到的刀片末端位置和角度变化将造成仅1％(single percent)的差异。
[0069] 应了解使用在每个刀片上具有内侧切削刃和外侧切削刃的刀片系统需要特殊类型的径向刀片调整。如果刀片末端半径增加，那么这种刀片的两个切削刃均运动到更大半径。然而，用于可调整的刀片半径的本发明特别适合找到一个刀片的两个切削刃的径向位置的最佳折中并且实现它们。
[0070] 还应了解本发明的方法的优选实施例将仅增加刀片末端半径而不是减小它。刀头可能需要减小或增加刀片末端半径以便将它们调整到参考刀片。由于参考刀片通常任意选择(例如，在标记为“1”的槽中的刀片为参考外侧刀片，而在标记为“2”的槽中的刀片为参考内侧刀片)，能选择具有最大半径的外侧刀片和内侧刀片作为参考刀片。利用这种过程，总是能通过朝向相应的参考刀片的半径来调整末端的位置来改进一种类型的(内侧或外侧)的所有刀片。在理论正确刀具半径与任意选择的参考刀片的有效半径之间的半径变化在大部分情况下低于0.002mm，并且对于
机械加工的齿表面就没有可测得的影响。
[0071] 参考修改的承座表面，凹部或修改深度的量值可以是根据切削工具参数和切削过程参数的任何量。然而，优选范围在0.010mm与0.050mm之间。凹部或修改区域的高度优选地为夹紧长度的约50％至约75％。本发明的刀头设计适用于具有夹紧块或无夹紧块的工具系统。
[0072] 在替代实施例中，图8示出了夹紧块-刀片-承座表面结构的截面图，该结构包括枢转或回转块24，其在右侧上具有刀片承座表面，并且在左侧上具有枢转结构(朝向刀具中心)。可以利用枢转销26或者仅通过枢转表面28、30的弯曲配合来实现枢转中心。在刀片处于槽中后，上夹紧螺钉10被拧紧到规定扭矩。然后将下夹紧螺钉拧紧到相同扭矩。在径向刀片位置测量之后，上螺钉被转出一定量，诸如5°(螺钉旋转)。然后，将下螺钉转入相同量，例如5°。取决于
螺纹的导程，这将使刀片末端径向向外移出例如约0.039mm。
[0073] 图9示出了图8的刀头的一部段的俯视图，其具有三个刀片槽和切削刀片8。可以看到位于承座表面左侧的回转块24。
[0074] 在另一实施例中，图10示出了夹紧块-刀片-承座表面结构的截面图，该结构包括枢转块32，枢转块32具有顺应(compliance，柔顺)元件、而不是图9中的机械枢轴线。这种元件使用刀头材料(例如，钢)的线性弹性来允许承座表面枢转。刀片承座表面位于枢转块32右侧，而枢转结构位于左侧上(朝向刀具中心)。在这个附图中，由在上顺应槽36与下顺应槽38之间的肋状物34实现了枢转中心。顺应槽被定向成它们有利于“更接近垂直定向的”承座表面(参看图4和图5)。在刀片8处于槽中后，两个夹紧螺钉10、12被拧紧到规定扭矩。在径向刀片位置调整之后，上螺钉10可以转出一定量，例如5°(逆时针螺钉旋转)。然后，下螺钉12可以沿顺时针方向以相同量例如5°转入。取决于螺钉螺纹的导程，这将使刀片末端沿径向以例如约0.039mm向外运动。
[0075] 图11示出了图10的刀头2的一部段的顶视图，其具有三个刀片槽和切削刀片。仅通过位于承座表面左边的间隙或槽36可看到顺应元件。型式1(在42示出)向“更接近垂直定向的”承座表面提供良好的可控制的
顺应性(通过设计参数)。在顺应槽与承座表面之间的虚线连接40表示(例如通过线EDM)制造的可选的窄槽，其确保了在刀片调整过程中充分的转动旋转(图10中的旋转箭头)。型式2(以44示出)提供了在两个承座表面下方的总体顺应性。型式3(以46示出)向两个承座表面提供了良好的可控制的顺应性(通过设计参数)。优选地，顺应槽36、44、46的宽度总体上等于一个或两个刀片承座表面的宽度，并且可平行于一个(42)或两个(46)刀片承座表面或者垂直于刀具半径(44)定位。
[0076] 材料连接肋状物34的位置形成枢转轴线。枢转轴线的位置和调整原理类似于关于图2、图3、图5、图6和图7所解释的原理。带有顺应修改的承座表面的主要差别在于在“更接近垂直定向的”承座表面与切削刀片之间不发生分离并且能实现在两个方向(到较大半径以及到较小半径)上的刀片调整。以42示出的结构使用顺应槽取向，这仅影响“更接近垂直定向的”承座表面。可以利用肋状物厚度和在顺应间隙36与“更接近垂直定向的”承座表面之间的可选的薄连接40(在图11中的虚线)来控制顺应量。为了控制调整，顺应槽可以类似于图8和图9的枢转块定向(以影响两个承座表面)，如在图11中以44示出。在图11中以46示出了顺应槽设计的另一可能性。
[0077] 虽然参考优选实施例描述了本发明，应了解本发明并不限于其特定细节。本发明预期包括对于主题所属的领域中技术人员而言显然的修改。
