用于切削具有不对称齿的齿轮的旋转机械刀具和方法

摘要

一种用于在齿轮中切削不对称齿的旋转切削刀具，其中，每个齿(21)具有有效齿面(A)和次凹形齿面(S)，该有效齿面具有的凸形轮廓与该齿轮啮合的对立齿轮的齿的轮廓啮合，该旋转切削刀具配备有总体上螺旋路径上的齿部(11)，该齿部相对于刀具的中截面(M‑M)从一侧到另一侧延伸，该中截面旨在与该齿轮的半径Rp相交，该半径与在齿轮上工作以切削其齿的刀具的旋转轴线成直角。螺旋齿部具有旨在切削齿轮齿的所述有效齿面(A)的第一齿面(CA)和旨在切削次齿面(S)的第二齿面(CS)，在螺旋齿部的第一齿面(CA)之间的节距(P1)恒定，并且齿部的第二齿面的节距(P2)小于节距(P1)。

说明书

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本申请要求于2015年10月15日提交的标题为“用于切削具有不对称齿的齿轮的旋转机械刀具和方法”的意大利专利申请号102015000062209的权益，以上专利申请通过引用以其全部内容结合于此。

本发明涉及齿轮的制造、并且具体地涉及一种用于切削具有不对称齿的齿轮的旋转机械刀具和方法。

对于特定的应用，使用具有强不对称齿的齿轮是有利的，通常这种应用可以用于液压齿轮泵。

在这种类型的齿轮中，每个齿具有通常负责抵靠在啮合齿轮的齿上的凸形(有效)齿面和用于与啮合在一起的齿轮同步旋转的“次”齿面。

齿轮的齿的有效齿面与对立齿轮的有效齿面以传统对称齿通过共轭表面之间的接触而啮合的方式一起作用。

当齿轮用于液压泵时，这个旋转方向对应于泵送加压液体时所需的方向。

因此，所描述的有效齿面的啮合是对于齿轮的被视为“正常”的特定旋转方向发生的，其中该旋转方向是在使用该齿轮的装置的运行状态下的旋转方向。

在这些不对称齿的典型实施例中，已经令人惊讶地论证出有利的功能特性。每个齿具有对应于其有效齿面的凸形构型和对应于其次齿面的凹形构型。

这种类型的齿轮例如已经在专利申请WO2014/199202A1中进行了展示。

这种类型的齿不能使用被称为滚齿机的传统切削机器来进行切削。这种机器在本领域中是众所周知的，并且例如，这种机器将使用所谓的“普发特(Pfauter)系统”的切削方法和相关技术。

另一方面，使用这种系统进行操作的滚齿机在制造的生产率和简单性方面是有利的，并且在这方面比其他已知的替代技术更令人满意。

然而，如果齿中必须切削成具有明显的不对称(其中齿的次齿面是凹形的)，则本领域技术人员难以使用已知的旋转切削刀具技术。在这些情况下，在连续的齿之间形成的空间中产生一种类型的底切，特别是如果这个特性与特别高的刀具高度(有时甚至多于法向模数的4倍)组合，则这种组合导致在完整的切削过程中被切削刀具的一个区段切削的齿的那一部分随后被该切削刀具的另一区段切削并去除。

令人惊奇的是，已经发现能够获得不对称齿，其中每个齿是借助于使用旋转切削刀具的滚齿机来切削的，因为该旋转切削刀具具有不对称构型，提供了：第一凸形有效齿面，该第一凸形有效齿面基本上与啮合齿轮中的具有相同构型的齿的轮廓共轭；以及第二齿面，该第二齿面在其至少一部分上具有凹形轮廓。

因此，本发明的目的是提供通过高生产率的切削方法借助于旋转刀具在如上所述的齿轮上切削齿的解决方案，而同时指明通过使用标准生产机床、使用低复杂性和成本的生产技术可以实现的旋转刀具构型。

根据本发明，该问题是通过使用如权利要求1所限定的旋转切削刀具来解决的。

本发明还涉及一种使用根据权利要求1所述的切削刀具切削具有不对称轮廓的齿的齿轮的方法。

为了可以更容易地理解本发明，现在将参照附图，通过仅举例的方式来描述本发明的实施例：

-图1示出了与齿轮相关联的切削刀具的总体示意图，该齿轮中的齿正由切削刀具切削；

-图2是与正在切削的齿相关联的切削刀具的部分截面视图；

-图3是部分截面中的切削刀具的图解说明；

-图4示出了由a)至f)指明的、与图3中的视图类似的六个示意图，其按顺序展示了在切削被切削的齿轮中的齿时刀具如何操作，

-图5展示了以下情况，其中根据用于切削对称齿的已知技术制造的正常切削刀具的齿可以穿入齿轮的两个齿之间的空间、与两个连续齿的侧面相接触，

-图6以示意图展示了与图中类似的情况，示出了根据适用于产生对称齿的已知技术的切削刀具如何与具有本发明旨在生产的不对称齿的齿轮的齿干涉，从而去除材料。

如图1和图2所展示，不对称齿可以由根据本发明的切削刀具(总体上用10指示)切削，该切削刀具配备有切削齿，这些切削齿是根据借助于以旋转切削刀具为特征的滚齿机在齿轮中切削齿的技术中的常规原理来沿着螺旋卷绕延展的。为了清楚起见，在图中，由11指示的螺旋齿被示出为是连续的，而实际上这些螺旋齿将被形成切削刃的齿槽中断，从而有效地引起在切削过程中从齿轮20去除材料以便形成啮合齿。因此，图中所展示的切削刀具的螺旋卷绕必须更具体地理解为是刀具的所有切削齿的轮廓。

由切削刀具10形成的齿轮20中的每个齿21具有有效齿面A，该有效齿面起作用来将推力正常地传递到相同齿轮(未示出)中的相同构型的齿上，从而当该齿轮在使用其的装置中运行时使齿轮啮合。例如，该机器运行作为用于在齿轮泵中传送加压流体的设备。

齿21的另一齿面在此被限定为次齿面并由S指示，并且该次齿面除了在靠近其尖端的终端部分之外具有整体凹形的形状，该终端部分(一小段距离)具有凸形形状以提供在凹形齿面与有效齿面之间的连接，从而限定具有明确限定厚度的齿的尖端。

文献WO2014/199202A1中更详细地展示了通过举例和根据本发明在此考虑的齿轮的特性，其说明必须被认为是形成本说明书的一部分。

齿21的这种具体形状使得不可能使用具有传统构型的旨在切削传统齿轮中具有对称或几乎对称的齿面的齿的切削刀具，其中这两个齿面具有基本上凸形的轮廓，并且齿的高度为法向模数的2至3倍的量级。

在用于产生对称齿轮齿的这些已知切削刀具中，切削刀具的齿可以进入齿轮的两个连续齿之间的空间，当这两个齿之间的这种空间处于由齿轮的半径限定的位置中时，该切削刀具的齿与该齿轮的齿的齿面相接触，该齿轮的半径与切削刀具的轴线垂直相交；参见，例如图5。

另一方面，在具有必须根据本发明制造的不对称齿的齿轮中，齿的次齿面是凹形的，并且因此在连续齿之间的空间相对于齿轮的半径形成底切，其方式为使得具有传统构型的旋转切削刀具的齿不能从那个空间径向抽出，因为其抽出将导致去除齿的有用材料；这种效果在图6中被图解展示。

除此之外，具有恒定构型的切削齿的传统切削刀具的齿如果要恒定地具有切削次齿面所需的高度，则将从齿轮齿的有效齿面去除材料。

与根据本领域技术人员的常规知识的明显不可能性相比而言，通过创建如图所示来配置的切削刀具，可以达成解决切削具有凹形次齿面的不对称齿的齿轮的周边的难题。

切削刀具10在齿轮上操作以切削以下齿轮区域中的齿，该区域被限定在延伸穿过齿轮半径(这里通常指示为Rp)的两侧的弧之间，该齿轮半径垂直于切削刀具的纵向轴线。在本说明中，半径Rp所在的切削刀具的横截面将被指示为是切削刀具的“中截面”M-M，应理解的是，该截面位于螺旋齿的末端之间的中间位置、但不一定距这些末端有相等距离。

因此，切削刀具沿着位于半径Ri和出口弧Ru之间的入口弧操作，如图3所示。

在本说明中，当切削刀具和正被切削的齿轮具有如图所示的旋转方向时，切削刀具开始从齿轮去除材料的区域通常被称为“入口”，并且切削完成的齿与切削刀具结束接触的区域通常被限定为“出口”。

切削刀具的特征为其路径的至少一个区域中的渐缩路线，该路线作用在与Rp相交之前的、位于Ri与Rp之间的齿轮的弧上。切削刀具替代地具有大致圆柱形的路径，该路径作用在与Rp相交之后的、位于Rp与Ru之间的齿轮的弧上。

切削刀具的径向尺寸被理解为是对应于包络切削刀具本身的齿末端的表面的尺寸，在图中用虚线I-I指示。

切削刀具的渐缩部分不一定必须完全并唯一地占据螺旋齿从其中截面M-M到其末端的区域，并且线I/I中的这两个会聚段以角度α会聚所在的点可以不与虚线I-I和半径Rp的交点完全重合。

切削刀具的齿具有旨在从齿轮20去除材料以产生齿21的有效齿面的齿面CA、以及旨在去除材料以形成齿轮的齿21的次齿面S的齿面CS。

齿的齿面CA和CS具有不同的构型。

图3示出了位于切削刀具的对应径向区段上的切削刀具10的齿的、从1至5编号的五个连续的截面，应理解的是，切削刀具的齿沿着螺旋卷绕延展、由形成切削刃的轴向齿槽中断，如在这种类型的切削刀具中已知的那样。还要指出的是，由图3所展示的切削刀具的径向截面所指明的齿数不应被视为是对于根据本发明并在此通过举例方式描述的切削刀具而言应认作固定的参数——任何截面中的齿数可以小于或大于图3的截面中所示的齿数，这取决于必须生产的齿轮传动的类型和尺寸，并且还取决于与优化齿轮切削过程相关联的考虑因素的基础。

如将从图中看出的，尽管考虑了齿的可变高度，但是切削刀具10的齿11的齿面CA的形状在齿的各个不同截面1-5中保持恒定。实际上，齿面CA旨在去除材料以产生齿轮的齿的有效齿面A，该有效齿面也具有对称形状的齿的典型共轭轮廓、并且旨在根据特定于齿轮齿的共轭轮廓的动态函数来抵靠相同齿轮的对应齿面。

如图3中由P1所指示的，切削刀具的齿中的齿面CA之间的节距是恒定的。除此之外，齿的各个不同截面1-5的齿面CS之间的节距P2沿着切削刀具的所有螺旋卷绕相反不是恒定的。此外，齿11的螺纹中的齿面CS之间的节距P2必须大于齿面CA之间的节距P1。如前所限定的，节距P1和P2的大小的这种差别明显地确定了从“入口”到“出口”区域的切削齿的厚度的逐渐增加。

参照各个不同截面1-5，这种节距在图3中被指示为P2.1、P2.2......等等。节距P2.1必须小于P2.2，并且节距P2.3、P2.4不应大于P2.2。

齿11在切削刀具的对应于截面3、4和5(其在半径Ri与Rp之间的齿轮的弧中操作)的螺旋卷绕中的高度必须小于齿11在对应于截面1(其在半径Ru与Rp之间的齿轮的弧中操作)的最后卷绕中的高度。

除此之外，切削齿的对应于截面1和2(其沿着已经穿过由半径Rp指明的位置的齿轮的弧作用)的高度是基本上恒定的，而由3、4和5指示的截面中的切削齿的高度是明显变化的。

对在与沿切削刀具齿的渐缩路径中的尖端相切的线段I-I的角度α(影响由图3中的3、4和5指示的齿的截面)进行选择，其方式为使得入口中的切削刀具的齿(特别是截面4和5)不引起包括过薄尖端区域的构型。

在通常被限定为切削刀具的入口的区域中的齿和随后的齿的这种较小的高度(确定了切削刀具的纵向部分上的渐缩构型)是由于以下事实：齿轮的角节距小于将表征具有啮合轮廓A的对称齿的齿轮的角节距，如在本申请人名下提到的申请WO2014/199202A1中所展示的。齿轮20的较小角节距减小了在连续齿之间的空间尺寸，并且这种效果通过次轮廓S的凹形构型而加重，这意味着减小了开始从齿轮20去除材料之处的齿11的截面的高度，考虑到在这里给出的实施例的说明中假定的切削刀具和齿轮的旋转方向。

然而，本领域技术人员将理解，齿轮切削可以如上所展示地、或替代性地通过反转切削刀具和齿轮的旋转方向来进行。相应地，被限定为切削刀具操作以在齿轮中产生齿的弧的“入口”和“出口”的区域将被倒置。在这两种情况下，作用在半径Rp与Ri之间的区域中的齿轮上的切削刀具的螺旋卷绕的渐缩构型将防止齿轮切削过程中齿轮的齿被破坏。

很明显，只有当切削刀具的齿的中截面相对于齿轮的半径Rp处于明确限定的位置中时才能发生正确的产生。

根据以上展示的可以看出，根据本发明的切削刀具配备有通过螺旋卷绕延展的齿，这些齿具有不对称的齿面和沿轴线变化的形状，其中：

-与在已知技术中的情况相比而言，齿在切削的周边区域处具有最大截面(在该实施例中被限定为“出口”)，根据这种情况，在中心位置中具有至少一个完整齿的切削刀具的齿的整个截面与齿轮的中心对齐，该截面对应于半径Rp；

-至少在有限数量的卷绕中存在具有逐渐增加厚度的齿的截面，该特征是通过增大与主节距P1相比的次齿面CS的节距P2来实现的(P2＞P1)；

-切削刀具的螺旋齿11在其纵向部分上具有基本上圆柱形的包络线、而在其另一纵向部分上具有渐缩包络线。

根据本发明的切削刀具的齿的几何形状、以及其与用于切削齿轮齿的传统刀具的齿的几何形状的深刻差异可以通过考虑它们的基圆节距来进一步指明。

如已知的那样，基圆节距是在沿作用路径测量的连续齿的对应轮廓之间的距离。

在传统的对称齿中，基圆节距Pb具有值Pb＝P cosβ，其中β指示相对于原始圆周的切线的作用线的倾斜角。因此，基圆节距Pb通常小于横向节距P。

在根据本发明的刀具的齿中，如图3所展示的，在旨在切削齿轮的次齿面的齿面CS之间的基圆节距Pb不小于相反齿面CA的横向节距。

具体地，在齿的齿面CA之间的横向节距P1基本上小于在齿面CS之间的基圆节距Pb2.1、Pb2.2......根据申请人进行的实验，已经证明有利的是，在基圆节距与横向节距之间的比率被传统地选择为大于1、尤其在1.02至1.05之间。

通常，刀具的齿的齿面CS之间的基圆节距优选大于所有齿的基圆节距、总是相对于切削刀具的齿的基准线进行测量，其可以被视为靠近相对于齿的高度的中心位置。

在图4中更好地展示了图1和图3中所展示的切削刀具的操作方式，该图示出了可以使用以上描述的旋转切削刀具进行的切削过程中的六个连续阶段。这些阶段被指明为b、c、d和f，始终通过非限制性距离的方式考虑如上所描述的齿轮和切削刀具的旋转方向。

从图中清楚地看出，齿轮20的齿的有效或主齿面A如何由切削齿的齿面CA有效地产生，而次轮廓S的很大部分是通过利用各种逐渐去除材料的切削干涉获得的，在切削刀具的设计中通常避免这种现象。由此可见，切削刀具的次齿面严格意义上不能被限定为与齿轮的次轮廓S共轭。

因此应该更清楚地注意到，切削刀具的齿的厚度的逐渐增加是如何逐渐减小了齿面CS之间的节距，同时考虑到齿面CA之间的节距保持恒定。齿的厚度的这种增加使得切削刀具的齿能够当齿轮的齿21经过与半径Rp对齐的位置并且齿轮的齿开始远离切削刀具的齿之间的空间时，从齿轮的必须采用凹形齿面S的构型的一侧的齿上去除材料。

从图4a至图4f将注意到，利用所提出的切削刀具构型和相对于半径Rp的齿的特定构型，切削刀具的齿的齿面CS与齿轮的齿的齿面S之间的接触和切削区域具有非常接近平行于Rp的取向。这使得可以从齿轮上拔出齿而不会产生干涉(尽管齿面S为凹形构型)，因此实现了预期的目的。

应该理解的是，鉴于切削刀具的齿的形状沿着螺旋路径连续变化的事实，切削刀具的轴向位置保持固定并且相对于被切削的齿轮的轴线被限定。