精加工锥齿轮以产生扩散表面结构的方法.pdf

一种提供表面结构的方法，其中，传统的磨削微划痕被消散，以用于提供一种由包括砂轮的偏心旋转和/或砂轮脉动的砂轮运动引起的微划痕以及微平面的扩散结构。

1、  一种利用可绕着具有多个机床轴线的齿轮磨削机床的工具轴线旋转的磨削工具来磨削锥齿轮的至少一个齿面的方法，所述方法包括：
旋转所述工具，使所述工具和所述至少一个齿面相配合；
在所述工具和所述齿轮之间提供相对运动，以按照预定的相对滚动运动使所述工具横跨所述至少一个齿面，所述滚动运动包括在所述工具和所述至少一个齿面之间的多个接触线，从而在所述至少一个齿面上形成预定数量的磨削平面以及多个磨削划痕；
与所述滚齿滚动同时，绕着与所述工具轴线隔开的偏心轴线旋转所述工具轴线，从而形成磨削工具基锥；
移动所述基锥表面，以在预定的相对滚动运动期间将磨削平面修改引入到至少一个磨削表面，所述移动包括在所述至少一个齿面的齿根线方向上的移动、以及在大致垂直于所述至少一个齿面的齿廓对称线的方向上的移动。

2、  如权利要求1所述的磨削方法，其特征在于，所述接触线中的每一个由所述磨削机床的多个轴线位置来限定，所述方法还包括：
与所述移动同时使所述工具脉动，所述脉动发生在所述接触线中的至少一个，并通过对所述接触线中的相应的所述至少一个修改所述多个轴线位置中的一个或多个而实现。

3、  如权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述至少一个齿面的齿根线的方向上的所述移动以及在大致垂直于所述至少一个齿面的齿廓对称线的方向上的所述移动分别由以下方程所限定：


其中，n＝偏心轴线的RPM；
t＝滚齿法从一个齿面到下一个齿面的时间；
R_E＝偏心圆的半径；


4、  如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述至少一个齿面的所述齿根线的方向以及所述大致垂直于所述至少一个齿面的齿廓对称线的方向位于一个平面中，所述工具轴线与所述平面正交。

5、  如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述修改所述多个轴线位置中的一个或多个包括：从理论的轴线定位值中加上和/或减去相应的轴线定位单元。

6、  如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述加上和/或减去根据线性或高阶函数而进行。

7、  如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述加上和/或减去根据随机方式而进行。

8、  如权利要求2所述的方法，其特征在于，平面到平面的修改限制于预定量。

9、  如权利要求2所述的方法，其特征在于，第一平面到最后平面的修改限制于预定量。

10、  如权利要求2所述的方法，其特征在于，脉动方向相对所述基锥矢量来限定。

11、  如权利要求10所述的方法，其特征在于，所述脉动锥矢量在下列方向中的至少一个方向上延伸：
a)与在锥部外围展现的磨削平面相切；
b)与锥部的外围表面在所述磨削工具的轴向平面上相切；
c)在所述工具的轴线方向上；
d)在径向垂直于所述平面的方向上；
e)在径向相切于所述平面的方向上。

12、  如权利要求2所述的方法，其特征在于，经修改的一个或多个轴线位置的组合从平面到平面变化。

13、  如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述一个或多个轴线位置的修改变化量从平面到平面变化。

14、  如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述齿轮是锥齿轮组的小齿轮元件。

15、  如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述齿轮是锥齿轮组的环形齿轮元件。

16、  如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述齿轮是锥齿轮组的小齿轮元件。

17、  如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述齿轮是锥齿轮组的环形齿轮元件。

18、  如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法是在锥齿轮组的小齿轮元件上以及在所述锥齿轮组的环形齿轮元件上进行的，其中，对于所述小齿轮和所述环形齿轮中的每一个，以不同量实现移动。

19、  如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述方法是在锥齿轮组的小齿轮元件上以及在所述锥齿轮组的环形齿轮元件上进行的，其中，对于所述小齿轮和所述环形齿轮中的每一个，以不同量实现移动，并且，对于所述小齿轮和所述环形齿轮中的每一个，通过不同轴线位置修改实现脉动。

20、  如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述RPM值在所述相对滚动运动期间发生变化。

精加工锥齿轮以产生扩散表面结构的方法
本申请要求享有于2006年9月19日提交的美国临时专利申请No.60/845734的优先权，在此以参见的方式引入该申请的所有公开内容。
技术领域
本发明涉及锥齿轮的制造，尤其涉及锥齿轮的精加工工艺。
背景技术
在齿轮、尤其是锥齿轮的生产中，通常使用两种工艺：端面铣齿(间断分度)工艺和端面滚齿(连续分度)工艺。
在端面铣齿工艺中，齿槽通过将旋转刀具进给至工件预定深度、拉出该刀具、以及将工件转位分度到下一个齿槽位置而逐一连续地形成。进给、拉出和分度步骤重复进行，直到形成所有的齿槽。这类端面铣齿工艺称为非滚齿法。工件上的齿的轮廓形状由刀具上的轮廓形状直接产生。
作为非展成端面铣齿的替换，也可实施端面铣齿滚齿法，其中，刀具一旦进给至预定深度，之后刀具和工件以预定的相对滚动运动而一起滚压，其称之为滚齿滚动，就如同工件是与一假设的展成齿轮啮合转动，假设的展成齿轮的齿通过刀具的切削表面来表现。齿的轮廓形状在滚齿滚动期间通过刀具和工件的相对运动而形成。进给、滚压、拉出和分度步骤对每个齿槽都重复进行，直至形成所有的齿槽。
在端面滚齿工艺(非展成或展成的)中，刀具和工件以定时关系转动并且刀具进给至一深度，从而在刀具的单个插入中成形所有的齿槽。在到达最大深度后，滚齿滚动可被执行。
由于在端面铣齿工艺期间没有工件的分度转动，因此旋转刀具在工件上产生圆形的纵向齿向曲线。相反，由于在端面滚齿期间工件的附加转动，产生具有外摆线形式的纵向齿向曲线。因此，在精加工工艺、例如磨削中，环形的(例如杯状的)砂轮适合于精加工通过非展成或展成的端面铣齿工艺而形成的工件的齿，但通常不认为适用于精加工端面滚齿(外摆线)的齿。端面滚齿的齿轮通常通过精研工艺进行精加工，其中齿轮副元件(即环形齿轮和小齿轮)在有复合磨料或膏剂的情况下一起转动。
如上所述，端面铣齿的锥齿轮在切割之后可进行精加工工艺。精加工工艺通常是利用杯状砂轮的磨削。磨削工艺(即展成或非展成的)的类型通常与在齿轮切割中使用的端面铣齿的工艺类型相同。在磨削工艺期间，根据需要，砂轮的轴线可以以如同美国专利No.3127709所公开的方式绕着与砂轮轴线隔开并平行的偏心轴线转动。这样的方法有效地提供了一种砂轮在相邻的齿面之间的摆动运动，从而增强了冷却剂到磨削区域的进入以及其中碎片的去除。
锥齿轮和准双曲面齿轮的磨削可能引起齿面带有平行于齿根部分延伸的轻划伤纹路的齿表面粗糙结构。那些纹路的缺陷经常重复在连续的齿上，由此导致齿啮合频率的振幅及其高次谐波的放大。这个现象在磨削中是已知的，在一些申请中引起附加的精加工操作，例如圆柱形齿轮的珩磨或锥齿轮的短期精研。
发明内容
本发明提供了一种表面结构，其中，传统的磨削微划痕被消散，以提供一种由包括砂轮的偏心旋转和/或砂轮脉动的砂轮运动引起的微划痕和微平面的扩散(diffuse)结构。
附图说明
图1示出了传统展成的齿面上的接触线。
图2显示了砂轮轴线绕着一偏心轴线旋转的运动。
图3示出了砂轮的展成基准面为锥面。
图4是轮齿表面上的″平面″的放大图。
图5显示了根据本发明的用于使砂轮脉动的方向。
图6示出了本发明具有微平面和划痕的扩散结构的磨削表面。
图7是对传统的磨削齿轮和根据本发明方法的磨削齿轮进行比较的频率分析。
具体实施方式
下面将要参照附图来论述本发明的细节，其中的附图仅仅是通过举例的方式来说明本发明。图中，相同的特征或部件将被标以相同的附图标记。
在本发明的上下文中，词语″锥″齿轮应被理解为具有足够的范围以包括称之为锥齿轮、″准双曲面″齿轮这些类型的齿轮以及包括称之为″冠状″或″平面″齿轮的这些齿轮。
用于锥环形齿轮或小齿轮的展成磨削将砂轮作为假设的展成齿轮的齿，工件在展成齿轮的齿上滚压以精加工工件齿面的轮廓和导程。在滚齿滚动期间，例如由美国专利No.4981402、5961260或6712566(在此以参见的方式全部引入)所公开的计算机控制的(例如CNC)自由形式机床，在数百个步骤中改变它的轴线位置，在每个步骤中由机床的多达三个线性轴线位置(例如X、Y、Z)以及多达三个转动轴线位置(例如工具、工件、枢轴)所表现。在锥齿轮和准双曲面齿轮的展成磨削中，通常需要五个轴线(砂轮独立地旋转)，对于每个齿面，这五个轴线在滚压工艺期间改变它们的轴线位置数百次。
图1示出了在滚齿法期间在砂轮和齿面2之间的接触的例子。如上所述，在滚齿法期间，由于砂轮在滚齿滚动期间横跨齿面，机床轴线的位置在齿面磨削期间通常改变数百次。每个位置的变化可以通过接触线LC来表示，这些接触线定向成一倾斜角α_t。每个滚齿滚动位置的接触线的数目m(即轴线位置变化的数目)可以发生变化，为了讨论目的，仅给出300条接触线，然而清楚的是，可以利用更少或更多的接触线。在连续的接触线之间的区域F称之为″平面″。因此，对于300条接触线组成的滚齿滚动，将产生299个平面。实际上，磨削齿轮的平面是及其小的(称之为微平面)，通常肉眼并不可见，这是因为砂轮表面实际上是连续表面，并没有象具有刀片的切割工具中那样可辨别和限定的切割表面。表面结构是一个平行于齿根部分延伸的微小划痕。这些划痕，称之为微划痕，通常肉眼并不可见，但是通过显微镜和适当照明可以被检测到。磨削微划痕10通过图4示出在放大视图中。
图2示出了之前提及的磨削方法，其中砂轮轴线A_W绕着与砂轮轴线A_W隔开并平行的偏心轴线A_E经过偏心心轴被旋转(圆形路径4)。砂轮的展成基准面是基锥6(图3)，在展成期间砂轮和工件一起滚压时，砂轮轴线A_W沿着路径4的旋转产生了对平面F的修改。每个平面F(在图4中放大示出)在一个机床轴线位置中形成，机床保持该位置一预定时间，例如3毫秒(0.003秒)。在图3中，示出了用于一个平面的锥体包络函数8。
本发明的从一个平面到下一个平面的修改是基锥6的侧向移动叠加上等距移位。侧向移动被定义为在齿根线方向(工件的纵向齿方向)上的移动，如图2所示的x方向。等距移动(如图2所示的y方向)被定义为大致垂直于齿廓对称线P_S。上述两个方向都位于一个平面(由图2的页面所限定)内，该平面具有砂轮轴线A_W作为法向矢量。
为了磨削，砂轮表面被认为是连续的，砂轮在平面x-y(图2)上的移动提供用于了磨削平面的修改。由于旋转的砂轮轴线，磨削平面的修改可以分为两个部分：
1、侧向的-其称之为″平面表面偏移″(FSO)，以及
2、等距的-其称之为″平面退切/推进″(FRA)。
上述两个部分可定义为：


其中：n＝RPM，例如在1000/分和2000/分之间；
t＝在滚齿法中从一个平面到下一个平面的时间，例如300轴线位置＝299平面→t＝1/299＝0.0033秒；
R_E＝偏心圆的半径，例如0.06mm；

对于在0°和360°之间，上述方程(1)和(2)可利用下列数据进行求解：


对于上述数据求解方程(1)和(2)可以提供修改的幅度(侧向的以及等距的)，在该幅度内的修改都是可行的。例如，当1000PRM、t＝0.0033秒时，0.022mm(最大)和0.004毫米(最小)的修改在两个方向(ΔFSO和ΔFRA)上都是可行的。
除了上述修改之外，砂轮还可以通过改变一个或多个轴线(直至6个轴线)以机床轴线位置指令的频率(f)被施加脉动。例如：f＝1/t；t＝1秒/299平面＝0.0033秒。该频率可以更低(例如每两个或三个位置发出指令)而不是更高。修改的原则在于采用一个轴线位置指令，该指令可按照如下理解。
每个接触线由多个机床轴线位置(例如五个轴线)限定，所述机床轴线位置一起形成用于砂轮相对工件的位置指令。因此，对于300条接触线，需要300个位置指令。这可以看作包括了300行代码的表格，每行都提供了一个位置指令。取得一个轴线位置指令(即一行)，该位置指令可通过在将一线性或角度尺寸(例如2微米或3角秒)增加至自由形式机床中的一个线性或角度尺寸(例如机床Z轴(线性)或B轴(枢轴))来进行修改。下一条线的位置可被用于从相同的轴线指定减去之前增加的相同量。
增减的数量还可以遵循线性或高阶函数，或者可以是随机数。这些必须发生在一定范围内，用于将平面到平面的变化限制成小于一预定量，例如5微米，以及用于将极端变化(例如第一平面和最后平面)之间的变化限制成小于一预定量，例如5微米，以保证齿腹形状的精度以及保持噪音最优表面结构的效果。
用于脉动的优选矢量方向包括(参见图5)：
(a)与平面相切；
(b)与砂轮锥体(在轴向平面上)相切；
(c)轴向移动；
(d)垂直于平面的径向移动；
(e)与平面相切的径向移动；
(f)a、b、c、d和e的组合，组合可以从平面到平面变化；
(g)a至e的单一移动，但是从平面到平面变化；
(h)类似于f的组合移动，但是改变了从平面到平面移动量；
(i)具有从平面到平面改变量的单一轴线移动，轴线的指定也可以从平面到平面变化。
轴线移动(脉动)是变动量值和理论轴线位置的叠加。
相比传统的磨削齿腹表面，其具有不可见的磨削平面以及平行于齿根部分延伸的磨削微划痕的表面结构，实际的磨削试验已经表明，本发明的方法提供了一种表面结构，其中磨削微划痕被消散，以提供一种类似于珩磨的扩散结构，并且由于偏心旋转砂轮和/或轴线脉动微划痕变得可见，例如如图6所示。
类似于珩磨表面的优点，根据本发明方法制造的齿轮组的频率分析(图7)在齿轮啮合频率及其高次谐波中表现出更小的幅度峰值。此外，将产生较高的边频带，其嵌入谐波频率峰值，从而实现低噪声运转齿轮(在不进行附加的珩磨操作的情况下)。根据本发明方法制造的齿轮组的车辆声测量表明了声压(dbA)的较低水平。这使得齿轮组具有更好的声音品质，其更易于并更稳定地用于生产中。液体润滑和效率也由于本发明的表面结构而得到改进。这又能减少生产成本并增加齿轮质量。
优选的啮合组合为根据本发明结构的磨削小齿轮和传统磨削的环形齿轮(展成或非展成的环形齿轮)。就展成的环形齿轮而言，小齿轮和环形齿轮的本发明结构的磨削可以在具有相同或不同的偏心旋转下进行，脉动参数也可以进行选择，以减少噪音扰动作用。
虽然已经参照最佳实施例描述了本发明，但清楚的是本发明并非限制在其细节中。本发明意欲包括对本领域技术人员来说是显而易见的修改，其主题并没有脱离附加权利要求书的精神和范围。