2024-01-26 08:09
《齿轮传动39》介绍“8”字啮合摆线齿锥齿轮的制造和新奥利康制SPIRON刀盘的介绍与选用（包括“8”字啮合摆线齿锥齿轮的加工制造、新奥利康制SPIRON刀盘的介绍与几何参数与选用）。
1944年瑞士的Oerlikon（奥利康）公司开发出了属于“8”字啮合曲线齿锥齿轮的奥利康制摆线齿锥齿轮，这种锥齿轮形成了锥齿轮齿形制中的奥利康制。奥利康制摆线齿锥齿轮实际上来源于美国格里森公司的一个1914年的专利，美国格里森公司把自己的这个1914年的等高齿专利给了别人，美国格里森公司专注于收缩齿弧齿锥齿轮。
下图所示为用新奥利康制SPIRON刀盘加工制造新奥利康制“8”字啮合摆线齿锥齿轮，下图中的导圆也被称为基圆，下图中的滚动圆与导圆一直相切并沿着导圆进行纯滚动，随着滚动圆的运动与滚动圆在同一平面内固定连接的定点运动形成的几何线就是延伸外摆线，下图中运动形成延伸外摆线的定点到滚动圆圆心的距离等于刀盘名义半径r_{0}，刀盘名义半径r_{0}大于滚动圆半径。
新奥利康制SPIRON刀盘是在新奥利康制FS刀盘发明成功之后发明成功的，新奥利康制SPIRON刀盘比新奥利康制FS刀盘刀齿组数更多所以加工效率更高，如上图所示新奥利康制SPIRON刀盘的1组刀齿包括1个精切外刀齿和1个精切内刀齿，新奥利康制SPIRON刀盘取消了粗切刀齿。
下图所示为用旧奥利康制刀盘加工制造旧奥利康制“8”字啮合摆线齿锥齿轮或者用新奥利康制FS刀盘加工制造新奥利康制“8”字啮合摆线齿锥齿轮。
奥利康制“8”啮合摆线齿锥齿轮和接下来所说的Klingelnberg制“8”啮合摆线齿锥齿轮在齿高形式上都属于等高齿锥齿轮。
德国的Klingelnberg（中文翻译为克林贝格或者克林根贝尔格或者克林根堡）公司开发出了属于“8”字啮合曲线齿锥齿轮的克林根贝尔格制摆线齿锥齿轮，形成了锥齿轮齿形制中的Klingelnberg制（即克林根贝尔格制）。1993年，德国Klingelnberg公司收购了瑞士奥利康公司的齿轮部分，从那以后等高齿“8”字啮合摆线齿锥齿轮就没有奥利康公司只属于克林贝格集团也就是克林根贝尔格公司了，Klingelnberg公司同时具有奥利康制和克林根贝尔格制2种齿形制并获得了奥利康公司的技术，瑞士奥利康公司的齿轮部分属于Klingelnberg公司之后这个齿轮部分的产品仍然使用了奥利康这个名字。
“8”字啮合弧齿锥齿轮采用间歇分度法加上端面铣削法加工制造，间歇分度法也被称为单分度法，加工齿槽时工件锥齿轮转动方向不变绕轴线转动同时刀盘转动同时刀盘转动方向不变，每加工完一个齿槽刀盘将有一个退出运动同时工件锥齿轮以一个与加工时工件锥齿轮转动方向相反的反方向转动到下一个等待加工的齿槽处，然后刀盘开始加工下一个齿槽，在加工过程中刀盘与工件之间不存在联动关系，加工弧齿锥齿轮齿槽时进行的是展成法中的铣齿加工所以刀盘是铣削刀盘。
“8”字啮合摆线齿锥齿轮采用连续分度法加上端面滚切法加工制造，一个工件锥齿轮从加工开始时开始绕轴线转动一直到加工完成整个过程是转向不变不停连续匀速转动不停止的，加工完一个齿轮才有刀盘退出然后加工下一个齿轮时刀盘往复重新切入，在加工过程中刀盘与工件之间必须保持联动关系，也就是刀盘转过1组刀齿时工件必须同步转过1个轮齿，然后下一组刀齿进入下一个齿槽，这样加工才能形成数学上的延伸外摆线，加工摆线齿锥齿轮齿槽时进行的是展成法中的滚齿加工所以刀盘是滚切刀盘。
等高齿“8”字啮合摆线齿锥齿轮的加工工序方法是两刀法，凸凹面同时加工，粗精切一次完成，加工2个锥齿轮组成的1个传动只需2个刀盘和2台机床。格里森制“8”字啮合弧齿锥齿轮现在的主流加工工序方法是全工序法，全工序法同样凹凸面同时加工且粗精切一次完成。
现在曲线个主要技术为：技术①为使用“间歇分度端面铣削全工序法加磨齿加工”的收缩齿“8”字啮合弧齿锥齿轮传动，技术②为使用“连续分度端面滚切两刀法加研齿加工”的等高齿“8”字啮合摆线齿锥齿轮传动。美国Gleason公司即格里森公司的凤凰系列机床可以使用技术①和技术②全部2种技术制造2种锥齿轮传动，德国Klingelnberg公司的C系列机床同样可以使用技术①和技术②全部2种技术制造2种锥齿轮传动。
下图所示为用平面产形齿轮展成法加工等高齿锥齿轮时的示意图，此时刀盘轴线与机床摇台轴线平行同时机床摇台轴线垂直于假想平面产形齿轮的节平面。下图用于表示洛-卡氏齿形制等高齿“8”字啮合弧齿锥齿轮传动时是间歇分度法加上端面铣削法，下图用于表示等高齿“8”字啮合摆线齿锥齿轮传动时是连续分度法加上端面滚切法。
奥利康制传统摇台式锥齿轮制造机床可以通过刀倾机构倾斜刀盘主轴。奥利康公司早期传统摇台式锥齿轮制造机床如SKM2、SM3等配备EN刀盘或TC刀盘或EH刀盘，EN刀盘或TC刀盘或EH刀盘属于旧奥利康制，这类机床的部分重要特点包括：采用板式刀倾机构，刀倾角的调整范围较小，倾斜刀盘主轴的目的主要是避免2次切削，加工时齿轮传动的接触区调整不方便。
用EN刀盘或TC刀盘加工制造的旧奥利康制摆线齿锥齿轮的参考点选择在节圆锥母线b中的b为齿宽），使用EN刀盘或TC刀盘制造旧奥利康制摆线齿锥齿轮的机床（比如SKM2）已经停止生产，本文章系列将不会写旧奥利康制摆线齿锥齿轮的几何尺寸计算，对旧奥利康制几何计算有兴趣的读者可以查旧版《机械设计手册》等资料。奥利康公司后来在旧奥利康制基础上推出了传统摇台式S系列切齿机床，传统摇台式S系列切齿机床的重要特点包括：采用属于新奥利康制的FS刀盘或FSS刀盘或SPIRON刀盘，属于新奥利康制的刀盘的刀尖圆角直径和刀齿的压力角可以根据齿轮传动的接触区要求在一定范围内调整并由数控磨刀机床在刀齿刃磨时保证，机床采用回转式刀倾机构取代了板式刀倾机构所以增大了刀倾角的调整范围，机床的最大刀倾角可以调整到30°或更大，倾斜刀盘主轴可调整齿面接触区，在切齿制造计算方法上也进行了改进，新计算方法借助机床大的刀倾角和可变的刀盘半径和可变的刀齿压力角来修正齿面形状，齿轮传动的接触区调整的方便性大大增强，装备了早期版本的KIMOS设计软件。
奥利康制传统摇台式锥齿轮制造机床有刀盘倾斜机构简称刀倾机构如下图所示，下图所示为新奥利康制机床和回转式刀倾机构，与之相比Klingelnberg制传统摇台式切齿机床没有刀倾机构。奥利康制刀盘为整体式刀盘，相比之下Klingelnberg制刀盘为2个部分组装而成的组装式刀盘。
对于新奥利康制摇台式锥齿轮制造机床，当采用新刀盘加工锥齿轮需要刀倾修正齿面接触区时可以用刀倾全展成法加工制造，摆线齿锥齿轮传动的大轮和小轮都用平面产形齿轮原理展成法加工，加工时铣刀盘通过刀倾机构倾斜。
对于新奥利康制摇台式锥齿轮制造机床，当需要制造的锥齿轮传动的大轮的分度圆锥角大于60°时或者传动比大于3时，可以用刀倾半展成法加工，锥齿轮传动的大轮用仿形法加工制造，大轮的参考点处的法向齿廓为直线，锥齿轮传动的小轮用啮合锥齿轮原理展成法加工制造，小轮的参考点处的法向齿廓为渐开线。
下图（a）所示为新奥利康制摇台式锥齿轮制造机床的刀倾全展成法，下图（b）所示为新奥利康制摇台式锥齿轮制造机床的刀倾半展成法。
为90°的外啮合标准或者高度切向综合变位的新奥利康制“8”字啮合摆线齿锥齿轮传动加上部分几何尺寸。>
下图所示为Klingelnberg制双层组装式刀盘，装有内切刀片的内切刀盘2固定连接在锥齿轮制造机床主轴1上，装有外切刀片的外切刀盘3通过十字滑块4和十字滑块5和十字滑块6与锥齿轮制造机床主轴1连接，外切刀盘3可以与内切刀盘2同步回转，也可以调整外切刀盘3的回转中心与内切刀盘2的回转中心之间的偏距
下图所示为最新式的没有摇台的Klingelnberg公司（即克林贝格集团）的C系列6轴数控摆线齿锥齿轮制造机床中的C50，下图所示为C50的关键部分，C50采用立式刀盘主轴结构，刀盘有1个转动轴A，工件锥齿轮坯有1个转动轴B，安装工件锥齿轮坯的机构有1个转动轴C，安装刀盘的机构有1个垂直直线个水平直线前后运动Y，安装工件锥齿轮坯的机构有1个与运动Y方向垂直的水平直线左右运动Z，机床的关键部分总共有6个关键运动为6轴数控，另外还有1个垂直直线个进行倒角去毛刺加工的刀具。
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Klingelnberg公司在1997年研发成功了锥齿轮干切加工技术，上图所示的最新的Klingelnberg公司的没有摇台的C系列6轴数控锥齿轮机床的相关内容还包括：可以湿切加工也可以干切加工，湿切加工时需要喷油，干切加工时不需要喷油，可以加工奥利康制摆线齿锥齿轮也可以加工Klingelnberg制摆线齿锥齿轮也可以加工格里森制弧齿锥齿轮，C系列机床使用新奥利康制SPIRON刀盘加工制造新奥利康制等高齿“8”字啮合摆线齿锥齿轮，C系列机床可以使用ARCON刀盘加工制造“8”字啮合弧齿锥齿轮，没有摇台的C系列机床在C50机床之后又成功研发出了C60机床和C
美国Gleason公司和德国Klingelnberg公司全都开发成功了锥齿轮制造的干切技术即干式切削技术，干切技术的优势包括：切削制造时间降低，刀具寿命提高，齿轮质量提高，生产成本降低，保护环境。德国Klingelnberg公司的干切技术包括：倾斜床身专利让切削区域直接位于倾斜的宽大铁屑排出通道上，从而利用重力高效排出切削产生的铁屑来散热，机床结构刚性优化，传动链优化。C系列机床使用的KIMOS设计软件可以高效完成从参数选择到制作出标注几何尺寸和公差和各种精度的图纸的齿轮传动宏观设计，C系列机床使用的KIMOS设计软件也可以高效完成齿轮传动宏观设计完成后的齿轮传动的微观设计从而最终完成整个齿轮传动的设计工作，齿轮传动的微观设计包括线性代数的使用和齿轮的拓扑图像。本《齿轮传动》文章系列讲的是基础性的齿轮传动的宏观设计，齿轮传动的微观设计请查相关资料。
德国Klingelnberg公司还有配套设备包括B系列磨刀机床和CS200刀盘调整中心与C系列锥齿轮制造机床配合。B系列磨刀机床中的B27磨刀机床的特点包括：具有条状刀齿操作机械手采用双夹爪原理装载和卸载条状刀齿，采用高压液压夹爪夹紧条状刀齿，一次最多可以连续15个小时无人化操作，一次最多可装入400个条状刀齿。CS200刀盘调整中心的特点包括：采用最少的人工干预对刀盘上的条状刀齿进行自动定位以及给刀盘安装条状刀齿，可自由选择轴向公差和径向公差，可选择优化径向跳动或者优化轴向跳动2种修正策略，可精确测量公差。
下图所示为德国Klingelnberg公司的成套设备联网组成的曲线齿锥齿轮传动设计制造的闭环系统。
在全世界范围内世界各国有大量传统卡车公司和其它汽车公司购买上图所示的德国Klingelnberg公司的成套设备为汽车差速器设计制造曲线齿锥齿轮传动，在全世界范围内购买并使用上图所示的德国Klingelnberg公司的成套设备组成的闭环系统的汽车公司包括德国曼卡车公司、印度塔塔汽车公司、美国墨西哥合资的美国车桥汽车公司、德国宝马汽车公司、德国戴姆勒克莱斯勒公司、日本本田公司、韩国现代集团的汽车部分、俄罗斯GAZ公司、美国中国合资德纳公司、意大利依维科公司、瑞典斯堪尼亚卡车公司、中国第一汽车集团车桥分公司、中国重型汽车集团、中国湖北车桥有限公司以及其他很多的汽车公司。在全世界范围内世界各国同样有大量汽车公司购买并使用美国格里森公司的成套设备组成的另一个曲线齿锥齿轮传动设计制造的闭环系统。
新奥利康制SPIRON刀盘是本文章《齿轮传动39》前面所讲的Klingelnberg公司的C系列机床用来加工制造新奥利康制摆线齿锥齿轮传动的刀盘。SPIRON刀盘由刀盘本体、紧固螺钉、条状刀齿（又称刀条）组成，SPIRON刀盘的刀槽是线切割加工出来的，刀盘刚性足，条状刀齿装在刀盘上，SPIRON刀盘的1个条状刀齿使用2个紧固螺钉，SPIRON刀盘可以使用不同刀顶宽度的条状刀齿以适应模数的变化。SPIRON刀盘与FS刀盘一样是内外回转中心重合不可调的整体式刀盘，为得到要求的锥齿轮齿厚只能通过调整刀齿半径对锥齿轮齿厚变化加以补偿。根据工件的不同旋向，刀盘分为加工左旋齿轮的左旋刀盘和加工右旋齿轮的右旋刀盘2种。下图所示为SPIRON刀盘，SPIRON刀盘分为SPIRON (I)型刀盘和SPIRON (II)型刀盘2种类型，SPIRON (I)型刀盘刀槽倾角为4.5度，SPIRON (I)型刀盘主要用于安装可以被数控磨刀机床加工的面的数目为2的2面刃磨条状刀齿，SPIRON (II)型刀盘刀槽倾角为8.5度，SPIRON (II)型刀盘主要用于安装可以被数控磨刀机床加工的面的数目为3的3面刃磨条状刀齿。
），L为左旋刀盘，如果是右旋刀盘把L变为R，I代表SPIRON (I)型刀盘，如果是SPIRON (II)型刀盘把I变为II。2、SPIRON刀盘的主要几何参数
下图所示为SPIRON刀盘的几何参数包括条状刀齿在SPIRON刀盘上的重要几何尺寸。下图中的H_{W0}是刀具参考点高度，
确定了刀具计算的参考点也是刀条测量与安装的基准点，H_{K}=H_{K}^{\ast}\timesm_{n}，m_{n}为要制造的锥齿轮的节圆锥母线齿宽中点法向模数即m_{n}为要制造的锥齿轮的参考点法向模数，H_{W0}=H_{M}+H_{K}+h-t，H_{M}和H_{K}和h和t如下图所示。>
（1）刀顶宽度：刀顶宽度指的是条状刀齿顶部直线段在条状刀齿安装方向的距离。刀顶宽度的定义与条状刀齿的类型（内刀齿还是外刀齿）和条状刀齿的旋向（左旋还是右旋）有关。应避免刀顶宽度过大从而避免切削加工时条状刀齿的非切削刃与已加工齿面发生干涉。
（3）非切削刃齿形角：该角度就是刀具非切削面压力角。应避免非切削刃齿形角过大从而避免切削加工时条状刀齿的非切削刃与已加工齿面发生干涉。
：该尺寸指刀具切削刃的廓形高度与刀具非切削刃的廓形高度。通常该高度应大于1.1倍的齿轮全齿深。该尺寸过大时，会造成加工过程中刀具寿命下降且刀具磨刀加工也就是刀具刃磨加工中砂轮磨损过大。
（5）条状刀齿齿顶高H_{d}：该尺寸决定了条状刀齿切削刃与非切削刃的齿形角、测量基准点高度等。改变该数值将改变加工的锥齿轮传动的齿面接触区的位置。
（6）刀尖圆角：为了保证刀具强度和齿根过度，该数值应尽可能大。当该圆弧过大时，会造成圆弧不完整，影响刀顶宽度。应避免条状刀齿切削刃与非切削刃刀尖圆角干涉，应使切削刃刀尖圆弧尽可能大，应使非切削刃刀尖圆弧尽可能小。应避免1个条状刀齿非切削刃刀尖圆弧与另一组刀齿的切削刃刀尖圆弧发生干涉。
刀盘选择要根据加工方法选择，刀盘选择不仅仅是制造工程师关注的也是设计工程师关注的，同一工件可采用不同的刀盘加工，性能和生产效率可能会有较大差别。（1）生产效率方面
刀组数越多，切削加工时间越短，自然效率越高。例如，某公司之前采用SPIRON (II)13-109的刀盘加工产品，后来新采购SPIRON(II)19-109刀盘加工同一件工件，节约加工时间近20%。 但是，在某些情况下，过高的刀组数对铁屑的排出可能变得不那么顺利。
刀具的选择可能要用到KIMOS软件计算结果（熟悉KIMOS的客户都知道的Ni系数），以判断所使用的刀具到底是大刀具设计还是小刀具设计。同样的齿轮，采用大刀具设计还是采用小刀具设计，最后获得的齿轮动态性能可能相差很大。
由于滚齿的特点，刀盘上刀槽组数的选择与齿轮的齿数的关系，我们要尽可能避免刀槽组数与齿轮的齿数产生公约数的情况发生，如有必要，可能要更改设计，以满足这一条件。