一种螺旋锥齿轮加工机床专利背景

2011年前技术中，螺旋锥齿轮加工设备有机械型螺旋锥齿轮加工机床和数控螺旋锥齿轮加工机床。机械型螺旋锥齿轮加工机床的结构和调整环节是齿轮机床中最复杂的。参见附图1，2011年前数控螺旋锥齿轮加工机床利用计算机直接控制三个直线轴（即X、Y、Z轴）和三个转动轴（即A、B、C轴），以模拟机械型螺旋锥齿轮的加工运动，从而加工出螺旋锥齿轮。数控螺旋锥齿轮加工机床将复杂的机械结构转换为软件控制，实现了螺旋锥齿轮加工的信息化和智能化。上述结构是用刀具箱沿Y轴，工件箱沿X轴的联动来模拟刀具绕摇台轴线的回转，将刀倾机构的功能改为B轴的摆动来实现。这种结构没有充分发挥数控技术的作用，存在以下主要缺陷：

1、该结构由于立柱不动，刀具箱通过层层叠加的滑板安装在立柱（8）上，为了能让安装于水平滑台（10）上的刀具箱（13）上的刀具（26）加工到工件，不得已将刀具主轴（25）伸得很长，从而加大了刀具（26）受力点与主轴轴承支撑距离的悬伸比，导致刀具主轴（25）刚性也不太好。

2、该机床结构设计在加工左、右旋螺旋锥齿轮时，机床的加工点分别在工件（27）的上下位置，从而导致机床的加工点位置变化很大，刀具箱在Y方向行程很长，加工点的位置也很高，这些对机床整体加工刚性不是很好。

3、该结构X、Y、Z三个直线运动轴设计得比较分散，导致机床占地面积大，不好防护。

4、该结构X轴滑板（28）在加工过程中由于要沿X向滑动，X向导轨（16、17）需要安装在床身（1）上，导致排屑槽（29）不能开通到整个加工区域，这种结构虽然能在X轴上安装盔甲式的钢防护，但是铁屑掉在防护上面还是不好清理，这种情况特别是铣齿的时候，大量的铁屑特别容易堆积在机床上。

5、为了环保和节约，螺旋锥齿轮铣齿的发展方向是干切削，即在加工时不加冷却液，切削速度很快，热量被切削带走，这就要求灼热的切削不能落在床身上，以免造成机床的热变形，图1的装置很难做到这一点。

6、机床零件多，占地面积大，工件装卸不方便。

公开号为CN1457279的专利申请公开说明书记载了一种生产锥齿轮的机器，该机器将刀具主轴和工件主轴全设计在一个立柱上，其结构不仅导致制造成本高，而且装配的工艺性不好。

一种螺旋锥齿轮加工机床专利目的

《一种螺旋锥齿轮加工机床》的目的在于克服2011年前技术存在的上述缺陷，提出一种结构简单，稳定性及可靠性好、效率高、占地面积小、防护与排屑容易，工件和刀具的装卸方便的螺旋锥齿轮加工机床。

一种螺旋锥齿轮加工机床技术方案

《一种螺旋锥齿轮加工机床》是采用下述技术方案实现的，一种螺旋锥齿轮加工机床，包括床身，立柱，水平滑台，刀具箱，所述立柱坐装在所述床身上，在所述立柱上设有一个开口朝下的U形通槽，所述U形通槽的宽度、深度、厚度方向依次定义为空间笛卡尔直角坐标系的Y轴、Z轴、X轴方向；

在所述U形通槽内设有至少一根轴线与所述X轴方向平行并可绕自身轴线回转的第一直线驱动轴；在所述第一直线驱动轴上安装有第一回转轴箱体，所述第一直线驱动轴驱动所述第一回转轴箱体沿所述X轴方向作直线运动；

在所述立柱上设有至少一根轴线与所述Y轴方向平行并可绕自身轴线回转的第二直线驱动轴；所述水平滑台安装在所述第二直线驱动轴上，所述第二直线驱动轴驱动所述水平滑台沿所述Y轴方向作直线运动；

在所述水平滑台上设有至少一根轴线与所述Z轴方向平行并可绕自身轴线回转的第三直线驱动轴；所述刀具箱安装在所述第三直线驱动轴上，所述第三直线驱动轴驱动所述刀具箱沿所述Z轴方向作直线运动。

《一种螺旋锥齿轮加工机床》中，所述第一回转轴箱体内设置有回转机构，所述回转机构驱动设于所述第一回转轴箱体中的第一回转轴转动，所述第一回转轴的一端设有工件箱；所述回转机构内设有驱动装置；所述驱动装置选自力矩电机、齿轮传动机构、曲柄连杆传动机构、蜗轮蜗杆传动机构中的一种。

《一种螺旋锥齿轮加工机床》中，所述工件箱上设有一根轴线与所述第一回转轴的轴线垂直的工件主轴，所述工件主轴的一端设有安装被加工工件的工件承载台，另一端或中间位置与设于工件箱中的工件主轴的驱动装置连接。

《一种螺旋锥齿轮加工机床》中，在所述U形槽的槽中设有两根轴线方向与X轴方向平行的所述第一导向导轨，所述第一回转轴箱体通过其底面设置的第一导向槽与所述第一导向导轨匹配接触实现沿Z轴方向的支撑及Y轴方向的定位并提供所述第一回转轴箱体沿所述X轴方向作直线运动的导向。

《一种螺旋锥齿轮加工机床》中，在所述立柱上设有轴线方向与所述Y轴方向平行的第二导向导轨，所述水平滑台通过其一个侧面设置的导向槽与所述第二导向导轨匹配接触实现沿Z轴方向的支撑定位并提供所述水平滑台沿所述Y轴方向作直线运动的导向。

《一种螺旋锥齿轮加工机床》中，在所述水平滑台上设有轴线方向与所述Z轴方向平行的第三导向导轨，所述刀具箱通过其一个侧面设置的导向槽与所述第三导向导轨匹配接触实现沿Y轴方向的定位并提供所述刀具箱沿所述Z轴方向作直线运动的导向。

《一种螺旋锥齿轮加工机床》中，所述刀具箱上设有一根轴线与所述第三驱动轴的轴线平行的刀具主轴，所述刀具主轴的一端设有安装刀具的刀具座，另一端或中间位置与设于刀具箱中的刀具主轴的驱动装置连接。

《一种螺旋锥齿轮加工机床》中，在所述第一回转轴箱体上与所述工件箱之间设有静压辅助支撑。

《一种螺旋锥齿轮加工机床》的技术原理是，螺旋锥齿轮在加工过程中，其齿面的形成取决于刀具和工件的相对运动，而刀具与工件的相对位置完成由三个直线驱动轴，即第一直线驱动轴、第二直线驱动轴、第三直线驱动轴和三个转动轴，即第一回转轴、刀具主轴、工具主轴来确定，六轴的设定只要保证刀具和工件能处于任何需要的相对位置即可。该发明在研究了三个直线驱动轴和三个回转轴的各种可能的设定方式并分析其优缺点后确定。该发明加工螺旋锥齿轮的过程是：

1、在刀具箱（6）的刀具主轴上安装好刀具，在工件箱（3）的工件主轴上安装好螺旋锥齿轮，启动程序后计算机首先控制第一回转轴转动，带动工件箱（3）绕第一回转轴回转一个角度，回转角度的大小就是螺旋锥齿轮刚开始加工时的轮坯安装角。

2、计算机控制第一回转轴箱体（19）沿X轴运动、水平滑台（9）沿Y轴运动，刀具箱（6）沿Z轴运动，将刀具快速移动到齿轮加工的启始位置，刀具按给定的速度回转，如湿切需要开启冷却液。

3、在程序控制下，第一直线驱动轴、第二直线驱动轴、第三直线驱动轴、刀具主轴、工件主轴五轴联动使刀具和被加工工件做啮合的展成运动以加工出齿面。

4、一个齿槽加工好之后，刀具箱沿Z轴方向上升使被加工工件与刀具脱离接触，工件主轴旋转使齿轮分度到第二个轮齿加工的起始位置，然后X、Y、Z、B各轴在不发生干涉的原则下快速退回到齿轮加工的起始位置。

5、加工第二个齿槽，如此循环往复，直到加工完成所有的轮齿。

6、各轴都回到原始位置，（工作门打开后）工作人员取下加工好的齿轮并换上待加工的齿轮。

7、如果是数控磨齿机，在预备时间或加工过程中还要利用砂轮修整器来修整砂轮。

一种螺旋锥齿轮加工机床改善效果

1、第一回转轴回转台可采用力矩电机或齿轮传动机构、曲柄连杆传动机构、蜗轮蜗杆传动机构等常用精密回转台驱动方式驱动；

2、第一回转轴通过旋转±90°来实现螺旋锥齿轮的左右旋加工，此方法大大缩短了X轴的行程。

3、立柱的固定不动，确保了机床的高刚性。

4、机床在加工左、右旋螺旋锥齿轮时，其加工点不再分布在工件的上下位置，而是分布在工件的左右位置，这样使得机床的加工点在高度方向始终保持很低的位置，且此位置刚性好、易排屑、易观察，是机床的最优加工点。

5、机床设计为立式结构，Z轴行程、X轴行程相当短，这也使得机床结构紧凑，占地面积小。

6、由于X轴向前移动，装卸工件时操作人员与工件可以实现0距离装卸，非常方便。

7、机床总体布局采用立式结构，工件和刀具的装卸很方便，而且工件便于实现机械手自动装卸；

8、设备造价降低、性能稳定、可靠；加工的切屑直间落在机床排屑槽内，容易排屑并且容易于实现干切削；

9、整机零件少，工艺性能好，占地面积小，防护容易，造型美观。

附图1是2011年前技术的一种机床结构；

附图2、3是《一种螺旋锥齿轮加工机床》机床一种实施例的结构示意图。

1-床身、2-立柱、3-工件箱、9-水平滑台、6-刀具箱。

《一种螺旋锥齿轮加工机床》涉及数控加工设备，特别是指一种螺旋锥齿轮加工机床，进一步是指加工螺旋锥齿轮的铣齿机和磨齿机。

1.一种螺旋锥齿轮加工机床，包括床身，立柱，水平滑台，刀具箱，其特征在于：所述立柱坐装在所述床身上，在所述立柱上设有一个开口朝下的U形通槽，所述U形通槽的宽度、深度、厚度方向依次定义为空间笛卡尔直角坐标系的Y轴、Z轴、X轴方向；在所述U形通槽内设有至少一根轴线与所述X轴方向平行并可绕自身轴线回转的第一直线驱动轴；在所述第一直线驱动轴上安装有第一回转轴箱体，所述第一直线驱动轴驱动所述第一回转轴箱体沿所述X轴方向作直线运动；在所述立柱上设有至少一根轴线与所述Y轴方向平行并可绕自身轴线回转的第二直线驱动轴；所述水平滑台安装在所述第二直线驱动轴上，所述第二直线驱动轴驱动所述水平滑台沿所述Y轴方向作直线运动；在所述水平滑台上设有至少一根轴线与所述Z轴方向平行并可绕自身轴线回转的第三直线驱动轴；所述刀具箱安装在所述第三直线驱动轴上，所述第三直线驱动轴驱动所述刀具箱沿所述Z轴方向作直线运动。

2.根据权利要求1所述的一种螺旋锥齿轮加工机床，其特征在于：所述第一回转轴箱体内设置有回转机构，所述回转机构驱动设于所述第一回转轴箱体中的第一回转轴转动，所述第一回转轴的一端设有工件箱；所述回转机构内设有驱动装置；所述驱动装置选自力矩电机、齿轮传动机构、曲柄连杆传动机构、蜗轮蜗杆传动机构中的一种。

3.根据权利要求2所述的一种螺旋锥齿轮加工机床，其特征在于：所述工件箱上设有一根轴线与所述第一回转轴的轴线垂直的工件主轴，所述工件主轴的一端设有安装被加工工件的工件承载台，另一端或中间位置与设于工件箱中的工件主轴的驱动装置连接。

4.根据权利要求3所述的一种螺旋锥齿轮加工机床，其特征在于：在所述U形槽的槽中设有两根轴线方向与X轴方向平行的所述第一导向导轨，所述第一回转轴箱体通过其底面设置的第一导向槽与所述第一导向导轨匹配接触实现沿Z轴方向的支撑及Y轴方向的定位并提供所述第一回转轴箱体沿所述X轴方向作直线运动的导向。

5.根据权利要求4所述的一种螺旋锥齿轮加工机床，其特征在于：在所述立柱上设有轴线方向与所述Y轴方向平行的第二导向导轨，所述水平滑台通过其一个侧面设置的导向槽与所述第二导向导轨匹配接触实现沿Z轴方向的支撑定位并提供所述水平滑台沿所述Y轴方向作直线运动的导向。

6.根据权利要求5所述的一种螺旋锥齿轮加工机床，其特征在于：在所述水平滑台上设有轴线方向与所述Z轴方向平行的第三导向导轨，所述刀具箱通过其一个侧面设置的导向槽与所述第三导向导轨匹配接触实现沿Y轴方向的定位并提供所述刀具箱沿所述Z轴方向作直线运动的导向。

7.根据权利要求6所述的一种螺旋锥齿轮加工机床，其特征在于：所述刀具箱上设有一根轴线与所述第三驱动轴的轴线平行的刀具主轴，所述刀具主轴的一端设有安装刀具的刀具座，另一端或中间位置与设于刀具箱中的刀具主轴的驱动装置连接。

8.根据权利要求1-7任意一项所述的一种螺旋锥齿轮加工机床，其特征在于：在所述第一回转轴箱体上与所述工件箱之间设有静压辅助支撑。

《一种螺旋锥齿轮加工机床》的机床包括采用端面铣齿或磨齿方法加工弧齿锥齿轮、弧齿准双曲面齿轮的机床。

参见附图2，《一种螺旋锥齿轮加工机床》一种螺旋锥齿轮加工机床，包括床身1，立柱2，工件箱3，水平滑台9，刀具箱6，所述立柱2坐装在所述床身1上，在所述立柱2上设有一个开口朝下的U形通槽，所述U形通槽的宽度、深度、厚度方向依次定义为空间笛卡尔直角坐标系的Y轴、Z轴、X轴方向；

在所述U形通槽内设有一根轴线与所述X轴方向平行并可绕自身轴线回转的第一直线驱动轴16；在所述第一直线驱动轴16上安装有第一回转轴箱体19，所述第一直线驱动轴16驱动所述第一回转轴箱体19沿所述X轴方向作直线运动；在所述U形槽的槽中设有两根轴线方向与X轴方向平行的所述第一导向导轨15，所述第一回转轴箱体19通过其底面设置的第一导向槽与所述第一导向导轨15匹配接触实现沿Z轴方向的支撑及Y轴方向的定位并提供所述第一回转轴箱体19沿所述X轴方向作直线运动的导向；所述第一回转轴箱体19内设置有回转机构，所述回转机构驱动设于所述第一回转轴箱体19中的第一回转轴17转动，所述回转机构内设有蜗轮蜗杆传动机构；所述第一回转轴17的一端设有所述工件箱3，所述工件箱3上设有一根轴线与所述第一回转轴17的轴线垂直的工件主轴，所述工件主轴的一端设有安装被加工工件的工件承载台4，另一端或中间位置与设于工件箱3中的工件主轴的驱动装置连接；

在所述立柱2上设有一根轴线与所述Y轴方向平行并可绕自身轴线回转的第二直线驱动轴11；所述水平滑台9安装在所述第二直线驱动轴11上，所述第二直线驱动轴11驱动所述水平滑台9沿所述Y轴方向作直线运动；在所述立柱2上设有轴线方向与所述Y轴方向平行的第二导向导轨10，所述水平滑台9通过其一个侧面设置的导向槽与所述第二导向导轨10匹配接触实现沿Z轴方向的支撑定位并提供所述水平滑台沿所述Y轴方向作直线运动的导向；

在所述水平滑台9上设有一根轴线与所述Z轴方向平行并可绕自身轴线回转的第三直线驱动轴8；所述刀具箱6安装在所述第三直线驱动轴8上，所述第三直线驱动轴8驱动所述刀具箱6沿所述Z轴方向作直线运动；在所述水平滑台9上设有轴线方向与所述Z轴方向平行的第三导向导轨7，所述刀具箱6通过其一个侧面设置的导向槽与所述第三导向导轨7匹配接触实现沿Y轴方向的定位并提供所述刀具箱沿所述Z轴方向作直线运动的导向；所述刀具箱6上设有一根轴线与所述第三直线驱动轴8的轴线平行的刀具主轴5，所述刀具主轴5的一端设有安装刀具的刀具座，另一端或中间位置与设于刀具箱6中的刀具主轴的驱动装置连接；在所述第一回转轴箱体19与所述工件箱3之间设有静压辅助支撑13。

2016年12月7日，《一种螺旋锥齿轮加工机床》获得第十八届中国专利优秀奖。 2100433B

螺旋锥齿轮分为两种，一种是弧齿锥齿轮，其大轮轴线和小轮轴线相交；一种是准双曲面螺旋锥齿轮，其大轮轴线和小轮轴线有一定偏置距。生产螺旋锥齿轮世界级公司主要是美国的格里森公司和瑞士的奥利康公司。螺旋锥齿轮因其重叠系数大、承载能力强、传动比高、传动平稳、噪声小等优点广泛应用于汽车、航空、矿山等机械传动领域。我国广泛应用的是格里森齿制的螺旋锥齿轮。因其啮合原理及其复杂，我国从上世纪七十年代组织大批人力物力进行螺旋锥齿轮的相关研究，在此领域的著名学者有曾韬、唐进元、方宗德、吴序堂、王小椿等。

在锥齿轮中，根据轮齿的齿长方向来看，有直齿轮和曲线齿轮。齿长轮廓与节锥面交线为直线的是直齿锥齿轮，如果是一段曲线，则统称为曲线齿轮。螺旋锥齿轮应该是曲线齿锥齿轮的同义语。根据曲线的不同螺旋锥齿轮现行有三种，分属于不同的公司。美国格里森公司设计的准双曲面齿轮（包括圆弧齿锥齿轮），瑞士奥利康公司的延伸外摆线齿轮以及德国克林根贝格的准渐开线齿轮。

简单来说，日美车系都装备格里森制齿轮如BUICK、TOYOTA。而欧洲车系如BENZ、BMW及AUDI则采用奥利康齿轮 。

螺旋锥齿轮是一种可以按稳定传动比平稳、低噪音传动的传动零件，在不同的地区有不同的名字，又叫弧齿伞齿轮、弧齿锥齿轮、螺伞锥齿轮、圆弧锥齿轮、螺旋伞齿轮等。螺旋锥齿轮传动效率高，传动比稳定，圆弧重叠系数大，承载能力高，传动平稳平顺，工作可靠，结构紧凑，节能省料，节省空间，耐磨损，寿命长，噪音小。在各种机械传动中，以螺旋锥齿轮的传动效率为最高，对各类传动尤其是大功率传动具有很大的经济效益；传递同等扭矩时需要的传动件传动副最省空间，比皮带、链传动所需的空间尺寸小；螺旋锥齿轮传动比永久稳定，传动比稳定往往是各类机械设备的传动中对传动性能的基本要求；螺旋锥齿轮工作可靠，寿命长 。

汽车齿轮加工机床可分为圆柱齿轮和锥齿轮加工机床两大类，具有不同的精度水平和适用范围。

圆柱齿轮加工机床按工艺方式可分为滚齿、插齿、剃齿、珩齿、磨齿、挤齿、倒角机床等；锥齿轮加工机床按工艺方式可分为铣齿、刨齿、拉齿、磨齿、研齿、倒角、滚动检验、淬火机床等。中国齿轮加工机床已基本形成了较完整的系列，已开发出技术含量具有国际水准的螺旋锥齿轮六轴数控磨床，但齿轮机床总体制造水平在精度、寿命、稳定性、数控技术应用等方面与欧美相比存在较大差距。