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Fellows 齿轮刨刀(美国专利 579,708):3D 模型
已翻译
3DBonanza

创建者

3DBonanza

1. 十月 2026US
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Fellows 齿轮刨刀(美国专利 579,708):3D 模型

来自 Edwin R. Fellows 齿轮刨床专利 US 579,708(1897 年)的七个 3D 模型:图 11 中的齿轮刨刀,用于切削 40 齿齿轮和 60 齿内齿圈;图 20 中的链轮刨刀及其链轮;以及图 21 中的四叶刨刀及其切削的方棒。

每个模型都有各自的步骤,位于对其进行说明的步骤之后。最后一步介绍如何打印全部七个模型。

中级
打印需要数小时;切片软件会显示确切时间

说明

1

图11中的刀具

Fellows 刀具 c 是“一个由淬火钢制成的齿轮状刀体”,具有交替排列的凸起 2 和凹槽 3。凸起的端部形成一系列金属刨削齿。其外端 4 “略微凹陷或斜切”,因此每个齿的切削角略呈锐角,从而产生前角。后角来自刀具轴线相对于工件轴线的倾斜,而不是来自齿的后面让刃,因此齿呈直线形。在图11中,刀体与锥形柄为一体结构,并且在其切削端具有一个锥形空腔。
2

用于3D的齿轮刨刀(图11)

其比例按图11缩放。专利未给出尺寸,因此齿数、模数和压力角为设定的标准取值。它是展示和教学模型,并非可实际使用的工具。

在查看器中旋转刀具,观察凹陷的切削面和锥形空腔。该模型在FreeCAD中依据精确的渐开线齿形建成,并保存为一个整体连接的 .blend 网格。可在免费的Blender中打开。

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3

切刀是如何加工出这些齿的

在 Fellows 的机器中,毛坯"与切刀同步逐步旋转",而切刀则往复横越毛坯,每一次行程都会切去一点金属。他的专利说明书列出了结果:"切刀会生成毛坯上每个被切齿的曲线形状,因此每个被切齿在理论上都是正确的",以及"对于任一给定齿距,一种尺寸的切刀即可切削任意尺寸的齿轮"。本模型也以同样方式制作。24 齿切刀在 105 mm 毛坯周围滚动一整圈,共经过 2,400 个位置,每个位置都从毛坯中减去一次。
4

3D 中的 40 齿齿轮切削结果

没有一个齿是手工绘制的。齿面呈真正的渐开线,刀具的刀尖在齿根处留下了一个弧形圆角,与真实成形齿轮一致。齿数、齿宽和孔径均为设定选择;专利未给出任何尺寸。

在查看器中旋转齿轮,观察每个齿面与齿根相交处的曲线。这条曲线是由刀尖形成的,并非有人绘制。该模型在 FreeCAD 中建成,并保存为一个整体相连的 .blend 网格,可在免费的 Blender 中编辑。

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5

一把刀具,内外皆可

Fellows的规格说明:“同一把刀具可以同样轻松、准确地切削外齿轮或内齿轮。这是一个重要优势,因为目前使用的任何齿轮切削机床都很难正确切削内齿轮。”为制作此模型,已发布的24齿刀具在一个环形毛坯内滚动了一整圈,共3,600个位置,并在每个位置进行了减除运算。在环形件内部,刀具与毛坯的转动方向相同。
6

60齿内齿圈,3D 模型

Fellows 将此列为他的机器的优势之一:同一把刀具既能切削内齿,也能切削外齿。齿侧面呈现出真正的内渐开线形状。齿数、轮缘和齿宽均为明确选定的参数;该专利未给出具体尺寸。

在查看器中旋转齿圈,观察其内侧的齿。这些齿是由刀具范成生成的,而非手工绘制。该模型使用 FreeCAD 建成,并保存为一个整体连接的 .blend 网格文件,可在免费的 Blender 中编辑。

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7

图20中的刀具

Fellows:“在图20中,我展示了一把形状为c3、用于切削链轮的刀具,其齿比相邻的凹槽更长。”图中显示c3从其切削端部位置观察,在其刀臂上沿链轮轮缘滚动。轮缘的较早齿已经成形,而刀具前方的那一齿正在被展成形。切削齿轮轮齿的同一机床与同一滚动运动也可用于切削链轮齿,只是刀具的轮廓发生了变化。
8

链轮式切刀(图20)的三维模型

如他在文中所说,它有七个宽齿,齿间是较窄的凹槽:“齿比相邻的凹槽更长。”专利未给出该切刀的任何尺寸,也没有数学齿形,因此其轮廓是依据专利附图描摹的。齿后的刀体因此是一种假设:刀柄、中空结构和凹陷的端面均复制自图11的齿轮切刀。它是一个展示与教学模型,而非可实际使用的工具。

在查看器中旋转该切刀,观察其切削面。七个齿遵循Fellows本人的轮廓:它是依据专利附图描摹的,而非重新绘制。它在FreeCAD中建成,并保存为一个整体连接的.blend网格,可在免费的Blender中编辑。

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9

图20显示了什么,以及测量了什么

图20显示了刀具c3在臂上的链轮轮缘上滚动切削的情况。轮缘的一个齿已加工完成,另一个位于刀具的凹槽中,虚线标示出切削前的下一个齿。在刀具比例的300 dpi扫描图上测量:两相邻绘制齿之间的夹角约为20.5至21.0度(相对于轮缘中心),取决于每个齿中心的取法,由此得出17.2至17.6个齿。17齿和18齿均已生成并与绘制的齿进行拟合。18齿轮更为吻合:其到绘图的中位距离为1.0 mm,而17齿为1.4 mm。刀具中心距轮中心119.4 mm。未切削轮缘表面的半径为93.6 mm。依据这些数据,刀具滚切所得齿根半径为81.95 mm,而绘图中的齿根线为82.26 mm。
10

齿轮的齿形,三维呈现

其齿数、中心距和轮缘均取自图纸上的测量数值。图纸仅显示轮缘和一根断裂的辐条,因此辐条数量、轮毂、孔径和厚度为设定值。

可在查看器中旋转该齿轮。其十八个齿是通过让图 20 中的刀具沿轮缘滚切而成,并非直接绘制。将其叠加到 Fellows 的图纸上后,它们与他绘制的成品齿、刀具凹槽中的齿以及他的虚线轮廓相吻合。模型在 FreeCAD 中建立,并保存为一个整体的 .blend 网格,可在免费的 Blender 中编辑。

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11

图21中的刀具

Fellows:“在图21中,我展示了一把切削刀c',其具有弯曲的齿或凸起,形状使其在被加工的毛坯上形成四个平面c2。”图中将c'画成四个圆润的凸瓣,在尖点处相交,与带有四个面(标记为c2)的方形毛坯相互啮合转动。箭头表示两者沿相反方向转动,犹如一对啮合齿轮:四个凸瓣对应四个面,一转对应一转。同样的滚动运动在此既能生成齿轮的齿,也能生成一个方形。”
12

图纸测量的内容,以及模拟的发现

在300 dpi扫描图上测得:四个凸瓣两两相隔90度,误差约1度,每个凸瓣都是真正的圆弧。圆弧半径为116.7 px,圆心距轴心110.9 px,圆弧拟合误差在0.11 px以内。所绘正方形的边长为292.4 px。在模拟中以1:1比例使该刀具沿圆形毛坯滚动,可检验这一论断。它确实能切出四个面,但每个面都略微向内凹陷,凹陷量约为其宽度的2%,因此它们近似为平面,而并非严格的平面。在图纸所示的中心距(381 px)下,凸瓣无法触及所绘正方形的各个面,结果面积比图纸大13%。当中心距缩短2.8%(370.25 px)时,该刀具所切出的正方形面积与Fellows正方形的面积相差在2.5%以内。图纸与实际十分接近,但并不精确。
13

图 21 所示四叶刀具的三维模型

尺寸为设定的选择。图 21 仅显示刀具的切削端,因此刀叶后方的刀体复制自图 11 的齿轮刀具。

在查看器中旋转刀具并观察其切削面。四个刀叶是按 Fellows 比例绘制的四个圆。该模型使用 FreeCAD 制作,并保存为一个合并的 .blend 网格,可用免费的 Blender 编辑。

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切方形的方法

图21显示刀具c'正对一个四面都标有c2的方坯旋转。四个凸角与四个面相接,因此两者一对一地、沿相反方向转动。为制作此模型,将从图纸上描下的刀具在圆形坯料上滚动一整圈。坯料半径取所绘方形的半对角线长度。刀具的每个位置都被减去。所用中心距是最能还原Fellows所绘方形的那个,比图纸所示短2.8%,该数值取自刀具自身的蓝图。
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方条在三维中的切割效果

研究者称这些面为“平面”。模拟显示它们非常接近平面:在47.6 mm的面上,每个面大约有1 mm的平缓起伏。条材的长度是人为设定的,因为图21仅显示其横截面。

在查看器中从端部观察该条材。每个面都非常接近笔直,只有四个凸瓣留下的平缓波纹。滚动运动切割了每个面,但没有任何一个面被绘制出来。它在FreeCAD中建模,并保存为一个整体相连的.blend网格,可在免费的Blender中编辑。

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16

打印它们

三把刀具:将每把刀具以切削面朝下、柄部朝上放置。凹面几乎是水平悬空的,且空腔有一个24 mm的平顶,因此需要从构建平台生成支撑后打印。真正的刀具是淬火钢材质的。

40齿齿轮:将其一个端面平放。无需支撑。两个副本以100 mm中心距啮合时没有齿顶间隙也没有齿侧间隙,不留任何打印公差的余量,因此打印出的一对齿轮仅用于研究齿形。

内齿圈:将其一个端面平放。无需支撑,但打印平台对角尺寸至少需为180 mm。由于上述干涉问题,按图纸所示它不能作为40齿齿轮的工作齿圈。

链轮:将其一个端面平放。无需支撑,但打印平台对角尺寸至少需为187 mm。

方棒:将其一端竖直放置。无需支撑。用直尺横跨某个面,可以看到刀具切削留下的轻微波纹。

PLA 用于展示模型即可。

此步骤所需材料:

PLA 线材PLA 线材1 套件

所需工具:

3D 打印机3D 打印机

材料

1

所需工具

2

设计文件

7
  • fellows-gear-shaper-cutter.blendBLEND
    1 ADA
  • fellows-generated-gear.blendBLEND
    1 ADA
  • fellows-internal-ring-gear.blendBLEND
    1 ADA
  • fellows-sprocket-cutter.blendBLEND
    1 ADA
  • fellows-generated-sprocket.blendBLEND
    1 ADA
  • fellows-square-cutter.blendBLEND
    1 ADA
  • fellows-generated-square-bar.blendBLEND
    1 ADA

CC0 公共领域

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