CN109261475B - 一种超声振动辅助加工轴向-弯曲-扭转耦合振动变幅杆 - Google Patents
一种超声振动辅助加工轴向-弯曲-扭转耦合振动变幅杆 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种超声振动辅助加工轴向‑弯曲‑扭转耦合振动变幅杆，包括按顺序依次设置的配合定位段、第一致动器安装段、第二连接件安装段、第二致动器安装段、第三连接件安装段以及刀具齿轮安装段，所述配合定位段和刀具齿轮安装段位于振动变幅杆两端，所述配合定位段用于与机床刀具工作台配合定位，所述刀具齿轮安装段用于安装有刀具齿轮。本设计可实现了轴向、弯曲和扭转的耦合振动，提高了材料的切除效率、刀具的寿命和工件的表面质量，能同步实现齿轮的粗、精加工，且超声振动会产生超声空化作用，使得切削液能够更加深入的渗透到其接触处，进一步降低工件与刀具接触区域的温度，提高工件表面质量及刀具使用寿命。
Description
技术领域
本发明涉及齿轮加工领域，特别是涉及一种超声振动辅助加工轴向-弯曲-扭转耦合振动变幅杆。
背景技术
目前，在圆柱齿轮中，由于圆柱齿轮依据齿形的不一样，分为直齿圆柱齿轮、斜齿轮、螺栓齿轮及双曲线齿轮，其齿形分别为直线，斜线，螺旋曲线，双曲线，刀具与工件的相对运动为一维和二维。插齿加工作为加工齿轮的一种有效方法，如图3所示，插齿加工时，刀具齿轮A上下进给对工件齿轮B进行加工，插齿加工后的齿轮通常需要磨、研或珩等精加工工艺，以提高其表面质量，满足复杂工况下的使用要求。为此，现有技术常使用超声振动辅助齿轮加工，使加工过程中的切削力更小，刀具磨损更低，工件表面质量更好，更高的切除效率等优势，现有的插齿加工研究主要集中在一维超声纵向振动辅助插齿加工中，但由于插齿刀的高度均难以实现在一个超声周期内刀具与工件的完全非接触周期的循坏。在轴向及水平方向的二维超声振动辅助振动加工时，本来运动应该如图4所示，但是由于超声振动幅值、超声振动引起的弯曲变形以及插齿加工中切削力引起的弯曲变形等因素，会造成会如图5所示的几何干涉。
发明内容
本发明旨在至少在一定程度上解决上述技术问题。为此，本发明提出一种能提高齿轮加工效率且改善工件表面质量的超声振动辅助加工轴向-弯曲-扭转耦合振动变幅杆。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种超声振动辅助加工轴向-弯曲-扭转耦合振动变幅杆，包括按顺序依次设置的配合定位段、第一致动器安装段、第二连接件安装段、第二致动器安装段、第三连接件安装段以及刀具齿轮安装段，所述配合定位段和刀具齿轮安装段位于振动变幅杆两端，所述配合定位段用于与机床刀具工作台配合定位，所述第一致动器安装段设置有两个位置相对且用于安装压电致动器的第一安装槽，所述第二连接件安装段用于安装轴套类连接件且截面为多边形，所述第二致动器安装段设置有两个用于安装压电致动器的第二安装槽，两个所述第一安装槽与两个第二安装槽的位置呈十字交叉设置，所述第三连接件安装段设置有第一凹槽，所述第一凹槽用于安装轴套类连接件且环切而成，所述第三连接件安装段设置有绕轴线均匀分布且斜向设置的凹槽孔，所述刀具齿轮安装段用于安装有刀具齿轮。
进一步，所述第二连接件安装段截面为正八边形。
进一步，所述第一凹槽设置有两个且沿轴线间隔设置。
进一步，所述第一致动器安装段到第二致动器安装段直径依次减小。
进一步，所述振动变幅杆的振型节点与两个第一凹槽和第二连接件安装段位置重合。
进一步，所述凹槽孔设置有两组，每组凹槽孔设置有四个且绕轴线均匀分布。
进一步，所述配合定位段呈圆锥状。
进一步，所述第二致动器安装段到第三连接件安装段之间依次设置有延伸段和中间轴段，所述中间轴段在整个振动变幅杆中直径最大。
进一步，所述第三连接件安装段和刀具齿轮安装段之间设置有连接段，所述连接段外圈延伸曲线为高斯曲线且从第三连接件安装段到刀具齿轮安装段直径逐渐变小。
本发明的有益效果是：第二致动器安装段能安装压电致动器产生轴向谐振振动，第一致动器安装段能安装压电致动器产生谐振弯曲振动，且由于凹槽孔的存在，使得振动变幅杆产生扭转非谐振的振动，实现了轴向、弯曲和扭转的耦合振动，提高了材料的切除效率、刀具的寿命和工件的表面质量，能同步实现齿轮的粗、精加工，且超声振动会产生超声空化作用，使得切削液能够更加深入的渗透到其接触处，进一步降低工件与刀具接触区域的温度，提高工件表面质量及刀具使用寿命，再加上振动变幅杆的弯曲刚度足够，减少拉刀的横向振动，减少了横向振动会引起刀具偏离预定的路径，避免几何干涉，避免了当刀具从未切落的材料上退回时刀具撞到工件的可能性。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1是本发明结构示意图；
图2是本发明安装状态结构示意图；
图3是插齿加工示意图；
图4是超声辅助振动非加工周期示意图；
图5是超声辅助振动非加工周期干涉示意图；
图6是振动变幅杆扭转非谐振振动产生原理示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明。
参照图1至图6，本发明的一种超声振动辅助加工轴向-弯曲-扭转耦合振动变幅杆，包括按顺序依次设置的配合定位段1、第一致动器安装段2、第二连接件安装段3、第二致动器安装段4、第三连接件安装段5以及刀具齿轮安装段6。第一致动器安装段2、第二致动器安装段4、第三连接件安装段5以及刀具齿轮安装段6均呈圆柱状。
本振动变幅杆的材料采用钛合金，工作频率内材料损耗少，抗疲劳强度高，声阻抗率小，可以承受较大的振动速度和位移振幅。阶梯形状的振动变幅杆在截面突变处有很大的应力集中，接近突变处容易发生因疲劳而断裂的问题，故在突变处采用高斯曲线及圆弧、锥线过渡，能够降低应力集中值，同时使得振动变幅杆的实际谐振频率接近理论值。本振动变幅杆通常不是直接与机床刀具工作台连接，而是通过一个中间连接件进行连接，具体地，如图2所示，振动变幅杆安装在第一连接件7上，第一连接件7材质为高锰钢，其外圈为正六面体或圆柱体，第一连接件7与机床刀具工作台连接，其外圈形状以及连接方式随着机床刀具工作台不同而不一样，机床刀具工作台的进给和移动带动振动变幅杆上的刀具齿轮61对工件进行加工。所述第一连接件7设置有内腔71，内腔71沿其外圈轴线延伸。振动变幅杆插装在内腔11内，其轴线与第一连接件7外圈或内腔71的轴线重合。内腔71的截面为多边形，用于传递和承受扭转力矩，优选地，内腔71截面为正六边形，当外界条件一定时可以保持其刚性最大。
下面具体介绍振动变幅杆各部分的结构和作用。
所述配合定位段1和刀具齿轮安装段6位于振动变幅杆两端，刀具齿轮安装段6用于安装刀具齿轮61，刀具齿轮6安装在刀具齿轮安装段6的外端处，且刀具齿轮61安装处为振动变幅杆的振幅最大处。
所述配合定位段1用于与机床刀具工作台配合定位，具体地，配合定位段1通过与第一连接件1配合实现与机床刀具工作台的配合定位。所述配合定位段1与内腔71底部配合相连，优选地，所述内腔71底部设置有圆形凹槽，圆形凹槽处安装有第三垫片72，所述第三垫片72外端设置有圆锥形凹槽，所述配合定位段1呈圆锥状且与圆锥形凹槽匹配，圆锥的锥度为1:12，配合定位段1插入安装在圆锥形凹槽内，配合定位段1和第三垫片72用于传递和承受轴向载荷，第三垫片72材料为玻璃纤维与PET按照夹心层结构复合而成，中间为PET，内外为玻璃纤维。
所述第一致动器安装段2设置有两个位置相对且用于安装压电致动器的第一安装槽，振动变幅杆装配使用时，第一致动器安装段2会在两个第一安装槽内各安装一个第一压电致动器21，两个的第一安装槽和第一压电致动器21设置在靠近第二连接件安装段3的端部处且在Z向上间隔设置，第一压电致动器21通过螺栓连接在第一致动器安装段2，第一压电致动器21用于实现振动变幅杆的谐振弯曲振动。
所述第二连接件安装段3用于安装轴套类连接件且截面为多边形，振动变幅杆装配使用时，所述第二连接件安装段3与内腔71内壁之间会安装第二连接件31，所述第二连接件31截面的外圈为与内腔71匹配的多边形，所述第二连接件31截面内圈和第二连接件安装段3截面为相互匹配的多边形，截面为非圆形，可传递扭矩。所述第二连接件31与第一连接件7固定连接，优选地，所述第二连接件31截面内圈和第二连接件安装段3的截面为正八边形，第二连接件31的截面外圈为正六边形。第二连接件和第一连接件1的连接方式优选为，所述第二连接件31与第一连接件7设置有相应的螺栓孔以通过螺栓连接固定并预紧，螺栓具体设置有三个，第二连接件31的螺栓孔为盲孔，所述第二连接件31与第二连接件安装段3之间安装有适配的第一垫圈。第一垫圈截面为正八边形，其由玻璃纤维与PET按照夹心层结构复合而成，中间为PET，内外为玻璃纤维，具有高弹性模量且具有一定的润滑作用，在振动变幅杆反复扭转的过程中，不易产生疲劳破坏。
所述第二致动器安装段4设置有两个用于安装压电致动器的第二安装槽，两个所述第一安装槽与两个第二安装槽的位置呈十字交叉设置，振动变幅杆装配使用时，所述第二致动器安装段4会在两个第二安装槽内各安装一个与之适配的第二压电致动器41，第二压电致动器41在X向上间隔设置，第二压电致动器41用于实现振动变幅杆的轴向谐振的振动，两个所述第一压电致动器21与两个第二压电致动器41十字交叉设置，且交叉点在轴线上。所述第二连接件安装段3和第二致动器安装段4组成一个阶梯轴，第一致动器安装段2到第二致动器安装段4直径依次减小，第二压电致动器41安装入第二安装槽后，其外圈设置有卡簧42夹紧固定，所述卡簧42靠近第二连接件安装段3的外周设置有台阶，所述台阶面呈正六面体并与第二连接件安装段3组成能匹配安装第二连接件31的第二凹槽，这样第二连接件31有一部分安装在卡簧42的台阶上，相当于对卡簧42有夹紧固定的作用，使得第二压电致动器41固定更加稳固，而卡簧42的台阶又对第二连接件31具有限位作用。
所述第三连接件安装段5设置有第一凹槽51，所述第一凹槽51用于安装轴套类连接件，第一凹槽51由绕轴线环切而成，第一凹槽51底面为圆柱面，所述第一凹槽51与内腔71外壁之间可安装第三连接件511，所述第三连接件511与第一连接件7固定连接，所述第三连接件511截面的外圈为与内腔71匹配的多边形，即正六边形，第三连接件511与第一凹槽51之间设置有圆形垫圈。上述第二连接件31、第三连接件511、第一垫圈、圆形垫圈以及卡簧42均由高弹性模量的材料制成，通过变形卡装进振动变幅杆上。
所述第三连接件511截面内圈为与第一凹槽51匹配的圆形，优选地，所述第一凹槽51和第三连接件511对应设置有两个且沿轴线间隔设置。第二连接件31和第三连接件511的安装位置优选地，所述振动变幅杆的振型节点与第二连接件31和两个第三连接件511的位置重合，即所述振动变幅杆的振型节点与两个第一凹槽51和第二连接件安装段3位置重合。刀具齿轮3则安装在振动变幅杆末端的弯曲振动幅值最大处。安装时，第二连接件31与其中一个第三连接件511旋转180°，两个第三连接件511之间角度差为180°，主要是尽可能的减少由于安装连接件造成的动不平衡质量。
所述第三连接件安装段5设置有绕轴线均匀分布且斜向设置的凹槽孔52，所述第三连接件安装段5设置有绕轴线均匀分布且斜向设置的凹槽孔52，所述凹槽孔52设置有两组，每组凹槽孔52设置有四个且绕轴线均匀分布。凹槽孔52长度与第三连接件安装段5的长度一致，凹槽孔52与轴线的夹角为30度。
本实施例中，不同段的连接处均采用最佳的圆弧过渡，圆弧过渡的半径由连接处相邻两段横截面的尺寸及振动放大系数决定。为了刀具齿轮处的振动能达到良好的效果以及尽可能保证轴向振动的传递，所述第二致动器安装段4到第三连接件安装段5之间依次设置有延伸段81和中间轴段8，所述中间轴段8在整个振动变幅杆中直径最大，延伸段81和中间轴段8的长度具体根据实际需求进行调整。在承受交变力时，部分力将驱动振动变幅杆做扭转运动，由于凹槽孔52结构，第三连接件安装段5的扭转刚度缩小到了延伸段81的扭转刚度的1/8以下，有助于产生扭转振动，同时轴向刚度也变小用于产生轴向振动。
所述第三连接件安装段5和刀具齿轮安装段6之间设置有连接段9，所述连接段9外圈边缘的延伸曲线为高斯曲线且从第三连接件安装段5到刀具齿轮安装段6直径逐渐变小。主要用于在将轴向振动与弯曲振动达到很高的振动速度，满足在高效的粗加工、精加工各类圆柱齿轮时的高振动速度要求，使其在一定振动周期内具有更快的振动速度，提高了工件表面质量，包括表面粗糙度及残余应力等。
所述第一压电致动器21和第二压电致动器41分别与超声波发生器通过电线连接，振动频率信号的传递通过无线发射器与无线接收器传递，并由编码机构编码和解码，压电致动器具体为超声换能器，将超声波发生器产生的超声频电能转换成超声振动的机械能。
本文中X向为图1视角的上下方向，Y向为振动变幅杆的轴线方向，Z向为与图1视角平面垂直的方向，X、Y、Z互相垂直。
振动变幅杆在x向的一对第二压电致动器41的作用下，产生轴向振动，并通过第三连接件安装段5将轴向振幅值放大，及通过连接段9将振动速度放大，增加了轴向振动的速度和幅值，方向与切削速度在同一水平线上，产生的超声空化作用更加明显，切削液能够更加深入的渗透到其接触处，进一步降低工件与刀具接触区域的温度，提高工件表面质量及刀具使用寿命。
振动变幅杆在z向布置的一对第一压电致动器21的作用下，产生弯曲振动振型，在刀尖上以x方向体现出来，即切削加工的切屑厚度方向。并经过第三连接件安装段5和连接段9的放大作用，在刀尖形成更快的x向振动速度与振幅。
振动变幅杆在受到切削力时，由于切削过程的振动造成了切削厚度变化，导致了切削力的交替变化，第三连接件安装段5受到切削力后，由于凹槽孔52的作用，改变了切削力的传递路径，切削力会造成振动变幅杆的扭转运动，交替改变的切削力造成了振动变幅杆的反复扭转运动，实现了非谐振的扭转振动。力的传递路径具体如图6所示。此振动变幅杆可用于超声振动辅助加工各类曲面中，也可以用于铣削加工中。
超声振动会产生超声空化作用，即切削过程中刀具与材料接触处气压的改变，使的切削液能够更加深入的渗透到其接触处，进一步降低工件与刀具接触区域的温度，提高工件表面质量及刀具使用寿命。在z方向上，在一定的拉削加工速度下，以相对较低的z向振动速度进行加工有助于进一步提升在周期内加工与不加工周期的循坏。且由于振动变幅杆的特定结构(特定结构包括应力沿杆件均匀分布的高斯型结构)，获得了高位移振幅；再加上整体弯曲刚度足够，减少拉刀的横向振动，减少了横向振动会引起刀具偏离预定的路径，避免了当刀具从未切落的材料上退回时刀具撞到工件的可能性。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而并非对其进行限制，凡未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明技术方案的范围内。
Claims (9)
1.一种超声振动辅助加工轴向-弯曲-扭转耦合振动变幅杆，其特征在于：包括按顺序依次设置的配合定位段(1)、第一致动器安装段(2)、第二连接件安装段(3)、第二致动器安装段(4)、第三连接件安装段(5)以及刀具齿轮安装段(6)；
所述配合定位段(1)和刀具齿轮安装段(6)位于振动变幅杆两端，所述刀具齿轮安装段(6)用于安装有刀具齿轮，所述配合定位段(1)用于与机床刀具工作台配合定位；
所述第一致动器安装段(2)设置有两个位置相对且用于安装压电致动器的第一安装槽，所述第二连接件安装段(3)用于安装轴套类连接件且截面为多边形；
所述第二致动器安装段(4)设置有两个用于安装压电致动器的第二安装槽，两个所述第一安装槽与两个第二安装槽的位置呈十字交叉设置，所述第三连接件安装段(5)设置有第一凹槽(51)，所述第一凹槽(51)用于安装轴套类连接件，所述第三连接件安装段(5)设置有绕轴线均匀分布的凹槽孔(52)。
2.根据权利要求1所述的超声振动辅助加工轴向-弯曲-扭转耦合振动变幅杆，其特征在于：所述第二连接件安装段(3)截面为正八边形。
3.根据权利要求1所述的超声振动辅助加工轴向-弯曲-扭转耦合振动变幅杆，其特征在于：所述第一凹槽(51)设置有两个且沿轴线间隔设置。
4.根据权利要求1所述的超声振动辅助加工轴向-弯曲-扭转耦合振动变幅杆，其特征在于：所述第一致动器安装段(2)到第二致动器安装段(4)直径依次减小。
5.根据权利要求3所述的超声振动辅助加工轴向-弯曲-扭转耦合振动变幅杆，其特征在于：所述振动变幅杆的振型节点与两个第一凹槽(51)和第二连接件安装段(3)位置重合。
6.根据权利要求1所述的超声振动辅助加工轴向-弯曲-扭转耦合振动变幅杆，其特征在于：所述凹槽孔(52)设置有两组，每组凹槽孔(52)设置有四个且绕轴线均匀分布。
7.根据权利要求1所述的超声振动辅助加工轴向-弯曲-扭转耦合振动变幅杆，其特征在于：所述配合定位段(1)呈圆锥状。
8.根据权利要求1所述的超声振动辅助加工轴向-弯曲-扭转耦合振动变幅杆，其特征在于：所述第二致动器安装段(4)到第三连接件安装段(5)之间依次设置有延伸段(81)和中间轴段(8)，所述中间轴段(8)在整个振动变幅杆中直径最大。
9.根据权利要求1所述的超声振动辅助加工轴向-弯曲-扭转耦合振动变幅杆，其特征在于：所述第三连接件安装段(5)和刀具齿轮安装段(6)之间设置有连接段(9)，所述连接段(9)外圈延伸曲线为高斯曲线且从第三连接件安装段(5)到刀具齿轮安装段(6)直径逐渐变小。
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