CN109332820B - 一种超声振动加工齿轮齿面形貌加工及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超声振动加工齿轮齿面形貌加工及控制方法，首先初步确定刀具的切削参数的取值范围；在切削参数取值范围内选择一些切削深度及转速；根据柔性件的参数和工件要求的表面形貌通过计算得出切削深度h和每齿进给量f_z；再对切削深度h和每齿进给量f_z进行判断和调整，符合要求后，便按照上述切削参数进行加工，在加工过程中，机床系统给刀具施加超声振动。本发明通过引入柔性件，能够有效避免在机床多自由度下的模态特性的干扰，通过优化切削参数，可得到满足工件要求的表面形貌，超声振动则可切除毛刺，形成光滑的表面形貌。

Description

一种超声振动加工齿轮齿面形貌加工及控制方法

技术领域

本发明涉及齿轮机械加工领域，特别是涉及一种超声振动加工齿轮齿面形貌加工及控制方法。

背景技术

目前，在切削加工的零件中，表面质量是工件的使用性能一个重要指标。为了满足一些重要的结合面或相对滑动面的使用要求，通常会对工件的表面粗糙度、残余应力、硬度等指标提出要求。但对使用工况复杂的高性能齿轮的表面质量中，传统的表面质量要求已不能满足要求，对工件齿面形貌提出了更高的要求，这是由于工件表面形貌对传动过程中的摩擦及传递层的形成中有决定性影响，不合适的齿面形貌会严重影响工件表面的性能，如图1所示，刀具切削刃与工件接触中会存在毛刺或残留高度，使工件表面形成非光滑的表面形貌。

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，本发明提出一种能准确获得预期工件表面形貌且表面光滑的超声振动加工齿轮齿面形貌加工及控制方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种超声振动加工齿轮齿面形貌加工及控制方法，包括如下步骤：

A、依据对齿轮加工过程中加工效率的要求，初步确定刀具的切削参数的取值范围，即刀具的转速、切削深度和每齿进给量的取值范围；

B、依据表面粗糙度的要求，调整步骤A中的每齿进给量使其满足表面粗糙度要求；

C、在步骤A中的切削参数取值范围内选择多组切削深度a_i及转速r_i；

D、依据步骤C选取的切削参数，再根据刀具的刀齿数n，得到切削参数引起的激励频率w_i，w_i＝r_i·n；

E、依据机床的模态函数Φ_k(w)，从多组激励频率w_i中筛选出能避开机床模态的激励频率w_c，激励频率w_c对应的切削参数转速为r_c；

F、将工件要求的表面形貌，通过表面形貌分析设备拟合成函数Φ_C；

G、依据激励频率w_c，设定柔性件的固有频率为w₁，所述柔性件固定在机床的工作台上，工件则连接在柔性件上进行加工，通过计算获得柔性件的刚度K₁、阻尼系数C₁和质量M₁；

H、依据机械振动理论，建立动力学模型，获得切削力f₁(T)，再通过切削力模型得出切削深度h和每齿进给量f_z；

I、若切削深度h符合步骤C的取值范围，每齿进给量f_z符合步骤B的取值范围，则按照切削深度h、每齿进给量f_z和转速为r_c的切削参数对工件进行加工，若切削深度h或每齿进给量f_z在步骤A和步骤C的取值范围外，则在保证切削力不变的前提下，修改切削深度和每齿进给量，直到符合要求再按照符合要求的切削参数对工件进行加工；

J、刀具按照步骤I中符合要求的切削参数进行加工的同时，在五轴铣削加工机床上增加一套超声振动辅助加工系统及柔性件，其中超声振动辅助加工系统与机床主轴连接，柔性件固定连接在工作台上，工件固定在柔性件的一端，采用球头铣刀加工工件的表面形貌，超声振动辅助加工系统给刀具施加超声振动，通过刀具超声振动的挤压作用切除工件表面的残留高度并改变工件表面波纹，形成光滑的表面形貌。

进一步，所述步骤C中的切削深度a_i及转速r_i是根据机床的模态、工件的材料特性、切削力系数，通过颤振稳定性分析理论得出的。

进一步，所述步骤E中，激励频率w_c选取范围在机床相邻频率的中间区域。

进一步，所述步骤H中，动力学模型如下：

M₁为切削系统等效质量；

C₁(T)为切削加工系统等效阻尼系数；

K₁(T)为切削加工系统等效刚度；

x₁(T)表示振动位移函数，与工件要求的表面形貌为Φ_C一致；

T表示时间。

进一步，所述步骤G中，柔性件的固有频率w₁的限定范围为[0.9w_c，1.1w_c]。

进一步，所述柔性件的刚度K₁、阻尼系数C₁和质量M₁是通过有限元计算获得。

进一步，所述机床模态函数Φ_k(w)通过如下方式获得，首先建立机床的三维模型，通过有限元计算在切削力的激励下获得机床在不同阶下的振型图，依据振型图，选择位移相对较大的位置布置加速度传感器；并在机床切削处工件端或刀具端，通过激振器施加激励力，通过信号采集及分析系统获得机床的模态函数Φ_k(w)。

进一步，所述机床系统给刀具施加的振动为轴向-弯曲-扭转耦合振动。

本发明的有益效果是：本发明通过分析机床动态特性对实际加工面偏离理想加工面的影响，引入柔性件，并以工件要求的表面形貌为基础振幅目标，在柔性件某阶频率附近进行激励，能够有效避免在机床多自由度下的模态特性的干扰；超声振动则在切削过程中增加了刀具在不同方向下的微小振动，通过挤压作用切除毛刺，形成光滑的表面形貌。并在机床控制系统的作用下，可以调节超声振动的频率和振幅，形成不同的波纹度的表面形貌，满足不同表面形貌的要求，最终在振动和刀具进给的作用下工件获得准确的预期表面形貌。

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是工件加工后的表面形貌及其毛刺示意图；

图2是工件超声振动加工的表面形貌示意图；

图3是切削加工稳定区域图。

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。

本发明的一种超声振动加工齿轮齿面形貌加工及控制方法，包括如下步骤：

A、依据对齿轮加工过程中加工效率的要求，初步确定刀具的切削参数的取值范围，即刀具的转速、切削深度和每齿进给量的取值范围。加工效率是由切削参数决定的，为切削速度、切削深度、每齿进给量的乘积。切削速度则由刀具的直径和转速决定，即刀具的周长和转速的乘积。

B、依据表面粗糙度的要求，调整步骤A中的每齿进给量使其满足表面粗糙度要求。在铣削加工中，降低每齿进给量的值能够显著降低表面粗糙度的值，提高表面质量，相对于其它切削参数，每齿进给量对工件表面粗糙度影响较大。例如在一种机床通过试验数据拟合的方式建立了表面粗糙度与切削参数的关系如下：

Ra＝f(fz，ap，v)＝-2.0522+27.8856fz+8.059a_p-0.001v

可根据该公式和表面粗糙度的要求去调整相应的切削参数。

C、在步骤A中的切削参数取值范围内选择多组切削深度a_i及转速r_i；

D、依据步骤C选取的切削参数，再根据刀具的刀齿数n，得到切削参数引起的激励频率w_i，w_i＝r_i·n；

E、依据机床的模态函数Φ_k(w)，从多组激励频率w_i中筛选出能避开机床模态的激励频率w_c，激励频率w_c对应的切削参数转速为r_c；

F、将工件要求的表面形貌，通过表面形貌分析设备拟合成函数Φ_C；

G、依据激励频率w_c，设定柔性件的固有频率为w₁，所述柔性件固定在机床的工作台上，工件则连接在柔性件上进行加工，通过计算获得柔性件的刚度K₁、阻尼系数C₁和质量M₁；

H、依据机械振动理论，建立动力学模型，获得切削力f₁(T)，再通过切削力模型得出切削深度h和每齿进给量f_z；

I、若切削深度h符合步骤C的取值范围，每齿进给量f_z符合步骤B的取值范围，则按照切削深度h、每齿进给量f_z和转速为r_c的切削参数对工件进行加工，若切削深度h或每齿进给量f_z在步骤A和步骤C的取值范围外，则在保证切削力不变的前提下，修改切削深度和每齿进给量，直到符合要求再按照符合要求的切削参数对工件进行加工；

J、刀具按照步骤I中符合要求的切削参数进行加工的同时，在五轴铣削加工机床上增加一套超声振动辅助加工系统及柔性件，其中超声振动辅助加工系统与机床主轴连接，柔性件固定连接在工作台上，工件固定在柔性件的一端，采用球头铣刀加工工件的表面形貌，超声振动辅助加工系统给刀具施加超声振动，通过刀具超声振动的挤压作用切除工件表面的残留高度并改变工件表面波纹，形成光滑的表面形貌。

其中所述机床模态函数Φ_k(w)通过如下方式获得，首先建立机床的三维模型，通过有限元计算在切削力的激励下获得机床在不同阶下的振型图，依据振型图，选择位移相对较大的位置布置加速度传感器；并在机床切削处工件端或刀具端，通过激振器施加激励力，通过信号采集及分析系统获得机床的模态函数Φ_k(w)(不同激励频率下的位移)和固有频率W_k：

Φ_k(ω)，k＝1，2，…，n，表示第k阶振型，

ω_k，k＝l，2，…，n，表示第k阶固有频率。

切削的激励频率越靠近机床的各阶固有频率，切削加工中机床的响应会达到局部峰值，越容易导致切削加工发生异常振动，如自激振动、受迫振动，并导致一系列的负面后果，如表面粗糙度降低，刀具磨损增加等。步骤E中选定的激励频率远离机床的各阶固有频率，则会降低刀具发生异常振动的可能性。模态函数Φ_k(w)是描述在激励频率下机床的响应关系。

其中，优选地，所述步骤C中的切削深度a_i及转速r_i是根据机床的模态、工件的材料特性、切削力系数，通过颤振稳定性分析理论得出的，或者得出最后的多组符合要求的切削参数后，再根据机床的模态、工件的材料特性、切削力系数，通过颤振稳定性分析理论对其进行筛选，这只是个先后问题。具体筛选如图3所示，图中曲线为临界线，曲线之上为非稳定区域，曲线下为稳定区域，纵坐标为切削深度，单位为m，横坐标为转速，单位为转/分钟。

所述步骤E中，激励频率w_c选取范围在机床相邻的各阶固有频率的中间区域，这样能最大避开机床的各阶固有频率，减小机床的响应。

步骤G中所述柔性件的刚度K₁、阻尼系数C₁和质量M₁是通过有限元计算获得，柔性件的固有频率w₁的限定范围为[0.9w_c，1.1w_c]，柔性件的固有频率W₁在激励频率W_C附近。机床有很多个组件，这导致了机床有很多个自由度，在获得机床的模态参数后(不同激励频率下的位移/加速度响应)，其在某一阶都有多个固有频率，在激励频率下会有多种可能性，即刀具与工件的相对运动产生的表面形貌有不同类型，难以实现控制。将柔性件安装在工作台，工件与柔性间连接，当以切削加工产生的激励频率靠近柔性件模态频率附近的频率时，切削加工产生的激励频率将以柔性件的响应为刀具与工件的确定的相对运动，避开了机床多模态的干扰。实现了表面形貌的准确加工。

步骤H中，切削深度h和每齿进给量f_z的计算过程如下，依据机械振动理论,建立高速切削加工工件与刀具相对运动动力学模型：

M₁为切削系统等效质量；

C₁(T)为切削加工系统等效阻尼系数；

K₁(T)为切削加工系统等效刚度；

x₁(T)表示振动位移函数，与工件要求的表面形貌为Φ_C一致；

T表示时间。

另外x₁(T)和f₁(T)均由x、y、z互相垂直的三个方向的分量组成。

刀具切削面t-r-a坐标切削力与x-y-z坐标切削力的关系如下：

其中，θ₁和β₁分别为由刀具切削面t-r-a坐标向坐标系x-y-z转换时，切削面坐标绕a轴的旋转角度及绕t轴的旋转角度；A_3-r表示刀具切削面t-r-a坐标饶a轴的旋转θ₁角度的转换矩阵，r表示切削加工的径向；A_r-a表示刀具切削面t-r-a坐标绕a轴的旋转θ₁角度旋转后的坐标系绕t轴的旋转β₁角度的坐标转换矩阵；Fx表示x方向切削力；Fy表示y向切削力，Fz表示z向切削力；

通过超声振动辅助加工切削力试验，拟合切削力与切削深度之间的关系，获得超声振动辅助加工切削力系数，获得1组或多组不同切削参数下切向、径向、轴向超声振动辅助加工切削力系数：

K_t,K_r,K_a，其中，K_t表示切向力系数；K_r表示径向力系数；K_a表示轴向力系数；t表示切向，r表示径向，a表示轴向；

根据高速切削加工瞬时刚性力模型建立切削力模型：

F_t＝K_t·h·f_z

F_r＝K_r·h·f_z

F_a＝K_a·h·f_z

其中，F_t表示切向切削力，F_r表示径向切削力,F_a表示轴向切削力，h为切削厚度；z表示工件坐标系x-y-z的z方向。

根据上述切削力模型和已知的切削力及切削力系数，可获得切削深度h和每齿进给量f_z的乘积。而在步骤C中选取的切削深度a_i及转速r_i，其中切削深度a_i为一段取值范围，根据切削深度和每齿进给量的乘积可以得到一系列的符合要求的切削深度、每齿进给量以及与其对应的转速r_c，得到的参数都要满足步骤A中的加工效率要求和步骤B中粗糙度要求。再通过图3的稳定性区域图进行优化筛选。若在切削深度a_i的取值范围内找不到满足要求的每齿进给量f_z，那么再调整切削深度a_i的数值，在切削深度和每齿进给量乘积不变以及转速不变的情况下，根据加工效率要求和粗糙度要求得出每齿进给量f_z，直至符合要求为止。

获得符合要求的切削参数后，由于刀具切削刃与工件接触中会存在残留高度，形成非光滑的表面形貌，如图1所示，并且由于切削过程中的剧烈变形及较大切削力，造成工件的相对较大残余应力，且工件表面并非都是凹面或者处于压应力状态，这会影响工件表面的性能。为此，所述超声振动辅助加工系统会给刀具施加的超声振动，振动类型优选为轴向-弯曲-扭转耦合振动。振动系统与机床主轴连接，具体地，超声振动辅助加工系统包括振动变幅杆，振动变幅杆嵌装在机床主轴内，振动变幅杆上设置有相应的超声波换能器，超声波换能器和超声波发生器连接，机床的控制系统控制超声波发生器来驱动超声波换能器振动，超声波换能器设置可根据振动的类型来设置，当只需要轴向振动时，只需要设置一对超声波换能器即可。

在超声振动辅助加工系统的作用下刀具发生轴向-弯曲-扭转耦合振动，在切削过程中增加了刀具在不同方向下的微小振动，通过挤压作用切除毛刺，形成光滑的表面形貌。并在控制系统的作用下，调节超声振动系统的激励频率和振幅，可形成不同的波纹度的表面形貌，满足不同表面形貌的要求。

获得符合要求的切削参数后，进行切削参数实验，与工件表面要求的表面形貌具有偏差，采用超声振动辅助加工通过调节振动频率，振幅及不同方向振动的相角差进行加工。直至符合要求为止。

在超声振动辅助加工的条件下，不考虑刀具与工件的间的由于振动引起相对运动，则刀具与工件间的相对运动为：

x₂(t)＝A cos(ωT)

y₂(t)＝B cos(ωT+π2/3)

z₂(t)＝C cos(ωT+π4/3)

最后工件的表面形貌为：

φ_c(t)＝x₁(t)+x₂(t)

上述A、B、C分别为三个方向对应的振幅，Φ_C(t)由Φ_C向时间域内转换获得。如图2所示，表面形貌1为单独在刀具与工件相对运动控制上加工的形貌x₁(t)。表面形貌2为工件的表面要求的形貌Φ_C(t)，在刀具加工x₁(t)及超声振动x₂(t)辅助加工下联合作用下的表面形貌。

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 (8)

1.一种超声振动加工齿轮齿面形貌加工及控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

A、依据对齿轮加工过程中加工效率的要求，初步确定刀具的切削参数的取值范围，即刀具的转速、切削深度和每齿进给量的取值范围；

B、依据表面粗糙度的要求，调整步骤A中的每齿进给量使其满足表面粗糙度要求；

C、在步骤A中的切削参数取值范围内选择多组切削深度a_i及转速r_i；

D、依据步骤C选取的切削参数，再根据刀具的刀齿数n，得到切削参数引起的激励频率w_i，w_i＝r_i·n；

E、依据机床的模态函数Φ_k(w)，从多组激励频率w_i中筛选出能避开机床模态的激励频率w_c，激励频率w_c对应的切削参数转速为r_c；

F、将工件要求的表面形貌，通过表面形貌分析设备拟合成函数Φ_C；

G、依据激励频率w_c，设定柔性件的固有频率为w₁，所述柔性件固定在机床的工作台上，工件则连接在柔性件上进行加工，通过计算获得柔性件的刚度K₁、阻尼系数C₁和质量M₁；

H、依据机械振动理论，建立动力学模型，获得切削力f₁(T)，再通过切削力模型得出切削深度h和每齿进给量f_z；

I、若切削深度h符合步骤C的取值范围，每齿进给量f_z符合步骤B的取值范围，则按照切削深度h、每齿进给量f_z和转速为r_c的切削参数对工件进行加工，若切削深度h或每齿进给量f_z在步骤A和步骤C的取值范围外，则在保证切削力不变的前提下，修改切削深度和每齿进给量，直到符合要求再按照符合要求的切削参数对工件进行加工；

J、刀具按照步骤I中符合要求的切削参数进行加工的同时，在五轴铣削加工机床上增加一套超声振动辅助加工系统及柔性件，其中超声振动辅助加工系统与机床主轴连接，柔性件固定连接在工作台上，工件固定在柔性件的一端，采用球头铣刀加工工件的表面形貌，超声振动辅助加工系统给刀具施加超声振动，通过刀具超声振动的挤压作用切除工件表面的残留高度并改变工件表面波纹，形成光滑的表面形貌。

2.根据权利要求1所述的超声振动加工齿轮齿面形貌加工及控制方法，其特征在于：所述步骤C中的切削深度a_i及转速r_i是根据机床的模态、工件的材料特性、切削力系数，通过颤振稳定性分析理论得出的。

3.根据权利要求1所述的超声振动加工齿轮齿面形貌加工及控制方法，其特征在于：所述步骤E中，激励频率w_c选取范围在机床相邻频率的中间区域。

4.根据权利要求1所述的超声振动加工齿轮齿面形貌加工及控制方法，其特征在于：所述步骤H中，动力学模型如下：

M₁为切削系统等效质量；

C₁(T)为切削加工系统等效阻尼系数；

K₁(T)为切削加工系统等效刚度；

x₁(T)表示振动位移函数，与工件要求的表面形貌为Φ_C一致；

T表示时间。

5.根据权利要求1所述的超声振动加工齿轮齿面形貌加工及控制方法，其特征在于：所述步骤G中，柔性件的固有频率w₁的限定范围[0.9w_c，1.1w_c]。

6.根据权利要求5所述的超声振动加工齿轮齿面形貌加工及控制方法，其特征在于：所述柔性件的刚度K₁、阻尼系数C₁和质量M₁是通过有限元计算获得。

7.根据权利要求1所述的超声振动加工齿轮齿面形貌加工及控制方法，其特征在于：所述机床模态函数Φ_k(w)通过如下方式获得，

首先建立机床的三维模型，通过有限元计算在切削力的激励下获得机床在不同阶下的振型图，依据振型图，选择位移相对较大的位置布置加速度传感器；并在机床切削处工件端或刀具端，通过激振器施加激励力，通过信号采集及分析系统获得机床的模态函数Φ_k(w)。

8.根据权利要求1所述的超声振动加工齿轮齿面形貌加工及控制方法，其特征在于：所述机床系统给刀具施加的振动为轴向-弯曲-扭转耦合振动。

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