CN112222758A - 齿轮齿面超声纵扭复合振动对滾挤压强化系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种齿轮齿面超声纵扭复合振动对滾挤压强化系统，它包括机架、主工作台、副工作台；所述主工作台包括有十字燕尾槽滑台、带纵扭变幅系统的主轴组件、碳刷组件及永磁伺服电机；所述十字燕尾槽滑台可以实现水平面内x和y方向移动；所述碳刷组件为无限传输电流实现提供了条件；所述永磁伺服电机用来提供主轴组件旋转所需要的动力；所述变幅杆系统包括超声纵扭变幅杆、超声振动发生器，变幅杆前端安装有工具齿轮。本发明工具齿轮在啮合的同时做纵向及扭转的超声振动，两个啮合齿轮齿面间存在挤压力，被加工齿轮齿面在二者之间挤压力下受到高频锤击作用，这样就可以提高被加工齿轮的表面力学性能进而提高齿轮的疲劳寿命。
Description
技术领域：
本发明涉及一种超声波应用技术，特别是涉及一种齿轮齿面超声纵扭复合振动对滾挤压强化系统。
背景技术：
超声滚压强化技术是将滚压技术与超声相结合的复合特种加工技术，大多数超声滚压强化技术多应用于外圆的精加工、平面强化加工中。超声滚压强化可以有效提高材料表面力学性能，但是将超声滚压强化技术应用于高性能齿面加工的装置较少，现有研究超声滚压齿面的装置加工效率低或仅限于实验阶段。
发明内容：
本发明所要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种设计合理、强化效果好且提高齿轮疲劳寿命的齿轮齿面超声纵扭复合振动对滾挤压强化系统。
本发明的技术方案是：
一种齿轮齿面超声纵扭复合振动对滾挤压强化系统，包括机架、主工作台和副工作台三大部分，其特征是：所述主工作台（2）包括十字形燕尾槽滑台（21）、主轴组件（22）、碳刷组件（23）、永磁伺服电机（24），所述主轴组件（22）、碳刷组件（23）、永磁伺服电机（24）依次安装在所述十字形燕尾槽滑台（21）上，所述十字形燕尾槽滑台（21）与所述机架（1）连接，所述十字形燕尾槽滑台（21）能够实现x方向和y方向的移动；所述主轴组件与永磁伺服电机之间通过膜片联轴节（25）接连；
所述副工作台（3）包括T型槽工作台（31）、制动器（32）、膜片联轴节（33）、扭矩仪（34）、膜片联轴节（35）和副主轴组件（36），所述制动器（32）、扭矩仪（33）、副主轴组件（36）依次安装在所述T型槽工作台（31）上，两两之间通过所述膜片联轴节（33、35）联接，所述T型槽工作台（31）与所述机架（1）连接，所述制动器（32）通过联轴节将扭矩施加到所述副主轴组件36之上；
所述主轴组件（22）包括齿轮超声纵扭挤压装置（221）、轴承座组件（222）、套筒组件（223）；其中所述齿轮超声纵扭挤压装置（221）安装在所述套筒（223）上；所述套筒组件（223）通过圆锥滚子轴承连接到轴承座组件（222）；
所述超声纵扭挤压装置（221）包括工具齿轮（2211）、超声纵扭变幅杆（2212）、换能器（2213）；所述工具齿轮（2211）通过螺母及平键安装在所述变幅杆（2212）上；所述超声变幅杆（2212）、换能器（2213）通过双头螺栓连接一起。
所述套筒组件（223）是容纳所述超声纵扭挤压装置（221）的部件，所述套筒组件（223）分为前套筒（2231）和连接筒（2232），所述连接筒（2232）外侧安装铜环组件（2233）；所述连接筒（2232）上设置有孔径，是导线的通道，导线用来连接所述换能器（2213）和铜环组件（2233），以便完成外部电流与换能器的接连。
所述前套筒（2231）通过设计计算寻找到节点位置，即在谐振时位移为0处，在节点位置安装轴承，是超声振动损失最小，起到二次减震的作用。
所述铜环组件（2233）包括铜环座（22331）、铜环（22332）、绝缘隔套（22333）和锁紧螺母（22334），依次安装到所述铜环座（2231）上，所述锁紧螺母（22334）起到锁紧作用；所述铜环座（22331）法兰盘处有均布的两个孔，螺栓通过两个孔安装到所述连接筒（2232）上；所述碳刷组件（23）包括碳刷和碳刷座，所述碳刷固定在所述碳刷座上，所述碳刷座通过螺栓固定在所述十字形燕尾槽滑台21上，所述碳刷与所述铜环接触，实现电流的传输。
所述变幅杆采用全波长设计，变幅杆具有双节点，比单节点变幅杆的刚度更优异，同时设计小、中、大齿轮对应的三种不同变幅杆，以满足不同直径不同模数齿轮的超声滚压加工；小端法兰盘均采用六个螺钉与套筒组件（223）相连接，大端采用轴向三螺钉固定方式。
所述变幅杆（2212）小端法兰盘上具有均布的留个沉头孔，螺栓通过以上螺栓孔将所述变幅杆（2212）与前套筒（2231）固定，同时变幅杆大端也有个节点，大端节点位置面上径向均布三个螺栓孔，通过螺栓孔将所述变幅杆（2212）与前套筒（2231）再次固定。
所述副主轴组件（36）包括副主轴（361）及轴承座组件（362）；所述副主轴（361）一端通过所述平键（362）连接工作齿轮（364），另一端通过所述膜片联轴节（35）连接所述扭矩仪（34），所述扭矩仪另一端通过所述膜片联轴节（33）连接所述制动器（32），所述制动器（32）上所提供的的扭矩就可以施加到工作齿轮（364）上。
所述主工作台（2上的中心高度与所述副工作台（3）的高度相同，保证工具齿轮（2211）与工件齿轮（364）能够在水平面内啮合。
本发明的有益效果是：
1、本发明采用永磁伺服电机为工具齿轮提供主动扭矩，制动器为工作齿轮提供阻尼扭矩，进而在两个啮合齿面上产生一定的压力，然后通过工具齿轮超声纵扭不断锤击工作齿轮来完成齿面的强化作用。
2、本发明变幅杆安装在前套筒上，前套筒的轴承支点设置在谐振中的振动位移为0处，此种设计可以起到二次减震的作用。
3、本发明十字形燕尾槽滑台是调整工具齿轮和工作齿轮在水平面内中心距的主要手段，其中x轴是调整齿宽距离，y轴调整的是两齿轮的径向距离，能够满足不同模数不同直径的齿轮超声滚压加工。
4、本发明变幅杆采用全波长设计，变幅杆具有双节点，比单节点变幅杆的刚度更优异，同时设计小、中、大齿轮对应的三种不同变幅杆，以满足不同直径不同模数齿轮的超声滚压加工。
5、本发明碳刷与铜环接触，铜环随着主轴旋转，碳刷固定在碳刷座上，进而实现电流的传输，结构简单。
6、本发明设计合理、强化效果好且提高齿轮的疲劳寿命，其适用性非常高，易于推广实施，具有良好的经济效益。
附图说明：
图1为齿轮齿面超声纵扭复合振动对滾挤压强化系统的总装结构图；
图2为图1中主工作台的结构示意图；
图3为图1中副工作台的结构示意图；
图4为图2中主轴组件的结构示意图；
图5为图4中铜环组件的结构示意图；
图6为图4中变幅杆组件的结构示意图。
具体实施方式：
实施例：参见图1-图6，图中， 1-机架，2-主工作台，3-副工作台，21-十字形燕尾槽滑台，22-主轴组件，23-碳刷组件，24-永磁伺服电机，25-膜片联轴节，31-T型槽工作台，32-制动器，33-膜片联轴节，34-扭矩仪，35-膜片联轴节，36-副主轴组件，221-齿轮超声纵扭挤压装置，222-轴承座组件，223-套筒组件，2211-工具齿轮,2212-超声纵扭变幅杆，2213-换能器，2214-平键，2221-唇形密封圈，2222-轴承盖，2224-圆锥滚子轴承，2225-轴承座，2226-定位套，2227-圆螺母，2231-前套筒，2232-连接筒，2233-铜环组件，361-副主轴，362-轴承座组件，364-工件齿轮，22331-铜环座，22332-铜环，22333-绝缘隔套，22334-锁紧螺母。
齿轮齿面超声纵扭复合振动对滾挤压强化系统主要包括机架1、主工作台2和副工作台3三个大部件。主工作台2包括十字形燕尾槽滑台21、主轴组件22、碳刷组件23、永磁伺服电机24。副工作台3包括制动器32、扭矩测量仪34、副主轴组件36。
为了增加装置的适用性,两个啮合齿轮中工具齿轮2211安装在十字形燕尾槽滑台21上，也就是工具齿轮2211可以实现水平面内轴向x和径向方向y的移动，工件齿轮364固定在T型槽工作台31上固定不动。十字燕尾槽工作台21设置在机架1上。十字形燕尾槽滑台21在本发明中是调整工具齿轮2211和工作齿轮364在水平面内中心距的主要手段，其中x轴是调整齿宽距离，y轴调整的是两齿轮的径向距离，为满足不同直径齿轮的超声滚压加工，其y轴的调整距离为400mm；x轴调整距离为200mm，可以满足不同模数不同直径的齿轮超声滚压加工。十字形燕尾槽滑台21带有自锁螺母，同时因为燕尾槽的存在足以满足在加工过程中所需要的自锁力，此为现有技术中常用部件，具体结构不详述。
主轴组件22包括：齿轮超声纵扭挤压装置221、轴承座组件222、套筒组件223；其中齿轮超声纵扭挤压装置221安装在套筒223上；套筒组件223通过圆锥滚子轴承连接到轴承座组件222。
齿轮纵扭挤压装置221主要包括工具齿轮2211、变幅杆2212、换能器2213、平键2214；变幅杆2212小端法兰盘上具有均布的留个沉头孔，螺栓通过以上螺栓孔将变幅杆2212与前套筒2231固定，同时变幅杆大端也有个节点，大端节点位置面上径向均布三个螺栓孔，通过螺栓孔将变幅杆2212与前套筒2231再次固定；变幅杆是按全波长设计的，在两个与前套筒2231相连接的位置为节点位置，节点位置位移最小，可以减少能量损失，同时，采用双节点的变幅杆刚度比单节点变幅杆的刚度更优异。变幅杆2212的一端通过平键2214与工具齿轮2211相连接，另一端通过双头螺栓与换能器2213连接；换能器2213的导线可以伸长到套筒组件223中。
轴承座底部有四个螺栓固定在十字形燕尾槽滑台21上；轴承组件222最外侧为轴承座222，一对圆锥滚子轴承2224的外圈安装在轴承座222上，轴承的内圈安装在前套筒2231上，轴承外圈轴向定位全部依赖于轴承座2225及轴承盖2222，一个轴承内圈的定位依赖于轴肩2223，另一个轴承的内圈轴向定位依赖于的定位套2226；轴承盖222上设置有均布四个沉头孔，用内六角螺钉将轴承盖222固定在轴承座2225上；轴承盖222内设置有唇形密封圈2221；定位套2226的一端压实轴承内圈，另一端由两个紧定螺母2227将其轴向压紧。
套筒组件223主要包括前套筒2231、连接筒2232、铜环组件2233；其中连接筒2232的前端为法兰盘轴向均布四个沉头孔，前套筒2231的后端设置有螺纹孔，通过四个螺栓将二者紧紧相连接；铜环组件2233通过螺钉固定在连接筒2232之上。
铜环组件2233是为换能器提供电流传输的主要部件之一，铜环组件2233上的铜环随着主轴旋转，碳刷座内具有碳刷，通过碳刷接触铜环将电传入主轴内的换能器上，铜环2232上具有导线与换能器的导线连接；铜环座22331为基础，将铜环22332、绝缘隔套22333、铜环22332、锁紧螺母22334依次安装到铜环座2231上，锁紧螺母22334起到锁紧作用；铜环座22331法兰盘处有均布的两个孔，螺栓通过两个孔安装到连接筒2232上。换能器包括压电陶瓷片、电极及导线，换能器的导线与铜环2232的导线相连接，最终实现电流的传输。
副工作台3最下面是T型工作台31，T型工作台31上依次安装有制动器32、联轴器33、扭矩测量仪34、联轴器35、副主轴组件36。
为了使两个齿轮啮合滚动过程中齿面挤压力大，本发明中采用制动器32为工作齿轮364提供阻尼，进而为两齿轮在啮合中提供必要的挤压力。
副主轴组件36主要包括副主轴361及轴承座组件362；副主轴361一端通过平键连接工件齿轮364， 为了实现功率封闭，副主轴361上安装有扭矩测量仪器34。
工作原理：工具齿轮2211在超声变幅杆2212的激振下可以产生纵扭振动，工具齿轮2211与工作齿轮364啮合，工具齿轮2211在电机的驱动下做旋转运动，工作齿轮364后端连接有制动器32，在制动器32的扭矩作用下，工具齿轮2211和工作齿轮364齿面间可以产生正压力，工具齿轮2211采用硬质合金钢材料，工具齿轮2211硬度高同时不断锤击滑擦工作齿轮进而完成超声纵扭挤压加工。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。
Claims (8)
1.一种齿轮齿面超声纵扭复合振动对滾挤压强化系统，包括机架、主工作台和副工作台三大部分，其特征是：所述主工作台（2）包括十字形燕尾槽滑台（21）、主轴组件（22）、碳刷组件（23）、永磁伺服电机（24），所述主轴组件（22）、碳刷组件（23）、永磁伺服电机（24）依次安装在所述十字形燕尾槽滑台（21）上，所述十字形燕尾槽滑台（21）与所述机架（1）连接，所述十字形燕尾槽滑台（21）能够实现x方向和y方向的移动；所述主轴组件与永磁伺服电机之间通过膜片联轴节（25）接连；
所述副工作台（3）包括T型槽工作台（31）、制动器（32）、膜片联轴节（33）、扭矩仪（34）、膜片联轴节（35）和副主轴组件（36），所述制动器（32）、扭矩仪（33）、副主轴组件（36）依次安装在所述T型槽工作台（31）上，两两之间通过所述膜片联轴节（33、35）联接，所述T型槽工作台（31）与所述机架（1）连接，所述制动器（32）通过联轴节将扭矩施加到所述副主轴组件36之上；
所述主轴组件（22）包括齿轮超声纵扭挤压装置（221）、轴承座组件（222）、套筒组件（223）；其中所述齿轮超声纵扭挤压装置（221）安装在所述套筒（223）上；所述套筒组件（223）通过圆锥滚子轴承连接到轴承座组件（222）；
所述超声纵扭挤压装置（221）包括工具齿轮（2211）、超声纵扭变幅杆（2212）、换能器（2213）；所述工具齿轮（2211）通过螺母及平键安装在所述变幅杆（2212）上；所述超声变幅杆（2212）、换能器（2213）通过双头螺栓连接一起。
2.根据权利要求1所述的齿轮齿面超声纵扭复合振动对滾挤压强化系统，其特征是：所述套筒组件（223）是容纳所述超声纵扭挤压装置（221）的部件，所述套筒组件（223）分为前套筒（2231）和连接筒（2232），所述连接筒（2232）外侧安装铜环组件（2233）；所述连接筒（2232）上设置有孔径，是导线的通道，导线用来连接所述换能器（2213）和铜环组件（2233），以便完成外部电流与换能器的接连。
3.根据权利要求2所述的齿轮齿面超声纵扭复合振动对滾挤压强化系统，其特征是：所述前套筒（2231）通过设计计算寻找到节点位置，即在谐振时位移为0处，在节点位置安装轴承，是超声振动损失最小，起到二次减震的作用。
4.根据权利要求2所述的齿轮齿面超声纵扭复合振动对滾挤压强化系统，其特征是：所述铜环组件（2233）包括铜环座（22331）、铜环（22332）、绝缘隔套（22333）和锁紧螺母（22334），依次安装到所述铜环座（2231）上，所述锁紧螺母（22334）起到锁紧作用；所述铜环座（22331）法兰盘处有均布的两个孔，螺栓通过两个孔安装到所述连接筒（2232）上；所述碳刷组件（23）包括碳刷和碳刷座，所述碳刷固定在所述碳刷座上，所述碳刷座通过螺栓固定在所述十字形燕尾槽滑台21上，所述碳刷与所述铜环接触，实现电流的传输。
5.根据权利要求1所述的齿轮齿面超声纵扭复合振动对滾挤压强化系统，其特征是：所述变幅杆采用全波长设计，变幅杆具有双节点，比单节点变幅杆的刚度更优异，同时设计小、中、大齿轮对应的三种不同变幅杆，以满足不同直径不同模数齿轮的超声滚压加工；小端法兰盘均采用六个螺钉与套筒组件（223）相连接，大端采用轴向三螺钉固定方式。
6.根据权利要求1所述的齿轮齿面超声纵扭复合振动对滾挤压强化系统，其特征是：所述变幅杆（2212）小端法兰盘上具有均布的留个沉头孔，螺栓通过以上螺栓孔将所述变幅杆（2212）与前套筒（2231）固定，同时变幅杆大端也有个节点，大端节点位置面上径向均布三个螺栓孔，通过螺栓孔将所述变幅杆（2212）与前套筒（2231）再次固定。
7.根据权利要求1所述的齿轮齿面超声纵扭复合振动对滾挤压强化系统，其特征是：所述副主轴组件（36）包括副主轴（361）及轴承座组件（362）；所述副主轴（361）一端通过所述平键（362）连接工作齿轮（364），另一端通过所述膜片联轴节（35）连接所述扭矩仪（34），所述扭矩仪另一端通过所述膜片联轴节（33）连接所述制动器（32），所述制动器（32）上所提供的的扭矩就可以施加到工作齿轮（364）上。
8.根据权利要求1所述的齿轮齿面超声纵扭复合振动对滾挤压强化系统，其特征是：所述主工作台（2上的中心高度与所述副工作台（3）的高度相同，保证工具齿轮（2211）与工件齿轮（364）能够在水平面内啮合。
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