CN112620821A - 一种用于自适应精密加工薄板齿轮的系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于自适应精密加工薄板齿轮的系统及方法，包括超声振动变幅杆、连接件、浮动装置、刀具和弹性阻尼装置；连接件连接于超声振动变幅杆端部；浮动装置包括浮动块和第一垫圈；浮动块安装于连接件内且远离超声振动变幅杆的一侧与第一垫圈连接固定；刀具与第一垫圈接触并与浮动装置固定相连；弹性阻尼装置包括弹性件和阻尼器，弹性件和阻尼器均安装于浮动块远离刀具的一侧，分别用于对浮动块施加弹性力和阻尼作用。本发明通过第一垫圈对刀具受到的冲击力进行缓冲，随后刀具的冲击力传递到浮动块，利用弹性件和阻尼器的作用，对浮动块的运动起到缓冲和迟滞作用，减少冲击和振动，提高加工稳定性和刀具寿命。

Description

一种用于自适应精密加工薄板齿轮的系统及方法

技术领域

本发明涉及机加工领域，特别是涉及一种用于自适应精密加工薄板齿轮的系统及方法。

背景技术

超声振动辅助加工能够降低切削力与切削温度，刀具的寿命及加工效率，其广泛用于各类高强度高硬度材料的加工。与传统加工相比，其多了一个超声振动激励源及在其激励下的多个响应，而薄板齿轮辐板造成的弱刚度特性，造成了较大值的振动，在辐板表面引起了明显的振纹，降低了工件的表面质量。并在在超声振动的激励下，增加了刀具与工件间的冲击，严重影响了加工的稳定性及刀具寿命。

发明内容

本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提出一种用于自适应精密加工薄板齿轮的系统，能够减少刀具对工件的冲击，提高加工稳定性和刀具寿命。

根据本发明的第一方面实施例的一种用于自适应精密加工薄板齿轮的系统，包括超声振动变幅杆、所述连接件、浮动装置、刀具和弹性阻尼装置；所述连接件连接于超声振动变幅杆端部；浮动装置包括浮动块和第一垫圈；所述浮动块安装于连接件内且远离超声振动变幅杆的一侧与第一垫圈连接固定；刀具与第一垫圈接触并与浮动装置固定相连；弹性阻尼装置包括弹性件和阻尼器，所述弹性件和阻尼器均安装于浮动块远离刀具的一侧，分别用于对浮动块施加弹性力和阻尼作用。

根据本发明实施例的一种用于自适应精密加工薄板齿轮的系统，至少具有如下技术效果：通过第一垫圈对刀具受到的冲击力进行缓冲，随后刀具的冲击力传递到浮动块，利用弹性件和阻尼器的作用，对浮动块的运动起到缓冲和迟滞作用，减少冲击和振动，提高加工稳定性和刀具寿命。

根据本发明的一些实施例，所述浮动块具有一能绕其旋转的旋转中心；所述浮动块受到刀具的冲击力与旋转中心不共线。

根据本发明的一些实施例，所述浮动装置300满足如下公式：

C₀表示为浮动装置整体的转动惯量；M_s表示为浮动装置整体的质量；S表示冲击力作用点到浮动装置整体质量中心的直线距离；L表示浮动块的旋转中心到浮动装置整体质量中心的直线距离。

根据本发明的一些实施例，所述浮动块外包裹有第二垫圈，所述第二垫圈外包裹有嵌块，所述嵌块安装于连接件内，所述嵌块与弹性阻尼装置接触。

根据本发明的一些实施例，所述连接件设有安装腔，所述弹性件和阻尼器均安装于安装腔内，且均一端与安装腔侧壁连接，另一端与嵌块接触。

根据本发明的一些实施例，所述浮动块和嵌块的阻尼值与阻尼器相等，弹性件的刚度与加工时薄板齿轮工件的最高转速满足以下公式的关系：

k＝(4πM_sN²+πNK₁)/2；

其中k表示弹性件的刚度；M_s表示浮动装置的质量；N表示加工时薄板齿轮工件的最高转速；K₁表示阻尼装置的阻尼值。

根据本发明的第二方面实施例的一种用于自适应精密加工薄板齿轮的方法，其特征在于，使用上述的用于自适应精密加工薄板齿轮的系统对工件进行加工。

根据本发明的一些实施例，其中弹性件的刚度与阻尼材料的阻尼值满足以下关系：

则k＝(4πM_sω²+πωK₁)/2

且ω＜0.95f_i或ω＞1.05f_i,i＝1，…，10，

ω为加工激励频率；

f_i为薄板齿轮上多个节点处对应的模态固有频率。

根据本发明实施例的一种用于自适应精密加工薄板齿轮的方法，至少具有如下技术效果：有效减少刀具受到的冲击力，对刀具受到的冲击力进行缓冲和迟滞，提高加工稳定性和刀具寿命。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

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是本发明实施例的安装结构示意图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

参照图1，本发明实施例的一种用于自适应精密加工薄板齿轮的系统，包括超声振动变幅杆100、连接件200、浮动装置300、刀具400和弹性阻尼装置500。

超声振动变幅杆100用于连接刀具进给系统，且超声振动变幅杆100安装有超声致动器以产生超声振动，并将该振动传递给刀具以实现超声加工。

连接件200连接于超声振动变幅杆100端部；浮动装置300包括浮动块310和第一垫圈320；浮动块310安装于连接件200内，连接件200内设有供浮动块310安装的腔体。浮动块310远离超声振动变幅杆100的一侧与第一垫圈320连接固定，具体的，第一垫圈与浮动块通过沉孔螺栓连接，且沉孔螺栓下沉0.5mm，确保在高频切削力及超声振动激励引起的冲击均不会直接冲击浮动装置，降低了加工中的振动。刀具400与第一垫圈320接触并与浮动装置300固定相连；具体的，第一垫圈320处于刀具与浮动块中间，刀具与浮动块通过螺栓固定连接，第一垫圈320分别为由玻璃纤维层、橡胶层、不锈钢层和橡胶层复合组成，第一垫圈320与刀具接触的一端为玻璃纤维，玻璃纤维含有硅元素，能够降低刀具与第一垫圈320间的摩擦，橡胶层能够吸收振动能量，降低切削冲击造成的振动，不锈钢金属层具有较强的强度，能够承受高频切削力高速运动对浮动块的冲击。

弹性阻尼装置500，包括弹性件510和阻尼器520，弹性件510和阻尼器520均安装于浮动块310远离刀具400的一侧，分别用于对浮动块310施加弹性力和阻尼作用。弹性件510能够避免浮动装置快速产生位移，阻尼器520进一步降低限位块的位移，并在弹性件回复时能够吸收能量，产生相差，具有一定的迟滞作用。

在本发明的进一步实施例中，浮动块310具有一能绕其旋转的旋转中心；浮动块310受到刀具400的冲击力与旋转中心不共线。如图1所示，刀具在冲击力作用点对浮动块造成冲击，虽然冲击力的作用不是固定在一个点，但是作用的合力可看作由一个点作用。

由于，冲击力不经过浮动块310的旋转中心，浮动块310受到冲击力后，会获得一个旋转力矩，进行旋转和轴向(超声振动变幅杆的轴向)位移，旋转将受到的冲击力卸去一部分，而不是完全接受冲击力并进行轴向位移，造成较大的冲击力和较大的振动，旋转可减少冲击力和振动。

为进一步减少振动和磨损，浮动装置300满足如下公式：

C₀表示为浮动装置整体(包括浮动块、第一垫圈、连接第一垫圈和浮动块的螺栓)的转动惯量，单位为kg·m²；M_s表示为浮动装置整体(包括浮动块、第一垫圈、连接第一垫圈和浮动块的螺栓)的质量，单位为kg；S表示冲击力作用点到浮动装置整体质量中心的直线距离，单位为m；L表示浮动块的旋转中心到浮动装置整体质量中心的直线距离，单位为m。上述转动惯量、质量、质量中心位置可以通过试验方法获得。

第一垫圈通过紧固件可拆卸的安装在浮动装置上，且在第一垫圈和浮动块之间设有配重垫圈，通过更换不同厚度和重量的配重垫圈可以调整浮动装置的质量中心，上述紧固件采用沉孔螺栓。

由于在加工过程中，高速旋转工件不断的冲击着刀具的刀尖，其冲击点为撞击中心，各零件的安装位置在满足上述要求的情况下，可保证高速加工过程中高速运动的冲击点的撞击或者碰撞不会对浮动块的旋转中心造成经过旋转中心的作用力，从而提高超声振动装置激励振动后的冲击后的稳定性，降低冲击振动造成加工刀具磨损，提高刀具的耐用度，提高加工精度。在高速切削过程中，由于薄板齿轮高速旋转冲击，装置浮动装置对刀具施加冲击力，切削过程中的刀具对浮动装置有与此冲击力大小相等、方向相反的反作用力，冲击过程中的切向分力相平衡的力的方向与浮动块运动中心不在同一条直线上，从而避免工件高速旋转带来的冲击对浮动块的运动中心的作用力。

在本发明的进一步实施例中，浮动块310外包裹有第二垫圈610，第二垫圈610外包裹有嵌块600，嵌块600安装于连接件200内，嵌块600与弹性阻尼装置500接触。连接件设有与嵌块600轮廓部分匹配的腔体以供嵌块600装入后实现定位，第二垫圈610具有耐磨损，低摩擦力，减振等性能，以使得浮动块运动时，对浮动块的运动造成缓冲减振，减少磨损。

在本发明的进一步实施例中，连接件200设有安装腔210，弹性件510和阻尼器520均安装于安装腔210内，且均一端与安装腔210侧壁连接，另一端与嵌块600接触。弹性件510可以为弹簧或其他具有弹性变形能力的结构。安装腔210方便弹性件510和阻尼器520的安装限位，提供较好的安装位置，优化结构。

且浮动块310在弹性件510和阻尼器520的作用下可实现动平衡。即当切削过程中的初次冲击时，弹簧变形，阻尼装置延迟弹簧恢复，然后第二次冲击还会冲击在原来的位置，弹簧还没恢复，那还会继续原来的变形，那动平衡指的是因为弹性件的位置还没恢复，造成垫圈比原来的位置低一些，从而降低了切削冲击和超声振动冲击的撞击力，但是主要是弹性件的回复吸收能量，恢复变形的力与冲击力平衡，且弹性件变形后，第二垫圈也已经变形，吸收了部分冲击力，进一步降低了振动。

浮动块和多个弹性阻尼装置500的组合能够降低由于高速切削高速旋转造成的动不平衡的影响，减低加工过程中薄板齿轮高速旋转周期性冲击导致加工中的振动及冲击，提高薄板齿轮的加工精度。

浮动块310和嵌块600的阻尼值与阻尼器520相等，弹性装置的刚度与加工时薄板齿轮工件的最高转速满足以下公式的关系：

k＝(4πM_sN²+πNK₁)/2；

其中k表示弹性件的刚度，单位为N/m；M_s表示浮动装置的质量，单位为kg；N表示加工时薄板齿轮工件的最高转速，r/min；K₁表示阻尼装置的阻尼值，单位为N/(m/s)。

本发明还提供了一种用于自适应精密加工薄板齿轮的方法，通过使用上述用于自适应精密加工薄板齿轮的系统，对薄板齿轮工件进行加工。

在本发明的进一步实施例中，其中弹性装置的刚度与阻尼材料的阻尼值满足以下关系：

则k＝(4πM_sω²+πωK₁)/2

且ω＜0.95f_i或ω＞1.05f_i，i＝1，…，10，

ω为加工激励频率；

f_i为薄板齿轮上多个节点处对应的模态固有频率。

f_i是通过如下步骤获得：通过力锤试验，将薄板齿轮沿着半径方向均匀分布节点，1，2，…，j-1，j，间隔Δl分别为3-5mm，依次获得多个节点的模态参数。测试获得超声振动辅助加工中的振动曲线，通过傅里叶转换后，形成频响函数(横坐标为频率，纵坐标为振动幅值)，将频响函数对切削力的积分，获得不同频率下的能量比，根据能量比大小按照从大到小排列，选取前10个模态固有频率，设定为f₁，…，f₁₀，为f_i，i＝1，…，10。即这10个固有频率为加工过程中最有可能被激励起的频率。

为避免加工中出现激励频率(与转速一致)与薄板齿轮工件频率接近，引起异常振动。为确保加工中精度，应该避开5％的上下限。

则加工激励频率ω的取值范围如下：

ω＜0.95f_i或ω＞1.05f_i，i＝1，…，10。

另外由于转一次对工件激励一次，则转速N与加工激励频率ω相等。

弹性件的刚度与阻尼材料的阻尼值满足以下关系：

则k＝(4πM_sω²+πωK₁)/2

且ω＜0.95f_i或ω＞1.05f_i，i＝1，…，10。

在一些实施例中，为了减少计算量，也可采用下列方式弹性件的刚度与阻尼材料的阻尼值需要满足的关系。

设定引起薄板振动的加工频率为ω_i，j，则

0.95f_i≤ω_i，j≤1.05f_i，，i＝1，…，10；j＝1，…，J。

J表示在一个f_i对应的ω_i，j的取值范围内的取值数量。

其中

根据取值范围和取值数量进行均匀分布取值。

弹性件的刚度与阻尼材料的阻尼值满足以下关系：

采用以上特性的阻尼装置及弹性件，在薄板齿轮切削加工中的实际工作转速小于等于上述最高此装置设计转速时，可保证在任何运行状态都能此装置都能保持加工中的动平衡。即保证了切削力及超声振动冲击造成的偏心力与浮动装置产生的偏心力平衡。比如，设计切削的最高设计转速为1000r/min时，那么弹性件采用由上述公式可得到刚度，即可使切削在实际工作转速为1000r/min以下时均可保持动平衡。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (8)

1.一种用于自适应精密加工薄板齿轮的系统，其特征在于，包括：

超声振动变幅杆(100)；

连接件(200)，所述连接件(200)连接于超声振动变幅杆(100)端部；

浮动装置(300)，包括浮动块(310)和第一垫圈(320)；所述浮动块(310)安装于连接件(200)内且远离超声振动变幅杆(100)的一侧与第一垫圈(320)连接固定；

刀具(400)，与第一垫圈(320)接触并与浮动装置(300)固定相连；

弹性阻尼装置(500)，包括弹性件(510)和阻尼器(520)，所述弹性件(510)和阻尼器(520)均安装于浮动块(310)远离刀具(400)的一侧，分别用于对浮动块(310)施加弹性力和阻尼作用。

2.根据权利要求1所述的用于自适应精密加工薄板齿轮的系统，其特征在于，所述浮动块(310)具有一能绕其旋转的旋转中心；所述浮动块(310)受到刀具(400)的冲击力与旋转中心不共线。

3.根据权利要求2所述的用于自适应精密加工薄板齿轮的系统，其特征在于，所述浮动装置(300)满足如下公式：

C₀表示为浮动装置整体的转动惯量；M_s表示为浮动装置整体的质量；S表示冲击力作用点到浮动装置整体质量中心的直线距离；L表示浮动块的旋转中心到浮动装置整体质量中心的直线距离。

4.根据权利要求1所述的用于自适应精密加工薄板齿轮的系统，其特征在于：所述浮动块(310)外包裹有第二垫圈(610)，所述第二垫圈(610)外包裹有嵌块(600)，所述嵌块(600)安装于连接件(200)内，所述嵌块(600)与弹性阻尼装置(500)接触。

5.根据权利要求4所述的用于自适应精密加工薄板齿轮的系统，其特征在于：所述连接件(200)设有安装腔(210)，所述弹性件(510)和阻尼器(520)均安装于安装腔(210)内，且均一端与安装腔(210)侧壁连接，另一端与嵌块(600)接触。

6.根据权利要求4所述的用于自适应精密加工薄板齿轮的系统，其特征在于：所述浮动块(310)和嵌块(600)的阻尼值与阻尼器(520)相等，弹性件的刚度与加工时薄板齿轮工件的最高转速满足以下公式的关系：

k＝(4πM_sN²+πNK₁)/2；

其中k表示弹性件的刚度；M_s表示浮动装置的质量；N表示加工时薄板齿轮工件的最高转速；K₁表示阻尼装置的阻尼值。

7.一种用于自适应精密加工薄板齿轮的方法，其特征在于，使用如权利要求1至6任一项所述的用于自适应精密加工薄板齿轮的系统对工件进行加工。

8.根据权利要求7所述的用于自适应精密加工薄板齿轮的方法，其特征在于：其中弹性件的刚度与阻尼材料的阻尼值满足以下关系：

则k＝(4πM_sω²+πωK₁)/2

且ω＜0.95f_i或ω＞1.05f_i，i＝1，…，10，

ω为加工激励频率；

f_i为薄板齿轮上多个节点处对应的模态固有频率。

Images