CN112808946B - 一种超声冷摆碾齿高效加工圆柱齿轮的方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超声冷摆碾齿高效加工圆柱齿轮的方法和装置，装置包括如下步骤：S1、通过多组不同进给量的测试，获得不同进给量的情况下的实际工件的预紧位移；S2、设定工件实际预紧位移的线性关系式为：s＝aF₁+b；S3、将步骤S1中的多组数据代入步骤S2的线性关系式中，获得线性关系式中的参数a和b；S4、获得最大额定进给量f_zmax，并以最大额定进给量f_zmax进行加工。本发明通过多组测试获得工件的变形关系式，再将最大额定载荷作为预紧力，获得相应的工件变形和超声振动装置的变形，由此获得最大额定进给量，既能保证加工高效，且进给量精度可控，提高加工精度。

Description

一种超声冷摆碾齿高效加工圆柱齿轮的方法及装置

技术领域

本发明涉及机加工领域，特别是涉及一种超声冷摆碾齿高效加工圆柱齿轮的方法及装置。

背景技术

在冷摆成型齿轮技术中，由于冷摆碾压成型齿轮需要较大的力，使得齿轮成型，需要配合较大吨位的成型设备，制造成本高，且成型精度差，难以满足高性能齿轮的技术要求。而材料在超声振动作用下，其材料流动压力显著降低，有助于材料的塑性流动，即成型需要的压力降低，降低了材料成型设备的压力。

但是在施加超声振动时，需要超声振动装置给工件施加预紧力，预紧力会导致超声振动装置及工件产生轴向变形，使得进给量变小，降低了加工效率，且变形导致加工精度难以保证。

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，本发明提出一种超声冷摆碾齿高效加工圆柱齿轮的方法，提高加工精度和加工效率。

根据本发明的第一方面实施例的一种超声冷摆碾齿高效加工圆柱齿轮的方法，包括如下步骤：S1、通过多组不同进给量的测试，获得不同进给量的情况下的实际工件的预紧位移；S2、设定工件实际预紧位移的线性关系式为：s＝aF₁+b，F₁为施加的预紧力；S3、将步骤S1中的多组数据代入步骤S2的线性关系式中，获得线性关系式中的参数a和b；S4、将上模具和超声振动变幅杆能承受的最大额定载荷F作为预紧力，根据步骤S3获得的线性参数，以及预紧力F作用下的超声振动装置的轴向变形和上模具的实际进给量f_z，获得最大额定进给量f_zmax，并以最大额定进给量f_zmax进行加工。

根据本发明实施例的一种，至少具有如下技术效果：通过多组测试获得工件的变形关系式，再将最大额定载荷作为预紧力，获得相应的工件变形和超声振动装置的变形，由此获得最大额定进给量，既能保证加工高效，且进给量精度可控，提高加工精度。

根据本发明的一些实施例，步骤S1的具体步骤如下：设定三组进给量f_z，i，i＝1，2，3，进行预紧测试，获得上模具的实际进给量f_i，获得超声振动变幅杆前端、后端、限位垫块的应变分别为ε_5，i，ε_6，i，ε_7，i，i＝1，2，3；获得超声振动变幅杆前端、后端、限位垫块的变形分别为x_5，i＝d₁ε_5，i、x_6，i＝d₂ε_6，i、x_7，i＝d₃ε_7，i，设定超声振动装置除超声振动变幅杆和限位垫块以外的部件的变形为

i＝1，2，3。

根据本发明的一些实施例，最大额定进给量

ε₁、ε₂、ε₃为超声振动变幅杆前端、后端、限位垫块在F预紧力下的应变，d₁、d₂、d₃分别为超声振动变幅杆前端、后端、限位垫块的轴向长度；k为超声振动装置除超声振动变幅杆和限位垫块以外的部件的弹性系数。

根据本发明的第二方面实施例的一种超声冷摆碾齿高效加工圆柱齿轮的装置，包括：底座，上端设有下模具，所述下模具用于装夹工件；上模具，包括上模具本体和超声振动装置，所述上模具本体为回转体且轴线倾斜设置，所述上模具本体底部设有开口朝下的安装腔，所述超声振动装置安装于安装腔内，所述超声振动装置用于与工件接触以将超声振动传递给工件；驱动装置，与上模具本体相连以驱动所述上模具本体绕一竖直的旋转轴线旋转；且超声振动装置与工件接触位置位于上模具本体的旋转轴线上。

根据本发明实施例的一种超声冷摆碾齿高效加工圆柱齿轮的装置，至少具有如下技术效果：利用超声振动装置与工件接触，对工件施加超声振动，使得工件材料流动所需要的压力显著降低，降低了材料成型的压力，减少因较大的材料成型压力导致的变形和误差，能够显著提高加工精度；另外由于超声振动装置与工件接触位置在上模具的旋转轴线上，使得上模具绕旋转轴线旋转摆动加工时，超声振动装置与工件接触位置不会发生变化，使得在上模具旋转摆动过程中，超声振动装置能够稳定提供超声振动给工件，保证工件的超声振动辅助加工。

根据本发明的一些实施例，所述安装腔外侧朝上依次设置有工件接触段、结构加强段、细颈连接段；所述工件接触段用于与工件接触对工件进行加工，所述结构加强段呈朝上的向外扩张状，所述结构加强段上端面设有凹位以减少材料体积；所述细颈连接段连接在结构加强段上端面的中心，用于与驱动装置连接。

根据本发明的一些实施例，所述上模具本体和超声振动装置满足以下关系：

K₀表示上模具的转动惯量；M₀表示上模具的质量；D表示摆动冲击作用点到上模具质心的直线距离；s表示上模具的摆动中心到上模具质心的直线距离。

根据本发明的一些实施例，所述超声振动装置包括超声振动变幅杆，所述超声振动变幅杆包括沿一竖直的轴线依次朝下同轴设置的定位段、第一振动安装段和振动变换输出段，所述定位段与安装腔顶壁相连且周向定位，所述第一振动安装段安装有第一压电致动器，所述振动变换输出段上安装有第二压电致动器，且所述第一压电致动器与第二压电致动器产生的超声振动进行叠加；所述振动变换输出段用于与工件接触将超声振动传递给工件；所述超声振动变幅杆的轴线与上模具本体的旋转轴线重合。

根据本发明的一些实施例，所述振动变换输出段包括依次设置的第一中间段、第二中间段和振动输出段，所述第一中间段相比第二中间段更靠近所述定位段，所述第一中间段和第二中间段之间设有第二压电致动器安装槽，所述第二压电致动器安装槽用于安装第二压电致动器，所述第二中间段上设有与轴线倾斜的通槽。

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是本发明实施例的工作状态结构示意图；

图2是上模具的结构示意图；

图3是超声振动变幅杆的结构示意图；

图4是超声振动变幅杆与基座的连接结构示意图；

图5是超声振动变幅杆上谐振产生示意图；

图6是第一压电致动器布置示意图；

图7是第二压电致动器布置示意图。

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。

本发明实施例提供的一种超声冷摆碾齿高效加工圆柱齿轮的方法，包括如下步骤：S1、通过多组不同进给量的测试，获得不同进给量的情况下的实际工件的预紧位移；S2、设定工件实际预紧位移的线性关系式为：s＝aF₁+b，F₁为施加的预紧力；S3、将步骤S1中的多组数据代入步骤S2的线性关系式中，获得线性关系式中的参数a和b；S4、将上模具和超声振动变幅杆能承受的最大额定载荷F作为预紧力，根据步骤S3获得的线性参数，以及预紧力F作用下的超声振动装置的轴向变形和上模具的实际进给量f_z，获得最大额定进给量f_zmax，并以最大额定进给量f_zmax进行加工。

步骤S1的具体步骤如下：在工件处布置位移传感器，超声振动变幅杆前端、后端和限位垫块处布置应变片，运动超声冷摆成型设备，设定三组进给量f_z，i，i＝1，2，3，如设定进给量f_z1为0.1，f_z2为0.2，f_z3为0.3mm，进行预紧测试，获得上模具的实际进给量f_i，获得超声振动变幅杆前端、后端、限位垫块的应变分别为ε_5，i，ε_6，i，ε_7，i，i＝1，2，3；获得超声振动变幅杆前端变形为x_5，i＝d₁ε_5，i、超声振动变幅杆后端变形为x_6，i＝d₂ε_6，i、限位垫块的变形为x_7，i＝d₃ε_7，i；f_z，i对应的工件实际进给量为f_i，i＝1，2，3。超声振动变幅杆前端为振动输出段330、第二中间段320和第一中间段310。超声振动变幅杆后端为定位段100和第一连接段110。

y_1，i为超声振动装置除超声振动变幅杆和限位垫块以外的部件的变形，即第一连接件420、第二连接件430和基座400的变形，由于变形都是弹性范围内，其变形与刚度，力之间的关系为线性关系，则超声振动装置除超声振动变幅杆和限位垫块以外的部件的变形应遵守胡克定律：y_1，ik＝F_2，i。且其受力与超声振动变幅杆的后端受力等效，故F_2，i＝ε_6，iEA；A为超声振动变幅杆后端的等效截面积，E为超声振动变幅杆后端的弹性模量。

则

i＝1，2，3。

则实际工件的预紧位移x_9，i为

x_9，i＝f_z，i-x_5，i-x_6，i-x_7，i-f_i-y_1，i；

f_i为上模具的实际进给量，可通过位移传感器测量预紧前后上模具相对底座的位置变化，预紧前后工件相对于底座的位置变化，通过两位置变化之差获得上模具的实际进给量。

则实际工件的预紧位移x_9，i为

在弹性变形范围内，工件的预紧位移也为线性关系，设定为

x_9，i＝aF_i+b＝aε_i，6E₁A₁+b；F_i对应f_z，i参数下的工件受力，而工件受力与超声振动变幅杆杆的前端受力一致，为一对反作用力，则F_i＝ε_5，iE₁A₁，E₁、A₁分别为超声振动变幅杆前端的等效弹性模量和等效截面积。

即

而i＝1，2，3，可建立3个方程组，刚有3个未知数，即a，b，k。

求解方程组获得a，b，k。

当预紧力为额定载荷F时，实际工件的预紧位移为s：

s＝aε₁E₁A₁+b。

最大额定进给量

ε₁、ε₂、ε₃为超声振动变幅杆前端、后端、限位垫块在F预紧力下的应变，d₁、d₂、d₃分别为超声振动变幅杆前端、后端、限位垫块的轴向长度；k为超声振动装置除超声振动变幅杆和限位垫块以外的部件的弹性系数。设定超声振动装置能够激励振动的最大额定载荷为F，其超声振动装置的轴向变形量为x，超声振动变幅杆前端的应变为ε₁，超声振动变幅杆前端长度为d₁，超声振动变幅杆后端应变为ε₂，超声振动变幅杆后端长度为d₂，限位垫块的轴向应变为ε₃，限位垫块的轴向长度为d₃，以上参数可以通过测试超声振动变幅杆形状或开展预紧力测试获得。其中应变可通过应变片获得；f_z为预紧力为F条件下的上模具的实际进给量。

若加工中，传感器检测到超声振动变幅杆前端，后端应变中任何一个超过额定应变时，即降低进给量的1/5。

本发明还提供一种实施上述方法的装置，即一种超声冷摆碾齿高效加工圆柱齿轮的装置，包括底座600、上模具、驱动装置。

参照图1和图2，底座600上端设有下模具610，所述下模具610用于装夹工件700；上模具包括上模具本体500和超声振动装置，所述上模具本体500为回转体且轴线501倾斜设置，所述上模具本体500底部加工开设有开口朝下的安装腔510，所述超声振动装置安装于安装腔510内，所述超声振动装置用于与工件700接触以将超声振动传递给工件；驱动装置与上模具本体500相连以驱动所述上模具本体500绕一竖直的旋转轴线502旋转；且超声振动装置与工件700接触位置位于上模具本体500的旋转轴线502上。由于超声振动装置与工件接触位置在上模具的旋转轴线上，使得上模具绕旋转轴线502旋转摆动加工时，超声振动装置与工件700接触位置不会发生变化，使得在上模具旋转摆动过程中，超声振动装置能够稳定提供超声振动给工件，保证工件的超声振动辅助加工。

在本发明的一些实施例中，所述安装腔510外侧朝上依次设置有工件接触段520、结构加强段530、细颈连接段550；工件接触段520用于与工件接触对工件进行加工，结构加强段530呈朝上的向外扩张状，结构加强段530上端面设有凹位540以减少材料体积；细颈连接段550连接在结构加强段530上端面的中心，用于与驱动装置连接。

结构加强段530整体呈圆锥体，尽可能地降低摆动冲击力在水平方向与竖直方向造成的变形与振动。安装腔510开设于圆锥底部中心位置，安装腔510与结构加强段530通过工件接触段520连接，工件接触段520与安装腔510、结构加强段530的连接处均采用曲线过渡，保证在摆动中不存在锐角接触，降低集中应力，提高寿命。上模具本体旋转摆动时，工件接触段520与工件均匀接触，不存在某个位置作为支撑点，导致应力集中。

凹位540可调整上模具的质心，使其满足后续的耐冲击要求。细颈连接段550的轮廓直线与水平约为80°-75°，使得在冲击中受到的力造成的弯曲变形较小，由于冲击力与水平呈-45°，其在细颈连接段550上的水法向分力较小，从而弯矩较小，变形较小。

在超声振动冷摆碾齿加工过程中，上模具冲击工件面为冷摆冲击处，等效为摆动冲击点。在其摆动过程中，超声振动变幅杆的振动输出端通过球形接触面与工件保持时刻接触，激励工件发生超声振动。并提供摆动过程中的支撑点，其接触面增加玻璃纤维覆盖层。在上模具向下进给运动过程中，其预紧力通过超声振动装置传递给工件，超声振动装置发生弹性变形，即形成弹性预紧力。在受到冲击力在竖直方向的分量时，能够使其保持平衡，降低对上模具的冲击。

在本发明一些实施例中，安装腔510的中轴线与上模具本体500的旋转轴线重合，使得安装腔510内的超声振动装置尽量保持在上模具本体500的旋转轴线上，减少离心力，保证超声振动装置稳定地将超声振动传递给工件。

在本发明一些实施例中，上模具本体500和超声振动装置满足以下关系：

K₀表示上模具(上模具本体和超声振动装置)的转动惯量；M₀表示上模具的质量；D表示摆动冲击作用点到上模具质心的直线距离；s表示上模具的摆动中心到上模具质心的直线距离。

上述转动惯量、上模具的质量、上模具的质心、以及上模具的摆动中心位置均可以通过试验方法获得。摆动中心，就是冲击时，上模具会除了正常旋转外，会两侧(左右)摆动，在这个摆动过程中，摆动中心就是基本恒定的一个位置。

由于在冷摆碾齿加工过程中冲击点为冲击中心，上模具的安装位置在满足上述要求的情况下，可保证加工过程中冷摆冲击力作用点的撞击或者碰撞不会对上模具的旋转中心造成任何的法向反作用力，从而提高加工稳定性，降低周期性摆动造成上模具的振动与磨损，提高加工精度。在超声冷摆过程中，由于上模具对工件施加冷摆冲击力，与工件对上模具的冲击力大小相等、方向相反，与上模具上的切向分力相平衡的力的方向与上模具的摆动中心不在同一条直线上，从而避免快速冷摆过程中冲击对上模具的摆动中心的作用力。

参照图3至图4，在本发明的具体实施例中，超声振动装置包括超声振动变幅杆，超声振动变幅杆包括沿一竖直的轴线101依次朝下同轴设置的定位段100、第一振动安装段200和振动变换输出段300，定位段100与安装腔510顶壁相连且周向定位，第一振动安装段200安装有第一压电致动器211，振动变换输出段300上安装有第二压电致动器302，且第一压电致动器211与第二压电致动器302产生的超声振动进行叠加；振动变换输出段300用于与工件800接触将超声振动传递给工件800。利用超声振动变幅杆上的第一压电致动器211和第二压电致动器302产生的超声振动并进行叠加后，产生振动能量更大的超声振动给工件，满足加工需求。超声振动变幅杆的轴线101与上模具本体500的旋转轴线重合，即超声振动变幅杆的轴线101与安装腔的中轴线也重合。

这样可以使得超声振动变幅杆随上模具本体旋转时，位置稳定，可提高稳定的超声振动给工件，保证加工精度。振动变换输出段300与工件800接触位置位于上模具本体500的旋转轴线上，使得接触位置不随上模具本体旋转而改变，保证超声振动的稳定输出。

具体的，第一振动安装段200设有第一压电致动器安装槽210，第一压电致动器安装槽210用于安装第一压电致动器211，第一压电致动器211可通过紧固件安装于第一压电致动器安装槽210内；第二压电致动器302可通过紧固件安装于第二压电致动器安装槽301内。通过安装槽实现定位安装，提高安装精度，使得安装更快捷。

超声振动装置包括基座400，基座400嵌装于安装腔510内，定位段100与基座400相连且周向定位。基座400与安装腔510形状适配且顶部与安装腔相抵以实现定位，定位段100与基座400相连且周向定位，以此实现与上模具的周向定位，此处周向定位的含义是定位段100不能绕轴线101相对上模具本体自由旋转，避免其受扭矩后旋转，将扭转振动卸去，保证扭转振动最大限度传递给工件。

在本发明的一些实施例中，振动变换输出段300包括依次设置的第一中间段310、第二中间段320和振动输出段330，第一中间段310、第二中间段320和振动输出段330沿轴线101同轴设置，第一中间段310相比第二中间段320更靠近定位段100，即第一中间段310、第二中间段320和振动输出段330从上往下依次设置。第一中间段310和第二中间段320之间设有第二压电致动器安装槽301，第二压电致动器安装槽301用于安装第二压电致动器302，第二中间段320上设有相对轴线101倾斜的通槽321。为了结构对称，通槽321通常绕轴向均匀环绕排列有多个，通常是环绕排列四个。第一压电致动器211与第二压电致动器302产生的超声振动进行叠加，振动叠加可产生能量更大的振动，并最终传递至振动输出段330，提高振动能量和振动效果，保证在有效的空间内实现较大振动，使得可以在较小的空间内安装超声振动装置，满足高能量振动的超声振动辅助加工。再加上倾斜的通槽321可产生扭转和轴向的复合振动，产生如图5所示的谐振，可降低成型压力，提高工件表面的切削质量。

在本发明的一些实施例中，定位段100与第一振动安装段200之间设有同轴的第一连接段110，定位段100为正六棱锥台，第一连接段110为正六棱柱，定位段100与第一连接段110相接处的截面相同。使得超声振动变幅杆长度得到保证，且不需要定位段长度过长，减少加工切削量。

在本发明的进一步实施例中，第一振动安装段200朝向定位段100的侧面具有朝中心向内凹陷的锥面，降低压电致动器激励的振动向定位段100传递能量，使得大部分振动能量向振动输出段330传递，降低能量损耗。且锥面可以是一个圆锥面或者是一个多棱锥的锥面。由于锥面具有斜度，在轴线101轴向上的投影具有一段长度，第一连接段110的长度约为锥面在轴向上的投影的长度的1.5倍。

参照图2，第一振动安装段200的轮廓大于第一连接段110、第一中间段310、第二中间段320和振动输出段330，使得第一振动安装段200径向凸出。第一压电致动器安装槽210设于第一振动安装段200朝向定位段100的侧面，该侧面则是第一振动安装段200径向凸出形成的轴肩，以此形成供第一压电致动器211的安装位置。且第一压电致动器安装槽210离轴线的距离为第一振动安装段200轴向长度的2-4倍，振动输出段330用于与工件接触，第一压电致动器激励引起振动使得超声振动变幅杆产生轴向大载荷的振动。具体的，振动输出段330外端设有一圆弧凸起331，使得与工件接触时，且可适应工件的表面与工件圆润接触，而不是尖角接触，避免应力集中。

在本发明的一些实施例中，基座400下表面设有开口朝下的空腔401，定位段100与空腔401顶壁相连，以此减少设备的整体体积，实现空间的最大化利用。

在本发明的一些实施例中，第一振动安装段200径向凸出定位段100和振动变换输出段300；第一振动安装段200朝上的侧面设有第一限位槽220，另一侧面设有第二限位槽230，且第一限位槽220和第二限位槽230均设于超声振动变幅杆的振型节点处；第一限位槽220安装有第一连接件420，第一连接件420上端与空腔401相连，另一端嵌入第一限位槽220；第二限位槽230安装有第二连接件430，第二连接件430一端嵌装于第二限位槽230，另一端与空腔401周向侧壁相连。第二连接件430两端分别与第一振动安装段200和基座固定相连。为了实现第一连接件420和第二连接件430与基座的定位，空腔401底壁和侧壁均设有对应第一连接件420和第二连接件430的定位槽。通过第一限位槽220和第二限位槽230实现与两个连接件的定位相连，且实现基座与超声振动变幅杆的多位置定位相连，提高安装精度和安装稳定性，且在超声振动变幅杆受到轴向作用力时，第一连接件420和第二连接件430可产生一定的弹性变形，以适应轴向作用力。超声振动变幅杆的振型节点与第一限位槽220和第二限位槽230位置一致，振型节点处的振动为零，不会将振动通过第一连接件420和第二连接件430传递给基座，减少能量损耗。

在本发明的具体实施例中，定位段100与空腔401之间设有限位垫块410，空腔401顶壁设有供限位垫块410底部部分嵌入的第一限位槽，限位垫块410嵌入第一限位槽实现周向限位；限位垫块410上表面设有供定位段100部分嵌入的第二限位槽，定位段100嵌入第二限位槽实现周向限位。定位段100呈正六棱锥台状，尖端朝外，用于限制超声振动变幅杆定位段处的扭转运动及一侧的轴向运动，提供超声振动变幅杆的轴向支撑力与扭矩。第二限位槽与定位段100匹配以供定位段100端部嵌入，实现周向限位，限制定位段100扭转。限位垫块410整体呈正八棱柱，第一限位槽与限位垫块410匹配，限位垫块410嵌入第一限位槽实现周向定位，限制限位垫块410扭转。定位段100与限位垫块410通过多边形的嵌合接触限制扭转，基座与限位垫块通过正八面体接触限制扭转，接触面更大，降低传递给基座400的扭转力，扭转力矩由定位段100传递给限位垫块，再传给基座。正六边形的外角度比正八边形大，限制扭转的能力比正八边形强。具体的，限位垫块由高硅铸铝合金与玻璃纤维复合而成，两个外层与中间层为玻璃纤维，外层与中间层之间为铸铝合金层。玻璃纤维具有含有较高的硅，且弹性变形能力强，在承受反复扭转时，具有较高的耐磨性，承受变形能力较强，使用寿命长。铸铝刚度相对较低，承受载荷时，能够发生变形，缓冲载荷。两层铸铝合金层被中间层隔开，铸铝合金层能够相对滑动，进一步增加了其变形能力与承受载荷能力。其复合层不同层的厚度与其刚度比例对应。

在本发明的一些实施例中，第二压电致动器安装槽301和第一压电致动器安装槽210均绕轴线101均匀环绕排列四个，且第二压电致动器安装槽301和第一压电致动器安装槽210具有45°的相位差。通过控制相位角度实现轴向振动叠加。如图6所示，四个第一压电致动器的位置角度依次为0°，90°，180°，270°。如图7所示，四个第二压电致动器的位置角度依次为45°，135°，225°，315°。

第一振动安装段200与第一中间段310之间设有同轴的第二连接段340，第二连接段340直径大于第一中间段310。具体的，第二连接段340为正六棱柱，长度与第一连接段110一致。

第二连接段340直径大于第一中间段310，第二连接段340与第一中间段310之间采用高斯曲线连接，且半径缩小0.2-0.25，主要用于在将超声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。

第一中间段310和第二中间段320均为正六棱柱，且长度均与第二连接段340一致。通槽长度与第二中间段320一致，通槽的倾斜角度为60°，即通槽与轴线101的夹角为60°，增加其承受大载荷的能力。通槽宽度约为长度的0.1倍，使通槽在第一压电致动器和第二压电致动器的作用下，产生扭转与轴向振动，使得齿轮各个方向具有超声振动，降低各个方向成型的压力，促进齿轮成型，降低成型压力。此处正多棱柱的直径是指正多棱柱横截面的外接圆直径。

另外，振动输出段330长度与第二中间段320一致，为正六棱锥台，其锥度为1∶13，用于与工件接触，工件设有与振动输出段330端部适配的槽，用来传递高频扭转与轴向振动给工件。

超声振动变幅杆的直径变化连接处，均采用最佳圆弧过渡。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。

如图1所示，工件装夹在机床支撑座600的下模具上，上模具与工件相抵并传递超声振动，也同时实现了工件的预紧，不占用机床支撑座600的同时，满足工件的预紧和超声振动加工，提高工件的加工精度。

第一压电致动器211与第二压电致动器302的频率f、上模具600冲击频率N，第一压电致动器211产生的振动传递至第二压电致动器302处的路径行程L；则第一压电致动器211与第二压电致动器302的分别产生的振动能够叠加需满足如下公式：

其中c为超声振动在超声振动变幅杆上的传递速度。Δt为第一压电致动器211与第二压电致动器302的开始激励的时间差。

压电致动器为超声换能器，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，振动变幅杆是将压电致动器产生的振动位移和速度进行放大，将超声能量聚集在较小的面积上，用于振动连接设备，并能产生轴向-扭转耦合振动。

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 (7)

1.一种超声冷摆碾齿高效加工圆柱齿轮的方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1、通过多组不同进给量的测试，获得不同进给量的情况下的实际工件的预紧位移；

S2、设定工件实际预紧位移的线性关系式为：

F₁为施加的预紧力，f_z，i为步骤S1设定的进给量，f_i为步骤S1获得的上模具的实际进给量，ε_5，i、ε_6，i分别为步骤S1获得的超声振动变幅杆前端、后端的应变；x_5，i为步骤S1获得的超声振动变幅杆前端变形，x_6，i为步骤S1获得的超声振动变幅杆后端的变形，x_7，i为步骤S1获得的限位垫块的变形；A为超声振动变幅杆后端的等效截面积，E为超声振动变幅杆后端的弹性模量；E₁、A₁分别为超声振动变幅杆前端的等效弹性模量和等效截面积；k为超声振动装置除超声振动变幅杆和限位垫块以外的部件的弹性系数；

S3、将步骤S1中的多组数据代入步骤S2的线性关系式中，获得线性关系式中的参数a和b；

S4、将上模具和超声振动变幅杆能承受的最大额定载荷F作为预紧力，根据步骤S3获得的线性参数，以及预紧力F作用下的超声振动装置的轴向变形和上模具的实际进给量f_z，获得最大额定进给量f_zmax，并以最大额定进给量f_zmax进行加工；

其中最大额定进给量

ε₁、ε₂、ε₃为超声振动变幅杆前端、后端、限位垫块在F预紧力下的应变，d₁、d₂、d₃分别为超声振动变幅杆前端、后端、限位垫块的轴向长度；k为超声振动装置除超声振动变幅杆和限位垫块以外的部件的弹性系数；f_z为预紧力为F条件下的上模具的实际进给量。

2.根据权利要求1所述的超声冷摆碾齿高效加工圆柱齿轮的方法，其特征在于，步骤S1的具体步骤如下：

设定三组进给量f_z，i，i＝1，2，3，进行预紧测试，获得上模具的实际进给量f_i，获得超声振动变幅杆前端、后端、限位垫块的应变分别为ε_5，i，ε_6，i，ε_7，i，i＝1，2，3；

获得超声振动变幅杆前端、后端、限位垫块的变形分别为x_5，i＝d₁ε_5，i、x_6，i＝d₂ε_6，i、x_7，i＝d₃ε_7，i，设定超声振动装置除超声振动变幅杆和限位垫块以外的部件的变形为

3.一种实施权要求1或2所述的超声冷摆碾齿高效加工圆柱齿轮的方法的超声冷摆碾齿高效加工圆柱齿轮的装置，其特征在于包括：

底座(600)，上端设有下模具(610)，所述下模具(610)用于装夹工件(700)；

上模具，包括上模具本体(500)和超声振动装置，所述上模具本体(500)为回转体且轴线倾斜设置，所述上模具本体(500)底部设有开口朝下的安装腔(510)，所述超声振动装置安装于安装腔(510)内，所述超声振动装置用于与工件(700)接触以将超声振动传递给工件：

驱动装置，与上模具本体(500)相连以驱动所述上模具本体(500)绕一竖直的旋转轴线(502)旋转；

且超声振动装置与工件(700)接触位置位于上模具本体(500)的旋转轴线(502)上。

4.根据权利要求3所述的超声冷摆碾齿高效加工圆柱齿轮的装置，其特征在于：所述安装腔(510)外侧朝上依次设置有工件接触段(520)、结构加强段(530)、细颈连接段(550)；

所述工件接触段(520)用于与工件接触对工件进行加工，所述结构加强段(530)呈朝上的向外扩张状，所述结构加强段(530)上端面设有凹位(540)以减少材料体积；

所述细颈连接段(550)连接在结构加强段(530)上端面的中心，用于与驱动装置连接。

5.根据权利要求3所述的超声冷摆碾齿高效加工圆柱齿轮的装置，其特征在于：所述上模具本体(500)和超声振动装置满足以下关系：

K₀表示上模具的转动惯量；M₀表示上模具的质量；D表示摆动冲击作用点到上模具质心的直线距离；s表示上模具的摆动中心到上模具质心的直线距离。

6.根据权利要求3所述的超声冷摆碾齿高效加工圆柱齿轮的装置，其特征在于：所述超声振动装置包括超声振动变幅杆，所述超声振动变幅杆包括沿一竖直的轴线(101)依次朝下同轴设置的定位段(100)、第一振动安装段(200)和振动变换输出段(300)，所述定位段(100)与安装腔(510)顶壁相连且周向定位，所述第一振动安装段(200)安装有第一压电致动器(211)，所述振动变换输出段(300)上安装有第二压电致动器(302)，且所述第一压电致动器(211)与第二压电致动器(302)产生的超声振动进行叠加；所述振动变换输出段(300)用于与工件(700)接触将超声振动传递给工件(700)；所述超声振动变幅杆的轴线(101)与上模具本体(500)的旋转轴线重合。

7.根据权利要求6所述的超声冷摆碾齿高效加工圆柱齿轮的装置，其特征在于：所述振动变换输出段(300)包括依次设置的第一中间段(310)、第二中间段(320)和振动输出段(330)，所述第一中间段(310)相比第二中间段(320)更靠近所述定位段(100)，所述第一中间段(310)和第二中间段(320)之间设有第二压电致动器安装槽(301)，所述第二压电致动器安装槽(301)用于安装第二压电致动器(302)，所述第二中间段(320)上设有与轴线(101)倾斜的通槽(321)。

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