CN112845004B - 一种用于冷摆碾压成型齿轮的超声变幅杆 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于冷摆碾压成型齿轮的超声变幅杆，包括沿一轴线依次同轴设置的定位段、第一振动安装段和振动变换输出段；所述第一振动安装段朝向定位段的侧面设有第一压电致动器安装槽；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，所述第一中间段和第二中间段之间设有第二压电致动器安装槽，所述第二中间段上设有相对轴线倾斜的通槽，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。本发明两组超声振动可叠加，产生能量更大的振动，并最终传递至振动输出段，作用在工件或刀具上，实现超声振动加工；再加上倾斜的通槽可产生扭转和轴向的复合振动，降低成型压力，提高工件表面的切削质量。

Description

一种用于冷摆碾压成型齿轮的超声变幅杆

技术领域

本发明涉及机加工领域，特别是涉及一种用于冷摆碾压成型齿轮的超声变幅杆。

背景技术

在齿轮加工领域中，通常通过减材加工方法加工齿轮，如车齿，滚齿，铣齿，插齿等，由于减材料加工浪费材料且加工加工效率不高。冷摆碾压成型齿轮加工能够有效解决以上问题，但是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。而材料在超声振动作用下，其材料流动所需要的压力显著降低。但是传统的冷摆碾压成型齿轮的设备中，为了保证超声振动的效果满足需求，需要采用复杂且体积较大的超声振动装置，而常规的设备供超声装置安装的空间有限，较难满足其需求。

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冷摆碾压成型齿轮的超声变幅杆，通过两组压电致动器进行叠加和超声变幅杆的作用，实现振动的放大，使得体积有限的超声振动装置也可以实现较大的振动。

根据本发明的第一方面实施例的一种用于冷摆碾压成型齿轮的超声变幅杆，包括沿一轴线依次同轴设置的定位段、第一振动安装段和振动变换输出段；所述第一振动安装段朝向定位段的侧面设有第一压电致动器安装槽，所述第一压电致动器安装槽用于安装第一压电致动器；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相对轴线倾斜的通槽，所述振动输出段用于将超声振动传递给与其接触的结构；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。

根据本发明实施例的一种用于冷摆碾压成型齿轮的超声变幅杆，至少具有如下技术效果：定位段用于定位安装于载体(机床)上，第一压电致动器安装槽上安装第一压电致动器并发出第一组超声振动，第二压电致动器安装槽上安装第二压电致动器并发出第二组超声振动，且两组超声振动可叠加，产生能量更大的振动，并最终传递至振动输出段，作用在工件或刀具上，实现超声振动加工；再加上倾斜的通槽可产生扭转和轴向的复合振动，降低成型压力，提高工件表面的切削质量；利用超声振动的叠加，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，实现超声振动辅助加工。

根据本发明的一些实施例，所述第一振动安装段朝向定位段的侧面设有第一限位槽，另一侧面设有第二限位槽，且所述第一限位槽和第二限位槽均设于超声变幅杆的振型节点处。

根据本发明的一些实施例，所述第二压电致动器安装槽和所述第一压电致动器安装槽均绕轴线均匀环绕排列四个，且所述第二压电致动器安装槽和所述第一压电致动器安装槽具有°的相位差。

根据本发明的一些实施例，所述定位段与第一振动安装段之间设有同轴的第一连接段，所述第一振动安装段朝向定位段的侧面具有朝中心向内凹陷的锥面。

根据本发明的一些实施例，所述第一振动安装段与所述第一中间段之间设有同轴的第二连接段，所述第二连接段直径大于第一中间段，且所述第二连接段与第一中间段之间采用高斯曲线连接。

根据本发明的一些实施例，所述定位段为正六棱锥台，所述第一连接段为正六棱柱，所述定位段与所述第一连接段相接处的截面相同。

根据本发明的一些实施例，所述第一压电致动器与第二压电致动器的开始激励的时间差为

其中L为第一压电致动器产生的振动传递至第二压电致动器处的路径行程，c为超声振动在超声变幅杆上的传递速度、f为第一压电致动器和第二压电致动器的激励频率。

根据本发明的一些实施例，所述第一压电致动器安装槽设于所述第一振动安装段朝向定位段的侧面。

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；

图2是本发明安装于载体上的结构示意图；

图3是本发明的超声变幅杆谐振产生示意图；

图4是第一压电致动器布置示意图；

图5是第二压电致动器布置示意图。

附图标记：

定位段100、第一连接段110、轴线101；

第一振动安装段200、第一压电致动器安装槽210、第一压电致动器211、第一限位槽220、第二限位槽230；

振动变换输出段300、第二压电致动器安装槽301、第二压电致动器302、第一中间段310、第二中间段320、通槽321、振动输出段 330、第二连接段340；

基座400、空腔401、限位垫块410、第一连接件420、第二连接件430。

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冷摆碾压成型齿轮的超声变幅杆，包括沿一轴线101依次同轴设置的定位段100、第一振动安装段200和振动变换输出段300。

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；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，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。第二中间段320上设有相对轴线101倾斜的通槽321，通槽321绕轴向均匀环绕排列有多个，通常是环绕排列四个。振动输出段330用于将超声振动传递给与其接触的结构(工件或刀具)；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。定位段100用于定位安装于载体(机床)上，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3所示的谐振，可降低成型压力，提高工件表面的切削质量。

参照图2，超声变幅杆安装在基座400内，基座400具有一空腔 401，空腔401一侧为开口，其开口朝向与轴线101平行，超声变幅杆的定位段100嵌入空腔401内并与空腔内壁相抵。具体的，定位段 100通过限位垫块410与基座400连接，其中基座与模具机床的床身底座连接。定位段100呈正六棱锥台状，尖端朝外，用于限制超声变幅杆定位段处的扭转运动及一侧的轴向运动，提供超声变幅杆的轴向支撑力与扭矩。限位垫块410具有一限位槽，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，基座上设有与限位垫块410匹配并供限位垫块410嵌入的嵌槽，限位垫块410嵌入嵌槽实现周向定位，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。

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，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1，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，第一压电致动器激励引起振动使得超声变幅杆产生轴向大载荷的振动。

在本发明的一些实施例中，第一振动安装段200朝向定位段100 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均设于超声变幅杆的振型节点处。参照图2，第一限位槽220和第二限位槽230分别嵌装有第一连接件420 和第二连接件430，第一连接件420一端嵌入第一限位槽220另一端嵌入基座400。第二连接件430一端嵌入第二限位槽230，另一端嵌入基座400并与基座400固定相连，通过第一限位槽220和第二限位槽230实现与连接件的定位相连，且实现基座与超声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4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5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，用于与超声冷摆装置中的工件接触，用于传递高频扭转与轴向振动给工件。

超声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。

设第一压电致动器211产生的振动传递至第二压电致动器302处的路径行程为L，则第一压电致动器211与第二压电致动器302的开始激励的时间差为Δt。Δt和L均需满足如下关系式：

n为包含0的正整数。c为超声振动在超声变幅杆上的传递速度，且第一压电致动器211和第二压电致动器302的激励频率一致，均为 f。通过满足上述公式，使得第一压电致动器211与第二压电致动器 302的分别产生的振动能够叠加。通过超声变幅杆将振幅与速度放大，满足在冷摆碾压成型齿轮中大载荷，高频的要求。

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)

1.一种用于冷摆碾压成型齿轮的超声变幅杆，其特征在于：包括沿一轴线(101)依次同轴设置的定位段(100)、第一振动安装段(200)和振动变换输出段(300)；

所述第一振动安装段(200)设有第一压电致动器安装槽(210)，所述第一压电致动器安装槽(210)用于安装第一压电致动器(211)；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)上设有相对轴线(101)倾斜的通槽(321)，所述振动输出段(330)用于将超声振动传递给与其接触的结构；

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；所述第一振动安装段(200)朝向定位段(100)的侧面设有第一限位槽(220)，另一侧面设有第二限位槽(230)，且所述第一限位槽(220)和第二限位槽(230)均设于超声变幅杆的振型节点处。

2.根据权利要求1所述的用于冷摆碾压成型齿轮的超声变幅杆，其特征在于：所述第二压电致动器安装槽(301)和所述第一压电致动器安装槽(210)均绕轴线(101)均匀环绕排列四个，且所述第二压电致动器安装槽(301)和所述第一压电致动器安装槽(210)具有45°的相位差。

3.根据权利要求1所述的用于冷摆碾压成型齿轮的超声变幅杆，其特征在于：所述定位段(100)与第一振动安装段(200)之间设有同轴的第一连接段(110)，所述第一振动安装段(200)朝向定位段(100)的侧面具有朝中心向内凹陷的锥面。

4.根据权利要求3所述的用于冷摆碾压成型齿轮的超声变幅杆，其特征在于：所述第一振动安装段(200)与所述第一中间段(310)之间设有同轴的第二连接段(340)，所述第二连接段(340)直径大于第一中间段(310)，且所述第二连接段(340)与第一中间段(310)之间采用高斯曲线连接。

5.根据权利要求3所述的用于冷摆碾压成型齿轮的超声变幅杆，其特征在于：所述定位段(100)为正六棱锥台，所述第一连接段(110)为正六棱柱，所述定位段(100)与所述第一连接段(110)相接处的截面相同。

6.根据权利要求1所述的用于冷摆碾压成型齿轮的超声变幅杆，其特征在于：所述第一压电致动器(211)与第二压电致动器(302)的开始激励的时间差为

其中L为第一压电致动器(211)产生的振动传递至第二压电致动器(302)处的路径行程，

c为超声振动在超声变幅杆上的传递速度、f为第一压电致动器(211)和第二压电致动器(302)的激励频率。

7.根据权利要求1至6任一项所述的用于冷摆碾压成型齿轮的超声变幅杆，其特征在于：所述第一压电致动器安装槽(210)设于所述第一振动安装段(200)朝向定位段(100)的侧面。

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