CN113649652A - 可调无线传输式二维超声成形磨齿系统 - Google Patents
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Abstract
可调无线传输式二维超声成形磨齿系统，包括外无线传输装置、内无线接收装置、二维超声振动系统和磨齿工具头，外无线传输装置后端夹持固定在机床主轴的固定部分，内无线接收装置同轴向设置在外无线传输装置内部，内无线接收装置后端与机床主轴的旋转部分传动连接，二维超声振动系统同轴向安装在内无线接收装置前端部，磨齿工具头安装在二维超声振动系统前端部。本发明采用可调式内、外无线传输装置，具备安装简单、成本低、适用范围广泛、实际谐振效果较为理想，有效降低了系统各部分零件加工、制造及安装过程中与理论谐振效果间的误差。
Description
技术领域
本发明涉及一种渐开线齿轮超声磨削加工设备，具体涉及一种可调无线传输式二维超声成形磨齿系统。
背景技术
齿轮作为汽车船舶、航天航空、机床设备、电力冶金、起重运输和军工等机械领域中重要的基础传动零件之一，加工方法得到了国内外众多学者的不断研究与完善。成形磨削技术即为常用加工方法之一，且大致可分为单齿面磨削、双齿面磨削以及三齿面磨削。但，磨削方法多以工件传统磨削和工件齿轮振动磨削为主，效率低、成本高、效果不佳等。试验表明，以砂轮盘振动为基础的一种可调无线传输式二维超声成形磨齿系统，具备便于调节、传输稳定、结构简单、加工效率高、精度可靠等技术有点，并可获得良好的轮齿表面加工质量及使役性能。同时，可有效降低磨削热、磨削力，从而延长砂轮的使用寿命。
发明内容
本发明为了解决现有技术中的不足之处，提供一种设计合理、适用性稳定性、可靠性和耐用性较强的可调无线传输式二维超声成形磨齿系统；有效改善现有超声产品声学系统中节点设计理论复杂、且与实际振动效果不相符的新型设计设计理论与方案；降低因节点位置不准确而造成的能量损失；解决不同类型机床主轴和外线圈承载壳体间间距调节不便的问题。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：可调无线传输式二维超声成形磨齿系统，包括外无线传输装置、内无线接收装置、二维超声振动系统和磨齿工具头，外无线传输装置后端夹持固定在机床主轴的固定部分，内无线接收装置同轴向设置在外无线传输装置内部，内无线接收装置后端与机床主轴的旋转部分传动连接，二维超声振动系统同轴向安装在内无线接收装置前端部，磨齿工具头安装在二维超声振动系统前端部。
外无线传输装置包括锁紧环、伸缩连接件、外承载筒、外线圈、外铁氧体套筒和电源插头，锁紧环为通过锁紧螺栓紧固的圆环形抱箍，锁紧环同轴向夹持固定在机床主轴的固定部分并通过锁紧螺栓紧固，外承载筒位于锁紧环前侧，伸缩连接件设有至少三组，外承载筒外圆通过伸缩连接件与锁紧环外圆连接为一体，外铁氧体套筒同轴向设置在外承载筒内圆，外线圈同轴向设置在外铁氧体套筒内圆，电源插头设在外承载筒外圆，外线圈通过穿过外铁氧体套筒的导线与电源插头连接。
内无线接收装置包括刀柄，刀柄后部为后细前粗的圆锥体结构，刀柄前部为前端敞口的圆筒体结构，圆筒体结构外圆直径大于圆锥筒结构前端外圆直径，刀柄上在圆筒体结构前端外圆一体设有限位套，刀柄上在圆筒体结构外圆的限位套后侧套设有铁氧体套座，铁氧体套座外圆上缠绕有内线圈，内线圈位于外线圈内部，内线圈外圆与外线圈内圆之间具有环形间隙，刀柄上在圆筒体结构后端外圆开设有中心对称的两个卡槽，刀柄后端与机床主轴的旋转部分通过拉钉连接，两个卡槽对应与机床主轴的旋转部分驱动块卡接，刀柄上在内线圈上方设有穿线孔。
伸缩连接件包括外固定套管、内伸缩柱、定位螺栓和连接块，外固定套管上端固定连接在锁紧环外圆上，内伸缩柱上部伸入并滑动连接在外固定套管内，内伸缩柱下端通过连接块固定连接在外承载筒外圆上，定位螺栓螺纹连接在外固定套管上，定位螺栓内端与内伸缩柱压接，定位螺栓外端设有手柄。
二维超声振动系统包括设置在刀柄的圆筒体结构内部的换能器，换能器前端同轴向连接有变幅杆组件；
换能器包括自前向后依次设置的前定位套、压电晶体和后定位套，压电晶体设置若干层，相邻两层压电晶体之间均设有电极片，电极片通过穿过穿线孔的导线与内线圈连接；
变幅杆组件包括变幅杆和法兰盘，变幅杆后端与法兰盘前侧面同轴向连接；
前定位套、压电晶体和后定位套中心孔穿过连接螺栓与法兰盘中心的螺纹孔连接为一体，前定位套前端通过第一O型密封圈与法兰盘压接；
铁氧体套座前端口设有台阶槽，法兰盘装配在台阶槽内，法兰盘上沿圆周方向开设有若干个安装孔，法兰盘通过穿过安装孔的安装螺栓与铁氧体套座连接，法兰盘外圆设有与台阶槽内圆压接的第二O型密封圈，法兰盘后端面设有与台阶槽底部压接的第三O型密封圈。
磨齿工具头包括圆盘形的成型砂轮，成型砂轮中心孔与变幅杆前端同轴向固定连接，成型砂轮外圆周均匀设有若干个容屑槽。
变幅杆采用圆锥过渡型变幅杆或阶梯型变幅杆。
圆锥过渡型变幅杆外圆上开设有若干条螺旋槽，螺旋槽沿圆锥过渡型变幅杆圆周均匀布置。
采用上述技术方案，本发明中各部分具有以下技术效果:
外无线传输装置与机床主轴的固定部分通过锁紧环夹持固定连接，调节锁紧螺栓可改变其锁紧程度；锁紧环和外承载筒的周向通过至少三组伸缩连接件连接,每组伸缩连接件的内伸缩柱伸入并滑动连接在外固定套管内部，改变内伸缩柱伸缩长度可自由调节外线圈与机床主轴前端直径的距离，而后可经定位螺栓将内伸缩柱与外固定套管锁紧；外承载筒周向通过设置的连接块与内伸缩柱通过螺栓固连；外固定套管与内伸缩柱之间采取间隙配合；内伸缩柱与外承载筒与连接块之间为分体式设计，以此降低制造成本，便于设计与安装。
外铁氧体套筒设置在外线圈与外承载筒之间,可降低电磁传输过程中产生的磁场能量损失；外承载筒外圆设置有与外线圈相连的电源插头，并可起到防水、绝缘隔热等作用。
内无线接收装置的刀柄由常用BT40刀柄进行改装所得，刀柄上开设的两个卡槽用于传动连接机床主轴的旋转部分驱动块，驱动块的旋转带动内无线接收装置旋转，内无线接收装置通过变幅杆组件带动磨齿工具头旋转，对工件进行磨削加工作业。通过内线圈的旋转与固定的外线圈之间产生电磁感应，超声波发生器输出的电信号通过电源插头传输给外线圈，外线圈内部产生交变的磁场，高速旋转的内线圈接收磁场感应信号转化为电流，内线圈将电流进而传输给换能器，带动变幅杆超声振动。内线圈套设于铁氧体套座上，磨齿工具头后端整体安装于刀柄前端二次加工所得阶梯结构位置；刀柄上钻扩有穿线孔，使得内线圈和二维超声振动系统的正、负电极片所焊接导线相连；内线圈与外线圈间尽量不要有同心偏差，且相对面积尽可能保持一致，从而确保电流无线传输的效率和稳定性。
二维超声振动系统的连接螺栓将电极片和压电晶体固定在前定位套和后定位套之间，同时将前定位套和后定位套固定到法兰盘后侧面，第一O型密封圈、第二O型密封圈16和第三O型密封圈可实现铁氧体套座前端口的台阶槽与法兰盘之间径向面以及接触面吸振、隔热、防水等效果。
成型砂轮的外圆开设容屑槽，可防止砂轮堵塞以及增加磨削接触面的散热效果。本发明在进行设计过程中，成型砂轮的表面积与变幅杆较小端的表面积比远小于0.1、直径比小于0.3时，换能器、变幅杆和成型砂轮各项尺寸参数，可分别按照给定某一给定固有频率进行独立设计所得。同时，为减少振动系统整体尺寸大小，所述换能器通常遵循最短尺寸设计原则，即给定频率下四分之一波长进行设计。变幅杆根据设计形式不同可为阶梯型变幅杆、圆锥过渡型变幅杆，并可根据振动所需效果形式决定是否设置螺旋槽，以及螺旋槽宽、槽深和数目，最终可呈现纵-弯、纵-扭、弯-扭、纵-扭-弯等二维或多维振动形式。成型砂轮基体材料采用45#钢材等具备一定刚度和韧性的材料，以此降低传输能量的损失。
外线圈、铁氧体套座和外承载筒端面之间选用专用电子密封胶进行固连，使其密封为整体；同理，内线圈和铁氧体套座也采用电子密封胶，铁氧体套座将换能器罩住实现防水、隔热、绝缘目的。
换能器各组成部分接触面间需确保足够整洁；压电晶体组装前需进行丙酮化学药品的洗涤，并采用卫生棉轻轻擦拭两电极片表面污垢。
变幅杆后端设置有法兰盘，且法兰盘应位于振动节点位置，而后通过连接螺栓和刀柄固连，并确保连接面干净整洁且不存在锈斑等缺陷；成型轮盘工作面形状和工件齿轮齿槽形状保持一致。
综上所述，本发明的有益效果
1）本发明采用可调式内、外无线传输装置，为二维超声振动系统提供超声频激励信号。该无线传输装置相比一体式设计思路而言，可自由调节外线圈与主轴前端面的间距；外无线传输装置与主轴通过锁紧环进行连接，并可适用于不同直径的主轴安装。故该系统具备安装简单、成本低、适用范围广泛等优势。
2）本发明基于局部共振理论，对二维超声成形磨齿振动系统进行设计。相比传统全谐振设计方法，有效降低了系统各部分零件加工、制造及安装过程中与理论谐振效果间的误差。从而，该设计方法具备设计简单、安装便捷、实际谐振效果较为理想等优点。
3）本发明变幅杆在法兰盘后端面和周向面，均设置有O形密封槽，以此可实现径向面以及接触面吸振、隔热、防水等效果。成型砂轮工作端开设容屑槽，防止砂轮堵塞以及增加磨削接触面的散热效果。
附图说明
图1为本发明的总装图；
图2为外无线传输装置的结构图；
图3为内无线接收装置的结构图；
图4为超声振动系统的结构图；
图5为阶梯型变幅杆的结构图；
图6为圆锥过渡型变幅杆的结构图。
图中，1-锁紧环；2-外固定套管；3-定位螺栓；4-锁紧螺栓；5-内伸缩柱；6-外承载筒；7-连接块；8-外线圈；9-外铁氧体套筒；10-电源插头；11-刀柄；12-限位套；13-内线圈；14-磨齿工具头；15-穿线孔；16-连接螺栓；17-后定位套；18-电极片；19-压电晶体；20-前定位套；21-法兰盘；22-第一O型密封圈、23-第三O型密封圈；24-安装孔；25-第二O型密封圈；26-变幅杆；27-螺旋槽；28-成型砂轮；29-容屑槽；30-砂轮工作曲面；31-阶梯型变幅杆；32-圆锥过渡型变幅杆；33-卡槽；34-外无线传输装置；35-内无线接收装置；36-二维超声振动系统。
具体实施方式
如图1-图6所示，本发明的可调无线传输式二维超声成形磨齿系统，包括外无线传输装置34、内无线接收装置35、二维超声振动系统36和磨齿工具头14，外无线传输装置34后端夹持固定在机床主轴的固定部分，内无线接收装置35同轴向设置在外无线传输装置34内部，内无线接收装置35后端与机床主轴的旋转部分传动连接，二维超声振动系统36同轴向安装在内无线接收装置35前端部，磨齿工具头14安装在二维超声振动系统36前端部。
外无线传输装置34包括锁紧环1、伸缩连接件、外承载筒6、外线圈8、外铁氧体套筒9和电源插头10，锁紧环1为通过锁紧螺栓4紧固的圆环形抱箍，锁紧环1同轴向夹持固定在机床主轴的固定部分并通过锁紧螺栓4紧固，外承载筒6位于锁紧环1前侧，伸缩连接件设有至少三组，外承载筒6外圆通过伸缩连接件与锁紧环1外圆连接为一体，外铁氧体套筒9同轴向设置在外承载筒6内圆，外线圈8同轴向设置在外铁氧体套筒9内圆，电源插头10设在外承载筒6外圆，外线圈8通过穿过外铁氧体套筒9的导线与电源插头10连接。
内无线接收装置35包括刀柄11，刀柄11后部为后细前粗的圆锥体结构，刀柄11前部为前端敞口的圆筒体结构，圆筒体结构外圆直径大于圆锥筒结构前端外圆直径，刀柄11上在圆筒体结构前端外圆一体设有限位套12，刀柄11上在圆筒体结构外圆的限位套12后侧套设有铁氧体套座，铁氧体套座外圆上缠绕有内线圈13，内线圈13位于外线圈8内部，内线圈13外圆与外线圈8内圆之间具有环形间隙，刀柄11上在圆筒体结构后端外圆开设有中心对称的两个卡槽33，刀柄11后端与机床主轴的旋转部分通过拉钉连接，两个卡槽33对应与机床主轴的旋转部分驱动块卡接，刀柄11上在内线圈上方设有穿线孔15。
伸缩连接件包括外固定套管2、内伸缩柱5、定位螺栓3和连接块7，外固定套管2上端固定连接在锁紧环1外圆上，内伸缩柱5上部伸入并滑动连接在外固定套管2内，内伸缩柱5下端通过连接块7固定连接在外承载筒6外圆上，定位螺栓3螺纹连接在外固定套管2上，定位螺栓3内端与内伸缩柱5压接，定位螺栓3外端设有手柄。
二维超声振动系统36包括设置在刀柄11的圆筒体结构内部的换能器（图未示），换能器前端同轴向连接有变幅杆组件；
换能器包括自前向后依次设置的前定位套20、压电晶体19和后定位套17，压电晶体19设置若干层，相邻两层压电晶体19之间均设有电极片18，电极片18通过穿过穿线孔15的导线与内线圈13连接；
变幅杆组件包括变幅杆26和法兰盘21，变幅杆26后端与法兰盘21前侧面同轴向连接；
前定位套20、压电晶体19和后定位套17中心孔穿过连接螺栓16与法兰盘21中心的螺纹孔连接为一体，前定位套20前端通过第一O型密封圈22与法兰盘21压接；
铁氧体套座前端口设有台阶槽，法兰盘21装配在台阶槽内，法兰盘21上沿圆周方向开设有若干个安装孔24，法兰盘21通过穿过安装孔24的安装螺栓与铁氧体套座连接，法兰盘21外圆设有与台阶槽内圆压接的第二O型密封圈25，法兰盘21后端面设有与台阶槽底部压接的第三O型密封圈26。
磨齿工具头14包括圆盘形的成型砂轮28，成型砂轮28中心孔与变幅杆26前端同轴向固定连接，成型砂轮28外圆周均匀设有若干个容屑槽29。
变幅杆26采用圆锥过渡型变幅杆32或阶梯型变幅杆26。
圆锥过渡型变幅杆32外圆上开设有若干条螺旋槽27，螺旋槽27沿圆锥过渡型变幅杆32圆周均匀布置。
外无线传输装置34与机床主轴的固定部分分通过锁紧环1夹持固定连接，调节锁紧螺栓4可改变其锁紧程度；锁紧环1和外承载筒6的周向通过至少三组伸缩连接件连接,每组伸缩连接件的内伸缩柱5伸入并滑动连接在外固定套管2内部，改变内伸缩柱5伸缩长度可自由调节外线圈8与机床主轴前端直径的距离，而后可经定位螺栓3将内伸缩柱5与外固定套管2锁紧；外承载筒6周向通过设置的连接块7与内伸缩柱5通过螺栓固连；外固定套管2与内伸缩柱5之间采取间隙配合；内伸缩柱5与外承载筒6与连接块7之间为分体式设计，以此降低制造成本，便于设计与安装。
外铁氧体套筒9设置在外线圈8与外承载筒6之间,可降低电磁传输过程中产生的磁场能量损失；外承载筒6外圆设置有与外线圈8相连的电源插头10，并可起到防水、绝缘隔热等作用。
内无线接收装置35的刀柄11由常用BT40刀柄11进行改装所得，刀柄11上开设的两个卡槽33用于传动连接机床主轴的旋转部分驱动块，驱动块的旋转带动内无线接收装置35旋转，内无线接收装置35通过变幅杆26组件带动磨齿工具头14旋转，对工件进行磨削加工作业。通过内线圈13的旋转与固定的外线圈8之间产生电磁感应，超声波发生器输出的电信号通过电源插头传输给外线圈8，外线圈8内部产生交变的磁场，高速旋转的内线圈13接收磁场感应信号转化为电流，内线圈13将电流进而传输给换能器，外线圈8的电流无线传输到内线圈13，进而传输给换能器，带动变幅杆26超声振动。内线圈13套于铁氧体套座上，磨齿工具头14后端整体安装于刀柄11前端二次加工所得阶梯结构位置；刀柄11上钻扩有穿线孔15，使得内线圈13和二维超声振动系统36的正、负电极片18所焊接导线相连；内线圈13与外线圈8间尽量不要有同心偏差，且相对面积尽可能保持一致，从而确保电流无线传输的效率和稳定性。
二维超声振动系统36的连接螺栓16将电极片18和压电晶体19固定在前定位套20和后定位套17之间，同时将前定位套20和后定位套17固定到法兰盘21后侧面，第一O型密封圈22、第二O型密封圈2516和第三O型密封圈26可实现铁氧体套座前端口的台阶槽与法兰盘21之间径向面以及接触面吸振、隔热、防水等效果。
成型砂轮28的外圆开设容屑槽29，可防止砂轮堵塞以及增加磨削接触面的散热效果，变幅杆对振幅的放大以及变换，可使成型砂轮28实现同时进行旋转和纵扭复合二维超声振动两种运动方式对工件进行加工作业。本发明在进行设计过程中，成型砂轮28的表面积与变幅杆26较小端的表面积比远小于0.1、直径比小于0.3时，换能器、变幅杆26和成型砂轮28各项尺寸参数，可分别按照给定某一给定固有频率进行独立设计所得。同时，为减少振动系统整体尺寸大小，所述换能器通常遵循最短尺寸设计原则，即给定频率下四分之一波长进行设计。变幅杆26根据设计形式不同可为阶梯型变幅杆26、圆锥过渡型变幅杆32，并可根据振动所需效果形式决定是否设置螺旋槽27，以及螺旋槽27宽、槽深和数目，最终可呈现纵-弯、纵-扭、弯-扭、纵-扭-弯等二维或多维振动形式。成型砂轮28基体材料采用45#钢材等具备一定刚度和韧性的材料，以此降低传输能量的损失。
外线圈8、铁氧体套座和外承载筒6端面之间选用专用电子密封胶进行固连，使其密封为整体；同理，内线圈13和铁氧体套座也采用电子密封胶，铁氧体套座将换能器罩住实现防水、隔热、绝缘目的。
换能器各组成部分接触面间需确保足够整洁；压电晶体19组装前需进行丙酮化学药品的洗涤，并采用卫生棉轻轻擦拭两电极片18表面污垢。
变幅杆26后端设置有法兰盘21，且法兰盘21应位于振动节点位置，而后通过连接螺栓16和刀柄11固连，并确保连接面干净整洁且不存在锈斑等缺陷；成型轮盘工作面形状和工件齿轮齿槽形状保持一致。
本实施例并非对本发明的形状、材料、结构等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，均属于本发明技术方案的保护范围。
Claims (8)
1.可调无线传输式二维超声成形磨齿系统，其特征在于：包括外无线传输装置、内无线接收装置、二维超声振动系统和磨齿工具头，外无线传输装置后端夹持固定在机床主轴的固定部分，内无线接收装置同轴向设置在外无线传输装置内部，内无线接收装置后端与机床主轴的旋转部分传动连接，二维超声振动系统同轴向安装在内无线接收装置前端部，磨齿工具头安装在二维超声振动系统前端部。
2.根据权利要求1所述的可调无线传输式二维超声成形磨齿系统，其特征在于：外无线传输装置包括锁紧环、伸缩连接件、外承载筒、外线圈、外铁氧体套筒和电源插头，锁紧环为通过锁紧螺栓紧固的圆环形抱箍，锁紧环同轴向夹持固定在机床主轴的固定部分并通过锁紧螺栓紧固，外承载筒位于锁紧环前侧，伸缩连接件设有至少三组，外承载筒外圆通过伸缩连接件与锁紧环外圆连接为一体，外铁氧体套筒同轴向设置在外承载筒内圆，外线圈同轴向设置在外铁氧体套筒内圆，电源插头设在外承载筒外圆，外线圈通过穿过外铁氧体套筒的导线与电源插头连接。
3.根据权利要求2所述的可调无线传输式二维超声成形磨齿系统，其特征在于：内无线接收装置包括刀柄，刀柄后部为后细前粗的圆锥体结构，刀柄前部为前端敞口的圆筒体结构，圆筒体结构外圆直径大于圆锥筒结构前端外圆直径，刀柄上在圆筒体结构前端外圆一体设有限位套，刀柄上在圆筒体结构外圆的限位套后侧套设有铁氧体套座，铁氧体套座外圆上缠绕有内线圈，内线圈位于外线圈内部，内线圈外圆与外线圈内圆之间具有环形间隙，刀柄上在圆筒体结构后端外圆开设有中心对称的两个卡槽，刀柄后端与机床主轴的旋转部分通过拉钉连接，两个卡槽对应与机床主轴的旋转部分驱动块卡接，刀柄上在内线圈上方设有穿线孔。
4.根据权利要3所述的可调无线传输式二维超声成形磨齿系统，其特征在于：伸缩连接件包括外固定套管、内伸缩柱、定位螺栓和连接块，外固定套管上端固定连接在锁紧环外圆上，内伸缩柱上部伸入并滑动连接在外固定套管内，内伸缩柱下端通过连接块固定连接在外承载筒外圆上，定位螺栓螺纹连接在外固定套管上，定位螺栓内端与内伸缩柱压接，定位螺栓外端设有手柄。
5.根据权利要3所述的可调无线传输式二维超声成形磨齿系统，其特征在于：二维超声振动系统包括设置在刀柄的圆筒体结构内部的换能器，换能器前端同轴向连接有变幅杆组件；
换能器包括自前向后依次设置的前定位套、压电晶体和后定位套，压电晶体设置若干层，相邻两层压电晶体之间均设有电极片，电极片通过穿过穿线孔的导线与内线圈连接；
变幅杆组件包括变幅杆和法兰盘，变幅杆后端与法兰盘前侧面同轴向连接；
前定位套、压电晶体和后定位套中心孔穿过连接螺栓与法兰盘中心的螺纹孔连接为一体，前定位套前端通过第一O型密封圈与法兰盘压接；
铁氧体套座前端口设有台阶槽，法兰盘装配在台阶槽内，法兰盘上沿圆周方向开设有若干个安装孔，法兰盘通过穿过安装孔的安装螺栓与铁氧体套座连接，法兰盘外圆设有与台阶槽内圆压接的第二O型密封圈，法兰盘后端面设有与台阶槽底部压接的第三O型密封圈。
6.根据权利要5所述的可调无线传输式二维超声成形磨齿系统，其特征在于：磨齿工具头包括圆盘形的成型砂轮，成型砂轮中心孔与变幅杆前端同轴向固定连接，成型砂轮外圆周均匀设有若干个容屑槽。
7.根据权利要5所述的可调无线传输式二维超声成形磨齿系统，其特征在于：变幅杆采用圆锥过渡型变幅杆或阶梯型变幅杆。
8.根据权利要7所述的可调无线传输式二维超声成形磨齿系统，其特征在于：圆锥过渡型变幅杆外圆上开设有若干条螺旋槽，螺旋槽沿圆锥过渡型变幅杆圆周均匀布置。
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