CN114102275B - 一种适用于齿轮超声振动辅助磨削的装置及其运行工艺 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种适用于齿轮超声振动辅助磨削的装置及其运行工艺，该装置的压电陶瓷片在超声波发生器的电信号激励下产生高频纵向振动位移，通过空心型圆锥变幅杆将振动位移放大，并将振动位移传递至由中心固定螺栓进行紧固的待加工齿轮上，在空心型圆锥变幅杆内部设置有环形隔振槽、周向设有法兰，法兰设有隔振槽，这些结构在保证中心固定螺栓安装位置超声振动效应减弱的同时增强了齿轮与变幅杆接触面的振动传递效果，使齿轮加工表面产生高频超声振动。本装置结构简单，易于实现高强度、高精密齿轮超声高频微幅振动加工效果，从而达到高强度齿轮超声振动辅助成型精密磨削。

Description

一种适用于齿轮超声振动辅助磨削的装置及其运行工艺

技术领域：

本发明属于精密超精密加工和特种加工技术领域，特别是涉及齿轮超声振动辅助加工装置。

背景技术：

超高强度齿轮钢材料属于典型的高强韧难加工材料，现阶段齿轮磨削加工，由于刀具与工艺匹配性差，导致刀具寿命短、加工效率低、加工质量差，无法满足超高强度齿轮加工技术需求，同时齿轮成型零件在制造技术中占有较大的比例，寻求更加高效的加工方式是解决高强度齿轮高质高效加工的有效途径之一。

目前，超声振动辅助加工在特种加工领域运用广泛，在传统机械加工的基础上施加高频超声振动，可有效改善切削环境，降低切削力和切削温度，特别是在磨削加工过程中，实现了砂轮与工件间断续磨削，改变了磨削过程中材料去除机理，有效降低了磨削热和磨削力。

中南大学提交的申请号为CN202110065173.1的专利申请文件，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，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。该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。

湖南科技大学提交的申请号为CN202110472213.4的专利申请文件，公开了弹丸式齿轮超声喷丸强化装置，包括超声振动装置与弹丸冲击机构，超声振动装置由超声波发生器、换能器、变幅杆和振动头组成，振动头工作端的截面形状为梯形，振动方式为径向振动，弹丸冲击机构由壳体、上盖板、内挡板、外挡板和弹丸组成，壳体内部设置有与振动头形状相同的型腔，壳体与被加工齿轮配合的两侧轮廓形状为渐开线，壳体两侧设置有蜂窝状的正六边形弹道，弹道靠近振动头的一端设置有内挡板槽，靠近被加工齿轮的一端设置有外挡板槽，每个弹道内装有一颗弹丸，该发明利用振动头产生的径向振动，驱动弹丸在弹道内运动，冲击齿轮表面，实现超声喷丸，有效解决了超声工具头与被加工齿轮齿面距离较远，难以达到理想加工效果的问题。

中南大学提交的申请号为CN202110013310.7公开了一种超声辅助冷摆碾压成型圆锥齿轮的装置，包括：底座，底座具有开口朝上的容纳腔；下模具，用于装夹工件；超声振动变幅杆，安装于容纳腔内，包括沿一竖直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，定位段与底座相连且周向定位，第一振动安装段安装有第一压电致动器，振动变换输出段上安装有第二压电致动器，且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；振动变换输出段与工件接触，用于将超声振动传递给工件。该发明容纳腔用于容纳超声振动变幅杆，再利用超声振动变幅杆上的第一压电致动器和第二压电致动器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，满足加工需求。

但是，上述的超声振动辅助装置只能实现轻型刀具振动、结构简单的小型零件振动设备，而针对带有阶梯型齿轮加工的超声振动装置依然是难以解决的问题，阶梯型齿轮加工存在形状复杂、超声振动施加困难等问题。

发明内容：

为了解决现有技术不足之处，本发明基于超声振动技术高质高效切削加工超高强度齿轮，开发了一种结构简单、便于操作、易于实现且具有良好齿轮磨削效果的一种适用于齿轮超声振动辅助磨削的装置及其运行工艺。

为了实现上述发明，本发明采用的技术方案是：

一种适用于传动齿轮超声振动辅助磨削的超声振动装置，包括待加工齿轮、定位盖板、中心固定螺栓、空心型圆锥变幅杆、压电陶瓷换能器、防水型底座；所述待加工齿轮通过中心固定螺栓以及定位盖板与空心型圆锥变幅杆连接并通过定位销钉实现周向定位，所述压电陶瓷换能器通过双头螺柱与空心型圆锥变幅杆的大端连接，所述空心型圆锥变幅杆通过螺钉将其法兰固定在防水型底座上，所述防水型底座通过螺钉安装于机床主轴。

所述待加工齿轮呈阶梯状，将定位盖板通过四个定位销钉与待加工齿轮进行定位，同时利用销钉将齿轮与所述空心型圆锥变幅杆进行定位；所述中心固定螺栓穿过定位盖板及齿轮中轴线，通过螺纹连接在所述变幅杆中心，通过对所述螺栓施加预紧力，将所述待加工齿轮固定在变幅杆上，使变幅杆前端圆环面与待加工齿轮下齿面紧密结合，实现超声振动的传递。

所述超声变幅杆为空心型圆锥变幅杆，其设计要求满足以下条件：

其中，S₁为变幅杆大端面面积，S₂为小端面面积，S₀为圆柱形空心部分内圆面积，f为振动频率，C_L为纵波波速，N为面积系数，l为谐振长度，l_P为变幅杆长度，x₀为位移节点，法兰设于振动节点处。

所述空心型圆锥变幅杆中心位置设有隔振圆槽，圆槽呈60°倒锥形，可有效减小或阻隔超声振动传递到中心固定螺栓，同时具有增强空心型变幅杆周向振动的作用。

所述换能器组件包括连接螺栓、4个压电陶瓷片、4个电极片和后盖板，所述连接螺栓利用绝缘热缩管包裹，起到漏电保护作用，所述后盖板、4个所述压电陶瓷片和4个所述电极片按照一定规律交替安装在所述连接螺栓上，并利用绝缘管套将所述换能器包裹，所述空心型圆锥变幅杆末端开设有螺纹孔，通过施加一定的预紧力将所述连接螺栓的前端部螺纹连接在所述螺纹孔内；两个所述正极电极片通过导线相连，两个所述负极电极片通过导线相连，两根导线分别连接超声波发生器的正负极。

所述底座前端内部设有凸台，起到承载作用，其上开有三个螺纹孔，通过紧定螺钉与所述变幅杆的法兰连接，螺纹孔外侧设有密封槽，用于安装弹性密封圈；所述底座内部开孔，配合所述换能器安装，并起保护换能器作用，所属底座后端设有3个通孔，用于与机床主轴安装。

在磨削过程中，代加工齿轮通过定位盖板以及中心固定螺栓装夹在空心型圆锥变幅杆上，开启超声波发生器，连接于变幅杆末端的压电陶瓷换能器将超声波发生器输送的高频电信号转换为高频纵向振动，经过空心型圆锥变幅杆将振动位移放大并经变幅杆前端圆环面传递至代加工齿轮，从而实现齿轮的超声振动辅助磨削。

本发明的有益效果是：红色字体所涉及的磨削效果结合实施例说明

1、该齿轮超声振动辅助磨削装置便于安装、操作简单、拆卸方便，相较于普通齿轮磨削加工，其加工精度得到提高，表面质量也得到改善。

2、本发明利用空心型变幅杆结构优势与复杂形状齿轮相契合，通过变幅杆中心开孔，将齿轮的连接轴内置于变幅杆中，通过定位盖板、定位销钉及中心固定螺栓将空心型变幅杆与齿轮紧密连接；超声波发生器产生的电信号经压电陶瓷换能器转换成高频纵向振动位移，并通过空心变幅杆对位移放大并传递至变幅杆前部圆环端面，变幅杆前部圆环端面与齿轮后端面紧密结合，从而实现齿轮的高频纵向超声振动。

3、本发明换能器部分设置有包裹换能器组件的绝缘套，绝缘套的设置有效防止了该装置在工作过程中换能器发生漏电。

4、本发明变幅杆中心位置设有隔振圆环槽，圆环槽呈30°-60°，较佳为60°的倒锥形，可有效减小或阻隔超声振动传递到中心固定螺栓，同时具有增强空心型变幅杆周向振动的作用。

5、本发明实现了复杂形状高强度齿轮超声振动辅助磨削，不仅增加了磨削材料去除率，同时磨削质量也得到了很大的提高，具有广泛的应用前景及良好的经济效益。

附图说明：

图1为本发明齿轮超声振动辅助磨削装置的结构示意图；

图2为图1中齿轮超声振动装置剖面图；

图3为图2中待加工齿轮2的剖面图；

图4为图2中定位盖板结构示意图视图；

图5为图2中空心型圆锥变幅杆与换能器结构示意图；

图6为图2中空心型圆锥变幅杆剖面图；

图7为图2中压电陶瓷换能器组件剖面图；

图8为图2中防水型底座结构示意图；

图9为图2中防水型底剖面图；

图10为图2中空心型圆锥变幅杆振动模态分析图；

图11为扫描电镜下磨削表面对比图。

其中，1为砂轮，2为待加工齿轮，3为空心型变幅杆，4为防水型底座，5为转动轴，6为加工平台，7为中心固定螺栓，8为定位盖板，9、10为定位销钉，11为连接螺栓，12为压电陶瓷换能器，13为定位孔，14为中心孔，15为轮齿部，16为齿轮后工作面，17为通孔，18为齿轮连接轴，19为定位孔，20为变幅杆前端面，21为变幅杆中心孔，22为圆环隔振槽，23为螺纹孔，24为法兰，25为变幅杆末端连接孔，26为隔振槽，27为通孔，28为压电陶瓷片，29为电极片，30为绝缘套，31为后盖板，32为热缩绝缘套，33为连接螺栓，34为凸台，35为密封槽，36为螺纹孔，37为连接孔。

具体实施方式：

下面结合具体实施例、附图具体描述本发明的实施过程。

实施例1

图1为本发明齿轮超声振动辅助磨削装置的整体结构示意图，图2为图1中齿轮超声振动装置剖面图，如图1、2所示，本发明齿轮超声振动辅助磨削装置，包括待加工齿轮2、固定盖板8、定位销钉9-10、中心固定螺栓7、空心型圆锥变幅杆3、连接螺栓11、压电陶瓷换能器12、防水型底座4。

其中，待加工齿轮2分别通过定位销钉9、10与固定盖板8和空心型圆锥变幅杆3进行定位固定，将中心固定螺栓7穿过固定盖板8与变幅杆内部螺纹孔23连接；压电陶瓷换能器通过连接螺栓33与变幅杆末端螺纹孔25连接；连接螺栓11通过空心型圆锥上法兰盘24的通孔227将变幅杆3与防水型底座4紧密连接。

图5为图2中空心型圆锥变幅杆与换能器结构示意图、图6为图2中空心型圆锥变幅杆剖面图；空心型圆锥变幅杆6的前端面20开有均布的4个定位孔19，可与待加工齿轮后工作面16上的通孔17通过定位销钉进行定位，保证齿轮相对于变幅杆的位置在装夹时保持不变，变幅杆中心孔21的尺寸满足待加工齿轮尺寸要求，即变幅杆中心孔21直径大于待加工齿轮连接轴18的外径，且孔深大于或等于连接轴长度；变幅杆内部螺纹孔23与中心固定螺栓7配合进行齿轮固定；变幅杆中心位置设有隔振圆环槽22，圆环槽呈60°倒锥形，可有效减小或阻隔超声振动传递到中心固定螺栓，同时具有增强空心型变幅杆周向振动的作用；变幅杆的法兰盘24设在振动位移节点位置，并开有隔振槽26，以及4个通孔27用于连接固定；变幅杆末端开有螺纹孔25，用于压电陶瓷换能器组件的连接。

图7为图2中压电陶瓷换能器组件剖面图，换能器组件包括连接螺栓33、4个压电陶瓷片28、4个电极片29和后盖板31，连接螺栓33利用热缩绝缘套32包裹，起到漏电保护作用，后盖板、4个压电陶瓷片和4个电极片按照负极-正极-正极-负极交替安装在连接螺栓上，并利用绝缘套30将压电陶瓷换能器12包裹。

图8为图2中防水型底座结构示意图、图9为图2中防水型底剖面图。如图8、9所示，底座4前端内部设有凸台34，起到承载作用，其上开有3个螺纹孔36，与变幅杆的法兰连接，螺纹孔36外侧设有密封槽35，用于安装弹性密封圈；底座内部开孔，配合所述换能器安装，并起保护换能器作用，底座后端设有3个通孔37，用于与机床转动轴5连接。

上述适用于齿轮超声振动辅助磨削的装置的运行工艺，步骤如下：

(1)在磨削过程中，代加工齿轮2通过定位盖板8以及中心固定螺栓7装夹在空心型圆锥变幅杆3内，空心型圆锥变幅杆的另一端连接至压电陶瓷换能器组件，压电陶瓷换能器组件连接至防水型底座，防水型底座连接机床转动轴。

(2)开启超声波发生器，机床转动轴传动高频电信号至压电陶瓷换能器组件，压电陶瓷换能器将超声波发生器输送的高频电信号转换为高频纵向振动。

(3)变幅杆经内部螺纹孔23与中心固定螺栓7配合固定齿轮；变幅杆中心位置设有隔振圆环槽22，该圆环槽呈60°倒锥形，有效减小或阻隔超声振动传递到中心固定螺栓，同时增强空心型变幅杆周向振动；而且变幅杆借助法兰盘24与防水型底座4固定，法兰盘24设在振动位移节点位置，开有隔振槽26，压电陶瓷换能器转换的高频纵向振动，经过空心型圆锥变幅杆放大并经变幅杆前端圆环面20传递至代加工齿轮，从而实现齿轮的超声振动辅助磨削。

本发明在保证中心固定螺栓安装位置超声振动效应减弱的同时增强了齿轮与变幅杆接触面的振动传递效果，使齿轮加工表面产生高频超声振动，实现齿轮的超声振动辅助磨削。

实施例2

所述超声变幅杆为空心型圆锥变幅杆，其设计要求满足以下条件：

其中，S₁为变幅杆大端面面积，S₂为小端面面积，S₀为圆柱形空心部分内圆面积，f为振动频率，C_L为纵波波速，N为面积系数，l为谐振长度，l_P为变幅杆长度，x₀为位移节点，法兰设于振动节点处。

在该实施例中，上述涉及的各参数，根据需要设计如下：

设空心圆锥形变幅杆的工作频率为f＝18kHz，材料用45号钢，大端直径D₁＝104mm，小端直径52mm，空心直径42mm，根据上式计算得N＝3.1，kl＝3.49，l_p＝156mm，a＝4.34×10^-3，x₀＝63.33mm。利用ANSYS软件对以上数据及结果进行数值模拟，模拟结果见图10。

基于上述的设计，是为了实现超声振动的振幅均匀传递至空心圆锥形变幅杆前端，进而实现齿轮的高频微幅振动，从而实现在齿轮磨削过程中，加工精度得到提高，表面质量得到改善、磨削材料去除率增加(如图11所示，图a、b为普通磨削表面，图c、d为超声振动辅助磨削加工表面)。

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 (3)

1.一种适用于齿轮超声振动辅助磨削的装置，其特征在于：包括待加工齿轮、定位盖板、中心固定螺栓、空心型圆锥变幅杆、压电陶瓷换能器、防水型底座；

所述空心型圆锥变幅杆的小端内设空腔，待加工齿轮连接轴(18)伸入该空腔内后固定，所述压电陶瓷换能器的一端通过双头螺柱与空心型圆锥变幅杆的大端连接，压电陶瓷换能器的另一端置于防水型底座内并外包绝缘套，所述空心型圆锥变幅杆通过螺钉将其法兰固定在防水型底座上，所述防水型底座通过螺钉安装于机床主轴；

空心型圆锥变幅杆的法兰设于其振动节点处，且开有隔振槽(26)；

所述待加工齿轮呈阶梯状，其与空心型圆锥变幅杆小端的固定方式是：定位盖板通过定位销钉与待加工齿轮进行定位，同时利用销钉将齿轮与所述空心型圆锥变幅杆进行定位；中心固定螺栓穿过定位盖板及齿轮中轴线，通过螺纹连接在所述变幅杆内腔的中心，通过对所述螺栓施加预紧力，将所述待加工齿轮固定在变幅杆上，实现超声振动的传递；

所述空心型圆锥变幅杆的设计要求满足以下条件：

其中，S₁为空心型圆锥变幅杆大端面面积，S₂为空心型圆锥小端面面积，S₀为空心型圆锥变幅杆的圆柱形空心部分内圆面积，f为振动频率，C_L为纵波波速，N为面积系数，l为谐振长度，l_P为变幅杆长度，x₀为位移节点；

所述空心型圆锥变幅杆内设的空腔为圆柱形，空腔内的中心位置设有隔振圆槽，用于减小或阻隔超声振动传递到中心固定螺栓，同时增强空心型变幅杆周向振动；

所述的隔振槽设置为倒锥形，根据变幅杆尺寸，角度设计范围在30-60°；

所述底座前端内部设有凸台，起到承载作用，其上开有螺纹孔，通过紧定螺钉与所述空心型圆锥变幅杆的法兰与底座连接，螺纹孔外侧设有密封槽，密封槽内置弹性密封圈；所述底座内部开孔，配合所述换能器安装，并起保护换能器作用，所属底座后端与机床主轴经过螺钉、通孔安装在一起。

2.根据权利要求1所述的一种适用于齿轮超声振动辅助磨削的装置，其特征在于：设置有倒锥形隔振圆槽，倒锥形隔振圆槽根据变幅杆尺寸，角度设计为60°。

3.权利要求1所述的一种适用于齿轮超声振动辅助磨削的装置的运行工艺，其特征在于，步骤如下：

(1)在磨削实施前，代加工齿轮(2)通过定位盖板(8)以及中心固定螺栓(7)装夹在空心型圆锥变幅杆(3)的小端内腔，空心型圆锥变幅杆的大端连接至压电陶瓷换能器组件，压电陶瓷换能器组件置于防水型底座内部，防水型底座连接机床转动轴；

(2)开启超声波发生器，机床转动轴传动高频电信号至压电陶瓷换能器组件，压电陶瓷换能器将超声波发生器输送的高频电信号转换为高频纵向振动；

(3)压电陶瓷换能器转换的高频纵向振动，经过空心型圆锥变幅杆放大并经变幅杆前端圆环面(20)传递至代加工齿轮；

(4)空心型圆锥变幅杆经小端内腔后壁的螺纹孔(23)与中心固定螺栓(7)配合固定齿轮；空心型圆锥变幅杆内腔中心位置设有倒锥形的隔振圆环槽(22)，减小或阻隔超声振动传递到中心固定螺栓，增强空心型变幅杆周向振动；而且空心型圆锥变幅杆借助其法兰(24)与防水型底座(4)固定，法兰(24)设在振动位移节点位置，开有隔振槽(26)，在保证中心固定螺栓安装位置超声振动效应减弱的同时增强了齿轮与变幅杆接触面的振动传递效果，使齿轮加工表面产生高频超声振动，实现齿轮的超声振动辅助磨削。

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