CN209065963U - 可实现多轴联动齿轮齿面超声挤压强化装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种可实现多轴联动齿轮齿面超声挤压强化装置，其所述龙门支架的两端分别设置一个Z向线性滑台，Y向线性滑台平行安装在所述龙门支架上，X向线性滑台垂直安装在所述Y向线性滑台的台面上，所述X向线性滑台的台面上设置有固定滑轨，所述固定滑轨与弯板支架底部的移动滑轨相匹配，所述弯板支架上设置有超声波振动器，所述超声振动器的变幅杆上设置有超声工具头，所述弯板支架与所述X向线性滑台之间设置有压力调节机构，通过不同的步进电机和丝杠分别驱动所述X向线性滑台、Y向线性滑台和Z向线性滑台沿三个方向联动，使得工具头与被强化齿轮齿面形状保持相互啮合，实现不同路径的强化方式，对齿面进行挤压强化。
Description
技术领域：
本实用新型涉及一种齿轮齿面挤压装置，特别是涉及一种可实现多轴联动齿轮齿面超声挤压强化装置。
背景技术：
由于磨削过程中产生大量的热能，在极小的磨削弧区内，大量的磨削热来不及扩散，在工件表面形成局部高温，易对工件的表面质量和使用性能造成影响，尤其是当温度在界面上超过某一临界值时，会引起表面软化，裂纹萌生以及残留拉应力。一般来说，残留拉应力对工件的使用寿命是有害的，导致齿面硬度降低，影响齿轮的使用寿命。
目前，提高金属疲劳强度应用较多且比较有效的方法是喷丸强化处理，已经在机械制造和维修领域得到广泛应用。其基本原理是利用硬度较高的小直径丸粒高速冲击材料表面，使材料表面产生局部弹塑性变形，从而产生残余压应力和显微组织结构的改变。通常情况下，喷丸强化工艺所产生的残余压应力层深度一般在0.2至0.3mm，可提高材料的抗疲劳裂纹萌生和扩展的能力，能够有效减缓或防止受循环载荷作用下零件疲劳失效。但是，由于喷丸材料的原始粗糙度、硬度、材质以及喷丸覆盖率等因素，多数情况下会因丸粒冲击形成塑性压痕使得工件表面粗糙度增加，齿轮接触区次表面发生明显的应力集中，而且喷丸过程中，高速丸粒运动方向的随机性，使得强化后表面应力并不均匀，不利于齿轮使用寿命。
激光冲击强化是一种利用短脉冲激光束对材料表面进行改性，提高材料的抗疲劳、磨损和应力腐蚀性能的技术。激光冲击强化可以做到材料表面产生残余压应力，提高表面硬度，改善组织结构等效果，且具有非接触、无热影响区和强化效果突出等特点。但由于该方法对原始表面粗糙度影响较大，因此对高齿面精度和粗糙度要求的齿轮有较大局限。此外，激光冲击强化设备昂贵，激光器的技术限制等因素，加工整个齿面的成本很高。
随着超声加工技术的发展，将超声频振动引入到表面强化工艺中，已成为表面强化工艺发展的新方向。采用超声强化的方法对金属表面进行加工，在保持预加工的精度下，可获得较高的表面光洁度；表面硬度可提高25%左右；表面产生较大的残余压应力；可消除表面微观缺陷，提高疲劳强度；使工件表层金属组织纤维化和纳米化。因此，将超声技术与多轴联动技术有机结合，研制一套适合于不同尺寸、不同类别的齿轮表面强化，进而提高齿轮抗疲劳能力，是非常有意义的。
实用新型内容：
本实用新型所要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种设计合理、能够快速适应不同尺寸和不同种类齿轮齿面强化的可实现多轴联动齿轮齿面超声挤压强化装置。
本实用新型的技术方案是：
一种可实现多轴联动齿轮齿面超声挤压强化装置，包括机架和龙门支架，所述龙门支架的两端分别设置一个Z向线性滑台，Y向线性滑台平行安装在所述龙门支架上， X 向线性滑台垂直安装在所述Y向线性滑台的台面上，所述X向线性滑台的台面上设置有固定滑轨，所述固定滑轨与弯板支架底部的移动滑轨相匹配，所述弯板支架上设置有超声波振动器，所述超声振动器的变幅杆上设置有超声工具头，所述弯板支架与所述X向线性滑台之间设置有压力调节机构，通过不同的步进电机和丝杠分别驱动所述X向线性滑台、Y向线性滑台和Z向线性滑台沿三个方向联动，使得工具头与被强化齿轮齿面形状保持相互啮合，实现不同路径的强化方式，对齿面进行挤压强化。
所述超声工具头由弯曲的连接杆和滚动体构成，所述连接杆的内端与所述超声波振动器的变幅杆的输出端采用螺纹或弹簧夹筒形式的可拆卸式连接，或者二者采用焊接形式的不可拆卸式连接。
所述滚动体为滚珠或滚柱，所述滚动体与连接杆的外端采用转动式连接，或采用固定式连接。
所述超声波发生器由超声波电源、超声波换能器和超声变幅杆组成，所述超声波换能器通过逆压电效应将电能转化成机械能，所述变幅杆和超声波换能器采用螺纹无缝连接，利用所述变幅杆的变幅作用，对机械能进行传导和放大，使超声工具头产生高频振动。
所述压力调节机构包括压力缸，所述压力缸的缸体固定在所述X向线性滑台的台面上，所述压力缸的活塞杆与所述弯板支架连接。所述压力缸为液压缸或气压缸。
所述压力调节机构包括压力步进电机和丝杠，所述压力步进电机和丝杠固定在所述X向线性滑台的台面上，所述丝杠的外端与所述弯板支架上的螺母旋合连接。
所述不同的步进电机分别包括X向步进电机、Y向步进电机和Z向步进电机，其中，所述X向步进电机、Y向步进电机和Z向步进电机分别固定在Y向线性滑台、龙门支架和机架上，所有的步进电机均分别与控制器连接。
本实用新型的有益效果是：
1、本实用新型采用三轴联动技术，能够快速适应不同尺寸和不同种类的齿轮齿面强化，还可以根据不同的塑性流动方向，采取不同的强化路径，使被强化齿轮齿面以及亚表面产生一定深度的残余压应力层，从而提高齿轮抗疲劳能力。
2、本实用新型超声工具头采用弯曲形状，能够实现快速更换，不仅克服了齿槽空间小的问题，而且可以快速适应不同尺寸和不同种类的齿轮齿面强化。
3、本实用新型超声振动系统连接超声电源，产生高频高能量振动，通过调节压力进给装置，调整工具头与齿面接触的初始静压力，根据齿轮齿面形状，通过数控系统使X向、Y向和Z向滑台以一定的联动方式，使工具头和被强化齿轮齿面始终保持啮合，完成被加工齿轮表面的超声挤压强化。
4、本实用新型在高频高能量振动与初始静压力共同作用下，实现对整个齿面的超声加工，使得被强化齿轮表层以及亚表层产生一定深度的残余压应力层，从而改善磨削后齿轮的应力状态，提高齿轮的抗疲劳能力。
5、本实用新型超声工具头与变幅杆输出端采用螺纹或弹簧夹筒形式的可拆卸连接，可对不同齿轮进行快速更换工具头；或者采用焊接形式的不可拆卸连接，从而减少超声振动能量损失。
6、本实用新型用于提供初始静压力的压力装置由固定滑轨、移动滑轨和液压缸组成，固定滑轨与移动滑轨采用小间隙配合，实现移动滑轨在固定滑轨上自由移动，液压系统与移动滑轨连接，通过调节液压系统，准确调整超声工具头与被强化齿面之间的初始静压力。
7、本实用新型分度装置对齿轮进行分度，在一个齿面加工完毕后，采用分度装置使被强化齿轮精确的分度到下一个齿面，直至完成全部齿面的强化。
8、本实用新型设计合理、能够快速适应不同尺寸和不同种类齿轮齿面强化，用于挤压工具头中的滚子既可以采用活动式连接，还可以采用固定式连接，方式多样，易于推广实施，具有良好的经济效益。
附图说明：
图1为可实现多轴联动齿轮齿面超声挤压强化装置的结构示意图；
图2为图1中工具头与齿面接触的放大图；
图3为图1中工具头的结构示意图之一；
图4为图1中工具头的结构示意图之二；
图5为图1中工具头的结构示意图之三；
图6为图1中工具头的结构示意图之四；
图7为图1中压力进给机构的放大图。
具体实施方式：
实施例：参见图1-图7，图中，1-Z向线性滑台；2-龙门支架；3-Y向线性滑台；4- X向线性滑台；5-步进电机；6-弯板支架；7-超声波振动器；8-超声工具头；9-压力调节机构；10-齿轮固定装置；11-分度装置；12-被强化齿轮；13-快速夹紧装置；14-固定滑轨；15-移动滑轨。
Z向线性滑台1两个通过龙门支架2连接在一起，经步进电机带动丝杠转动可以驱动龙门支架2沿Z轴方向移动。Y向线性滑台3平行的安装在龙门支架上，X 向线性滑台4垂直安装在Y向线性滑台3台面上，通过步进电机5对滑台1、3和4驱动，使X向线性滑台、Y向线性滑台和Z向线性滑台三轴联动，从而带动振动系统在给定的轨迹中运动。
通过步进电机5驱动X向移动滑台4移动，使得超声工具头8与被强化齿轮12紧密接触。固定滑轨14和压力调节机构9固定于X向滑台4台面上，移动滑轨15与弯板支架6连接，固定滑轨14和移动滑轨15通过小间隙配合进行移动，实现移动滑轨15在固定滑轨14上自由移动，压力调节机构9与移动滑轨15连接，通过调节压力机构9，准确调整超声工具头与被强化齿面之间的初始静压力。
超声波发生器由超声波电源、超声波换能器以及超声变幅杆组成。超声电源与换能器连接，换能器与变幅杆通过螺纹进行无缝连接，利用变幅杆的变幅作用，对机械能进行传导和放大，使超声工具头产生高频振动。超声工具头8通过快速连接装置13连接，通过X向线性滑台、Y向线性滑台和Z向线性滑台三轴联动，带动超声工具头8对被强化齿轮12轮齿进行超声强化。
为了避免由于齿槽空间小而无法对整个齿面进行强化，用于齿面挤压强化的超声工具头采用弯曲形状，弯曲部分的曲率半径由相邻两齿的空间决定，超声工具头与变幅杆输出端采用可拆卸连接包括螺纹连接和弹簧夹筒连接，可对不同齿轮进行快速更换工具头，可以快速适应不同尺寸和不同种类的齿轮齿面挤压强化，或者采用不可拆卸连接，例如焊接，避免超声振动能量损失过大。
用于齿面挤压强化超声工具头中的滚动体一种是采用硬质合金滚珠可动的方式（图3所示）或硬质合金滚柱可动的方式（图4所示），可动式的挤压方式可减小滚动体与齿轮齿面的摩擦，减小滚子的磨损，提高工具头的使用寿命，另一种是硬质合金滚珠不可动的方式（图5所示）或滚柱不可动的方式（图6所示），此连接方式将滚子与工具头做为一体，减少了超声振动能量损失。
以上所述，仅是本实用新型的较佳实施例而已，并非对本实用新型作任何形式上的限制，凡是依据本实用新型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，均仍属于本实用新型技术方案的范围内。
Claims (8)
1.一种可实现多轴联动齿轮齿面超声挤压强化装置，包括机架和龙门支架，其特征是：所述龙门支架的两端分别设置一个Z向线性滑台，Y向线性滑台平行安装在所述龙门支架上， X 向线性滑台垂直安装在所述Y向线性滑台的台面上，所述X向线性滑台的台面上设置有固定滑轨，所述固定滑轨与弯板支架底部的移动滑轨相匹配，所述弯板支架上设置有超声波振动器，所述超声振动器的变幅杆上设置有超声工具头，所述弯板支架与所述X向线性滑台之间设置有压力调节机构，通过不同的步进电机和丝杠分别驱动所述X向线性滑台、Y向线性滑台和Z向线性滑台沿三个方向联动，使得工具头与被强化齿轮齿面形状保持相互啮合，实现不同路径的强化方式，对齿面进行挤压强化。
2.根据权利要求1所述的可实现多轴联动齿轮齿面超声挤压强化装置，其特征是：所述超声工具头由弯曲的连接杆和滚动体构成，所述连接杆的内端与所述超声波振动器的变幅杆的输出端采用螺纹或弹簧夹筒形式的可拆卸式连接，或者二者采用焊接形式的不可拆卸式连接。
3.根据权利要求2所述的可实现多轴联动齿轮齿面超声挤压强化装置，其特征是：所述滚动体为滚珠或滚柱，所述滚动体与连接杆的外端采用转动式连接，或采用固定式连接。
4.根据权利要求1所述的可实现多轴联动齿轮齿面超声挤压强化装置，其特征是：所述超声波发生器由超声波电源、超声波换能器和超声变幅杆组成，所述超声波换能器通过逆压电效应将电能转化成机械能，所述变幅杆和超声波换能器采用螺纹无缝连接，利用所述变幅杆的变幅作用，对机械能进行传导和放大，使超声工具头产生高频振动。
5.根据权利要求1所述的可实现多轴联动齿轮齿面超声挤压强化装置，其特征是：所述压力调节机构包括压力缸，所述压力缸的缸体固定在所述X向线性滑台的台面上，所述压力缸的活塞杆与所述弯板支架连接。
6.根据权利要求5所述的可实现多轴联动齿轮齿面超声挤压强化装置，其特征是：所述压力缸为液压缸或气压缸。
7.根据权利要求1所述的可实现多轴联动齿轮齿面超声挤压强化装置，其特征是：所述压力调节机构包括压力步进电机和丝杠，所述压力步进电机和丝杠固定在所述X向线性滑台的台面上，所述丝杠的外端与所述弯板支架上的螺母旋合连接。
8.根据权利要求1所述的可实现多轴联动齿轮齿面超声挤压强化装置，其特征是：所述不同的步进电机分别包括X向步进电机、Y向步进电机和Z向步进电机，其中，所述X向步进电机、Y向步进电机和Z向步进电机分别固定在Y向线性滑台、龙门支架和机架上，所有的步进电机均分别与控制器连接。
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