齒輪超聲加工振動系統(tǒng)的非諧振設(shè)計理論與實驗研究.pdf

1、齒輪是裝備制造業(yè)的基礎(chǔ)，對我國裝備制造業(yè)的發(fā)展起著關(guān)鍵作用。目前，齒輪正朝著高精度、高速、高壽命、高效率、低噪聲、大功率、小型化等方向發(fā)展，一種新齒輪加工工藝的研究與應(yīng)用是關(guān)鍵。將超聲振動引入齒輪加工工藝可以顯著降低切削力、增加刀具壽命、提高齒輪加工精度、降低齒面粗糙度、提高加工效率、改善齒面的微觀切削紋理，因此對齒輪超聲加工工藝的研究具有重要意義。振動系統(tǒng)的設(shè)計是齒輪超聲加工的關(guān)鍵技術(shù)，其諧振特性關(guān)系到齒輪超聲加工的效果。齒輪超聲加工

2、振動系統(tǒng)普遍采用非諧振單元振動系統(tǒng)設(shè)計理論設(shè)計，但是這種設(shè)計理論并不完善，并且現(xiàn)有振動系統(tǒng)的輸出振幅較小，限制了齒輪超聲加工工藝的工程應(yīng)用。本課題在非諧振單元振動系統(tǒng)設(shè)計理論的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步研究了齒輪超聲加工振動系統(tǒng)的設(shè)計和提高振動系統(tǒng)輸出振幅的方法，并得到了山西省研究生優(yōu)秀創(chuàng)新項目“超聲珩齒機(jī)理與應(yīng)用適應(yīng)性研究(20133042)”和太原理工大學(xué)研究生科技創(chuàng)新基金項目“超聲珩齒工程應(yīng)用適應(yīng)性研究(2013B095)”的資助。對齒輪超聲

3、加工振動系統(tǒng)的非諧振設(shè)計理論進(jìn)行了如下研究:
　　(1)縱向振動變幅器的設(shè)計
　　利用理論解析法、等效電路法、傳輸矩陣法設(shè)計縱向振動變幅器，分析了三種設(shè)計方法的優(yōu)缺點及各自的適用場合，為設(shè)計變幅器時選擇適當(dāng)?shù)挠嬎惴椒ㄌ峁┝死碚撘罁?jù)。齒輪和變幅桿的材料不一致時，將變幅器簡化為由變幅桿、齒輪等效圓環(huán)、心軸、螺母等效圓柱四部分組成的理論分析模型，根據(jù)各部分之間力和位移的連續(xù)條件、兩端面的邊界條件，建立變幅器的頻率方程，實現(xiàn)縱向振動

4、變幅器的設(shè)計。通過有限元分析和諧振特性實驗驗證了這種設(shè)計方法的可行性，完善了齒輪超聲加工縱向振動變幅器的設(shè)計理論。
　　(2)新型縱向振動變幅器的設(shè)計
　　基于非諧振設(shè)計理論和全諧設(shè)計理論，設(shè)計一種新型齒輪縱向振動變幅器，變幅器由齒輪與圓柱桿耦合振動單元、半波長圓錐形變幅桿組成，齒輪與變幅桿耦合處振幅較大，增大了齒輪端面的輸出振幅。圓錐形變幅桿的形狀參數(shù)固定時，齒輪分度圓直徑和圓柱桿直徑對齒輪端面的輸出振幅沒有影響，減小圓錐

5、變幅桿小端直徑可以增大齒輪端面的輸出振幅。通過有限元分析和諧振特性實驗驗證了這種設(shè)計方法的可行性，研究結(jié)果為齒輪超聲加工縱向振動變幅器提供了一種新的設(shè)計方法。
　　(3)縱彎耦合振動變幅器的設(shè)計
　　基于非諧振設(shè)計理論和Mindlin中厚板理論，分別設(shè)計了變幅桿材料為45鋼、鈦合金、黃銅、硬鋁合金的圓錐形縱彎耦合振動變幅器，并研究了變幅器的諧振特性，結(jié)果表明:隨著變幅桿材料的阻抗特性減小，齒輪分度圓處的振幅隨之減小。為了增大

6、齒輪分度圓處的振幅，設(shè)計了級聯(lián)形縱彎耦合振動變幅器，齒輪分度圓處的振幅為12μm，較現(xiàn)有變幅器有了較大的提高。
　　(4)新型縱彎耦合振動變幅器的設(shè)計
　　利用非諧振設(shè)計理論設(shè)計一種新型縱彎耦合振動變幅器，將齒輪置于變幅桿振幅較大的位置，通過理論計算和有限元分析研究了變幅器的諧振特性，齒輪分度圓處的振幅大幅增加。研究結(jié)果為齒輪超聲加工縱彎耦合振動變幅器的設(shè)計提供了一種新的設(shè)計方法。
　　通過以上設(shè)計理論和實驗研究，完善