[发明专利]一种螺旋锥齿轮旋转超声磨齿加工装置的设计方法

说明书

一种螺旋锥齿轮旋转超声磨齿加工装置的设计方法，对螺旋锥齿轮主轴镗孔改造并设计超声加工装置的总体结构；超声加工振动系统各部件进行选择；基于纵向振动动力学方程，建立变幅杆各段振幅、应变表达式，结合纵向自由振动须满足的力、位移连续和边界条件，对变幅杆的尺寸进行数值求解；利用动力学仿真软件对所设计的变幅杆三维模型进行模态分析，得到纵向谐振变幅杆的频率，验证理论设计的正确性并进行合理优化，满足工程需求。

技术领域

本发明属于螺旋锥齿轮加工领域，实现一种螺旋锥齿轮旋转超声磨削装置的设计方法。

背景技术

当前螺旋锥齿轮制造技术正经历着从高精度的“成形”制造向以表面完整性为目标的成形与成性相协同的“齿轮抗疲劳制造”转变，以形状、尺寸为主要控制手段的齿面质量控制已经不能满足高精度低噪音齿轮服役性能的需求。国内外螺旋锥齿轮磨齿在提升精度方面优势明显，能纠正热处理变形并降低表面粗糙度，但磨齿工艺仍存在急需解决表面完整性缺陷：

1)加工硬齿面时，磨削力比较大，引起磨削区温度较高，齿面容易出现氧化、烧伤等热损伤甚至热裂纹现象，降低齿轮使用寿命；

2)磨齿后齿面纹理会造成高频谐振，尤其是应用于高速传动装置，对齿面振动噪音影响巨大。在生产过程中，磨齿后可采用研齿工艺来处理。但是研齿只能够研掉微小的偏差，效率低，而且会使得磨粒渗透到齿面，不能完全解决齿面问题。

国内外通过对常用齿轮的超声研齿、超声滚齿、超声磨齿、超声珩齿等复合加工方法的研究，发现超声加工有助于齿轮的表面质量、微观几何形貌和抗疲劳性能的改善，有助于提升齿轮的工作性能，由此开展该项技术研究。

3)现有的超声磨削加工装置设计方法中，一般是基于某种加工原件单独设计制造一种超声加工装置，其中变幅杆是主要设计对象，在其他条件一定的情况下，整套装置输出的振幅大小由所设计的变幅杆决定。为方便加工、配合，变幅杆选用阶梯型，但是，现有方法阶梯数不能根据实际加工需求更改，一般加工采用一阶变幅杆，但如需改变振幅大小，只能再进行重新设计，效率较低。

发明内容

本发明的目的是解决普通磨齿齿面出现的热损伤和高频噪音的问题，发明一种螺旋锥齿轮旋转超声磨齿加工装置的设计方法。

该方法能够详细定量计算出所需变幅杆的长度，而且可以根据正弦波特性，在原有尺寸上增加n/2个波长获得实际应用的模型；

可以根据实际加工需求自由增加变幅杆阶梯数；

可以得到变幅杆振动最弱位置，以便放置卡具；

可以根据设计的超声加工装置进行螺旋锥齿轮专用机床的改造。

本发明技术方案

为解决上述问题，本发明提供了一种螺旋锥齿轮旋转超声磨齿加工装置的设计方法。首先我们需要根据现有加工机床的条件来设计一种螺旋锥齿轮旋转超声磨齿加工装置。设计方法包括：

第1步、根据螺旋锥齿轮机床结构设计旋转超声磨齿加工装置；

在不改变主轴的动力学特性和机床强度的前提下，对螺旋锥齿轮机床的主轴沿轴线方向进行镗孔改造，镗孔目的在于放置超声磨齿加工装置；根据主轴镗孔的尺寸设计一种针对螺旋锥齿轮的棒状旋转超声磨齿加工装置；超声加工过程换能器散热量大，需要对主轴进行水冷；

超声加工振动系统各部件选择：

超声波电源：需要选择合适的超声波电源供能，且超声波电源需要具备能自动追踪超声振动系统谐振频率的功能。本次设计选用CSF27型超声波电源；

超声波类型：为纵波、波速c＝5.17×10⁶mm/s、波长λ＝184.64mm；

超声换能器：本方法选用压电陶瓷换能器，频率为20kHz；