超声珩齿振动系统非谐振设计理论和实验研究.pdf

塑舡搠堋蝴敝f煳籼超声珩齿振动系统的非谐振设计理论与实验研究摘要硬齿面齿轮的广泛应用,满足了现代工业对齿轮传动提出的结构紧凑、噪音小、性能稳定的使用要求。珩齿是-k中对淬硬齿轮进行精加工的工艺方法,可作为硬齿面齿轮的最终精加工工序。传统珩齿工艺存在加工效率低、珩轮易堵塞、修形能力差等缺点。可以考虑从提高珩削速度、减小珩削力、缩短磨粒切削长度、减少珩轮堵塞等方面改进珩齿工艺。现代超声波加工理论和技术为这一构想提供了理论基础和技术支撑。超声珩齿将超声振动切削技术应用于珩齿加工,其高频振动能有效减小珩磨力,切削液的超声空化作用可以对珩轮进行动态清洗,有效减小珩轮堵塞,提高加工效率,可充分发挥硬珩齿工艺特点。超声珩齿振动系统是超声珩齿工艺系统的核心,其性能直接影响着工件质量。目前,在超声加工振动系统设计中,普遍采用谐振单元的全谐振设计理论;而齿轮的振动频率由其结构决定,不能按照超声波发生器的工作频率进行谐振设计,是非谐振单元。因此,课题组提出了非谐振单元变幅器的设计理论,解决了薄环盘类圆柱齿轮的超声珩齿振动系统的设计问题。但工程应用中,大多数齿轮的厚径比在中厚板范围内,还带有轮毂、辐板、轮缘、减重孔等结构,超声珩齿振动系统的设计,不能直接应用中厚板的振动求解理论。这制约了超声珩齿技术的发展与应用,为此,超声珩齿振动系统的设计理论和实验研究,己成为超声珩齿加工中亟待解决的问题。本论文以建立中小模数(小于lOmm),分度圆直径在300ram左右的不同结构、尺寸的齿轮与变幅杆两非谐振单元组成的超声珩齿振动系统的非谐振设计理论为目标,研究振动系统的全谐振设计与非谐振设计之间的联系与区别。从理论和实验角度证明:振动系统的全谐振设计是非谐振设计太原理工大学博士研究生学位论文的特例,非谐振设计涵盖了全谐振设计,是超声振动系统设计理论的扩展和深化。提出了齿轮与变幅杆两非谐振单元超声珩齿振动系统的非谐振设计理论。其实质是根据齿轮结构特点,合理简化其振动模型,联合建立齿轮和变幅杆的振动系统模型,通过振动耦合的位移、力、弯矩等连续条件和边界条件建立系统的振动频率方程,进而确定满足谐振频率和振动模态的系统形状尺寸参数。按照振动系统利用变幅杆与齿轮的耦合振动形式,超声珩齿振动系统可分为:纵向、纵向一弯曲、纵向一径向三种耦合振动形式。圆柱齿轮横向弯曲振动的统一求解模型的建立与求解,是纵一弯齿轮变幅器非谐振设计的理论基础。将齿轮等效为与其分度圆等径的中厚环盘,利用Mindlin中厚板振动求解理论,通过齿轮轮毂、辐板、轮缘三个环盘单元的耦合振动连续条件和边界条件,并结合三个环盘单元的厚度尺寸关系,建立了圆柱齿轮的横向弯曲振动求解的统一模型,为超声珩齿振动系统的设计奠定了理论基础。阻抗特性和谐振特性是超声珩齿振动系统的两个重要性能指标。以阻抗分析仪和激光测振仪为基础,建立了振动系统的阻抗特性和谐振特性参数测量系统,可以精确测量齿轮端面不同位置的振幅,为非谐振单元齿轮超声加工振动系统的精确设计和谐振特性检测提供了一种新的测试方法。对不同振动方式齿轮变幅器所适应齿轮参数范围给出定量描述。,Di]-l-. 分度圆直径小于100mm,,适宜利用纵向振动方式设计振动系统;加工分度圆直径大于lOOmm, 的齿轮,适宜利用纵弯耦合振动方式设计振动系统。推导出各类型纵向、纵弯谐振变幅器的频率方程,通过多种变幅器的设计、有限元分析验证、谐振特性实验,表明:对于分度圆直径一定,不同的中小模数、齿数圆柱齿轮的变幅器设计,非谐振设计理论是有效的,它将非谐振单元变幅器的太原理工大学博士研究生学位论文设计理论从薄环盘理论拓展到了中厚环盘理论。为工程中不同结构参数的圆柱齿轮超声珩齿振动系统的设计提供了设计理论和技术支撑。应用三维振动里兹数值求解方法,统一了圆锥、指数形和悬链线形变幅杆的扭转、纵向、弯曲振动的求解方法;结果表明:三维振动里兹数值法求解比一维振动理论求解准确,方便了大截面变幅杆的设计。统一了径向变厚度环盘横向弯曲和径向振动的求解方法,为变厚度齿轮动态分析建模、振动特性分析提供了一种新的求解分析方法。为超声珩齿振动系统的精确建模和三维振动求解分析提供了研究基础。综合应用上述设计理论和实验方法研制了高速超声珩齿装置,在Y4650 珩齿机上构建了超声珩齿实验系统,实现了超声珩齿。与传统珩齿相比, 超声珩齿的工艺优势在于:可以获得更理想的齿面质量、更高的珩削效率, 且齿面加工纹理复杂,齿轮的齿形、齿向、径向跳动、周节累积偏差有不同程度的减小,尤其齿向偏差减小更明显。为利用超声振动增大珩齿的修形能力,提高齿轮加工精度,提供了实验依据。上述研究工作得到了国家自然科学基金项目“非谐振单元变幅器设计理论及其齿轮超声剃珩应用(50975191)”和山西省研