超聲珩齒非諧振單元變幅器的設(shè)計理論與實驗研究.pdf

1、齒輪是機(jī)械動力傳遞的最主要的元器件，齒輪傳動由于其傳動功率范圍大，傳動效率高、傳動比準(zhǔn)確、壽命長、安全可靠等特點，具有其它傳動不可替代的優(yōu)勢，得到廣泛應(yīng)用。以齒輪為代表的基礎(chǔ)零部件不僅是我國裝備制造業(yè)的基礎(chǔ)性產(chǎn)業(yè)，也是我國國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)各領(lǐng)域的重要基礎(chǔ)。
　　 為了提高齒輪的承載能力和縮小傳動裝置的尺寸，各國普遍采用硬齒面技術(shù)。而當(dāng)前我國的硬齒面齒輪精加工技術(shù)明顯落后于發(fā)達(dá)國家。將超聲振動引入傳統(tǒng)的珩齒工藝中進(jìn)行超聲輔助復(fù)合加工是

2、硬齒面齒輪精加工技術(shù)的一種新的探索和嘗試，其目的在于利用超聲振動的特點改進(jìn)傳統(tǒng)珩齒技術(shù)的不足，充分發(fā)揮珩齒在硬齒面齒輪精加工中的優(yōu)勢，從而實現(xiàn)高質(zhì)量、高效率、低成本的齒輪精密加工的目標(biāo)。
　　 超聲輔助珩齒的關(guān)鍵技術(shù)之一是振動系統(tǒng)的設(shè)計，這也是后續(xù)所有研究工作的基礎(chǔ)，為此，2009年國家自然科學(xué)基金資助了本課題組提出的“非諧振單元變幅器設(shè)計理論及其齒輪超聲剃珩應(yīng)用”(No.50975191)項目。本文瞄準(zhǔn)“非諧振單元變幅器設(shè)計理

3、論”這一關(guān)鍵問題進(jìn)行了創(chuàng)新性研究，目的是解決不同結(jié)構(gòu)、尺寸齒輪的振動系統(tǒng)的設(shè)計問題，使齒輪的振動模態(tài)、振動頻率、振幅等滿足超聲珩齒加工的要求。本文主要完成以下研究工作：
　　 (1)縱向振動變幅器的設(shè)計對于小直徑的齒輪，在變幅桿的推動下主要表現(xiàn)為一維縱向振動，其彎曲振動和徑向振動可以忽略不計。將小直徑齒輪簡化為等截面圓柱桿，則由齒輪、固定螺母及變幅桿組成的變幅器的結(jié)構(gòu)形式、振動特點與復(fù)合變幅桿相同。應(yīng)用復(fù)合變幅桿的設(shè)計原理設(shè)計了

4、縱向振動變幅器，并得到較準(zhǔn)確的計算結(jié)果。分析比較了提高縱振變幅器振幅的措施，提出了針對大輸出端變幅桿應(yīng)用場合的改進(jìn)式級聯(lián)變幅桿。
　　 (2)齒輪及圓板、環(huán)板的彎曲振動齒輪的彎曲振動理論是設(shè)計彎曲振動變幅器的基礎(chǔ)。將齒輪簡化為與其分度圓等徑的圓板或環(huán)板，應(yīng)用Mindlin中厚板振動理論計算齒輪的彎曲振動，通過與有限元分析結(jié)果的比較，說明采用中厚板理論雖然計算復(fù)雜，但計算精度高，遠(yuǎn)優(yōu)于經(jīng)典薄板理論。針對沿徑向階梯變厚度齒輪、沿徑向

5、任意變厚度圓板、環(huán)板、帶均布減重孔的齒輪，基于Mindlin中厚板振動理論創(chuàng)新性的提出了計算其彎曲振動頻率的方法，通過與有限元分析結(jié)果的比較，證明了所提出的方法能夠得到較準(zhǔn)確的計算結(jié)果。
　　 (3)彎曲振動變幅器的設(shè)計彎曲振動變幅器是超聲珩齒非諧振單元變幅器的主要形式?；谥泻癜逭駝永碚摚钊敕治隽藦澢駝幼兎鞯恼駝犹攸c，提出了多種數(shù)學(xué)模型和計算方法，結(jié)合實驗，確定了合理可行的彎曲振動變幅器設(shè)計理論和方法。在此基礎(chǔ)上對彎曲振

6、動變幅器的振幅分布特性做了分析，提出了提高變幅器振幅的措施。此外，對彎曲振動變幅器有限元模態(tài)分析方法做了探討。
　　 (4)由二分之一波長變幅桿組成的彎曲振動理論和實驗都表明，在彎曲振動變幅器中，固定螺母的長度會對變幅器的頻率產(chǎn)生影響，固定螺母越長則變幅器頻率越低，反之變幅器頻率越高。另外，在彎曲振動變幅器中加入固定板單元也會對變幅器頻率產(chǎn)生影響。據(jù)此提出由二分之一波長變幅桿組成的彎曲振動變幅器的設(shè)計思想，變幅桿按二分之一波長設(shè)

7、計，通過改變螺母或固定板的尺寸來調(diào)節(jié)變幅器頻率。從理論上對這種結(jié)構(gòu)的變幅器做了初步的探索研究。
　　 (5)徑向振動變幅器的設(shè)計徑向振動變幅器是超聲珩齒非諧振單元變幅器的第三種形式。對于大孔徑的齒輪，相應(yīng)的變幅桿直徑也大，變幅器的徑向振動增強(qiáng)。如果齒輪做純徑向振動，則這也是一種軸對稱的振動模態(tài)，可以用來進(jìn)行齒輪的超聲復(fù)合加工?；诳v、徑耦合振動理論提出了徑向振動變幅器的設(shè)計理論和數(shù)學(xué)模型，利用有限元分析方法驗證了設(shè)計結(jié)果的準(zhǔn)確性