超聲珩齒非諧振單元變幅器的設(shè)計(jì)理論與實(shí)驗(yàn)研究.pdf

1、齒輪是機(jī)械動(dòng)力傳遞的最主要的元器件，齒輪傳動(dòng)由于其傳動(dòng)功率范圍大，傳動(dòng)效率高、傳動(dòng)比準(zhǔn)確、壽命長(zhǎng)、安全可靠等特點(diǎn)，具有其它傳動(dòng)不可替代的優(yōu)勢(shì)，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(guó)裝備制造業(yè)的基礎(chǔ)性產(chǎn)業(yè)，也是我國(guó)國(guó)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(dòng)裝置的尺寸，各國(guó)普遍采用硬齒面技術(shù)。而當(dāng)前我國(guó)的硬齒面齒輪精加工技術(shù)明顯落后于發(fā)達(dá)國(guó)家。將超聲振動(dòng)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(dòng)的特點(diǎn)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(shì)，從而實(shí)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(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，這也是后續(xù)所有研究工作的基礎(chǔ)，為此，2009年國(guó)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(jì)理論及其齒輪超聲剃珩應(yīng)用”(No.50975191)項(xiàng)目。本文瞄準(zhǔn)“非諧振單元變幅器設(shè)計(jì)理

3、論”這一關(guān)鍵問(wèn)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(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)問(wèn)題，使齒輪的振動(dòng)模態(tài)、振動(dòng)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(dòng)變幅器的設(shè)計(jì)對(duì)于小直徑的齒輪，在變幅桿的推動(dòng)下主要表現(xiàn)為一維縱向振動(dòng)，其彎曲振動(dòng)和徑向振動(dòng)可以忽略不計(jì)。將小直徑齒輪簡(jiǎn)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(dòng)特點(diǎn)與復(fù)合變幅桿相同。應(yīng)用復(fù)合變幅桿的設(shè)計(jì)原理設(shè)計(jì)了

4、縱向振動(dòng)變幅器，并得到較準(zhǔn)確的計(jì)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(duì)大輸出端變幅桿應(yīng)用場(chǎng)合的改進(jìn)式級(jí)聯(lián)變幅桿。
　　 (2)齒輪及圓板、環(huán)板的彎曲振動(dòng)齒輪的彎曲振動(dòng)理論是設(shè)計(jì)彎曲振動(dòng)變幅器的基礎(chǔ)。將齒輪簡(jiǎn)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(dòng)理論計(jì)算齒輪的彎曲振動(dòng)，通過(guò)與有限元分析結(jié)果的比較，說(shuō)明采用中厚板理論雖然計(jì)算復(fù)雜，但計(jì)算精度高，遠(yuǎn)優(yōu)于經(jīng)典薄板理論。針對(duì)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(dòng)理論創(chuàng)新性的提出了計(jì)算其彎曲振動(dòng)頻率的方法，通過(guò)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(jì)算結(jié)果。
　　 (3)彎曲振動(dòng)變幅器的設(shè)計(jì)彎曲振動(dòng)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?dòng)理論，深入分析了彎曲振動(dòng)變幅器的振動(dòng)特點(diǎn)，提出了多種數(shù)學(xué)模型和計(jì)算方法，結(jié)合實(shí)驗(yàn)，確定了合理可行的彎曲振動(dòng)變幅器設(shè)計(jì)理論和方法。在此基礎(chǔ)上對(duì)彎曲振

6、動(dòng)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(duì)彎曲振動(dòng)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(zhǎng)變幅桿組成的彎曲振動(dòng)理論和實(shí)驗(yàn)都表明，在彎曲振動(dòng)變幅器中，固定螺母的長(zhǎng)度會(huì)對(duì)變幅器的頻率產(chǎn)生影響，固定螺母越長(zhǎng)則變幅器頻率越低，反之變幅器頻率越高。另外，在彎曲振動(dòng)變幅器中加入固定板單元也會(huì)對(duì)變幅器頻率產(chǎn)生影響。據(jù)此提出由二分之一波長(zhǎng)變幅桿組成的彎曲振動(dòng)變幅器的設(shè)計(jì)思想，變幅桿按二分之一波長(zhǎng)設(shè)

7、計(jì)，通過(guò)改變螺母或固定板的尺寸來(lái)調(diào)節(jié)變幅器頻率。從理論上對(duì)這種結(jié)構(gòu)的變幅器做了初步的探索研究。
　　 (5)徑向振動(dòng)變幅器的設(shè)計(jì)徑向振動(dòng)變幅器是超聲珩齒非諧振單元變幅器的第三種形式。對(duì)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(dòng)增強(qiáng)。如果齒輪做純徑向振動(dòng)，則這也是一種軸對(duì)稱的振動(dòng)模態(tài)，可以用來(lái)進(jìn)行齒輪的超聲復(fù)合加工?；诳v、徑耦合振動(dòng)理論提出了徑向振動(dòng)變幅器的設(shè)計(jì)理論和數(shù)學(xué)模型，利用有限元分析方法驗(yàn)證了設(shè)計(jì)結(jié)果的準(zhǔn)確性