超聲珩齒非諧振單元變幅器的設計理論與實驗研究.pdf

1、齒輪是機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，得到廣泛應用。以齒輪為代表的基礎零部件不僅是我國裝備制造業(yè)的基礎性產業(yè)，也是我國國民經濟建設各領域的重要基礎。
　　 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。而當前我國的硬齒面齒輪精加工技術明顯落后于發(fā)達國家。將超聲振動引入傳統(tǒng)的珩齒工藝中進行超聲輔助復合加工是

2、硬齒面齒輪精加工技術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傳統(tǒng)珩齒技術的不足，充分發(fā)揮珩齒在硬齒面齒輪精加工中的優(yōu)勢，從而實現高質量、高效率、低成本的齒輪精密加工的目標。
　　 超聲輔助珩齒的關鍵技術之一是振動系統(tǒng)的設計，這也是后續(xù)所有研究工作的基礎，為此，2009年國家自然科學基金資助了本課題組提出的“非諧振單元變幅器設計理論及其齒輪超聲剃珩應用”(No.50975191)項目。本文瞄準“非諧振單元變幅器設計理

3、論”這一關鍵問題進行了創(chuàng)新性研究，目的是解決不同結構、尺寸齒輪的振動系統(tǒng)的設計問題，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計對于小直徑的齒輪，在變幅桿的推動下主要表現為一維縱向振動，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構形式、振動特點與復合變幅桿相同。應用復合變幅桿的設計原理設計了

4、縱向振動變幅器，并得到較準確的計算結果。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用場合的改進式級聯變幅桿。
　　 (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計彎曲振動變幅器的基礎。將齒輪簡化為與其分度圓等徑的圓板或環(huán)板，應用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果的比較，說明采用中厚板理論雖然計算復雜，但計算精度高，遠優(yōu)于經典薄板理論。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果的比較，證明了所提出的方法能夠得到較準確的計算結果。
　　 (3)彎曲振動變幅器的設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，提出了多種數學模型和計算方法，結合實驗，確定了合理可行的彎曲振動變幅器設計理論和方法。在此基礎上對彎曲振

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生影響。據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計思想，變幅桿按二分之一波長設

7、計，通過改變螺母或固定板的尺寸來調節(jié)變幅器頻率。從理論上對這種結構的變幅器做了初步的探索研究。
　　 (5)徑向振動變幅器的設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，相應的變幅桿直徑也大，變幅器的徑向振動增強。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)，可以用來進行齒輪的超聲復合加工?；诳v、徑耦合振動理論提出了徑向振動變幅器的設計理論和數學模型，利用有限元分析方法驗證了設計結果的準確性