一種超聲精密滾齒裝置的設(shè)計與使用

秦慧斌，張瑞廷，陳 斌

（中北大學(xué) 機械與動力工程學(xué)院，山西 太原 030051）

0 引言

齒輪制造新工藝的發(fā)展很大程度上表現(xiàn)在生產(chǎn)效率與精度等級的提高。目前，國內(nèi)外動力傳動齒輪正向重載、高速、高精度和高效率等方向發(fā)展，并力求低噪聲、小型化、長壽命。為實現(xiàn)齒輪裝置小型化，提高現(xiàn)有漸開線齒輪的承載能力，各國普遍采用硬齒面技術(shù)[1]。硬齒面齒輪滾齒加工過程中，滾齒切削力、切削熱大，切屑不易排出，滾刀磨損嚴(yán)重，滾刀使用壽命較低[2]。而且淬火后的齒輪由于材料硬度提高，不能進(jìn)行精密滾齒加工，以進(jìn)一步提高齒輪加工精度。但超聲振動加工可以大大降低切削力和切削熱，提高切削的冷卻、潤滑效果，延長刀具使用壽命，提高加工工件的表面質(zhì)量和耐磨性[3]。

齒輪超聲精密加工技術(shù)依賴于超聲波振動理論與先進(jìn)制造技術(shù)學(xué)科間前沿技術(shù)的相互滲透；大功率超聲波發(fā)生器、換能器的系列成熟產(chǎn)品，為齒輪超聲精密加工的實現(xiàn)奠定了物質(zhì)基礎(chǔ)。為了解決上述問題尹韶輝于1995 年提出了一種超聲振動滾齒加工實驗示意裝置，并完成了模數(shù)為1mm 齒數(shù)為24 的圓柱齒輪超聲滾齒試驗[4]，羅凱華于2001 年提出了一種超聲滾齒示意裝置，并完成了模數(shù)為4.5 mm 齒數(shù)為34 的圓柱齒輪超聲振動滾齒加工實驗[5]，俄羅斯伏爾加格勒國立技術(shù)大學(xué)的S.I.Agapov于2007～2010 年利用設(shè)計的小模數(shù)齒輪的超聲振動通用附件，完成了對模數(shù)分別為0.5，0.8，0.9，1.0，1.2mm，齒輪為36 的小模數(shù)齒輪的超聲滾齒加工實驗[6,7]。但都沒有公開超聲振動滾齒加工實驗裝置的必要組成部分超聲電源換向系統(tǒng)、齒輪工件回轉(zhuǎn)系統(tǒng)、外支撐固定系統(tǒng)，以及超聲振動滾齒加工裝置與滾齒機工作臺的連接安裝實施方案。而且只適用于小模數(shù)短粗圓柱齒輪（齒輪分度圓直徑小于其介質(zhì)內(nèi)1/4 縱波長）的超聲滾齒，但對于其他形狀特點圓柱齒輪的超聲滾齒裝置尚未見有報道。本文將齒輪超聲波振動與精密滾齒工藝相結(jié)合，設(shè)計出一套適合于漸開線圓柱齒輪經(jīng)滾齒粗加工后的超聲精密滾齒裝置，并提出根據(jù)齒輪工件的不同結(jié)構(gòu)特點采用不同的超聲振動方式與滾刀進(jìn)給切削方式實現(xiàn)超聲精密滾齒。

1 齒輪超聲精密滾齒裝置

齒輪超聲精密滾齒裝置由齒輪工件回轉(zhuǎn)及超聲振動復(fù)合主軸系統(tǒng)，外支撐固定系統(tǒng)和超聲波電源換向系統(tǒng)三部分組成。其三維模型如圖1 所示。

圖1 超聲精密滾齒裝置的三維模型Fig.1 3D model of ultrasonic gear precision hobbing fixture

1.1 工件回轉(zhuǎn)及超聲振動復(fù)合主軸系統(tǒng)的設(shè)計

齒輪工件回轉(zhuǎn)及超聲振動復(fù)合主軸系統(tǒng)包括齒輪工件回轉(zhuǎn)主軸、柱形換能器、傳振芯軸、變幅芯軸和齒輪工件，如圖2，圖3 所示。在齒輪工件回轉(zhuǎn)主軸外表面的中部由上到下依次設(shè)有軸承定位臺階，兩個橡膠絕緣套安裝槽，在齒輪工件回轉(zhuǎn)主軸的中下部開設(shè)有四個散熱孔，如圖4 所示。在傳振芯軸的頂部中間設(shè)有定位凹槽，外表面的中上部設(shè)有夾持平面，夾持平面的下方設(shè)有法蘭，法蘭的中性平面為縱向諧振的振動節(jié)面，縱向理想振幅為零，法蘭用于傳振桿的安裝固定；在法蘭的下方設(shè)有周向定位凸臺。變幅芯軸的頂部中間設(shè)有中心孔，中部設(shè)有裝夾平面，中下部設(shè)有導(dǎo)向定位凸臺。傳振芯軸插入齒輪工件回轉(zhuǎn)主軸內(nèi)部且法蘭通過螺釘固定組件固定在齒輪工件回轉(zhuǎn)主軸的頂端，螺釘固定組件沿圓周每60°均布安裝，柱形換能器位于齒輪工件回轉(zhuǎn)主軸內(nèi)與散熱孔等高處并通過精密細(xì)牙螺紋連接在傳振芯軸的下端，傳振芯軸的上端通過精密細(xì)牙螺紋與變幅芯軸的下端相連接，并保證變幅芯軸導(dǎo)向定位凸臺與傳振芯軸定位凹槽緊密配合，變幅芯軸的上端通過螺母固定組件與齒輪工件相連接。齒輪工件與變幅芯軸的諧振設(shè)計方法參照文獻(xiàn)[8]。

1.2 外支撐固定系統(tǒng)的設(shè)計

圖2 超聲精密滾齒裝置的剖面結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Cutaway view diagram of ultrasonic gear precision hobbing fixture

圖3 超聲精密滾齒裝置的局部結(jié)構(gòu)放大圖Fig.3 Partial enlargement diagram of ultrasonic gear precision hobbing fixture

圖4 齒輪工件回轉(zhuǎn)主軸的三維模型Fig.4 3D model of gear workpiece rotary spindle

外支撐固定系統(tǒng)包括外支撐固定架、超精密高速角接觸球軸承、氈圈油封和法蘭端蓋，如圖2，圖3 所示。超精密高速角接觸球軸承的內(nèi)圈安裝在齒輪工件回轉(zhuǎn)主軸的軸承定位臺階上，超精密高速角接觸球軸承的外圈安裝在外支撐固定架的內(nèi)圓柱面定位臺階上，法蘭端蓋通過螺釘固定在外支撐固定架的上端面上，氈圈油封安裝在法蘭端蓋與齒輪工件回轉(zhuǎn)主軸之間。

1.3 超聲波電源換向系統(tǒng)的設(shè)計

超聲波電源換向系統(tǒng)包括超聲波發(fā)生器、兩個導(dǎo)電銅環(huán)、兩個石墨電刷、兩個橡膠絕緣套和絕緣導(dǎo)線，如圖1，圖2，圖3 所示。超聲波發(fā)生器放在外支撐固定架的上表面，兩個橡膠絕緣套分別安裝在齒輪工件回轉(zhuǎn)主軸的兩個橡膠絕緣套安裝槽內(nèi)，兩個導(dǎo)電銅環(huán)分別安裝在兩個橡膠絕緣套的環(huán)形槽內(nèi)，兩個石墨電刷分別穿過外支撐固定架且石墨電刷的接觸內(nèi)圓柱面與導(dǎo)電銅環(huán)的外圓柱面保持有力均勻接觸；超聲波發(fā)生器的電源線與石墨電刷的外端相連，絕緣導(dǎo)線一端與導(dǎo)電銅環(huán)相連，絕緣導(dǎo)線的另一端與柱形換能器的接線柱相連。

超聲精密滾齒時，啟動超聲波發(fā)生器的電源開關(guān)，柱形換能器通過內(nèi)部的磁致伸縮材料將得到的超聲波信號轉(zhuǎn)換為10μm 左右的超聲波機械振動，進(jìn)而傳遞給傳振芯軸，超聲波機械振動經(jīng)變幅芯軸聚能和放大后，傳到齒輪工件的齒面，齒輪工件在分度旋轉(zhuǎn)的同時，還做超聲波機械振動，再經(jīng)齒輪滾刀的嚙合切削、進(jìn)給組合運動完成齒輪超聲精密滾齒加工。

2 齒輪超聲精密滾齒裝置的使用

齒輪超聲精密滾齒裝置在滾齒機上的使用安裝位置見圖5 所示，將齒輪工件回轉(zhuǎn)主軸底部的軸端法蘭通過螺栓螺母墊片固定組件安裝在滾齒機工作臺上的回轉(zhuǎn)圓盤的T 型槽內(nèi)，螺栓螺母墊片固定組件沿圓周每120°均布安裝，外支撐固定架通過螺栓螺母墊片固定組件固定在滾齒機工作臺的T 型槽內(nèi)，變幅芯軸徑向跳動誤差控制在0.005mm 之內(nèi)，端面跳動誤差控制在0.003mm 之內(nèi)。通過向滾齒機控制面板內(nèi)輸入指令以控制滑動支撐架在小立柱導(dǎo)軌上滑動，使支撐架的頂尖頂在變幅芯軸的上端面中心孔內(nèi)，連接橫梁將立柱和小立柱相連接以確保超聲精密滾齒過程中系統(tǒng)的剛性。再通過向控制面板內(nèi)輸入指令，控制齒輪滾刀刀塔在立柱導(dǎo)軌上移動以調(diào)整齒輪滾刀的位置，實現(xiàn)與齒輪工件對正。通過床身上的分度蝸桿副調(diào)整滾齒機使齒輪滾刀與齒輪工件轉(zhuǎn)速比等于齒輪工件齒數(shù)與齒輪滾刀頭數(shù)之比；通過床身上的導(dǎo)軌驅(qū)動立柱實現(xiàn)進(jìn)給徑向進(jìn)給運動，通過立柱上的立柱導(dǎo)軌驅(qū)動齒輪滾刀刀塔實現(xiàn)進(jìn)給軸向進(jìn)給運動；齒輪滾刀與齒輪工件的嚙合切削運動符合螺旋齒輪嚙合原理，兩者完成交錯軸漸開線圓柱齒輪的嚙合切削運動，實現(xiàn)齒輪超聲精密滾齒加工。達(dá)到延長滾刀使用壽命、提高齒面粗糙度、提高滾齒加工精度、改善齒面微觀切削紋理，達(dá)到降低噪聲、提高耐磨性的目的。

3 齒輪工件與滾刀的組合運動方式

齒輪工件可以為薄圓盤齒輪工件、中厚圓盤齒輪工件或者短粗圓柱齒輪工件。薄圓盤齒輪工件超聲精密滾齒加工時，齒輪工件在完成分度旋轉(zhuǎn)的同時做20kHz 頻率的徑向超聲振動，齒輪滾刀徑向進(jìn)給。中厚圓盤齒輪工件超聲精密滾齒加工時，齒輪工件在完成分度旋轉(zhuǎn)的同時做20kHz 頻率的節(jié)圓型橫向彎曲超聲振動，齒輪滾刀徑向-軸向組合進(jìn)給。短粗圓柱齒輪工件超聲精密滾齒加工時，齒輪工件在完成分度旋轉(zhuǎn)的同時做20kHz 頻率的縱向超聲振動，齒輪滾刀軸向分段進(jìn)給。

4 結(jié)論

論文提出一種齒輪超聲振動精密滾齒裝置，由齒輪工件回轉(zhuǎn)及超聲振動復(fù)合主軸系統(tǒng)，外支撐固定系統(tǒng)和超聲波電源換向系統(tǒng)三部分組成。將此裝置安裝在滾齒機工作臺上，依照齒輪工件的不同結(jié)構(gòu)特點，采用齒輪工件不同的超聲振動方式和齒輪滾刀組合運動方式，來實現(xiàn)超聲精密滾齒。該裝置將齒輪超聲波振動與硬齒面齒輪滾齒工藝相結(jié)合，適合于漸開線圓柱齒輪經(jīng)滾齒粗加工后的超聲精密滾齒?？裳娱L滾刀使用壽命、提高滾齒加工精度、改善齒面微觀切削紋理，達(dá)到降低噪聲、提高耐磨性的目的。

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[5]羅凱華.超聲振動滾齒加工的實驗研究[J].新技術(shù)新工藝，2001，9.

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