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超声辅助珩齿加工的理论分析与实验研究

作　者: 高晓旭
导　师: 吕明
学　校: 太原理工大学
专　业: 机械制造及其自动化
关键词: 超声振动系统谐振频率啮合运动数值分析粗糙度
分类号: TG618.2
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
下　载: 73次
引　用: 4次
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内容摘要

超声波珩磨内圆已经广泛应用实际生产,但超声波辅助珩齿工艺却还处于实验研究阶段。这种基于超声波理论和应用及传统珩齿工艺和刀具研究的基础上提出来的齿轮精工方法既能提高加工效率,又能把珩轮的精度复制给被加工工件,提高齿轮的形状精度和齿轮表面的轮廓均匀性。研究超声辅助珩齿加工效率以及被加工工件的精度一个很重要研究的方面。在前期理论研究的基础上,本课题着重研究超声辅助珩齿加工理论及加工实验。具体内容如下:1、理论分析:(a)本文建立了参与交错轴齿轮传动的单个斜齿轮的齿面球面坐标系的方程,并求出了单个齿面的法矢量、曲率参数和主方向。(b)基于一对交错轴齿轮啮合的传动原理,第三章重点研究了超声珩齿过程中刀具珩磨轮与工件齿轮参与啮合的共轭齿面的形成,而共轭齿面上的瞬时啮合线方程是通过求解两啮合齿面∑1和∑2在固定坐标系中的任意一点M的坐标值来完成的。(c)在超声珩齿过程中,刀具珩轮与工件齿轮的啮合属于空间啮合运动,两个啮合齿轮分别位于空间两个不同的坐标系中,必须将它们通过坐标变换转化到同一个固定坐标系中才能讨论它们的相对运动。利用坐标变换法,并结合超声简谐振动方程,对超声辅助珩齿加工进行运动学分析,推导出珩磨轮与工件齿轮在啮合点的相对滑移速度。从啮合中接触线的叠加作用分析了超声珩齿加工提高表面精度的原因;(d)本文建立了变幅杆的纵向振动及弯曲振动方程,按照实际齿轮加工装夹方式确定边界条件,推导出频率方程,求出变幅杆设计参数的数值解,在此基础上,加工出圆锥型变幅杆进行实验研究。(e)加工刀具也是影响整个超声珩齿加工精度及效率的关键,因此刀具的成型工艺及刀具磨粒磨损机理的研究就显得尤为重要。本文分别介绍了激光钎焊和电镀两种珩齿刀上磨粒的固结工艺的原理及工艺流程。研究了刀具上磨粒的磨损状况,并重点讨论了立方氮化硼磨粒的破损机理。2、数值模拟:用ANSYS软件对设计的变幅杆进行模态分析,求出了变幅杆的固有频率及变幅杆上沿长度方向的振幅曲线;然后,用阻抗分析仪测试由超声波发生器、换能器、变幅杆组成的系统的谐振频率,并将两种结果进行比较,最终证明了采用软件分析与仪器测定的变幅杆模态结果非常接近,而且与设计频率也一致。3、实验研究:(a)在测试实验中,本文得出了系统谐振频率与变幅杆端部的振幅、加速度的变化关系。(b)在加工过程中,分别从引入超声振动系统的超声辅助珩齿加工和无超声振动系统的传统珩齿加工两种方式进行实验,改变主轴转速、切削深度、进给量等切削参数,将加工后的工件进行高倍电子扫描电镜观察显微图像,并用粗糙度仪测定粗糙度值,将两种方式的工件实验结果进行比较。结果表明,超声辅助振动加工后的零件表面明显比传统切削加工过的零件精度高。

全文目录

摘要  3-5
ABSTRACT  5-12
第一章绪论  12-26
  1.1 超声加工的应用及研究现状  12-16
    1.1.1 超声加工的原理与特点  12-13
    1.1.2 超声加工的应用现状  13-16
  1.2 珩齿加工的应用及研究现状  16-22
    1.2.1 珩齿加工的原理与特点  16-17
    1.2.2 珩齿加工的分类  17-19
    1.2.3 珩齿加工的应用现状  19-22
  1.3 超声波珩齿加工研究进展  22-23
  1.4 本课题的研究目的及意义  23-24
  1.5 本课题主要研究内容与方法  24-26
第二章超声辅助珩齿加工系统研究  26-38
  2.1 超声加工设备组成  26-29
    2.1.1 超声波发生器  26-27
    2.1.2 超声换能器  27-28
    2.1.3 超声变幅杆  28-29
  2.2 超声变幅杆设计  29-32
    2.2.1 变截面杆纵振波动方程  29-30
    2.2.2 圆锥形变幅杆的计算  30-32
  2.3 机床与刀具  32-37
    2.3.1 珩轮制作工艺  33-36
    2.3.2 超声珩齿装置的安装  36-37
  2.4 本章小结  37-38
第三章超声辅助珩齿加工齿面接触分析  38-56
  3.1 超声辅助珩齿啮合理论分析  38-44
    3.1.1 齿面方程的建立和齿面法矢量  38
    3.1.2 单个齿面的曲率参数与主方向  38-39
    3.1.3 共轭齿面的形成  39-41
    3.1.4 接触线上的瞬时啮合线  41-44
  3.2 超声辅助珩齿相对运动速度分析  44-47
    3.2.1 啮合方程的建立  44
    3.2.2 齿轮啮合相对运动速度  44-47
  3.3 超声辅助珩齿接触线分析  47-48
  3.4 切削加工磨粒磨损机理  48-51
    3.4.1 磨粒磨损形态  48-49
    3.4.2 立方氮化硼刀具的磨损机理  49-51
  3.5 超声辅助珩齿加工的磨屑产生机理  51-53
  3.6 本章小结  53-56
第四章超声辅助珩齿振动系统的数值模拟  56-68
  4.1 ANSYS 模态分析理论  56-60
    4.1.1 基本理论  56-57
    4.1.2 ANSYS 中提取模态的方法  57-59
    4.1.3 模态分析过程  59-60
  4.2 超声珩齿变幅杆的模态分析  60-64
    4.2.1 建模  60-61
    4.2.2 加载及求解  61
    4.2.3 观察结果和后处理  61-63
    4.2.4 结果分析  63-64
  4.3 超声振动系统的数值分析  64-66
    4.3.1 超声振动系统的阻抗分析理论  64-65
    4.3.2 阻抗分析实验  65-66
  4.4 本章小结  66-68
第五章超声波辅助珩齿加工原理性实验研究  68-80
  5.1 超声辅助珩齿加工试验研究  68-70
  5.2 高速缓进给理论的提出  70-72
  5.3 超声加工系统的测试实验  72-74
    5.3.1 测试原理  72
    5.3.2 测试结果与分析  72-74
  5.4 超声珩齿原理性加工实验  74-78
    5.4.1 试验装置  74-75
    5.4.2 实验方案  75-78
  5.5 本章小结  78-80
第六章总结与展望  80-82
  6.1 总结  80-81
  6.2 展望  81-82
参考文献  82-87
致谢  87-88
攻读学位期间发表的学术论文  88

超声辅助珩齿加工的理论分析与实验研究

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