超声珩齿振动系统的非谐振设计理论与实验研究

论文摘要

硬齿面齿轮的广泛应用,满足了现代工业对齿轮传动提出的结构紧凑、噪音小、性能稳定的使用要求。珩齿是一种对淬硬齿轮进行精加工的工艺方法,可作为硬齿面齿轮的最终精加工工序。传统珩齿工艺存在加工效率低、珩轮易堵塞、修形能力差等缺点。可以考虑从提高珩削速度、减小珩削力、缩短磨粒切削长度、减少珩轮堵塞等方面改进珩齿工艺。现代超声波加工理论和技术为这一构想提供了理论基础和技术支撑。超声珩齿将超声振动切削技术应用于珩齿加工,其高频振动能有效减小珩磨力,切削液的超声空化作用可以对珩轮进行动态清洗,有效减小珩轮堵塞,提高加工效率,可充分发挥硬珩齿工艺特点。超声珩齿振动系统是超声珩齿工艺系统的核心,其性能直接影响着工件质量。目前,在超声加工振动系统设计中,普遍采用谐振单元的全谐振设计理论：而齿轮的振动频率由其结构决定,不能按照超声波发生器的工作频率进行谐振设计,是非谐振单元。因此,课题组提出了非谐振单元变幅器的设计理论,解决了薄环盘类圆柱齿轮的超声珩齿振动系统的设计问题。但工程应用中,大多数齿轮的厚径比在中厚板范围内,还带有轮毂、辐板、轮缘、减重孔等结构,超声珩齿振动系统的设计,不能直接应用中厚板的振动求解理论。这制约了超声珩齿技术的发展与应用,为此,超声珩齿振动系统的设计理论和实验研究,已成为超声珩齿加工中亟待解决的问题。本论文以建立中小模数(小于10mm),分度圆直径在300mm左右的不同结构、尺寸的齿轮与变幅杆两非谐振单元组成的超声珩齿振动系统的非谐振设计理论为目标,研究振动系统的全谐振设计与非谐振设计之间的联系与区别。从理论和实验角度证明：振动系统的全谐振设计是非谐振设计的特例,非谐振设计涵盖了全谐振设计,是超声振动系统设计理论的扩展和深化。提出了齿轮与变幅杆两非谐振单元超声珩齿振动系统的非谐振设计理论。其实质是根据齿轮结构特点,合理简化其振动模型,联合建立齿轮和变幅杆的振动系统模型,通过振动耦合的位移、力、弯矩等连续条件和边界条件建立系统的振动频率方程,进而确定满足谐振频率和振动模态的系统形状尺寸参数。按照振动系统利用变幅杆与齿轮的耦合振动形式,超声珩齿振动系统可分为：纵向、纵向—弯曲、纵向—径向三种耦合振动形式。圆柱齿轮横向弯曲振动的统一求解模型的建立与求解,是纵—弯齿轮变幅器非谐振设计的理论基础。将齿轮等效为与其分度圆等径的中厚环盘,利用Mindlin中厚板振动求解理论,通过齿轮轮毂、辐板、轮缘三个环盘单元的耦合振动连续条件和边界条件,并结合三个环盘单元的厚度尺寸关系,建立了圆柱齿轮的横向弯曲振动求解的统一模型,为超声珩齿振动系统的设计奠定了理论基础。阻抗特性和谐振特性是超声珩齿振动系统的两个重要性能指标。以阻抗分析仪和激光测振仪为基础,建立了振动系统的阻抗特性和谐振特性参数测量系统,可以精确测量齿轮端面不同位置的振幅,为非谐振单元齿轮超声加工振动系统的精确设计和谐振特性检测提供了一种新的测试方法。对不同振动方式齿轮变幅器所适应齿轮参数范围给出定量描述。加工分度圆直径小于100mm,厚径比大于0.3的中小模数齿轮,适宜利用纵向振动方式设计振动系统；加工分度圆直径大于100mm,且厚径比小于0.3的齿轮,适宜利用纵弯耦合振动方式设计振动系统。推导出各类型纵向、纵弯谐振变幅器的频率方程,通过多种变幅器的设计、有限元分析验证、谐振特性实验,表明：对于分度圆直径一定,不同的中小模数、齿数圆柱齿轮的变幅器设计,非谐振设计理论是有效的,它将非谐振单元变幅器的设计理论从薄环盘理论拓展到了中厚环盘理论。为工程中不同结构参数的圆柱齿轮超声珩齿振动系统的设计提供了设计理论和技术支撑。应用三维振动里兹数值求解方法,统一了圆锥、指数形和悬链线形变幅杆的扭转、纵向、弯曲振动的求解方法；结果表明：三维振动里兹数值法求解比一维振动理论求解准确,方便了大截面变幅杆的设计。统一了径向变厚度环盘横向弯曲和径向振动的求解方法,为变厚度齿轮动态分析建模、振动特性分析提供了一种新的求解分析方法。为超声珩齿振动系统的精确建模和三维振动求解分析提供了研究基础。综合应用上述设计理论和实验方法研制了高速超声珩齿装置,在Y4650珩齿机上构建了超声珩齿实验系统,实现了超声珩齿。与传统珩齿相比,超声珩齿的工艺优势在于：可以获得更理想的齿面质量、更高的珩削效率,且齿面加工纹理复杂,齿轮的齿形、齿向、径向跳动、周节累积偏差有不同程度的减小,尤其齿向偏差减小更明显。为利用超声振动增大珩齿的修形能力,提高齿轮加工精度,提供了实验依据。上述研究工作得到了国家自然科学基金项目“非谐振单元变幅器设计理论及其齿轮超声剃珩应用(50975191)”和山西省研究生优秀创新项目“齿轮超声加工振动系统设计理论与实验验证(20113027)”的资助。通过以上设计理论和实验研究,确立了超声珩齿振动系统的非谐振设计理论,拓展和完善了超声加工振动系统的设计理论体系。超声珩齿振动系统的非谐振设计方法同样适合于超声滚齿、剃齿、研齿等齿轮超声加工振动系统的设计,为超声加工在齿轮精密制造中的发展与应用奠定了理论和实验基础。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 符号说明
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 超声加工的工艺特点与分类
• 1.3 齿轮超声加工的研究现状
• 1.3.1 超声滚齿
• 1.3.2 超声研齿
• 1.3.3 超声电化学齿轮加工
• 1.4 超声珩齿工艺的提出与研究现状
• 1.5 超声加工振动系统设计理论的研究现状
• 1.5.1 超声加工振动系统
• 1.5.2 变幅杆振动求解理论
• 1.5.3 圆盘振动求解理论
• 1.5.4 超声加工振动系统设计研究中有待研究的问题
• 1.6 课题来源与研究意义
• 1.7 论文的主要研究内容
• 第二章 超声珩齿振动系统的非谐振设计理论与实验基础
• 2.1 超声珩齿振动系统的非谐振设计原理与设计体系
• 2.1.1 局部共振现象及其应用
• 2.1.2 谐振单元振动系统的全谐振设计理论
• 2.1.3 非谐振单元振动系统的非谐振设计理论
• 2.1.4 非谐振设计与全谐振设计之间的联系与区别
• 2.1.5 超声珩齿振动系统的非谐振设计方法
• 2.2 MINDLIN中厚环盘振动求解理论
• 2.2.1 厚板动力理论的基本方程
• 2.2.2 Mindlin中厚板求解理论
• 2.2.3 Mindlin中厚环盘的柱坐标动力学方程与振动求解
• 2.3 齿轮横向弯曲振动求解的统一模型
• 2.3.1 圆柱齿轮横向弯曲振动统一模型的求解理论
• 2.3.2 各结构参数对齿轮横向弯曲自由振动频率的影响分析
• 2.3.3 有限元模态分析与实验模态验证
• 2.3.4 模数与螺旋角对齿轮轴对称横向弯曲振动频率的影响分析
• 2.4 旋转效应对齿轮振动频率的影响分析
• 2.5 超声珩齿振动系统谐振特性的实验基础
• 2.5.1 超声珩齿振动系统的阻抗特性分析
• 2.5.2 超声珩齿振动系统振幅测量系统的构建
• 2.6 本章小结
• 第三章 超声珩齿振动系统的设计与谐振特性实验
• 3.1 超声珩齿纵向振动系统的设计与实验研究
• 3.1.1 理论分析模型
• 3.1.2 齿轮纵向振动变幅器的设计
• 3.1.3 振动求解模型的ANSYS分析验证
• 3.1.4 谐振特性的实验研究
• 3.1.5 齿轮模数与厚度对纵向振动变幅器谐振频率的影响规律研究
• 3.1.6 其他类型纵向谐振变幅器的频率方程
• 3.2 超声珩齿纵弯振动系统设计的统一求解模型
• 3.2.1 纵弯谐振变幅器振动求解的统一模型
• 3.2.2 纵弯耦合谐振条件与边界条件
• 3.2.3 频率方程的建立
• 3.2.4 纵弯谐振变幅器的位移特性求解
• 3.2.5 振动求解模型的ANSYS分析验证
• 3.3 超声珩齿纵弯谐振变幅器的设计与谐振特性实验研究
• 3.3.1 纵弯谐振变幅器的设计与有限元分析
• 3.3.2 纵弯谐振变幅器的谐振实验分析
• 3.3.3 设计方法对变幅器尺寸参数的适应性研究
• 3.4 其他类型变幅杆与齿轮组成的纵弯谐振变幅器设计与谐振特性分析
• 3.4.1 指数形纵弯振动变幅器
• 3.4.2 悬链线形纵弯振动变幅器
• 3.4.3 复合变幅杆与齿轮组成的纵弯振动变幅器
• 3.4.4 各类型纵弯谐振变幅器的对比分析
• 3.5 谐振单元纵弯变幅器设计与谐振实验
• 3.6 本章小结
• 第四章 变幅杆与变厚度环盘振动特性的三维振动里兹法
• 4.1 里兹法的力学原理基础
• 4.1.1 力学变分原理
• 4.1.2 哈密尔顿原理
• 4.1.3 里兹法原理
• 4.2 变幅杆振动特性的三维振动里兹法
• 4.2.1 变幅杆振动特性的三维振动里兹法求解原理
• 4.2.2 变幅杆固有圆频率的计算分析
• 4.2.3 大中小截面指数形变幅杆模态实验
• 4.2.4 谐振频率对比分析
• 4.3 变厚度环盘振动特性的三维振动里兹法求解
• 4.3.1 环盘振动特性的三维振动里兹法求解原理
• 4.3.2 等厚度环盘自由振动固有频率分析
• 4.3.3 径向线性变厚度环盘自由振动固有频率分析
• 4.3.4 模态实验与结果分析
• 4.4 本章小结
• 第五章 超声珩齿实验研究
• 5.1 超声珩齿实验系统
• 5.1.1 超声珩齿实验系统的主要构成
• 5.1.2 超声珩齿振动系统的设计
• 5.1.3 超声珩齿实验系统的建立与测试
• 5.2 纵向谐振超声珩齿实验
• 5.3 纵弯谐振超声珩齿实验
• 5.3.1 实验设备与主要参数
• 5.3.2 实验系统与工艺条件
• 5.3.3 实验结果分析
• 5.4 本章小结
• 第六章 总结与展望
• 6.1 主要研究工作总结
• 6.2 主要创新点
• 6.3 研究展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读博士学位期间发表的学术论文目录
• 攻读博士学位期间的科研项目与获奖