超声珩齿振动系统的理论设计与仿真分析

论文摘要

超声珩齿技术是一种新的齿轮精加工方法,它将超声振动切削引入到传统珩齿加工,形成超声珩齿复合加工,用这种方法加工出的齿轮精度高、表面粗糙度低、承载能力强,能够满足现代机械对高精密齿轮各方面的使用要求。实践表明,超声珩齿珩磨效率高、珩轮寿命长,既可以解决传统珩齿加工效率低、珩轮易堵塞等缺陷,又可以充分发挥超声切削的优势,也为齿轮精密加工提供了一个新的研究方向。超声珩齿振动系统的设计是超声珩齿技术的关键,振动系统设计的好坏直接影响整个工艺系统性能的优劣。超声振动系统研究的方向是寻求种最佳的设计方法,使整个系统谐振于一定的工作频率,保证切削振动的幅值,从而达到复合加工的目的。本文针对传统振动系统全谐振设计理论的不足,通过对各种振动理论进行研究分析,确定了采用非谐振设计理论来设计超声珩齿振动系统的变幅器。本论文得到了国家自然科学基金“非谐振单元变幅器设计理论及其齿轮超声剃珩齿应用(5097519)”的资助,在查阅了大量文献的基础上,运用非谐振设计理论设计了两种类型的变幅器,并通过参数化建模和有限元分析验证了这种设计方法的可行性和可靠性。论文的主要研究内容有：(1)在了解超声加工技术、超声珩齿工艺系统的基础上,总结了目前超声珩齿振动系统设计方法的研究现状,提出了采用非谐振设计理论进行超声珩齿振动系统的设计。(2)详细概括了超声珩齿振动系统非谐振设计方法的基础理论,推导了等截面和变截面细杆纵向振动以及薄圆盘弯曲振动的频率方程,并对其进行了求解。(3)根据非谐振设计理论,分别设计了圆锥形、带孔圆锥形和悬链形变幅器,建立了变幅器的数学模型,分析了变幅杆的纵向振动和环盘的弯曲振动的振型和位移分布。根据相应的边界耦合条件分别建立了频率方程,通过数学软件MATLAB计算出变幅器的谐振长度,确定变幅器的尺寸,为下一步的建模和有限元分析提供数据。(4)用Pro/E软件对变幅器模型进行了参数化建模,通过Pro/E和ANSYS间的通道把模型导入ANSYS软件中进行模态分析。通过分析结果可以看出,把变幅杆和工件齿轮一起考虑的非谐振设计方法是减小变幅器设计误差的好方法,在实际应用中是可行的、可靠的。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 超声技术及超声加工的发展概况
• 1.1.1 超声技术概述
• 1.1.2 国内外超声加工技术的应用现状
• 1.2 超声加工简介
• 1.2.1 超声加工原理
• 1.2.2 超声加工的特点
• 1.2.3 超声加工的发展趋势和展望
• 1.3 超声振动系统的研究现状
• 1.3.1 超声振动系统设计概况
• 1.3.2 超声振动系统非谐振设计
• 1.4 课题的研究背景和意义
• 1.5 本课题的主要研究内容及思路
• 第二章 超声珩齿工艺及振动系统介绍
• 2.1 珩齿工艺介绍
• 2.1.1 珩齿加工工艺概述
• 2.1.2 珩齿加工原理
• 2.1.3 珩齿方法分类
• 2.1.4 珩齿加工工艺的特点
• 2.2 超声珩齿工艺介绍
• 2.2.1 超声珩齿工艺概述
• 2.2.2 超声珩齿原理
• 2.2.3 超声珩齿设备及组成
• 2.3 超声珩齿振动系统
• 2.3.1 超声电源
• 2.3.2 超声换能器
• 2.3.3 超声传振杆
• 2.3.4 超声变幅杆
• 2.4 本章小结
• 第三章 超声珩齿振动系统设计理论
• 3.1 超声振动系统的设计理论
• 3.1.1 常用的设计方法
• 3.1.2 全谐振设计步骤
• 3.2 超声珩齿变幅器的非谐振设计理论
• 3.2.1 等截面细杆的纵振方程及其解
• 3.2.2 变截面细杆的一维纵振方程及其解
• 3.2.3 薄圆盘横向弯曲振动方程及其解
• 3.3 本章小结
• 第四章 超声珩齿变幅器的非谐振设计
• 4.1 圆锥形变幅器设计
• 4.1.1 圆锥形变幅器结构设计
• 4.1.2 圆锥形变幅器振动频率方程
• 4.1.3 圆锥形变幅器设计计算
• 4.1.4 带孔圆锥形变幅器设计与计算
• 4.2 悬链形变幅器的设计
• 4.2.1 悬链形变幅器的结构
• 4.2.2 悬链形变幅器振动频率方程
• 4.2.3 悬链形变幅器设计计算
• 4.3 变幅器设计结果分析
• 4.4 超声传振杆的设计
• 4.5 超声振动系统连接结构设计
• 4.5.1 变幅器连接结构
• 4.5.2 工件齿轮零件图
• 4.6 本章小结
• 第五章 振动系统参数化建模与有限元分析
• 5.1 超声珩齿振动系统的参数化建模
• 5.1.1 参数化设计概述
• 5.1.2 圆锥形变幅器模型的参数化建模
• 5.1.3 带孔和齿的圆锥形变幅器的参数化建模
• 5.1.4 悬链杆的参数化建模
• 5.1.5 传振杆的参数化建模
• 5.2 超声珩齿振动系统的有限元仿真分析
• 5.2.1 有限元仿真分析概述
• 5.2.2 圆锥形变幅器的模态分析
• 5.2.3 悬链形变幅器的模态分析
• 5.2.4 仿真结果分析与结论
• 5.2.5 传振杆的模态分析
• 5.3 本章小结
• 第六章 总结与展望
• 6.1 总结
• 6.2 展望
• 参考文献
• 附录1 贝塞尔函数
• 附录2 变幅器设计Matlab程序
• 附录3 振动系统装配图
• 致谢
• 攻读学位期间发表的学术论文