非諧振單元變幅器設計理論及其齒輪超聲剃珩套用

《非諧振單元變幅器設計理論及其齒輪超聲剃珩套用》是依託太原理工大學，由呂明擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：非諧振單元變幅器設計理論及其齒輪超聲剃珩套用
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：呂明
• 依託單位：太原理工大學

項目摘要

全諧振超聲振動設計理論要求超聲振動系統的各個組成單元必須諧振於相同頻率,而齒輪的結構尺寸不是由超聲系統諧振頻率確定，導致齒輪超聲剃珩振動系統不能用全諧振理論設計。針對全諧振設計理論的這個局限性，提出了非諧振單元組成的超聲振動系統設計理論。根據齒輪結構特點將其簡化為（帶孔）圓盤或環盤，推導出薄、厚圓盤、環盤與變幅桿組成變幅器的動力學方程，研究了輪齒（直齒、斜齒）對簡化模型諧振頻率的影響，建立了齒輪變幅器的設計理論體系，並形成適用於齒輪超聲剃珩生產實踐套用的完整設計圖表，因此是一項具有重要套用價值的基礎性研究。當非諧振單元間的耦合應力等於零時，即由諧振單元組成變幅器時，非諧振單元組成變幅器的設計理論就蛻化為全諧振方式設計理論，說明非諧設計理論涵蓋了全諧振設計理論，是超聲振動系統設計理論的擴展和深化。該理論也使超聲系統設計從諧振單元劃分變為任意單元的劃分，提高了系統設計的靈活性。

結題摘要

在齒輪超聲剃珩加工領域提出了變幅器的非諧振設計理論體系。從理論和實驗角度證明了全諧振設計理論是非諧振設計理論的特例，非諧設計理論涵蓋了全諧振設計理論，是超聲振動系統設計理論的擴展和深化。齒輪的厚徑比通常在中厚板範圍內，利用Mindlin中厚板理論，通過輪轂、輪輻、輪緣厚度尺寸關係建立了等厚圓柱齒輪、階梯變厚度齒輪的統一振動模型；該模型的理論求解結果、有限元模態及實驗模態一致性很好，驗證了理論模型的正確性，為齒輪變幅器的非諧振設計理論奠定了理論基礎。在齒輪超聲剃珩諧振系統中，變幅桿與中小模數齒輪的組合振動形式可以分為：變幅桿與齒輪縱向、縱-彎和縱-徑三種耦合振動形式。變幅器非諧振設計聯合建立齒輪和變幅桿的振動系統模型，通過振動耦合的位移、力、彎矩等連續條件和邊界條件建立系統的振動頻率方程，進而確定滿足諧振頻率和振動模態的系統形狀尺寸參數。重點研究了前兩種齒輪變幅器的諧振動力學特性，以及齒數、模數、減重孔對系統動力學特性的影響規律，並研製了基於MATLAB求解程式，為超聲珩齒的工程套用提供了輔助工具。齒輪超聲剃珩齒加工振動系統設計時，首先根據所加工齒輪的形狀尺寸參數特點，確定振動系統的諧振類型。中小模數齒輪超聲加工中，齒輪分度圓直徑小於100mm，厚徑比大於0.3的齒輪適宜利用縱向耦合振動方式設計變幅器；分度圓直徑大於100mm,且厚徑比小於0.3的齒輪，適宜利用縱彎耦合振動方式設計變幅器進行超聲剃齒、珩齒加工。採用非諧振設計理論設計並製造了高速超聲珩齒裝置，在Y4650珩齒機上搭建了超聲珩齒實驗系統。研究了右頂尖力、珩輪轉速對諧振裝置諧振特性的影響規律，證明這些因素對超聲振動的影響可以忽略。完成了縱向、縱彎兩種齒輪變幅器的超聲珩齒與傳統珩齒的工藝對比實驗，並利用VEGA3 TESCAN掃描電鏡、TR220粗糙度儀、MM3525齒輪檢測儀從切削痕跡，表面粗糙度、珩削效率、齒輪加工精度方面進行對比分析，結果表明超聲珩齒比傳統珩齒可以獲得更低的齒面粗糙度，珩削效率可以提高2倍左右，齒輪超聲振動的方向的齒向精度提高更明顯。