一種超聲精密滾齒裝置的設計與使用

秦慧斌，張瑞廷，陳 斌

（中北大學 機械與動力工程學院，山西 太原 030051）

0 引言

齒輪制造新工藝的發展很大程度上表現在生產效率與精度等級的提高。目前，國內外動力傳動齒輪正向重載、高速、高精度和高效率等方向發展，并力求低噪聲、小型化、長壽命。為實現齒輪裝置小型化，提高現有漸開線齒輪的承載能力，各國普遍采用硬齒面技術[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，不能進行精密滾齒加工，以進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量和耐磨性[3]。

齒輪超聲精密加工技術依賴于超聲波振動理論與先進制造技術學科間前沿技術的相互滲透；大功率超聲波發生器、換能器的系列成熟產品，為齒輪超聲精密加工的實現奠定了物質基礎。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，并完成了模數為1mm 齒數為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，并完成了模數為4.5 mm 齒數為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大學的S.I.Agapov于2007～2010 年利用設計的小模數齒輪的超聲振動通用附件，完成了對模數分別為0.5，0.8，0.9，1.0，1.2mm，齒輪為36 的小模數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、齒輪工件回轉系統、外支撐固定系統，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短粗圓柱齒輪（齒輪分度圓直徑小于其介質內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合，設計出一套適合于漸開線圓柱齒輪經滾齒粗加工后的超聲精密滾齒裝置，并提出根據齒輪工件的不同結構特點采用不同的超聲振動方式與滾刀進給切削方式實現超聲精密滾齒。

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及超聲振動復合主軸系統，外支撐固定系統和超聲波電源換向系統三部分組成。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 工件回轉及超聲振動復合主軸系統的設計

齒輪工件回轉及超聲振動復合主軸系統包括齒輪工件回轉主軸、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。在齒輪工件回轉主軸外表面的中部由上到下依次設有軸承定位臺階，兩個橡膠絕緣套安裝槽，在齒輪工件回轉主軸的中下部開設有四個散熱孔，如圖4 所示。在傳振芯軸的頂部中間設有定位凹槽，外表面的中上部設有夾持平面，夾持平面的下方設有法蘭，法蘭的中性平面為縱向諧振的振動節面，縱向理想振幅為零，法蘭用于傳振桿的安裝固定；在法蘭的下方設有周向定位凸臺。變幅芯軸的頂部中間設有中心孔，中部設有裝夾平面，中下部設有導向定位凸臺。傳振芯軸插入齒輪工件回轉主軸內部且法蘭通過螺釘固定組件固定在齒輪工件回轉主軸的頂端，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主軸內與散熱孔等高處并通過精密細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牙螺紋與變幅芯軸的下端相連接，并保證變幅芯軸導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計方法參照文獻[8]。

1.2 外支撐固定系統的設計

圖2 超聲精密滾齒裝置的剖面結構示意圖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構放大圖Fig.3 Partial enlargement diagram of ultrasonic gear precision hobbing fixture

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

外支撐固定系統包括外支撐固定架、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圈安裝在齒輪工件回轉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主軸之間。

1.3 超聲波電源換向系統的設計

超聲波電源換向系統包括超聲波發生器、兩個導電銅環、兩個石墨電刷、兩個橡膠絕緣套和絕緣導線，如圖1，圖2，圖3 所示。超聲波發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主軸的兩個橡膠絕緣套安裝槽內，兩個導電銅環分別安裝在兩個橡膠絕緣套的環形槽內，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圓柱面與導電銅環的外圓柱面保持有力均勻接觸；超聲波發生器的電源線與石墨電刷的外端相連，絕緣導線一端與導電銅環相連，絕緣導線的另一端與柱形換能器的接線柱相連。

超聲精密滾齒時，啟動超聲波發生器的電源開關，柱形換能器通過內部的磁致伸縮材料將得到的超聲波信號轉換為10μm 左右的超聲波機械振動，進而傳遞給傳振芯軸，超聲波機械振動經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的同時，還做超聲波機械振動，再經齒輪滾刀的嚙合切削、進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圓盤的T 型槽內，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，變幅芯軸徑向跳動誤差控制在0.005mm 之內，端面跳動誤差控制在0.003mm 之內。通過向滾齒機控制面板內輸入指令以控制滑動支撐架在小立柱導軌上滑動，使支撐架的頂尖頂在變幅芯軸的上端面中心孔內，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的剛性。再通過向控制面板內輸入指令，控制齒輪滾刀刀塔在立柱導軌上移動以調整齒輪滾刀的位置，實現與齒輪工件對正。通過床身上的分度蝸桿副調整滾齒機使齒輪滾刀與齒輪工件轉速比等于齒輪工件齒數與齒輪滾刀頭數之比；通過床身上的導軌驅動立柱實現進給徑向進給運動，通過立柱上的立柱導軌驅動齒輪滾刀刀塔實現進給軸向進給運動；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，實現齒輪超聲精密滾齒加工。達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的同時做20kHz 頻率的徑向超聲振動，齒輪滾刀徑向進給。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的同時做20kHz 頻率的節圓型橫向彎曲超聲振動，齒輪滾刀徑向-軸向組合進給。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的同時做20kHz 頻率的縱向超聲振動，齒輪滾刀軸向分段進給。

4 結論

論文提出一種齒輪超聲振動精密滾齒裝置，由齒輪工件回轉及超聲振動復合主軸系統，外支撐固定系統和超聲波電源換向系統三部分組成。將此裝置安裝在滾齒機工作臺上，依照齒輪工件的不同結構特點，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合，適合于漸開線圓柱齒輪經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，達到降低噪聲、提高耐磨性的目的。

[1]中國機械工程學會.中國機械工程技術路線圖[M].北京：中國科學技術出版社，2011.

[2]C. Claudin, J.Rech. Development of a new rapid characterization method of hob's wear resistance in gear manufacturing[J]. Journal of Materials Processing Technology，2009，209.

[3]呂明，王時英，秦慧斌.非諧振設計理論與齒輪超聲加工[M].北京：科學出版社，2014.

[4]尹韶輝，張輝潤.超聲振動滾齒加工實驗[J].新技術新工藝，1995，6.

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

[6]S. I. Agapov. Hobbing of small-module gears in the presence of ultrasound [J]. Russian Engineering Research, 2008，4.

[7]S. I. Agapov, I.G.Tkachenko. Determining the Optimal Amplitudes and Directions of Ultrasound Vibrations in Cutting Small-Module Gears [J]. Russian Engineering Research，2010，2.

[8]秦慧斌.超聲珩齒振動系統的非諧振設計理論與實驗研究[D].太原：太原理工大學，2013，6.