螺旋锥齿轮超声铣削机理与装置研究

摘要

螺旋锥齿轮具有传动平稳、效率高、承载力大、噪声小的特点，在汽车、飞机、机床和各类机械产品中得到了广泛的应用。齿轮啮合过程中存在摩擦磨损，随着齿轮磨损的增加，会产生异常的振动与噪音，最终导致齿轮损坏，无法使用。为了减小齿轮的磨损，增加润滑性能，降低啮合噪音，将超声加工应用于螺旋锥齿轮的铣齿滚切加工中，通过超声加工在齿轮表面形成一定的微观纹路。微观纹路能够增加润滑油膜的厚度和性能，减小齿轮摩擦力转矩、表面温度、磨损率，降低齿轮啮合噪音。本文针对超声滚切方法和超声振动系统进行了以下内容的研究： 1.在传统滚切法加工原理的基础上，引入超声频率f、振幅A，对超声滚切加工原理进行了研究，得到了超声频率f和刀盘转速N对齿面微观形貌的影响规律。分析了超声滚切中刀片的空间运动轨迹，通过引导线的方式生成了超声滚切中的仿真刀盘。根据相关加工参数，进行了齿面形貌的仿真实验，并与传统滚切得到的齿面进行了对比，证明了超声滚切能够起到改善齿面微观形貌的作用。 2.根据一维纵振理论和非谐振设计理论，在对铣刀盘进行合理简化的基础上，进行了超声换能器和变幅器的设计。依据变截面杆一维纵向振动的波动方程，建立了换能器和变幅器的数学模型。根据力和位移的边界条件和耦合条件，推导了换能器和变幅器的谐振频率方程，并运用matlab对换能器和变幅器的尺寸参数进行求解计算，使其达到谐振。 3.根据理论计算得到的换能器和变幅器的尺寸，建立了三维模型，并在ANSYS软件中对超声振动系统进行动力学分析与优化，验证了变幅器理论计算的正确性。根据优化后的超声振动系统的尺寸参数，制作了实物，并对其了阻抗分析实验，整个系统的谐振频率为24724Hz，与理论设计和有限元分析相比存在误差，但在工程允许范围之内。

目录

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第一章 绪论

1.1 课题研究背景及意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 超声加工在表面微观形貌的应用

1.2.2 齿轮超声加工的研究现状

1.2.3 超声振动系统的研究现状

1.3 论文研究内容

第二章 超声滚切机理分析与仿真

2.1 螺旋锥齿轮的滚切加工原理

2.1.1 刀盘坐标系下刀片运动轨迹

2.1.2 螺旋锥齿轮传统机床的滚切加工

2.1.3 传统加工方法向数控加工方法转换

2.2 超声滚切仿真原理

2.2.1仿真方法描述

2.2.2 仿真刀盘

2.2.3 刀盘切削过程中空间位姿的确定

2.3 超声滚切仿真

2.4 本章小结

第三章 超声振动系统的理论设计

3.1 超声加工概述

3.2 超声振动系统的组成

3.2.1 超声换能器

3.2.2 变幅杆

3.3 超声振动系统的设计理论

3.3.1 超声换能器的理论计算

3.3.2 变幅器的理论计算

3.4 本章小结

第四章 超声振动系统的动力学分析与优化

4.1 有限元方法简述

4.2 换能器的动力学分析

1.建模和定义材料属性

2.划分网格与施加约束

3.求解与结果分析

4.3 变幅器的动力学分析

4.4 APDL语言优化设计

4.4.1 ANSYS 优化分析方法简介

4.4.2 超声振动系统的优化

4.5 超声振动系统的阻抗性能测试

4.6 本章小结

第五章 总结与展望

5.1 研究内容总结

5.2 研究展望

参考文献

发表论文和科研情况说明

致谢

附录：滚切法加工主要参数