一种齿轮对研装置的振动发生机构

本发明属于齿轮精密加工技术领域，涉及一种齿轮对研装置的振动发生机构。

背景技术：

齿轮是重要的机械传动零件，广泛应用在机床、冶炼、航空航天、船舶运输、精密仪表、国防军工等各个方面，据统计，世界上每年生产的齿轮数量为2.5亿个，其中优质齿轮(精度等级在it5及以上)在1000-1400万个之间，营业额超过1000亿欧元。目前，齿轮的切齿加工方法主要有滚齿、插齿和剃齿，这三种加工方法的最高加工精度为5级；磨齿工艺可以加工高精密齿轮，最高加工精度在3级以上，但是磨齿工艺加工高高精度齿轮的成本高，且加工极限难以突破；现有的珩齿和研齿工艺主要齿轮的光整加工，以降低齿面粗糙度，但对齿轮精度的提升有限。

专利(zl201810466326.1)基于误差均化原理提出了一种齿轮的对研装置与对研方法，利用相互啮合的高精度齿轮的相互对研，同步减小齿轮的齿距、齿廓、螺旋线和径跳偏差，并可显著减小齿面的粗糙度。由于公开的齿轮对研装置研磨的主运动是齿轮的啮合传动和研磨过程中动态力，研磨过程中两对研齿轮的齿面滑动速度从分度圆向齿顶和齿根是由零逐渐变大的，长时间的研磨会造成齿廓精度的损失，为了提高齿轮对研装置的对研效率和对研精度，需要对原有齿轮对研装置的对研方法进行创新。

技术实现要素：

为提高齿轮对研装置的对研效率和对研精度，本发明提出了一种齿轮对研装置的振动发生机构，该机构由一个步进电机驱动振动发生器，产生两个对研齿轮的相向振动，作为齿轮对研的主运动，配合齿轮的连续啮合传动，实现齿轮的高效高精对研。

具体技术方案如下：

一种用于齿轮对研装置的振动发生机构，包括振动发生器、法兰轴、联轴器、对研齿轮a、电动机、连杆a、连杆b、密珠轴承、齿轮芯轴、对研齿轮b、弹簧、橡胶端盖a、橡胶端盖b、连接螺栓a、连接螺栓b；

振动发生器的外轮廓由等半径的圆弧面光滑连接而成，中心有圆孔，安装在法兰轴上，法兰轴通过联轴器与电动机相连，电动机旋转带动法兰轴和振动发生器同步旋转；在连杆a和连杆b的两相对侧面上开有三角形的豁口，振动发生器置于两个豁口的中间，连杆a和连杆b的顶端位置固定，两个连杆的末端安装有齿轮芯轴，分别并由连接螺栓a、连接螺栓b固定，两个对研齿轮的中心孔内装入密珠轴承，再一起安装到齿轮芯轴上；连接螺栓a、连接螺栓b的长度高出连杆a、连杆b的厚度，末端设有直径大于拉簧丝径的环槽，拉簧两端的钩挂连接；两个挂钩套在连接螺栓上，在拉簧的拉力作用下，保证两个连杆与振动发生器的圆弧面接触或两个对研齿轮无背隙啮合；在振动发生器旋转驱动下，两个连杆沿对称的两个方向同步摆动，两个对研齿轮的齿面往复划擦与撞击，在研磨剂的作用下微量去除齿面相对高点区域的材料，以达到校正齿轮齿面加工精度的目的，提高齿轮精度，并有释放加工应力的效果，增强齿轮的尺寸稳定性。

进一步地，上述振动发生器多段等半径的圆弧面个数为偶数，圆弧面的个数越多，同转速条件下对研齿轮的振动频率越大。

进一步地，两个连杆的夹角为最小值时，两个对研齿轮无背隙啮合，振动发生器与两连杆接触之间有合适间隙；两个连杆的夹角为最大值时，振动发生器与两个连杆接触，两个对研齿轮之间仍有合适的背隙。

进一步地，振动发生器采用如下公式进行设计：

式中，lmax为连杆摆动的最大值，单位mm，lmin为连杆摆动的最小值，单位mm，a为连杆处于初始位置与振动发生器回转中心的距离，单位mm，初始位置是指两个对研齿轮处于标准啮合，两个齿轮的中心距为标准中心距，即d＝mz，其中m为被研齿轮的模数，z为被研齿轮的齿数，l为圆弧两端点与振动发生器回转中心距离，单位mm，r为圆弧的半径，单位mm，α为圆弧在振动发生上对应的圆心角，单位度，大小为360°的n分之一，n为振动发生器外轮廓圆弧的数量。

进一步地，振动发生器的频率采用如下公式进行设计：

f＝nn

式中，f为连杆的摆动频率，单位hz，n为振动发生器外轮廓圆弧的数量，n为振动发生器的转速，单位rps。

进一步地，上述连杆a和连杆b的材料是cgr15轴承钢，经过淬火后，硬度不低于hrc50；振动发生器的材料采用具有减摩特性的材料，以减小振动发生器和连杆的磨损。

本发明提供的一种齿轮对研装置的振动发生机构，其有益效果在于，为齿轮对研装置提供了对研主运动，配合齿轮的连续啮合传动及研磨过程中动态力，实现齿轮齿面的高效高精对研，有效改善了传统紧靠齿轮啮合传动研磨造成齿面不均匀去除的现象，具有研磨效率高，改善齿面加工精度效果明显等优点，特别适用于高精度标准齿轮、齿轮刀具、传动齿轮副精磨后加工精度提升。

附图说明

图1一种齿轮对研装置的振动发生机构剖视图。

图2一种齿轮对研装置的振动发生机构正等轴侧图。

图3振动发生器与两个连杆运动关系图。

图4振动发生器。

图5两连杆夹角最大极限位置。

图6两连杆夹角最小极限位置。

图7振动发生器的设计原理图。

图中：1振动发生器；2法兰轴；3联轴器；4对研齿轮a；5电动机；6连杆a；7连杆b；8密珠轴承；9齿轮芯轴；10对研齿轮b；11拉簧；12橡胶端盖a；13橡胶端盖b；14连接螺栓a；15连接螺栓b。

具体实施方式

一种齿轮对研装置的振动发生机构，主要包括振动发生器1、法兰轴2、联轴器3、对研齿轮a4、电动机5、连杆a6、连杆b7、密珠轴承8、齿轮芯轴9、对研齿轮b10、拉簧11、橡胶端盖a12、橡胶端盖b13、连接螺栓a14、连接螺栓b15。

一种齿轮对研装置的振动发生机构由一台步进电动机提供动力，带动具有偶数波峰的振动发生器旋转，驱动两个具有固定回转中心的连杆沿对称两个方向同步摆动，进而实现两个对研齿轮的齿面往复划擦与撞击。通过改变振动发生器波峰的大小，调整连杆摆动的幅值；通过调整电机的转速和振动发生器偶数波峰的个数，调整连杆摆动的频率。振动发生机构根据回转轴系不同将此机构分为两个组件：振动发生器组件、齿轮与连杆组件。下面详细阐述一种齿轮对研装置的振动发生机构的装配和调整方法。

首先，(1)一种齿轮对研装置的振动发生机构中振动发生器组件装配方法

一种齿轮对研装置的振动发生机构振动发生器组件包括振动发生器1、法兰轴2、联轴器3、电动机5。电动机5选用57步进电机；联轴器3选用膜片弹性联轴器，材料为铝合金，内孔直径为8mm；法兰轴2制造的材料选用40cr，经过淬火后硬度hrc45～50，振动发生器1制造的材料为锌白铜，这种材料的耐磨性和硬度较好，中心开有直径为20mm的圆孔，用来安装到法兰轴2相应的轴段中，采用小间隙配合，间隙量在2μm左右，振动发生器1与法兰轴2接触的端面为定位面，要求这个面的平面度不大于2μm，振动发生器1是易损件，因此在磨损后需要及时更换，为了能够拆卸方便，振动发生器1与法兰轴2之间通过螺栓紧固；由于振动发生器1是旋转运动，外轮廓上各个点均要与连杆接触，振动发生器1会受到各个方向上的挤压力，为了能够受力均匀，外轮廓上各处的磨损量趋于一致，则要求振动发生器1的中心孔最大偏心量不大于0.005mm，同时，控制偏心量带来的另外一个好处是，两个齿轮和连杆的摆动幅度偏差小，这样在齿轮对研过程中，对研齿轮齿面各个位置上的磨损均匀，改善了齿轮对研的效果，有助于提升齿轮的对研精度。

其次，(2)一种齿轮对研装置的振动发生机构中齿轮连杆组件的装配

振动发生机构的齿轮连杆组件包括对研齿轮a4、连杆a6、连杆b7、密珠轴承8、齿轮芯轴9、对研齿轮b10、拉簧11、橡胶端盖b12、橡胶端盖a13、连接螺栓b14、连接螺栓a15。拉簧11的线径1mm，有效长度80mm，全长128mm；连杆a6固定端开有轴承安装孔，与轴承采用小过盈配合，过盈量为3μm左右，在的另一端开有m8的螺纹通孔，连杆a6的材料选用轴承钢，这种材料经过淬火和中温回火后，硬度可达到hrc55，这样的连杆具有很高的耐磨性，在与振动发生器1接触时，振动发生器1优先磨损；在连杆的侧面开有三角槽，槽的一个侧面与振动发生器接触，该侧面经过精密研磨加工，表面粗糙度在ra0.4以下；连杆b7的结构与连杆a6相比，只有三角槽开到相反的侧面，其余的结构特征相同。

齿轮芯轴中心开有锥形沉头通孔，便于齿轮芯轴与连杆的安装与定位用来安装连接螺栓，连接螺钉长度要合适，当齿轮芯轴安装到位时，连接螺栓的一端伸出连杆的的端面5～10mm左右，在连接螺栓伸出端加工出一条直径为1.2mm的环槽，槽的位置尽量靠近连杆的端面，拉簧11两端弯钩安装到连接螺钉的环槽内，这样可以减小拉簧力产生的翻转扭矩对连杆位置精度的影响，拉簧11安装后，留有5n左右的预拉力。齿轮芯轴与连杆的安装端面需要经过精密研磨，端面的平面度要达到1μm，密珠轴承8安装到齿轮芯轴和对研齿轮之间，密珠轴承8所选用g5级以上精度的球形滚动体与轴和孔的单边过盈量为0～3μm，橡胶端盖a13安装到齿轮一端的端面上，橡胶端盖的内孔与齿轮的环面贴紧，在橡胶端盖中心开有直径与齿轮芯轴直径一致的孔，这个孔可以用来透过齿轮芯轴，阻止研磨剂的进入齿轮回转轴系。

最后，(3)一种齿轮对研装置的振动发生机构中的振动发生器的设计方法

一种齿轮对研装置的振动发生机构中振动发生器产生齿轮的摆幅运动，两个对研齿轮的摆幅运动作为对研齿轮的对研主运动，振动发生器的外轮廓为16段等半径的圆弧面光滑连接，每段圆弧的圆心角相等，均匀分布在振动发生器回转中心的同心圆上，每段圆弧的两端点距离振动发生器回转中心相等，均为l。当圆弧的中间顶点与连杆接触时，连杆处于摆动的最大极限位置；当两段相连的圆弧与连杆相切时，连杆处于摆动的最小极限位置。在设计振动发生器的外轮廓型形状时，最主要的设计目标是确定连杆摆动的最大值与最小值，这两个设计目标与圆弧两端点与振动发生器回转中心距离l，圆弧的半径r以及对应的圆心角相关；同时，连杆摆动的频率也会直接影响齿轮对研的效率，连杆的摆动频率与振动发生器外轮廓上的圆弧段数以及自身的转速呈正比，具体的数学关系可以由的公式来表示：f＝nn，其中，f为连杆的摆动频率(hz)，n为振动发生器外轮廓圆弧面的数量，n为振动发生器的转速(rps)；连杆摆动的最大值和最小值由数学公式表示为：

式中，lmax为连杆摆动的最大值(mm)，lmin为连杆摆动的最小值(mm)，a为连杆处于初始位置与振动发生器回转中心的距离(mm)，初始位置是指两个对研齿轮处于标准啮合，两个齿轮的中心距为标准中心距，即d＝mz，其中m为被研齿轮的模数，z为被研齿轮的齿数，l为圆弧两端点与振动发生器回转中心距离(mm)，r为圆弧的半径(mm)，α为圆弧在振动发生上对应的圆心角(度)，大小为360°的n分之一，n为振动发生器外轮廓圆弧的数量。

由上述的计算公式可以得出，一种齿轮对研装置的振动发生机构振动发生器的设计步骤如下：

两个连杆的夹角为最大值时，振动发生器与两个连杆接触，两个对研齿轮之间仍有合适的背隙；两个连杆的夹角为最小值时，两个对研齿轮无背隙啮合，振动发生器与两连杆接触之间有合适间隙。

(1)首先，确定设计目标测量两个对研齿轮的公法线长度，计算由公法线余量带来的对研齿轮中心距的变动量；确定连杆摆动的最大值，要求该值比齿轮中心距的变动量大0.2mm左右，确保振动发生器与两个连杆接触，两个对研齿轮之间仍有合适的背隙；其次，齿轮经过对研后，齿轮的公法线长度减小，确定齿轮对研后的公法线的目标长度，再根据公法线的余量，计算对研齿轮中心距的变动量，最后确定连杆摆动的最小值，要求这个值要比对研齿轮中心距的变动量小0.1mm左右，确保两个对研齿轮无背隙啮合，振动发生器与两连杆接触之间有合适间隙。

(2)确定连杆振动的频率，连杆的振动频率越大，齿轮对研的效率越高，但是受到动力学因素的制约，高频不利于齿轮研磨精度的提高。在本专利中，选择连杆的振动频率为8hz，选择振动发生器的转速n＝0.5rps，然后带入公式，计算得到振动发生器外轮廓的圆弧段数n＝16，16段圆弧面光滑连接构成完整的一个封闭轮廓，每段圆弧对应的圆心角α＝22.5°。

(3)根据上面确定的参数得到lmax、lmin和α，带入公式中计算得到l和r的值，根据这两个数值，便可设计出振动发生器。

一种齿轮对研装置的振动发生机构的对研方法

将两个对研齿轮安装到齿轮对研装置的指定位置，在两个对研齿轮每个轮齿上均匀地涂抹研磨剂，先启动对研齿轮的啮合传动电机，然后启动振动发生机构的驱动电机，使振动发生器匀速旋转，转速为0.5rps左右，振动发生器带动两个连杆和对研齿轮按照固定频率往复摆动，频率大小为8hz左右，两个对研齿轮在往复摆动过程中，同时还做连续啮合传动，在这两种运动的驱动下，两个对研齿轮的齿面往复划擦与撞击，在研磨剂的作用下微量去除齿面相对高点区域的材料。随着研磨的继续，齿轮的齿廓和螺旋线偏差减小，齿面之间的划擦作用减弱，达到预期加工效果后停止研磨。