一种超声剃齿装置及其应用
【技术领域】
[0001]本发明属于齿轮精密加工技术领域，具体涉及一种超声剃齿装置及其应用。
【背景技术】
[0002]剃齿是最主要的齿轮精加工手段之一，用于修正齿圈径向跳动误差、齿距误差、齿形误差和齿向误差等，通常是作为齿形加工的最后工序。由于剃齿过程中，剃齿刀与加工表面之间互相接触，产生较大的切削力和切削热，切削所产生的切肩也不易排出，这些原因导致加工精度降低和刀具使用寿命的缩短。
[0003]传统上，剃齿工艺的提高依赖于剃齿刀、剃齿夹具和剃齿机床结构的改进。目前，超声加工技术的发展为剃齿工艺的发展提供了一个新的方法。超声加工是将超声振动加载于刀具或工件上，利用微切削刃的超声振动冲击切削作用、切削液的空化效应及切削液的化学作用等材料去除机理，使切肩容易排除，显著降低切削力，提高冷却液的润滑和冷却效果，降低切削热，改善工件表面微观形貌，提高工件的加工精度、耐磨性和抗腐蚀性，延长刀具寿命，降低齿轮嗤合噪声。
[0004]超声波振动理论与先进制造技术学科之间的前沿技术的相互渗透，为齿轮超声精密加工技术提供了理论基础;大功率超声发生器、换能器和超声变幅杆的成熟产品投向市场，为齿轮超声精密加工的实现提供了物质保障。魏冰洋于2007年提出了一种研齿机的发明专利专利申请号:200720089823.1，该超声研齿机采用了超声振动加工工艺，当刀具与齿轮工件啮合时，于小齿轮的轴向上施加超声振动，从而实现了提高3倍材料去除率，齿轮啮合质量的极大改善和传动噪声的降低。该研齿机成本低，操作简便，特别适用于小模数齿轮的研磨加工。娄志峰于2011年提出了一种渐开线眼珠齿轮轮齿表面超声强化装置的发明专利专利申请号:201110355311.6，该装置结合了超声深滚技术与渐开线展成原理，根据渐开线展成原理，导尺通过摩擦力带动基圆盘与齿轮转动，被加工齿轮轮齿与超声波加工头进行啮合运动，同时超声加工头以先接触的方式对齿轮表面进行超声强化，使齿轮轮齿表层产生一定深度的残余应力层，从而改善齿轮应力状态，提高使用寿命。
[0005]以上专利虽然利用了超声振动技术对齿轮精密加工工艺方法进行了改进，但是都未涉及到剃齿加工工艺。因此将超声振动技术与剃齿工艺有机结合，研制一种针对剃齿加工的超声加工设备用于改进剃齿工艺，进而提高齿轮加工效率和质量，延长刀具使用寿命，拓展超声振动技术应用范围，是有必要、有意义的。
【发明内容】
[0006]本发明将超声振动特种加工工艺与剃齿工艺结合，提供超声剃齿装置及其应用。
[0007]本发明为实现上述目的而采取的技术方案为:
[0008]—种超声剃齿装置，由升降及旋转主轴系统、剃齿刀回转及超声振动复合主轴系统、外支撑固定系统和超声波电源换向系统四个部分组成；
[0009]所述升降及旋转主轴系统由主轴右支架、超声波发生器、升降主轴、转盘和主轴左支架组成，升降主轴的上表面安装有超声波发生器，升降主轴的下方安装有转盘，主轴左支架与主轴右支架都安装在转盘上；
[0010]所述剃齿刀回转及超声振动复合主轴系统由剃齿刀、换能器、传振杆、剃齿装置动力回转主轴、平键和变幅杆组成，剃齿装置动力回转主轴的右端以花键与变幅杆的花键槽连接，剃齿装置动力回转主轴的左端连接在主轴左支架上，变幅杆的平键槽上安装平键，且与剃齿刀相连接，变幅杆大端以精密细牙螺纹与传振杆连接，传振杆和换能器以精密细牙螺纹连接；
[0011]外支撑固定系统由主轴右支架、胶木绝缘端盖、螺钉紧固件、圆筒形回转轴、螺栓紧固件、毡圈油封、前轴承端盖、轴承端盖螺栓、后轴承端盖、右列圆锥滚子轴承、配磨垫圈和左列圆锥滚子轴承组成，圆筒形回转轴左端面与传振杆的法兰通过螺栓紧固件连接，圆筒形回转轴右端面与胶木绝缘端盖通过螺钉紧固件连接，圆筒形回转轴中部设有左轴承定位台阶和右定位台阶，左列圆锥滚子轴承的内圈外端面通过与左轴承定位台阶的台阶面重合来实现定位，右列圆锥滚子轴承的内圈外端面通过与右定位台阶的台阶面重合来实现定位，左列圆锥滚子轴承和右列圆锥滚子轴承的外圈外圆柱面都与主轴右支架的主轴安装孔配合安装，前轴承端盖的压环面紧压左列圆锥滚子轴承的外圈大端面，配磨垫圈的左端面紧压右列圆锥滚子轴承的外圈大端面，后轴承端盖的压环面紧压配磨垫圈的右端面，毡圈油封安装在前轴承端盖的内环孔内并通过轴承端盖螺栓将前轴承端盖和后轴承端盖分别固定在主轴右支架的左右各侧；
[0012]超声波电源换向系统由外绝缘导线、超声波发生器、换能器、胶木绝缘端盖、石墨电刷、内绝缘导线、导电铜片、导电铜环和后轴承端盖组成，超声波发生器通过外绝缘导线与石墨电刷相连，石墨电刷拧进后轴承端盖的螺纹孔内，导电铜片安装在胶木绝缘端盖上的圆形凹槽，导电铜环安装在胶木绝缘端盖上的环形凹槽，石墨电刷的接触面与导电铜片和导电铜环表面有力均匀接触，内绝缘导线将导电铜片和导电铜环与换能器的两个接线柱分别相连。
[0013]本发明所述剃齿刀是中厚圆盘剃齿刀或短粗圆柱剃齿刀。
[0014]本发明超声剃齿装置的应用，将升降主轴通过垂直导轨安装在立柱上，在控制面板上输入指令，控制升降主轴沿立柱的垂直导轨方向的进给运动、转盘的转动、工作台沿燕尾形导轨方向的进给运动、剃齿装置动力回转主轴的转速、超声波发生器输出的超声波信号振幅及频率，剃齿装置动力回转主轴将扭矩传递给剃齿刀，驱动剃齿刀做回转运动，并与齿轮工件按照啮合齿轮原理进行啮合切削运动，超声波发生器输出的超声波信号经外绝缘导线、石墨电刷、导电铜片、导电铜环和内绝缘导线传递至换能器，换能器将超声波电信号转换为机械波，机械波通过传振杆和变幅杆的传导、放大作用，使剃齿刀在回转运动的基础上产生一个高频高能量的沿主轴轴向方向的机械振动，实现齿轮超声剃齿加工。
[0015]所述剃齿刀的超声振动方式和具体进给方法如下:若剃齿刀为中厚圆盘剃齿刀，进行超声剃齿加工时，剃齿刀在完成旋转的同时做20kHz频率的节圆型横向弯曲超声振动，此外，剃齿刀还可做径向进给运动，齿轮工件做轴向往复运动；若剃齿刀为短粗圆柱剃齿刀，进行超声剃齿加工时，剃齿刀在完成旋转的同时做20kHz频率的纵向超声振动，此外，剃齿刀还可做径向进给运动，齿轮工件做轴向往复运动。
[0016]本发明将超声振动特种加工工艺与剃齿工艺结合，适用于渐开线圆柱齿轮粗加工后的超声剃齿加工。该超声剃齿装置可以显著降低剃齿过程中的切削力，减少切削热，使切削易于排除，从而实现改善齿面微观切削形貌，提高工件的加工精度、耐磨性和抗腐蚀性，降低齿面粗糙度，延长剃齿刀具实用寿命，降低齿轮啮合噪声的目的。
【附图说明】
[0017]图1是本发明的超声剃齿装置结构示意图；
[0018]图2是本发明的超声剃齿装置剃齿刀回转及超声振动复合主轴系统局部剖视图；
[0019]图3是本发明的超声剃齿装置外支撑固定系统局部剖视图；
[0020]图4是本发明的超声剃齿装置外支撑固定系统局部剖视图；
[0021]图5是本发明的超声剃齿装置外支撑固定系统剖视图的局部放大图；
[0022]图6是本发明的超声剃齿装置动力回转主轴结构示意图；
[0023]图7是本发明的变幅杆立体图；
[0024]图8是本发明的传振杆立体图；
[0025]图9是圆筒形回转轴立体图；
[0026]图10是本发明的导电铜环立体图；
[0027]图11是本发明的导电铜片立体图；
[0028]图12是本发明的绝缘端盖立体图；
[0029]图13是本发明的超声剃齿装置应用示意图；
[0030]图14是本发明的中厚圆盘剃齿刀的超声剃齿加工组合运动方向立体示意图；
[0031 ]图15是本发明的中厚圆盘剃齿刀的超声剃齿加工组合运动方向俯视示意图；
[0032]图16是本发明的短粗圆柱剃齿刀的超声剃齿加工组合运动方向立体示意图；
[0033]图17是本发明的短粗圆柱剃齿刀的超声剃齿加工组合运动方向俯视示意图。
【具体实施方式】
[0034]如图1-图12所示，一种超声剃齿装置，由升降及旋转主轴系统、剃齿刀回转及超声振动复合主轴系统、外支撑固定系统和超声波电源换向系统四个部分组成。
[0035]所述升降及旋转主轴系统由主轴右支架1、超声波发生器3、升降主轴4、转盘5和主轴左支架6组成，升降主轴4的上表面安装有超声波发生器3，升降主轴4的下方安装有转盘5，主轴左支架6与主轴右支架1都安装在转盘5上；
[0036]所述剃齿刀回转及超声振动复合主轴系统由剃齿刀7、换能器8、传振杆9、剃齿装置动力回转主轴10、平键11和变幅杆12组成，剃齿装置动力回转主轴10的右端以花键1001与变幅杆12的花键槽1201连接，剃齿装置动力回转主轴10的左端连接在主轴左支架6上，变幅杆12的平键槽1202上安装平键11，且与剃齿刀7相连接，变幅杆12大端以精密细牙螺纹与传振杆9连接，传振杆9和换能器8以精密细牙螺纹连接；
[0037]外支撑固定系统由主轴右