一种齿轮齿条与四杆机构相复合的低频扭转振动装置的制作方法

本发明涉及一种低频扭转振动装置，具体的说是一种涉及频率和振幅可调的扭振机构，尤其是一种齿轮齿条与四杆机构相复合的低频扭转振动装置。

背景技术：

在纤维等复合材料板材的钻孔和扩孔传统过程中，由于其内部的纤维材料在加工过程中容易产生层间分层、撕裂、纤维抽丝和拉毛、表面擦伤等缺陷，钻孔时尤其严重，加工质量难以保证。振动钻削是一种新颖的钻削加工工艺，通过给钻头或者工件叠加可控的相对振动，使钻削过程变为瞬时、脉冲的动态切削过程，从而改变普通钻削的机理，具有异乎寻常的工艺效果，是解决高质量孔、小直径深孔以及难加工材料钻削加工问题的一种有效方法。

对刀具或被加工工件施加一定频率与振幅的轴向振动或扭振，有利于降低切削力、减少粘刀、崩刀、减小切削热量，提升加工进度，提升刀具寿命，根据叠加振动的频率，可以分为超声振动辅助加工与非超声振动辅助加工。对于扭转振动加工，市场上通常是在刀柄上叠加超声扭转设备，但这种超声刀柄设计、制作、安装、维护、造价都很高。

申请号CN2015100737370的专利公开了一种扭振发生装置，该装置可使输出轴在扭转方向上振动，拆组简便，但是存在结构复杂、并且稳定性差的缺陷；申请号为CN2017200888286的专利公开了一种由偏心电机激发的扭振加载装置，通过两个偏心电机产生的周期性切向力在圆心处造成周期性力矩,使得转轴受到扭振激励,实现对转轴施加扭振激励的功能，但是振幅和扭振振率并不能分开调节。

如果利用机械式频扭振台装置固定工件，将扭振叠加在工件上，同样可以在使切削力周期性变化，促进纤维材料的加工，降低其撕裂、拉毛等缺陷，提升加工效果，同时具有结构简单，成本低廉，振幅与频率容易调节的优点。

技术实现要素：

为了解决上述问题，本发明提供一种基于齿轮齿条和平行四边形机构相复合的机械式扭转振动装置，可以实现钻孔与扩孔过程中对工件叠加可调振幅与低频率的扭振，结构简单，可很好适应于振动辅助钻削加工技术。

为了达到上述目的，本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明是一种齿轮齿条与四杆机构相复合的低频扭转振动装置，包括扭振机构和调频调幅机构，扭振机构包括通过螺栓连接固定在机床上的扭振台支架，在扭振台支架上焊接固定设置固定架，在固定架上固定轴承的外圈，一轴与轴承的内圈过盈配合，扭振平台和齿轮与轴通过键连接在一起，扭振平台与齿轮的运动同步，在齿轮的两侧与齿轮啮合设置两根齿条，两根齿条分别在第一导轨和第二导轨中滑动，两根齿条的一端分别连接在杆上，调频调幅机构包括通过电机和减速器带动的主动轮，在主动轮上设置第一槽和第二槽，在主动轮的两侧等距设置第一从动轮和第二从动轮，在第一从动轮和第二从动轮上也分别设置有槽，主动轮、第一从动轮、第二从动轮分别固定在等距的轴上，第一从动轮与第一槽平行，第二从动轮与第二槽平行，其中一根杆的两端通过短轴铰接在第一从动轮的槽与主动轮的第一槽内固定在距圆心相同距离的位置，另一根杆的两端通过短轴铰接在第二从动轮的槽与主动轮的第二槽内固定在距圆心相同距离的位置。

本发明的有益效果是：本发明机械式扭转振动装置，通过伺服电机带动主动轮，主动轮带动两侧的杆运动，杆的另一端带动从动轮转动，杆带动连在杆上的两根齿条在导轨中上下滑动，由于两杆端在主动轮上的相位相隔180°，两齿条运动等值反向；齿条分别布置在齿轮两侧保证了运动的稳定性，两条齿条分别通过与齿轮啮合带动齿轮实现扭振；通过调节杆在主动轮端和从动轮端在槽中距轮心的对应距离可以调节振幅，距离越大振幅越大（α=r/Rsin2πft，α为齿轮转角，r为为主（从）动轮半径，R为齿轮半径，t为时间，f为主（从）动轮转动频率），通过伺服驱动器控制伺服电机转速调节扭振振率，转速越高频率越大，从而实现扭振振幅与频率的分别调节，具有通用性强、结构简单，成本低廉的优点。

附图说明

图1 是本发明扭振机构的示意图。

图2是本发明低频扭振台装置示意图。

图3 是本发明振幅振频可调机构简图。

图4 是本发明振幅振频可调机构示意图。

其中：1-电机，-2-第一从动轮，3-杆，4-减速器，5-主动轮，6-第二从动轮，7-第一导轨，8-固定螺栓，9-扭振平台，10-齿轮，11-第二导轨，12-齿条，13-固定架，14-扭振台支架，15-轴，16-轴承，18-第一槽，19-第二槽。

具体实施方式

为了加深对本发明的理解，下面将结合附图和实施例对本发明做进一步详细描述，该实施例仅用于解释本发明，并不对本发明的保护范围构成限定。

如图1-4所示，本发明是一种齿轮齿条与四杆机构相复合的低频扭转振动装置，包括扭振机构和调频调幅机构，所述扭振机构包括通过螺栓连接固定在机床上的扭振台支架14，在所述扭振台支架14上焊接固定设置固定架13，在所述固定架13上固定轴承16的外圈，一轴15与所述轴承16过盈配合，所述扭振平台9和齿轮10与所述轴15通过键连接在一起，所述扭振平台9与所述齿轮10的运动同步，在所述齿轮10的两侧与所述齿轮10啮合设置两根齿条12，也就是说齿条12在齿轮10两侧与齿轮啮合，两根所述齿条12分别在第一导轨7和第二导轨11中滑动，两根所述齿条12的一端分别连接在杆3上，所述调频调幅机构包括通过电机1和减速器4带动的主动轮5，在所述主动轮5上设置第一槽18和第二槽19，在所述主动轮5的两侧等距设置第一从动轮2和第二从动轮6，在所述第一从动轮2和第二从动轮6上也分别设置有槽，所述主动轮5、第一从动轮2、第二从动轮6分别固定在等距的轴上，所述第一从动轮2与所述第一槽18平行，所述第二从动轮6与所述第二槽19平行，所述第一槽18和第二槽19相隔180°，所述第一从动轮2和第二从动轮6上槽的夹角为180°，其中一根杆的两端通过短轴铰接在所述第一从动轮2的槽与所述主动轮5的第一槽18内固定在距圆心相同距离的位置，另一根所述杆3的两端通过短轴铰接在所述第二从动轮6的槽与所述主动轮5的第二槽19内固定在距圆心相同距离的位置，也就是说，杆3两端分别铰接在主动轮5和第一从动轮2，第二从动轮6上的槽内距圆心相同距离的位置，短轴在固定位置处转动，两根杆3在所述主动轮5上的相位相隔180°，通过调节杆3在主动轮端和从动轮端在槽中距轮心的对应距离r可以调节振幅，通过调节电机的转动频率可以实现对振频的调节，主动轮5带动两侧的杆3运动，杆的另一端带动从动轮转动，杆带动连在杆上的两根齿条12在第一导轨7、第二导轨11中上下滑动，由于两杆端在主动轮上的相位相隔180°，两齿条运动等值反向，齿条分别布置在齿轮两侧保证了运动的稳定性，两条齿条分别通过与齿轮啮合带动齿轮10实现扭振，固定螺栓8是用来固定待加工件的。

下面对实现振幅振频调节的具体过程进行阐述

α为齿轮转角，β为主动轮或从动轮转角，且顺时针为正，范围0~2π，h为杆端到从动轮轮心的垂直距离，r为杆端到主动轮或从动轮圆心的距离，R为齿轮半径，ω为主动轮或从动轮转速且顺时针为正，逆时针为负，t为时间，f为主动轮或从动轮转动频率，A为齿轮振动振幅，fc为齿轮振动频率，k为减速器转速比，n为电机转速。

h＝rsinβ h＝Rα=rsinβ

α=r/Rsinβ β=ωt ， ω=2πf

α=r/Rsin2πft

可得齿轮的运动方程：

α=Asin2πft A=r/R，fc=f=2πkn/60

根据齿轮的运动方程，可知这是一种标准正弦运动，第一从动轮2上槽内的杆运动到最高点时齿轮恰好转动到α最大处，第一从动轮2上槽内的杆运动到最低点时齿轮恰好转动到α最小处，由方程得齿轮的振幅A与r成正比，通过调节杆端到主动轮或从动轮圆心的距离r的大小可以实现振幅A大小的调节；由方程可知齿轮的振动频率fc与主动轮的转动频率f相同，调节电机的转速可以实现对振频的调节。

本发明的伺服电机带动主动轮，主动轮带动两侧的杆，杆的另一端带动两个从动轮转动，杆带动连在杆上的两根齿条，两条齿条分别通过与齿轮啮合带动齿轮实现扭振；调频调幅机构通过调节杆在主动轮端和从动轮端在槽中离轮心的距离来调节振幅，通过伺服驱动器控制伺服电机转速调节扭振频率，从而实现扭振振幅与频率的分别调节。