一种超声振动加工齿轮齿面形貌加工及控制方法技术

本发明专利技术公开了一种超声振动加工齿轮齿面形貌加工及控制方法，首先初步确定刀具的切削参数的取值范围；在切削参数取值范围内选择一些切削深度及转速；根据柔性件的参数和工件要求的表面形貌通过计算得出切削深度h和每齿进给量fz；再对切削深度h和每齿进给量fz进行判断和调整，符合要求后，便按照上述切削参数进行加工，在加工过程中，机床系统给刀具施加超声振动。本发明专利技术通过引入柔性件，能够有效避免在机床多自由度下的模态特性的干扰，通过优化切削参数，可得到满足工件要求的表面形貌，超声振动则可切除毛刺，形成光滑的表面形貌。

【技术实现步骤摘要】
一种超声振动加工齿轮齿面形貌加工及控制方法
本专利技术涉及齿轮机械加工领域，特别是涉及一种超声振动加工齿轮齿面形貌加工及控制方法。
技术介绍
目前，在切削加工的零件中，表面质量是工件的使用性能一个重要指标。为了满足一些重要的结合面或相对滑动面的使用要求，通常会对工件的表面粗糙度、残余应力、硬度等指标提出要求。但对使用工况复杂的高性能齿轮的表面质量中，传统的表面质量要求已不能满足要求，对工件齿面形貌提出了更高的要求，这是由于工件表面形貌对传动过程中的摩擦及传递层的形成中有决定性影响，不合适的齿面形貌会严重影响工件表面的性能，如图1所示，刀具切削刃与工件接触中会存在毛刺或残留高度，使工件表面形成非光滑的表面形貌。
技术实现思路
本专利技术旨在至少在一定程度上解决上述技术问题。为此，本专利技术提出一种能准确获得预期工件表面形貌且表面光滑的超声振动加工齿轮齿面形貌加工及控制方法。本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是：一种超声振动加工齿轮齿面形貌加工及控制方法，包括如下步骤：A、依据对齿轮加工过程中加工效率的要求，初步确定刀具的切削参数的取值范围，即刀具的转速、切削深度和每齿进给量的取值范围；B、依据表面粗糙度的要求，调整步骤A中的每齿进给量使其满足表面粗糙度要求；C、在步骤A中的切削参数取值范围内选择多组切削深度ai及转速ri；D、依据步骤C选取的切削参数，再根据刀具的刀齿数n，得到切削参数引起的激励频率wi，wi＝ri·n；E、依据机床的模态函数Φk(w)，从多组激励频率wi中筛选出能避开机床模态的激励频率wc，激励频率wc对应的切削参数转速为rc；F、将工件要求的表面形貌，通过表面形貌分析设备拟合成函数ΦC；G、依据激励频率wc，设定柔性件的固有频率为w1，所述柔性件固定在机床的工作台上，工件则连接在柔性件上进行加工，通过计算获得柔性件的刚度K1、阻尼系数C1和质量M1；H、依据机械振动理论，建立动力学模型，获得切削力f1(T)，再通过切削力模型得出切削深度h和每齿进给量fz；I、若切削深度h和每齿进给量fz符合步骤A和步骤C的取值范围，则按照切削深度h、每齿进给量fz和转速为rc的切削参数对工件进行加工，若切削深度h或每齿进给量fz在步骤A和步骤C的取值范围外，则在保证切削力不变的前提下，修改切削深度和每齿进给量，直到符合要求再按照符合要求的切削参数对工件进行加工；J、刀具按照步骤I中符合要求的切削参数进行加工的同时，在五轴铣削加工机床上增加一套超声振动辅助加工系统及柔性件，其中超声振动辅助加工系统与机床主轴连接，柔性件固定连接在工作台上，工件固定在柔性件的一端，采用球头铣刀加工工件的表面形貌，超声振动辅助加工系统给刀具施加超声振动，通过刀具超声振动的挤压作用切除工件表面的残留高度并改变工件表面波纹，形成光滑的表面形貌。进一步，所述步骤C中的切削深度ai及转速ri是根据机床的模态、工件的材料特性、切削力系数，通过颤振稳定性分析理论得出的。进一步，所述步骤E中，激励频率wc选取范围在机床相邻频率的中间区域。进一步，所述步骤F中，力学模型如下：M1为切削系统等效质量；C1(T)为切削加工系统等效阻尼系数；K1(T)为切削加工系统等效刚度；x1(T)表示振动位移函数，与工件要求的表面形貌为ΦC一致；T表示时间。进一步，所述步骤G中，柔性件的固有频率w1的限定范围为[0.9ωc，1.1ωc]。进一步，所述柔性件的刚度K1、阻尼系数C1和质量M1是通过有限元计算获得。进一步，所述机床模态函数Φk(w)通过如下方式获得，首先建立机床的三维模型，通过有限元计算在切削力的激励下获得机床在不同阶下的振型，依据振型图，选择位移相对较大的位置布置加速度传感器；并在机床切削处工件端或刀具端，通过激振器施加激励力，通过信号采集及分析系统获得机床的模态函数Φk(w)。进一步，所述机床系统给刀具施加的振动为轴向-弯曲-扭转耦合振动。本专利技术的有益效果是：本专利技术通过分析机床动态特性对实际加工面偏离理想加工面的影响，引入柔性件，并以工件要求的表面形貌为基础振幅目标，在柔性件某阶频率附近进行激励，能够有效避免在机床多自由度下的模态特性的干扰；超声振动则在切削过程中增加了刀具在不同方向下的微小振动，通过挤压作用切除毛刺，形成光滑的表面形貌。并在机床控制系统的作用下，可以调节超声振动的频率和振幅，形成不同的波纹度的表面形貌，满足不同表面形貌的要求，最终在振动和刀具进给的作用下工件获得准确的预期表面形貌。附图说明下面结合附图和实施例对本专利技术进一步说明。图1是工件加工后的表面形貌及其毛刺示意图；图2是工件超声振动加工的表面形貌示意图；图3是切削加工稳定区域图。具体实施方式下面结合附图和实施例对本专利技术进行详细说明。本专利技术的一种超声振动加工齿轮齿面形貌加工及控制方法，包括如下步骤：A、依据对齿轮加工过程中加工效率的要求，初步确定刀具的切削参数的取值范围，即刀具的转速、切削深度和每齿进给量的取值范围。加工效率是由切削参数决定的，为切削速度、切削深度、每齿进给量的乘积。切削速度则由刀具的直径和转速决定，即刀具的周长和转速的乘积。B、依据表面粗糙度的要求，调整步骤A中的每齿进给量使其满足表面粗糙度要求。在铣削加工中，降低每齿进给量的值能够显著降低表面粗糙度的值，提高表面质量，相对于其它切削参数，每齿进给量对工件表面粗糙度影响较大。例如在一种机床通过试验数据拟合的方式建立了表面粗糙度与切削参数的关系如下：Ra＝f(fz，ap，v)＝-2.0522+27.8856fz+8.059ap-0.001v可根据该公式和表面粗糙度的要求去调整相应的切削参数。C、在步骤A中的切削参数取值范围内选择多组切削深度ai及转速ri；D、依据步骤C选取的切削参数，再根据刀具的刀齿数n，得到切削参数引起的激励频率wi，wi＝ri·n；E、依据机床的模态函数Φk(w)，从多组激励频率wi中筛选出能避开机床模态的激励频率wc，激励频率wc对应的切削参数转速为rc；F、将工件要求的表面形貌，通过表面形貌分析设备拟合成函数ΦC；G、依据激励频率wc，设定柔性件的固有频率为w1，所述柔性件固定在机床的工作台上，工件则连接在柔性件上进行加工，通过计算获得柔性件的刚度K1、阻尼系数C1和质量M1；H、依据机械振动理论，建立动力学模型，获得切削力f1(T)，再通过切削力模型得出切削深度h和每齿进给量fz；I、若切削深度h和每齿进给量fz符合步骤A和步骤C的取值范围，则按照切削深度h、每齿进给量fz和转速为rc的切削参数对工件进行加工，若切削深度h或每齿进给量fz在步骤A和步骤C的取值范围外，则在保证切削力不变的前提下，修改切削深度和每齿进给量，直到符合要求再按照符合要求的切削参数对工件进行加工；J、刀具按照步骤I中符合要求的切削参数进行加工的同时，在五轴铣削加工机床上增加一套超声振动辅助加工系统及柔性件，其中超声振动辅助加工系统与机床主轴连接，柔性件固定连接在工作台上，工件固定在柔性件的一端，采用球头铣刀加工工件的表面形貌，超声振动辅助加工系统给刀具施加超声振动，通过刀具超声振动的挤压作用切除工件表面的残留高度并改变工件表面波纹，形成光滑的表面形貌。其中所述机床模态函数Φk(w)通过如下方式获得，首先本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种超声振动加工齿轮齿面形貌加工及控制方法，其特征在于，包括如下步骤：A、依据对齿轮加工过程中加工效率的要求，初步确定刀具的切削参数的取值范围，即刀具的转速、切削深度和每齿进给量的取值范围；B、依据表面粗糙度的要求，调整步骤A中的每齿进给量使其满足表面粗糙度要求；C、在步骤A中的切削参数取值范围内选择多组切削深度ai及转速ri；D、依据步骤C选取的切削参数，再根据刀具的刀齿数n，得到切削参数引起的激励频率wi，wi＝ri·n；E、依据机床的模态函数Φk(w)，从多组激励频率wi中筛选出能避开机床模态的激励频率wc，激励频率wc对应的切削参数转速为rc；F、将工件要求的表面形貌，通过表面形貌分析设备拟合成函数ΦC；G、依据激励频率wc，设定柔性件的固有频率为w1，所述柔性件固定在机床的工作台上，工件则连接在柔性件上进行加工，通过计算获得柔性件的刚度K1、阻尼系数C1和质量M1；H、依据机械振动理论，建立动力学模型，获得切削力f1(T)，再通过切削力模型得出切削深度h和每齿进给量fz；I、若切削深度h和每齿进给量fz符合步骤A和步骤C的取值范围，则按照切削深度h、每齿进给量fz和转速为rc的切削参数对工件进行加工，若切削深度h或每齿进给量fz在步骤A和步骤C的取值范围外，则在保证切削力不变的前提下，修改切削深度和每齿进给量，直到符合要求再按照符合要求的切削参数对工件进行加工；J、刀具按照步骤I中符合要求的切削参数进行加工的同时，在五轴铣削加工机床上增加一套超声振动辅助加工系统及柔性件，其中超声振动辅助加工系统与机床主轴连接，柔性件固定连接在工作台上，工件固定在柔性件的一端，采用球头铣刀加工工件的表面形貌，超声振动辅助加工系统给刀具施加超声振动，通过刀具超声振动的挤压作用切除工件表面的残留高度并改变工件表面波纹，形成光滑的表面形貌。...

【技术特征摘要】
1.一种超声振动加工齿轮齿面形貌加工及控制方法，其特征在于，包括如下步骤：A、依据对齿轮加工过程中加工效率的要求，初步确定刀具的切削参数的取值范围，即刀具的转速、切削深度和每齿进给量的取值范围；B、依据表面粗糙度的要求，调整步骤A中的每齿进给量使其满足表面粗糙度要求；C、在步骤A中的切削参数取值范围内选择多组切削深度ai及转速ri；D、依据步骤C选取的切削参数，再根据刀具的刀齿数n，得到切削参数引起的激励频率wi，wi＝ri·n；E、依据机床的模态函数Φk(w)，从多组激励频率wi中筛选出能避开机床模态的激励频率wc，激励频率wc对应的切削参数转速为rc；F、将工件要求的表面形貌，通过表面形貌分析设备拟合成函数ΦC；G、依据激励频率wc，设定柔性件的固有频率为w1，所述柔性件固定在机床的工作台上，工件则连接在柔性件上进行加工，通过计算获得柔性件的刚度K1、阻尼系数C1和质量M1；H、依据机械振动理论，建立动力学模型，获得切削力f1(T)，再通过切削力模型得出切削深度h和每齿进给量fz；I、若切削深度h和每齿进给量fz符合步骤A和步骤C的取值范围，则按照切削深度h、每齿进给量fz和转速为rc的切削参数对工件进行加工，若切削深度h或每齿进给量fz在步骤A和步骤C的取值范围外，则在保证切削力不变的前提下，修改切削深度和每齿进给量，直到符合要求再按照符合要求的切削参数对工件进行加工；J、刀具按照步骤I中符合要求的切削参数进行加工的同时，在五轴铣削加工机床上增加一套超声振动辅助加工系统及柔性件，其中超声振动辅助加工系统与机床主轴连接，柔性件固定连接在工作台上，工件固定在柔性件的一端，采用球头铣刀加工工件的表面形貌，超声振动辅助加工系统给刀具施加超声振...

【专利技术属性】
技术研发人员：唐进元，关先磊，陈雪林，
申请(专利权)人：中南大学，
类型：发明
国别省市：湖南,43