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1、太原理工大学 硕士学位论文 超声变幅器的设计理论及其性能参数的实验研究 姓名：胡玉勇 申请学位级别：硕士 专业：机械制造及其自动化 指导教师：吕明 20100501 太原理工大学硕士研究生学位论文 I 超声变幅器的设计理论及其性能参数的实验研究 摘 要 齿轮作为机械传动的基本元件，广泛应用于车辆、机床、航天等各种领 域。随着科技的发展，在工程应用中对齿轮传动有了高精度、高速度、高强 度的要求， 这就使齿轮的材料和制造技术提出更高的要求。 珩齿是淬硬齿轮 精密加工的最后工序，对齿轮传动件的制造精度与啮合质量有着直接的关 系。 由于传统珩齿工艺存在的局限性制约了齿轮精密加工的效率与质量的进 一步提
2、高， 因此把超声振动技术引入齿轮精加工的珩齿工艺中，既使珩齿工 艺的特点得到充分的发挥，又进一步提高了齿轮精密加工的效率与质量。对 超声波珩齿的研究，得到了国家自然科学基金的资助。 在超声波珩齿的研究过程中， 齿轮是超声珩齿的加工对象， 也是超声振 动系统中的负载。由于常用的盘形齿轮直径大，厚度小，且中间有较大的安 装轴孔，所以可以将其简化为薄环盘，与变幅杆组成变幅器。本文针对超声 变幅器动力学参数设计理论及其测量系统方面作了如下研究： 首先， 概括论述了珩齿工艺和超声加工工艺的发展现状以及国内外研究 成果，以及各自的特点。 其次，讨论了超声波原理及超声波加工的原理及组成，在此基础上详细 论述
3、了超声波珩齿的原理，并对其进行动力学分析，着重阐述了超声变幅杆 的设计过程及其动力学方程和性能参数， 重点介绍了超声变幅器的动力学分 析过程，并以此设计了阶梯形变幅器。 太原理工大学硕士研究生学位论文 II 接下来，提出一种新的测量弹性模量的方法，从适用、准确、便捷等方 面入手，以敲击的方法对组成变幅杆的材料铝、铁进行材料常数的测量，根 据测得的固有频率算出材料的弹性模量， 并与力学拉伸试验测得的弹性模量 进行对比；通过对比试验，得出敲击力度对固有频率和振幅的影响；测量了 不同类型变幅杆的固有频率， 与其设计频率进行对比，分析了产生偏差的原 因。 随后，简单介绍了阻抗分析仪，用阻抗分析仪测量了
4、变幅器加换能器的 阻抗特性。 最后，进行了工作的总结和展望，提出研究工作的不足以及今后的工作 方向。 关键词：超声波，珩齿，变幅器，测量系统 太原理工大学硕士研究生学位论文 III DESIGN THEORY OF THE ULTRASONIC TRANSFORMER AND EXPERIMENT RESEARCH ON THE PERFORMANCE PARAMETERS ABSTRACT Gears are the basic components in mechanical transmission, and widely be used in vehicles, machine too
5、ls, aerospace and other fields. With the development of technology, engineering applications demand gears have high precision, high speed, high-strength, which bring a higher requirement to gears material and manufacturing technology. gear honing is the last working procedure of quench hardening gea
6、rs Precise Processing, so this working procedure have direct relation with gears manufacturing accuracy and engagement quality . Traditional gear honing has some limitations which is a drawback to raise the efficiency and quality of gears precise processing. To overcome this problem, ultrasonic is u
7、sed in gears honing which fully unfold the characteristics of gear honing, besides this, it also advanced the efficiency and quality of gears precise processing. Researches on ultrasonic honing obtain the national natural science funds subsidies. In ultrasonic honing, gear is the manufacturing objec
8、ts; it also is the loads of ultrasonic vibration system. Usual plate gear have big diameter, but thin in depth, and have a axle hole in the center, so it can be simplified into a thin disc 太原理工大学硕士研究生学位论文 IV ring. Amplitude transformer is made up of thin disc ring and an amplitude transformer rod .T
9、his paper researched ultrasonic amplitude transformers measuring system in some aspects. Firstly, the domestic and foreign research results and their respective characteristics are briefly introduced. Secondly, the principle and composition of ultrasonic and ultrasonic machining are discussed in thi
10、s paper, after that, the principle of ultrasonic honing is elaborated full of detail and dynamic analysis on ultrasonic honing is done. This paper focus on ultrasonic amplitude transformers design processes, dynamic equation, technical performance. The ultrasonic amplitude transformers dynamic analy
11、sis is fully introduced in this paper and a step cut transformer is designed. Thirdly, a new way to measure materials modulus of elasticity is provide in this paper , in order to applicable, accurate and convenient, this paper measured ultrasonic amplitude transformers materials natural frequency by
12、 knocking ,materials modulus of elasticity are obtained based on those natural frequencies. And those results also are compared with the data that form experiment. Through contrast test, the relation among knocking dynamism , natural frequency and amplitude of vibration is detected in this paper ,af
13、ter measuring many ultrasonic amplitude transformers natural frequency, this paper compared those data with design parameters , the deviation between those data and design parameters also be researched . 太原理工大学硕士研究生学位论文 V At last, briefly introduced impedance analyzer, and the impedance characterist
14、ic of amplitude transformer and transducer is measured by impedance analyzer. At the end of this paper is the conclusion and expectation, point out the shortage and the right way. KEY WORDS: ultrasound, gear honing, transformer, measuring system 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 第一章 绪 论 齿轮传动是机械传动的主要形式之一， 被广泛的应用于各种机
15、械设备和仪表仪器中。 齿轮的质量、性能、和寿命等直接影响到整机的技术经济指标。齿轮精度的高低很大程 度影响着机械传动性能的优劣。齿轮制造技术的高低决定了能否获得优质的齿轮，因此， 齿轮制造水平可以直接反映一个国家机械工业的水平。 而将超声振动引用到珩齿工艺中， 是对齿轮精密加工工艺的进一步发展和创新，既使珩齿工艺的特点得到充分的发挥，又 进一步提高了齿轮精密加工的效率与质量，进而提高整个国家齿轮的制造水平。 1.1 珩齿工艺概述 珩齿是一种利用带有磨粒的珩磨轮，在其自由转动时，借助齿面间的压力和相对滑 动的摩擦力进行切削的齿形光整加工方法。珩齿加工是目前针对 GB10095- 88 标准 7
16、级 精度渐开线淬硬齿面精加工所采用的方法之一，其能提高加工效率，能使被加工齿轮的 精度达到中等，能提高齿轮寿命，是齿轮精密加工的最后一道工序，较多的使用在剃齿 和高频淬火后，以去除齿轮表面的毛刺和热处理表面氧化皮，达到降低齿轮的粗糙度值 的目的。由于珩磨轮齿面上，均布着磨料磨粒，因此珩磨轮具有多刃刀具的切削性能， 可得到细致的切削纹面加工表面和较高的表面质量，且不易产生齿面烧伤和裂纹。 1 . 1 . 1珩齿工艺的发展现状 珩齿技术源自20世纪50年代的斜齿轮式外啮合珩齿，当时只能光整齿面，提高表面 质量。初衷是降低较高的磨齿加工费用，以满足大批量生产大批量齿轮传动装置的行业 发展需求。日本九州大学久留米高专从1968年起，开始试验圆柱蜗杆珩齿1。该工艺随 即迅速被日本、美国、西德等国广泛应用，在日、美、苏、瑞士等国先后有几十项专利 发表。近年来，国外还发展了自
