超声振动滚齿加工技术优化

滚齿切削加工是常用的齿轮加工方法，其切削传动链较复杂。在原有滚齿机基础上附加一套超声振动系统实现超声振动滚齿加工，可以大大提高齿轮的加工工艺效果。

6.5.6.1 超声振动滚齿加工的实现

滚齿机上附加的超声振动系统由超声波发生器、磁致伸缩换能器、变幅杆等部件组成，其作用和特点分述如下。

图6.5-20 超声振动滚齿示意图

1—滚齿机工作台 2—水套 3—换能器 4—滚刀 5—齿坯 6—变幅杆 7—超声波发生器 8—底座

在设计中，采用换能器、变幅杆、水套等装置替代了滚齿机上的原有夹具，将被加工的齿坯固定在变幅杆上，振动系统直接推动齿坯沿主切削力方向以f=26kHz的频率、a=15μm的振幅进行振动，通过滚刀对工件进行加工。这样，声波传导路线短，不会产生其他方向的波传导，且结构简单，实用、可靠。不改变机床的原有结构，给大范围推广应用该技术带来方便。其加工示意，如图6.5-20所示。

6.5.6.2 超声振动滚齿加工试验的工艺效果

下面以变速箱一速齿轮的超声振动滚齿为例，说明其加工工艺效果。

当一速齿轮的生产批量大时，普通滚齿加工一般采用大进给量（3.0mm/r），这必然会导致齿面较大的表面粗糙度值，因而必须在滚齿时使齿面留有余量，再进行剃齿加工（微量光整加工）。但余量太小，齿廓表面经常会剃不出来，若增大滚齿余量，又给剃齿加工增加困难，并且使剃齿刀的消耗量增大。

一速齿轮所用的材料为20CrMnTi，齿坯的硬度在热处理工序中控制较为困难，其滚齿前的毛坯硬度为12～14HRC，高于或低于此硬度范围均不能达到齿轮加工要求。这给一速齿轮的生产带来了较大的局限性，使生产成本相对提高，直接影响经济效益。

加工一速齿轮采用的滚刀材料为W18Cr4V（带氮化钛硬涂层），在大进给量的加工环境中，当齿坯硬度较高时，滚刀磨损严重，甚至不能加工，使一速齿轮的生产成本长期居高不下。滚刀消耗量大，同样会给生产带来一定的不利影响。针对上述情况，试验采用超声振动滚齿加工，使上述问题迎刃而解。

1）可以使滚刀的进给量进一步增加至3.2mm/r，且滚切后得到的齿面精度可以保证在0.03～0.05mm余量内，从而将齿廓表面顺利地剃出。这样既保证了齿廓表面的质量，又提高了工艺效果。(www.xing528.com)

2）节省了大量的滚刀消耗，节省了电能消耗，实际达到的加工效果十分显著。在YBA3132滚齿机上进行超声振动滚齿加工试验，使用涂有氮化钛涂层的滚齿刀，刀具材料为W18Cr4V，刀具表面硬度实际检测值为58～59HRC。齿坯材料为20CrMnTi，其表面硬度实测值为12～21HRC。加工齿轮参数为：齿顶圆直径D=202mm，模数m=4.5，齿数Z=34。

当刀具进给量为s=0.8～2mm/r时，齿面粗糙度值Ra为0.4～0.8μm。当刀具进给量s为2.5～3.2mm/r时，齿面粗糙度值Ra为2～3.8μm。加工质量明显优于普通滚齿加工。

超声振动滚齿加工小批量生产试验结果表明，采用超声振动滚齿加工明显地降低了齿面粗糙度值，改善了加工条件，节材、节能，使成本下降，取得了明显的技术经济效益。详细试验结果见表6.5-21。

表6.5-21 现场生产数据对照表

注：刀具进给量s：普通滚齿为3mm/r，超声振动滚齿为3.2mm/r。

6.5.6.3 超声振动滚齿系统的设计要点

根据实际应用，在设计超声振动滚齿系统时，要着重考虑到以下几个问题：

1）振动系统的可靠性。提高镍片的磁导率，应合理匹配超声波发生器与换能器之间的阻抗，严格控制换能器冷却液的温度，一般应控制在23～25℃以下，以保证镍片的磁导率保持在较佳值。这可以通过加快循环冷却液的流速得以实现，从而有效地防止停振。

2）超声波发生器对电源的要求较高，必须克服电源的过电压、欠电压、浪涌、尖峰等现象。

3）超声波发生器与换能器之间的阻抗匹配不能单纯追求功率因数，应综合考虑。

4）变幅杆的设计。由于变幅杆就是齿坯的心轴夹具，鉴于齿坯的重力及孔径不同，需对不同的产品进行不同的设计。