一種齒輪鍛造加工用裝置的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種齒輪鍛造加工用裝置，包括預鍛模組件和精鍛模組件；精鍛模組件包括精鍛凹模、精鍛齒模、精鍛凹模應力圈、精鍛齒模應力圈；所述精鍛齒模中心設置通孔，通孔內(nèi)裝有精鍛頂沖，兩者構成滑動配合；所述的精鍛凹模上設置與待加工油槽形狀、位置吻合的凸起；凸起有多個，并由精鍛凹模中心均勻向外發(fā)散；所述的凸起設有三個。本發(fā)明的加工裝置也就是加工用的成套模具。利用預鍛模組件將圓柱坯料初步加工形狀，然后精鍛模組件精整外形；通過精鍛凹模上設置的凸起可以在齒輪球面位置鍛造出油槽。無需單獨進行機加工，效率顯著提高，成本也明顯降低。
【專利說明】
一種齒輪鍛造加工用裝置
技術領域
[0001] 本發(fā)明涉及機械領域，具體涉及的是一種齒輪鍛造加工用裝置。
【背景技術】
[0002] 較精密的機械齒輪組件，一般都采用鍛造方式來進行制作。其操作過程為，使用鍛 造加工機進行鍛壓，將工件放置在鍛模內(nèi)，通過鍛造加工機的鍛錘來進行鍛壓。而鍛壓過程 中鍛壓模具由于熱傳導性，使得其本身處于高溫狀態(tài)中，在一次鍛壓完畢后進行冷卻，然后 進行切割使之符合精度要求，相關技術中會使用超聲波旋轉加工技術進行切割，但是應用 在旋轉超聲加工裝置的變幅桿容易因為應力集中而發(fā)生斷裂。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 針對上述問題，本發(fā)明的目的是提供一種齒輪鍛造加工用裝置，解決變幅桿容易 因為應力集中而發(fā)生斷裂的技術問題。
[0004] 為解決上述技術問題，本發(fā)明采用的技術方案是一種齒輪鍛造加工用裝置，包括 框架、旋轉變壓器、換能器、變幅桿和工具頭。所述換能器上方的兩側設置旋轉變壓器，所述 變幅桿包括上端部分、變截面部分和下端部分，所述上端部分直接連接換能器的底面，所述 下端部分直接連接工具頭，所述變截面的形狀根據(jù)下列公式計算：

其中，P(x)為變幅桿的橫截面面積函數(shù)，k為圓波數(shù)，D(x) 為輪廓半徑函數(shù)，Do為上端部分的半徑，PQ為上端部分與變截面部分連接處的橫截面面積， Pi為下端部分與變截面部分連接處的橫截面面積，下端部分的長度根據(jù)下列公式計算：
[0005] 所述換能器包括前金屬蓋板、后金屬蓋板以及厚度方向極化的壓電陶瓷圓環(huán)，偶 數(shù)個所述壓電陶瓷圓環(huán)共軸連接形成壓電陶瓷晶堆，壓電陶瓷晶堆中相鄰兩個壓電陶瓷圓 環(huán)極化方向相反。根據(jù)實際需要設定換能器的共振頻率后通過下列公式得到換能器的幾何 尺寸：
[0006] (1)所述換能器的等效電路圖如圖3所示，虛線將整個電路劃分為三個部分，分別 為前蓋板等效電路、后蓋板等效電路和壓電陶瓷晶堆等效電路，其中，Z bL和ZfL分別是換能 器后、前兩端的負載阻抗，根據(jù)實際需要設定；
[0007] (2)所述換能器的振動頻率方程為
[0008]
[0009]前金屬蓋板輸入機械阻抗為
&，后金屬蓋板輸入機械阻抗為
$能器的機械阻抗戈
。
[0010] 其中
，Zf = P2C2S2， k2= C〇/C2，C2是前金屬蓋板中的聲速，p2、E2、〇2分別是前金屬蓋板的密度、楊氏模量和泊松 系數(shù)，12和&是前金屬蓋板的厚度和橫截面的面積；
[0011] (3)由于換能器的負載很難確定，因此通常把換能器看成空載，即ZbL = ZfL = 0,若 忽略機械損耗和介電損耗，換能器的共振頻率方程為IZiliO;若考慮機械損耗，輸入電阻 抗為最小時，換能器的共振頻率方程為I Zi | = | Zi |min，通過換能器的振動頻率方程計算得到 換能器的具體尺寸；
[0012] ⑷由于換能器的負載很難確定，因此通常把換能器看成空載，g|]ZbL = ZfL = 0,當 輸入電阻抗為無效大時，忽略損耗，換能器的反共振頻率方程為I Zi | = m;當輸入電阻抗為 無效大時，考慮損耗，換能器的反共振頻率方程為I Zi | = | Zi | max，通過換能器的振動頻率方 程計算得到換能器的具體尺寸；
[0013] 所述換能器還包括外殼、設于外殼上表面的上端蓋、設于外殼下表面的下端蓋和 固定法蘭，所述外殼固定所述壓電陶瓷圓環(huán)、前金屬蓋板和后金屬蓋板，所述上端蓋包括固 定柱，所述固定柱設于上端蓋的中心軸位置并向上延伸至旋轉變壓器內(nèi)，且向下延伸至上 端蓋的下方，所述變幅桿向上延伸至換能器的內(nèi)部，且變幅桿與固定柱之間設有連接件、上 彈簧和下彈簧，所述上彈簧的上端連接固定柱的下端，所述上彈簧的下端連接連接件，所述 下彈簧的上端連接連接件，所述下彈簧的下端連接變幅桿。
[0014] 作為優(yōu)選，相鄰兩個壓電陶瓷圓環(huán)間還設有金屬電極，金屬電極的厚度為0.02-0·2mm〇
[0015] 作為優(yōu)選，根據(jù)實際需要設定換能器的共振頻率后通過下列公式得到換能器的幾 何尺寸：（1)首先對換能器的頻率方程進行推導:截面AB為位移節(jié)面，位移節(jié)面AB將換能器 分成兩個四分之一波長的振子，即L f+h以及Lb+h均為振動波長的四分之一，每個四分之一 波長的振子都是由壓電陶瓷晶片及金屬蓋板組成，位移節(jié)面前與前金屬蓋板之間的壓電陶 瓷進隊的長度記為L f，位移節(jié)面后與后金屬蓋板之間的壓電陶瓷晶堆的長度記為Lb，若壓電 陶瓷晶堆由P個厚度為1的壓電陶瓷圓環(huán)組成，則有L f+Lb = Pl且1遠小于厚度振動的波長。位 移波節(jié)前的四分之一波長振子的共振方程為tan(k丄￡^&11(1?1 2)=2。/&，位移波節(jié)后的四 分之一波長振子的共振方程為tanGO^tanU山）= Ζ。/^，其中，Z。是單個壓電陶瓷圓環(huán)的 特性阻抗，ljPh分別是后、前金屬蓋板的厚度；（2)根據(jù)實際需要設定共振頻率，并通過得 到的共振頻率方程得到換能器具體尺寸。
[0016] 作為優(yōu)選，所述固定法蘭的中心軸位置留有開孔，所述開孔的內(nèi)側沿其圓周方向 設有包圍變幅桿變截面部分的彈性橡膠圈。且所述固定法蘭的上表面間隔設有多個可伸縮 結構，并通過可伸縮結構連接所述下端蓋。
[0017] 本發(fā)明的有益效果:利用形狀因數(shù)比較所述變幅桿所能達到最大振幅，形狀因數(shù) ￥表達式如下：
[0018] 鏟奪 C
[0019] 其中，Α 為僅與材料有關的變幅桿的材料機械阻抗。
[0020] 通過ANSYS諧響應分析可以獲得A值，經(jīng)計算，所述變幅桿的A值為0.371 X 10_12m/ Pa，設計固有頻率和面積因數(shù)與所述變幅桿相同的階梯型變幅桿，計算得到A值為0.090X 10-12m/Pa。
【附圖說明】
[0021] 利用附圖對發(fā)明作進一步說明，但附圖中的實施例不構成對本發(fā)明的任何限制， 對于本領域的普通技術人員，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以根據(jù)以下附圖獲得其 它的附圖。
[0022] 圖1是本發(fā)明的結構示意圖。
[0023] 圖2是本發(fā)明換能器的等效電路圖。
[0024] 圖3是本發(fā)明的壓電陶瓷圓環(huán)結構示意圖。
[0025]圖4是本發(fā)明的結構示意圖。
[0026] 附圖標記:1、框架，2、旋轉變壓器，3、換能器，4、變幅桿，5、工具頭。
【具體實施方式】
[0027] 結合以下實施例對本發(fā)明作進一步描述。
[0028] 實施例一
[0029] 本發(fā)明的裝置，如圖1所示，包括框架、旋轉變壓器、換能器、變幅桿和工具頭。所述 換能器上方的兩側設置旋轉變壓器。
[0030] 相較于指數(shù)形狀、圓錐形狀、懸鏈線形狀等的變幅桿，階梯型變幅桿放大系數(shù)最 大，但是應力分布集中，容易斷裂，工作安全性較差。所述變幅桿采用階梯型，包括上端部 分、變截面部分和下端部分，所述上端部分直接連接換能器的底面，所述下端部分直接連接 工具頭。所述變截面的形狀根據(jù)下列公式計算：
其中，P(x)為變幅桿的橫截面面積函數(shù)，k為圓波數(shù)，D(x)為輪廓半徑函數(shù)，Do為上端部 分的半徑，Po為上端部分與變截面部分連接處的橫截面面積，Pi為下端部分與變截面部分連 接處的橫截面面積。
[0031 ]下端部分的長度根據(jù)下列公式計算
[0032] 于變幅桿上增加變截面部分可有利卞將作用t節(jié)囬上W應力均勻分散，減少變幅 桿斷裂的可能性。
[0033] 所述換能器包括前金屬蓋板、后金屬蓋板以及厚度方向極化的壓電陶瓷圓環(huán)。偶 數(shù)個所述壓電陶瓷圓環(huán)共軸連接形成壓電陶瓷晶堆，壓電陶瓷晶堆中相鄰兩個壓電陶瓷圓 環(huán)極化方向相反，偶數(shù)個壓電陶瓷圓環(huán)連接可使得前金屬蓋板、后金屬蓋板與同一極性的 電極連接，同時可與電路的接地端連接，避免前金屬蓋板、后金屬蓋板與壓電陶瓷晶堆之間 絕緣墊圈的設置。相鄰兩個壓電陶瓷圓環(huán)間還設有金屬電極，金屬電極的厚度為0.02- 0.2mm〇
[0034] 根據(jù)實際需要設定換能器的共振頻率，通過下列公式得到換能器的幾何尺寸：
[0035] (1)所述換能器的等效電路圖如圖3所示，虛線將整個電路劃分為三個部分，分別 為前蓋板等效電路、后蓋板等效電路和壓電陶瓷晶堆等效電路，其中，Z bL和ZfL分別是換能 器后、前兩端的負載阻抗，根據(jù)實際需要設定；
[0036] (2)所述換能器的振動頻率方程為
[0037]
[0038] 前金屬蓋板輸入機械阻抗為
·，后金屬蓋板輸入機械阻抗為
泛器的機械阻抗）
........ -
[0039] 其中
，.Zf = P2C2S2， k2= C〇/C2，C2是前金屬蓋板中的聲速，p2、E2、〇2分別是前金屬蓋板的密度、楊氏模量和泊松 系數(shù)，12和&是前金屬蓋板的厚度和橫截面的面積；
[0040] (3)由于換能器的負載很難確定，因此通常把換能器看成空載，即ZbL = ZfL = 0,若 忽略機械損耗和介電損耗，換能器的共振頻率方程為|Zi |=0;若考慮機械損耗，輸入電阻 抗為最小時，換能器的共振頻率方程為I Zi | = | Zi |min，通過換能器的振動頻率方程計算得到 換能器的具體尺寸；
[0041] (4)由于換能器的負載很難確定，因此通常把換能器看成空載，即ZbL = ZfL = 0,當 輸入電阻抗為無效大時，忽略損耗，換能器的反共振頻率方程為I Zi | = m;當輸入電阻抗為 無效大時，考慮損耗，換能器的反共振頻率方程為I Zi | = | Zi | max，通過換能器的振動頻率方 程計算得到換能器的具體尺寸。
[0042] 在本實施例中，如圖3所示，通過下列方法得到換能器的尺寸：（1)首先對換能器的 頻率方程進行推導：截面AB為位移節(jié)面，位移節(jié)面AB將換能器分成兩個四分之一波長的振 子，即L f+12以及Lb+h均為振動波長的四分之一，每個四分之一波長的振子都是由壓電陶瓷 晶片及金屬蓋板組成，位移節(jié)面前與前金屬蓋板之間的壓電陶瓷進隊的長度記為L f，位移 節(jié)面后與后金屬蓋板之間的壓電陶瓷晶堆的長度記為Lb，若壓電陶瓷晶堆由P個厚度為1的 壓電陶瓷圓環(huán)組成，則有L f+Lb = Pl且1遠小于厚度振動的波長。位移波節(jié)前的四分之一波長 振子的共振方程為tan(k(3Lf )tan(k2l2) =Z〇/Zf，位移波節(jié)后的四分之一波長振子的共振方 程為〖311(1^1^)〖311(1^111)=2。/2￡，其中，2()是單個壓電陶瓷圓環(huán)的特性阻抗，11和12分別是 后、前金屬蓋板的厚度；（2)根據(jù)實際需要設定共振頻率，并通過得到的共振頻率方程得到 換能器具體尺寸。
[0043] 相關技術中，變幅桿作為連接換能器和工具頭的中間部件，一般采用螺紋連接，但 是由于螺紋連接存在間隙，振動傳輸過程中有能量損失，且高頻振動易造成螺紋疲勞失效。
[0044] 所述換能器還包括外殼、設于外殼上表面的上端蓋、設于外殼下表面的下端蓋和 固定法蘭，所述外殼固定所述壓電陶瓷圓環(huán)、前金屬蓋板和后金屬蓋板，所述上端蓋包括固 定柱，所述固定柱設于上端蓋的中心軸位置并向上延伸至旋轉變壓器內(nèi)，且向下延伸至上 端蓋的下方，實現(xiàn)旋轉變壓器與換能器的連接。所述變幅桿向上延伸至換能器的內(nèi)部，且變 幅桿與固定柱之間設有連接件、上彈簧和下彈簧，所述上彈簧的上端連接固定柱的下端，所 述上彈簧的下端連接連接件，所述下彈簧的上端連接連接件，所述下彈簧的下端連接變幅 桿。所述連接件可以為鐵塊等。通過上彈簧、連接件和下彈簧實現(xiàn)變幅桿與換能器的一體 化，避免使用容易造成疲勞損耗的螺紋連接，工作時，向固定柱傳播的超聲振動被上彈簧、 下彈簧所吸收，減緩振動能量傳向固定柱，避免固定柱與旋轉變壓器之間的連接受到振動 損耗，最大化地將振動能量傳輸至變幅桿。
[0045] 所述固定法蘭的中心軸位置留有開孔，所述開孔的內(nèi)側沿其圓周方向設有包圍變 幅桿變截面部分的彈性橡膠圈。且所述固定法蘭的上表面間隔設有多個可伸縮結構，并通 過可伸縮結構連接所述下端蓋。調(diào)節(jié)不同的頻率時，通過可伸縮結構可使得所述固定法蘭 相對換能器上下運動，從而最大限度地保護并固定變幅桿的同時減少變幅桿振動頻率的傳 遞，提尚振動能量的利用率。
[0046] 在本實施例中，所述換能器的前金屬蓋板和后金屬蓋板的厚度均為17mm，壓電陶 瓷晶堆的厚度為12mm，前金屬蓋板、后金屬蓋板和壓電陶瓷晶堆的直徑均為35mm。
[0047]在本實施例中，所述變幅桿是由鈦合金材料制成的，其超聲頻率為30KHz。
[0048]在本實施例中，所述變幅桿的上端部分的端面直徑為30mm，其長度為12mm，下端部 分的端面直徑為15mm，其長度為36mm。所述變幅桿與工具頭為一體，所述工具頭的末端電鍍 或燒結金剛砂磨料。
[0049] 利用形狀因數(shù)-比較所述變幅桿所能達到最大振幅，形狀因數(shù)-表達式如下：
[0050] ^ ? ApC,
[0051] 其中
€為僅與材料有關的變幅桿的材料機械阻抗。
[0052] 通過ANSYS諧響應分析可以獲得A值，經(jīng)計算，所述變幅桿的A值為0.371 X 10_12m/ Pa，設計固有頻率和面積因數(shù)與所述變幅桿相同的階梯型變幅桿，計算得到A值為0.090X 10-12m/Pa。
[0053] 實施例二
[0054]本發(fā)明的裝置，如圖1所示，包括框架、旋轉變壓器、換能器、變幅桿和工具頭。所述 換能器上方的兩側設置旋轉變壓器。
[0055] 相較于指數(shù)形狀、圓錐形狀、懸鏈線形狀等的變幅桿，階梯型變幅桿放大系數(shù)最 大，但是應力分布集中，容易斷裂，工作安全性較差。所述變幅桿采用階梯型，包括上端部 分、變截面部分和下端部分，所述上端部分直接連接換能器的底面，所述下端部分直接連接 工具頭。所述變截面的形狀根據(jù)下列公式計算：
其中，P(x)為變幅桿的橫截面面積函數(shù)，k為圓波數(shù)，D(x)為輪廓半徑函數(shù)，Do為上端部 分的半徑，po為上端部分與變截面部分連接處的橫截面面積，Pi為下端部分與變截面部分連 接處的橫截面面積。
[0056] 下端部分的長度根據(jù)下列公式計算
[0057] 于變幅桿上增加變截面部分可有利于將作用于節(jié)面上的應力均勻分散，減少變幅 桿斷裂的可能性。
[0058] 所述換能器包括前金屬蓋板、后金屬蓋板以及厚度方向極化的壓電陶瓷圓環(huán)。偶 數(shù)個所述壓電陶瓷圓環(huán)共軸連接形成壓電陶瓷晶堆，壓電陶瓷晶堆中相鄰兩個壓電陶瓷圓 環(huán)極化方向相反，偶數(shù)個壓電陶瓷圓環(huán)連接可使得前金屬蓋板、后金屬蓋板與同一極性的 電極連接，同時可與電路的接地端連接，避免前金屬蓋板、后金屬蓋板與壓電陶瓷晶堆之間 絕緣墊圈的設置。相鄰兩個壓電陶瓷圓環(huán)間還設有金屬電極，金屬電極的厚度為0.02-0.2mm〇
[0059] 根據(jù)實際需要設定換能器的共振頻率，通過下列公式得到換能器的幾何尺寸：
[0060] (1)所述換能器的等效電路圖如圖2所示，虛線將整個電路劃分為三個部分，分別 為前蓋板等效電路、后蓋板等效電路和壓電陶瓷晶堆等效電路，其中，Z bL和ZfL分別是換能 器后、前兩端的負載阻抗，根據(jù)實際需要設定；
[0061 ] (2)所述換能器的振動頻率方程為
[0062]
[0063] 前金屬蓋板輸入機械阻抗，后金屬蓋板輸入機械阻抗為
.WA .V Λ· N W-F.V ?V 及·、、·
培器的機械阻抗夕
[0064] 其中
，Zf = P2C2S2， k2= C〇/C2，C2是前金屬蓋板中的聲速，p2、E2、〇2分別是前金屬蓋板的密度、楊氏模量和泊松 系數(shù)，12和&是前金屬蓋板的厚度和橫截面的面積；
[0065] (3)由于換能器的負載很難確定，因此通常把換能器看成空載，即ZbL = ZfL = 0,若 忽略機械損耗和介電損耗，換能器的共振頻率方程為|Zi |=0;若考慮機械損耗，輸入電阻 抗為最小時，換能器的共振頻率方程為I Zi | = | Zi |min，通過換能器的振動頻率方程計算得到 換能器的具體尺寸；
[0066] (4)由于換能器的負載很難確定，因此通常把換能器看成空載，即ZbL = ZfL = 0,當 輸入電阻抗為無效大時，忽略損耗，換能器的反共振頻率方程為I Zi | = m;當輸入電阻抗為 無效大時，考慮損耗，換能器的反共振頻率方程為I Zi | = | Zi | max，通過換能器的振動頻率方 程計算得到換能器的具體尺寸。
[0067] 在本實施例中，如圖3所示，通過下列方法得到換能器的尺寸：（1)首先對換能器的 頻率方程進行推導：截面AB為位移節(jié)面，位移節(jié)面AB將換能器分成兩個四分之一波長的振 子，即L f+12以及Lb+h均為振動波長的四分之一，每個四分之一波長的振子都是由壓電陶瓷 晶片及金屬蓋板組成，位移節(jié)面前與前金屬蓋板之間的壓電陶瓷進隊的長度記為L f，位移 節(jié)面后與后金屬蓋板之間的壓電陶瓷晶堆的長度記為Lb，若壓電陶瓷晶堆由P個厚度為1的 壓電陶瓷圓環(huán)組成，則有L f+Lb = Pl且1遠小于厚度振動的波長。位移波節(jié)前的四分之一波長 振子的共振方程為tan(k(3Lf )tan(k2l2) =Zo/Zf，位移波節(jié)后的四分之一波長振子的共振方 程為〖311(1^1^)〖311(1^111)=2。/2￡，其中，2。是單個壓電陶瓷圓環(huán)的特性阻抗，11和12分別是 后、前金屬蓋板的厚度；（2)根據(jù)實際需要設定共振頻率，并通過得到的共振頻率方程得到 換能器具體尺寸。
[0068] 相關技術中，變幅桿作為連接換能器和工具頭的中間部件，一般采用螺紋連接，但 是由于螺紋連接存在間隙，振動傳輸過程中有能量損失，且高頻振動易造成螺紋疲勞失效。
[0069] 所述換能器還包括外殼、設于外殼上表面的上端蓋、設于外殼下表面的下端蓋和 固定法蘭，所述外殼固定所述壓電陶瓷圓環(huán)、前金屬蓋板和后金屬蓋板，所述上端蓋包括固 定柱，所述固定柱設于上端蓋的中心軸位置并向上延伸至旋轉變壓器內(nèi)，且向下延伸至上 端蓋的下方，實現(xiàn)旋轉變壓器與換能器的連接。所述變幅桿向上延伸至換能器的內(nèi)部，且變 幅桿與固定柱之間設有連接件、上彈簧和下彈簧，所述上彈簧的上端連接固定柱的下端，所 述上彈簧的下端連接連接件，所述下彈簧的上端連接連接件，所述下彈簧的下端連接變幅 桿。所述連接件可以為鐵塊等。通過上彈簧、連接件和下彈簧實現(xiàn)變幅桿與換能器的一體 化，避免使用容易造成疲勞損耗的螺紋連接，工作時，向固定柱傳播的超聲振動被上彈簧、 下彈簧所吸收，減緩振動能量傳向固定柱，避免固定柱與旋轉變壓器之間的連接受到振動 損耗，最大化地將振動能量傳輸至變幅桿。
[0070] 所述固定法蘭的中心軸位置留有開孔，所述開孔的內(nèi)側沿其圓周方向設有包圍變 幅桿變截面部分的彈性橡膠圈。且所述固定法蘭的上表面間隔設有多個可伸縮結構，并通 過可伸縮結構連接所述下端蓋。調(diào)節(jié)不同的頻率時，通過可伸縮結構可使得所述固定法蘭 相對換能器上下運動，從而最大限度地保護并固定變幅桿的同時減少變幅桿振動頻率的傳 遞，提尚振動能量的利用率。
[0071] 在本實施例中，所述換能器的前金屬蓋板和后金屬蓋板的厚度均為18mm，壓電陶 瓷晶堆的厚度為13mm，前金屬蓋板、后金屬蓋板和壓電陶瓷晶堆的直徑均為36mm。
[0072]在本實施例中，所述變幅桿是由鈦合金材料制成的，其超聲頻率為30KHz。
[0073]在本實施例中，所述變幅桿的上端部分的端面直徑為32mm，其長度為12mm，下端部 分的端面直徑為16mm，其長度為37mm。所述變幅桿與工具頭為一體，所述工具頭的末端電鍍 或燒結金剛砂磨料。
[0074] 利用形狀因數(shù)變比較所述變幅桿所能達到最大振幅，形狀因數(shù)梁表達式如下：
[0075] 鏟
[0076] 其中
C為僅與材料有關的變幅桿的材料機械阻抗。
[0077] 通過ANSYS諧響應分析可以獲得A值，經(jīng)計算，所述變幅桿的A值為0.389 X 10_12m/ Pa，設計固有頻率和面積因數(shù)與所述變幅桿相同的階梯型變幅桿，計算得到A值為0.090X 10-12m/Pa。
[0078] 實施例三
[0079] 本發(fā)明的裝置，如圖1所示，包括框架、旋轉變壓器、換能器、變幅桿和工具頭。所述 換能器上方的兩側設置旋轉變壓器。
[0080] 相較于指數(shù)形狀、圓錐形狀、懸鏈線形狀等的變幅桿，階梯型變幅桿放大系數(shù)最 大，但是應力分布集中，容易斷裂，工作安全性較差。所述變幅桿采用階梯型，包括上端部 分、變截面部分和下端部分，所述上端部分直接連接換能器的底面，所述下端部分直接連接 工具頭。所述變截面的形狀根據(jù)下列公式計算：
其中，P(x)為變幅桿的橫截面面積函數(shù)，k為圓波數(shù)，D(x)為輪廓半徑函數(shù)，Do為上端部 分的半徑，po為上端部分與變截面部分連接處的橫截面面積，P:為下端部分與變截面部分連 接處的橫截面面積。
[0081 ]下端部分的長度根據(jù)下列公式計_
[0082] 于變幅桿上增加變截面部分可有利于將作用于節(jié)面上的應力均勻分散，減少變幅 桿斷裂的可能性。
[0083] 所述換能器包括前金屬蓋板、后金屬蓋板以及厚度方向極化的壓電陶瓷圓環(huán)。偶 數(shù)個所述壓電陶瓷圓環(huán)共軸連接形成壓電陶瓷晶堆，壓電陶瓷晶堆中相鄰兩個壓電陶瓷圓 環(huán)極化方向相反，偶數(shù)個壓電陶瓷圓環(huán)連接可使得前金屬蓋板、后金屬蓋板與同一極性的 電極連接，同時可與電路的接地端連接，避免前金屬蓋板、后金屬蓋板與壓電陶瓷晶堆之間 絕緣墊圈的設置。相鄰兩個壓電陶瓷圓環(huán)間還設有金屬電極，金屬電極的厚度為0.02-0.2mm〇
[0084] 根據(jù)實際需要設定換能器的共振頻率，通過下列公式得到換能器的幾何尺寸：
[0085] (1)所述換能器的等效電路圖如圖3所示，虛線將整個電路劃分為三個部分，分別 為前蓋板等效電路、后蓋板等效電路和壓電陶瓷晶堆等效電路，其中，Z bL和ZfL分別是換能 器后、前兩端的負載阻抗，根據(jù)實際需要設定；
[0086] (2)所述換能器的振動頻率方程為
[0087]
[0088] 前金屬蓋板輸入機械阻抗戈
§金屬蓋板輸入機械阻抗為
含器的機械阻抗爻
[0089] 其中
，Zf = P2C2S2， k2= C〇/C2，C2是前金屬蓋板中的聲速，p2、E2、〇2分別是前金屬蓋板的密度、楊氏模量和泊松 系數(shù)，12和&是前金屬蓋板的厚度和橫截面的面積；
[0090] (3)由于換能器的負載很難確定，因此通常把換能器看成空載，即ZbL = ZfL = 0,若 忽略機械損耗和介電損耗，換能器的共振頻率方程為|Zi |=0;若考慮機械損耗，輸入電阻 抗為最小時，換能器的共振頻率方程為I Zi | = | Zi |min，通過換能器的振動頻率方程計算得到 換能器的具體尺寸；
[0091] (4)由于換能器的負載很難確定，因此通常把換能器看成空載，即ZbL = ZfL = 0,當 輸入電阻抗為無效大時，忽略損耗，換能器的反共振頻率方程為I Zi | = m;當輸入電阻抗為 無效大時，考慮損耗，換能器的反共振頻率方程為I Zi | = | Zi | max，通過換能器的振動頻率方 程計算得到換能器的具體尺寸。
[0092] 在本實施例中，如圖3所示，通過下列方法得到換能器的尺寸：（1)首先對換能器的 頻率方程進行推導：截面AB為位移節(jié)面，位移節(jié)面AB將換能器分成兩個四分之一波長的振 子，即Lf+12以及Lb+h均為振動波長的四分之一，每個四分之一波長的振子都是由壓電陶瓷 晶片及金屬蓋板組成，位移節(jié)面前與前金屬蓋板之間的壓電陶瓷進隊的長度記為Lf，位移 節(jié)面后與后金屬蓋板之間的壓電陶瓷晶堆的長度記為L b，若壓電陶瓷晶堆由P個厚度為1的 壓電陶瓷圓環(huán)組成，則有Lf+Lb = Pl且1遠小于厚度振動的波長。位移波節(jié)前的四分之一波長 振子的共振方程為tan(k(3Lf )tan(k2l2) =Z〇/Zf，位移波節(jié)后的四分之一波長振子的共振方 程為〖311(1^1^)〖311(1^111)=2。/2￡，其中，2。是單個壓電陶瓷圓環(huán)的特性阻抗，11和12分別是 后、前金屬蓋板的厚度；（2)根據(jù)實際需要設定共振頻率，并通過得到的共振頻率方程得到 換能器具體尺寸。
[0093] 相關技術中，變幅桿作為連接換能器和工具頭的中間部件，一般采用螺紋連接，但 是由于螺紋連接存在間隙，振動傳輸過程中有能量損失，且高頻振動易造成螺紋疲勞失效。
[0094] 所述換能器還包括外殼、設于外殼上表面的上端蓋、設于外殼下表面的下端蓋和 固定法蘭，所述外殼固定所述壓電陶瓷圓環(huán)、前金屬蓋板和后金屬蓋板，所述上端蓋包括固 定柱，所述固定柱設于上端蓋的中心軸位置并向上延伸至旋轉變壓器內(nèi)，且向下延伸至上 端蓋的下方，實現(xiàn)旋轉變壓器與換能器的連接。所述變幅桿向上延伸至換能器的內(nèi)部，且變 幅桿與固定柱之間設有連接件、上彈簧和下彈簧，所述上彈簧的上端連接固定柱的下端，所 述上彈簧的下端連接連接件，所述下彈簧的上端連接連接件，所述下彈簧的下端連接變幅 桿。所述連接件可以為鐵塊等。通過上彈簧、連接件和下彈簧實現(xiàn)變幅桿與換能器的一體 化，避免使用容易造成疲勞損耗的螺紋連接，工作時，向固定柱傳播的超聲振動被上彈簧、 下彈簧所吸收，減緩振動能量傳向固定柱，避免固定柱與旋轉變壓器之間的連接受到振動 損耗，最大化地將振動能量傳輸至變幅桿。
[0095] 所述固定法蘭的中心軸位置留有開孔，所述開孔的內(nèi)側沿其圓周方向設有包圍變 幅桿變截面部分的彈性橡膠圈。且所述固定法蘭的上表面間隔設有多個可伸縮結構，并通 過可伸縮結構連接所述下端蓋。調(diào)節(jié)不同的頻率時，通過可伸縮結構可使得所述固定法蘭 相對換能器上下運動，從而最大限度地保護并固定變幅桿的同時減少變幅桿振動頻率的傳 遞，提尚振動能量的利用率。
[0096] 在本實施例中，所述換能器的前金屬蓋板和后金屬蓋板的厚度均為16mm，壓電陶 瓷晶堆的厚度為11mm，前金屬蓋板、后金屬蓋板和壓電陶瓷晶堆的直徑均為32mm。
[0097]在本實施例中，所述變幅桿是由鈦合金材料制成的，其超聲頻率為30KHz。
[0098]在本實施例中，所述變幅桿的上端部分的端面直徑為28mm，其長度為10mm，下端部 分的端面直徑為13mm，其長度為32mm。所述變幅桿與工具頭為一體，所述工具頭的末端電鍍 或燒結金剛砂磨料。
[0099] 利用形狀因數(shù)變比較所述變幅桿所能達到最大振幅，形狀因數(shù)警表達式如下：
[0100] p - .Jpc,
[0101] 其中
c為僅與材料有關的變幅桿的材料機械阻抗。
[0102] 通過ANSYS諧響應分析可以獲得A值，經(jīng)計算，所述變幅桿的A值為0.365 X 10_12m/ Pa，設計固有頻率和面積因數(shù)與所述變幅桿相同的階梯型變幅桿，計算得到A值為0.090X 10-12m/Pa。
[0103] 實施例四
[0104] 本發(fā)明的裝置，如圖1所示，包括框架、旋轉變壓器、換能器、變幅桿和工具頭。所述 換能器上方的兩側設置旋轉變壓器。
[0105] 相較于指數(shù)形狀、圓錐形狀、懸鏈線形狀等的變幅桿，階梯型變幅桿放大系數(shù)最 大，但是應力分布集中，容易斷裂，工作安全性較差。所述變幅桿采用階梯型，包括上端部 分、變截面部分和下端部分，所述上端部分直接連接換能器的底面，所述下端部分直接連接 工具頭。所述變截面的形狀根據(jù)下列公式計算：
其中，P(x)為變幅桿的橫截面面積函數(shù)，k為圓波數(shù)，D(x)為輪廓半徑函數(shù)，Do為上端部 分的半徑，Po為上端部分與變截面部分連接處的橫截面面積，Pi為下端部分與變截面部分連 接處的橫截面面積。
[0106] 下端部分的長度根據(jù)下列公式計算
[0107] 于變幅桿上增加變截面部分可有利于將作用于節(jié)面上的應力均勻分散，減少變幅 桿斷裂的可能性。
[0108] 所述換能器包括前金屬蓋板、后金屬蓋板以及厚度方向極化的壓電陶瓷圓環(huán)。偶 數(shù)個所述壓電陶瓷圓環(huán)共軸連接形成壓電陶瓷晶堆，壓電陶瓷晶堆中相鄰兩個壓電陶瓷圓 環(huán)極化方向相反，偶數(shù)個壓電陶瓷圓環(huán)連接可使得前金屬蓋板、后金屬蓋板與同一極性的 電極連接，同時可與電路的接地端連接，避免前金屬蓋板、后金屬蓋板與壓電陶瓷晶堆之間 絕緣墊圈的設置。相鄰兩個壓電陶瓷圓環(huán)間還設有金屬電極，金屬電極的厚度為0.02-0.2mm〇
[0109] 根據(jù)實際需要設定換能器的共振頻率，通過下列公式得到換能器的幾何尺寸：
[0110] (1)所述換能器的等效電路圖如圖2所示，虛線將整個電路劃分為三個部分，分別 為前蓋板等效電路、后蓋板等效電路和壓電陶瓷晶堆等效電路，其中，ZbL和ZfL分別是換能 器后、前兩端的負載阻抗，根據(jù)實際需要設定； (2)所述換能器的振動頻率方程為
[0112]
[0113] 前金屬蓋板輸入機械阻抗為
屬蓋板輸入機械阻抗為
撂的機械阻抗爻
[0114] 其中，
，.Zf = P2C2S2， k2= C〇/C2，C2是前金屬蓋板中的聲速，p2、E2、〇2分別是前金屬蓋板的密度、楊氏模量和泊松 系數(shù)，12和&是前金屬蓋板的厚度和橫截面的面積；
[0115] (3)由于換能器的負載很難確定，因此通常把換能器看成空載，即ZbL = ZfL = 0,若 忽略機械損耗和介電損耗，換能器的共振頻率方程為IZiliO;若考慮機械損耗，輸入電阻 抗為最小時，換能器的共振頻率方程為I Zi | = | Zi |min，通過換能器的振動頻率方程計算得到 換能器的具體尺寸；
[0116] (4)由于換能器的負載很難確定，因此通常把換能器看成空載，即ZbL = ZfL = 0,當 輸入電阻抗為無效大時，忽略損耗，換能器的反共振頻率方程為I Zi | = m ;當輸入電阻抗為 無效大時，考慮損耗，換能器的反共振頻率方程為I Zi | = | Zi | max，通過換能器的振動頻率方 程計算得到換能器的具體尺寸。
[0117] 在本實施例中，如圖3所示，通過下列方法得到換能器的尺寸：（1)首先對換能器的 頻率方程進行推導：截面AB為位移節(jié)面，位移節(jié)面AB將換能器分成兩個四分之一波長的振 子，即L f+12以及Lb+h均為振動波長的四分之一，每個四分之一波長的振子都是由壓電陶瓷 晶片及金屬蓋板組成，位移節(jié)面前與前金屬蓋板之間的壓電陶瓷進隊的長度記為L f，位移 節(jié)面后與后金屬蓋板之間的壓電陶瓷晶堆的長度記為Lb，若壓電陶瓷晶堆由P個厚度為1的 壓電陶瓷圓環(huán)組成，則有L f+Lb = Pl且1遠小于厚度振動的波長。位移波節(jié)前的四分之一波長 振子的共振方程為tan(k(3Lf )tan(k2l2) =Z〇/Zf，位移波節(jié)后的四分之一波長振子的共振方 程為〖311(1^1^)〖311(1^111)=2。/2￡，其中，2。是單個壓電陶瓷圓環(huán)的特性阻抗，11和12分別是 后、前金屬蓋板的厚度；（2)根據(jù)實際需要設定共振頻率，并通過得到的共振頻率方程得到 換能器具體尺寸。
[0118] 相關技術中，變幅桿作為連接換能器和工具頭的中間部件，一般采用螺紋連接，但 是由于螺紋連接存在間隙，振動傳輸過程中有能量損失，且高頻振動易造成螺紋疲勞失效。 [0119]所述換能器還包括外殼、設于外殼上表面的上端蓋、設于外殼下表面的下端蓋和 固定法蘭，所述外殼固定所述壓電陶瓷圓環(huán)、前金屬蓋板和后金屬蓋板，所述上端蓋包括固 定柱，所述固定柱設于上端蓋的中心軸位置并向上延伸至旋轉變壓器內(nèi)，且向下延伸至上 端蓋的下方，實現(xiàn)旋轉變壓器與換能器的連接。所述變幅桿向上延伸至換能器的內(nèi)部，且變 幅桿與固定柱之間設有連接件、上彈簧和下彈簧，所述上彈簧的上端連接固定柱的下端，所 述上彈簧的下端連接連接件，所述下彈簧的上端連接連接件，所述下彈簧的下端連接變幅 桿。所述連接件可以為鐵塊等。通過上彈簧、連接件和下彈簧實現(xiàn)變幅桿與換能器的一體 化，避免使用容易造成疲勞損耗的螺紋連接，工作時，向固定柱傳播的超聲振動被上彈簧、 下彈簧所吸收，減緩振動能量傳向固定柱，避免固定柱與旋轉變壓器之間的連接受到振動 損耗，最大化地將振動能量傳輸至變幅桿。
[0120] 所述固定法蘭的中心軸位置留有開孔，所述開孔的內(nèi)側沿其圓周方向設有包圍變 幅桿變截面部分的彈性橡膠圈。且所述固定法蘭的上表面間隔設有多個可伸縮結構，并通 過可伸縮結構連接所述下端蓋。調(diào)節(jié)不同的頻率時，通過可伸縮結構可使得所述固定法蘭 相對換能器上下運動，從而最大限度地保護并固定變幅桿的同時減少變幅桿振動頻率的傳 遞，提尚振動能量的利用率。
[0121] 在本實施例中，所述換能器的前金屬蓋板和后金屬蓋板的厚度均為20mm，壓電陶 瓷晶堆的厚度為15mm，前金屬蓋板、后金屬蓋板和壓電陶瓷晶堆的直徑均為39mm。
[0122] 在本實施例中，所述變幅桿是由鈦合金材料制成的，其超聲頻率為30KHz。
[0123] 在本實施例中，所述變幅桿的上端部分的端面直徑為25mm，其長度為10mm，下端部 分的端面直徑為l〇mm，其長度為30mm。所述變幅桿與工具頭為一體，所述工具頭的末端電鍍 或燒結金剛砂磨料。
[0124] 利用形狀因數(shù)#比較所述變幅桿所能達到最大振幅，形狀因數(shù)#表達式如下：
[0125] ^
[0126]其中，A _=f^，pC為僅與材料有關的變幅桿的材料機械阻抗。
[0127] 通過ANSYS諧響應分析可以獲得A值，經(jīng)計算，所述變幅桿的A值為0.326 X 10_12m/ Pa，設計固有頻率和面積因數(shù)與所述變幅桿相同的階梯型變幅桿，計算得到A值為0.090X 10-12m/Pa。
[0128] 實施例五
[0129] 本發(fā)明的裝置，如圖1所示，包括框架、旋轉變壓器、換能器、變幅桿和工具頭。所述 換能器上方的兩側設置旋轉變壓器。
[0130] 相較于指數(shù)形狀、圓錐形狀、懸鏈線形狀等的變幅桿，階梯型變幅桿放大系數(shù)最 大，但是應力分布集中，容易斷裂，工作安全性較差。所述變幅桿采用階梯型，包括上端部 分、變截面部分和下端部分，所述上端部分直接連接換能器的底面，所述下端部分直接連接 工具頭。所述變截面的形狀根據(jù)下列公式計算：
其中，P(x)為變幅桿的橫截面面積函數(shù)，k為圓波數(shù)，D(x)為輪廓半徑函數(shù)，Do為上端部 分的半徑，Po為上端部分與變截面部分連接處的橫截面面積，Pi為下端部分與變截面部分連 接處的橫截面面積。
[0131] 下端部分的長度根據(jù)下列公式計算
[0132] 于變幅桿上增加變截面部分可有利于將作用于節(jié)面上的應力均勻分散，減少變幅 桿斷裂的可能性。
[0133] 所述換能器包括前金屬蓋板、后金屬蓋板以及厚度方向極化的壓電陶瓷圓環(huán)。偶 數(shù)個所述壓電陶瓷圓環(huán)共軸連接形成壓電陶瓷晶堆，壓電陶瓷晶堆中相鄰兩個壓電陶瓷圓 環(huán)極化方向相反，偶數(shù)個壓電陶瓷圓環(huán)連接可使得前金屬蓋板、后金屬蓋板與同一極性的 電極連接，同時可與電路的接地端連接，避免前金屬蓋板、后金屬蓋板與壓電陶瓷晶堆之間 絕緣墊圈的設置。相鄰兩個壓電陶瓷圓環(huán)間還設有金屬電極，金屬電極的厚度為0.02-0.2mm〇
[0134] 根據(jù)實際需要設定換能器的共振頻率，通過下列公式得到換能器的幾何尺寸：
[0135] (1)所述換能器的等效電路圖如圖2所示，虛線將整個電路劃分為三個部分，分別 為前蓋板等效電路、后蓋板等效電路和壓電陶瓷晶堆等效電路，其中，Z bL和ZfL分別是換能 器后、前兩端的負載阻抗，根據(jù)實際需要設定；
[0136] (2)所述換能器的振動頻率方程為
[0137]
[0138] 前金屬蓋板輸入機械阻抗為
，后金屬蓋板輸入機械阻抗為
器的機械阻抗：
[0139] 其中
Zf = P2C2S2 ? k2= C〇/C2，C2是前金屬蓋板中的聲速，p2、E2、〇2分別是前金屬蓋板的密度、楊氏模量和泊松 系數(shù)，12和&是前金屬蓋板的厚度和橫截面的面積；
[0140] (3)由于換能器的負載很難確定，因此通常把換能器看成空載，即ZbL = ZfL = 0,若 忽略機械損耗和介電損耗，換能器的共振頻率方程為IZiliO;若考慮機械損耗，輸入電阻 抗為最小時，換能器的共振頻率方程為I Zi | = | Zi |min，通過換能器的振動頻率方程計算得到 換能器的具體尺寸；
[0141] (4)由于換能器的負載很難確定，因此通常把換能器看成空載，即ZbL = ZfL = 0,當 輸入電阻抗為無效大時，忽略損耗，換能器的反共振頻率方程為I Zi | = m;當輸入電阻抗為 無效大時，考慮損耗，換能器的反共振頻率方程為I Zi | = | Zi | max，通過換能器的振動頻率方 程計算得到換能器的具體尺寸。
[0142] 在本實施例中，如圖3所示，通過下列方法得到換能器的尺寸：（1)首先對換能器的 頻率方程進行推導：截面AB為位移節(jié)面，位移節(jié)面AB將換能器分成兩個四分之一波長的振 子，即L f+12以及Lb+h均為振動波長的四分之一，每個四分之一波長的振子都是由壓電陶瓷 晶片及金屬蓋板組成，位移節(jié)面前與前金屬蓋板之間的壓電陶瓷進隊的長度記為L f，位移 節(jié)面后與后金屬蓋板之間的壓電陶瓷晶堆的長度記為Lb，若壓電陶瓷晶堆由P個厚度為1的 壓電陶瓷圓環(huán)組成，則有L f+Lb = pl且1遠小于厚度振動的波長。位移波節(jié)前的四分之一波長 振子的共振方程為tan(k(3Lf )tan(k2l2) =Z〇/Zf，位移波節(jié)后的四分之一波長振子的共振方 程為〖311(1^1^)〖311(1^111)=2。/2￡，其中，2。是單個壓電陶瓷圓環(huán)的特性阻抗，11和12分別是 后、前金屬蓋板的厚度；（2)根據(jù)實際需要設定共振頻率，并通過得到的共振頻率方程得到 換能器具體尺寸。
[0143] 相關技術中，變幅桿作為連接換能器和工具頭的中間部件，一般采用螺紋連接，但 是由于螺紋連接存在間隙，振動傳輸過程中有能量損失，且高頻振動易造成螺紋疲勞失效。
[0144] 所述換能器還包括外殼、設于外殼上表面的上端蓋、設于外殼下表面的下端蓋和 固定法蘭，所述外殼固定所述壓電陶瓷圓環(huán)、前金屬蓋板和后金屬蓋板，所述上端蓋包括固 定柱，所述固定柱設于上端蓋的中心軸位置并向上延伸至旋轉變壓器內(nèi)，且向下延伸至上 端蓋的下方，實現(xiàn)旋轉變壓器與換能器的連接。所述變幅桿向上延伸至換能器的內(nèi)部，且變 幅桿與固定柱之間設有連接件、上彈簧和下彈簧，所述上彈簧的上端連接固定柱的下端，所 述上彈簧的下端連接連接件，所述下彈簧的上端連接連接件，所述下彈簧的下端連接變幅 桿。所述連接件可以為鐵塊等。通過上彈簧、連接件和下彈簧實現(xiàn)變幅桿與換能器的一體 化，避免使用容易造成疲勞損耗的螺紋連接，工作時，向固定柱傳播的超聲振動被上彈簧、 下彈簧所吸收，減緩振動能量傳向固定柱，避免固定柱與旋轉變壓器之間的連接受到振動 損耗，最大化地將振動能量傳輸至變幅桿。
[0145] 所述固定法蘭的中心軸位置留有開孔，所述開孔的內(nèi)側沿其圓周方向設有包圍變 幅桿變截面部分的彈性橡膠圈。且所述固定法蘭的上表面間隔設有多個可伸縮結構，并通 過可伸縮結構連接所述下端蓋。調(diào)節(jié)不同的頻率時，通過可伸縮結構可使得所述固定法蘭 相對換能器上下運動，從而最大限度地保護并固定變幅桿的同時減少變幅桿振動頻率的傳 遞，提尚振動能量的利用率。
[0146] 在本實施例中，所述換能器的前金屬蓋板和后金屬蓋板的厚度均為17mm，壓電陶 瓷晶堆的厚度為12mm，前金屬蓋板、后金屬蓋板和壓電陶瓷晶堆的直徑均為35mm。
[0147] 在本實施例中，所述變幅桿是由鈦合金材料制成的，其超聲頻率為30KHz。
[0148] 在本實施例中，所述變幅桿的上端部分的端面直徑為40mm，其長度為25mm，下端部 分的端面直徑為21mm，其長度為40mm。所述變幅桿與工具頭為一體，所述工具頭的末端電鍍 或燒結金剛砂磨料。
[0149] 利用形狀因數(shù)變比較所述變幅桿所能達到最大振幅，形狀因數(shù)譽達式如下：
[0150] 穸二為〇€，
[0151 ]其中，i 為僅與材料有關的變幅桿的材料機械阻抗。
[0152] 通過ANSYS諧響應分析可以獲得A值，經(jīng)計算，所述變幅桿的A值為0.402 X 10_12m/ Pa，設計固有頻率和面積因數(shù)與所述變幅桿相同的階梯型變幅桿，計算得到A值為0.090X 10-12m/Pa。
[0153] 最后應當說明的是，以上實施例僅用以說明本發(fā)明的技術方案，而非對本發(fā)明保 護范圍的限制，盡管參照較佳實施例對本發(fā)明作了詳細地說明，本領域的普通技術人員應 當理解，可以對本發(fā)明的技術方案進行修改或者等同替換，而不脫離本發(fā)明技術方案的實 質和范圍。
【主權項】
1. 一種齒輪鍛造加工用裝置，其特征在于，包括預鍛模組件和精鍛模組件;精鍛模組件 包括用于鍛造行星齒輪球面的精鍛凹模，和用于鍛造行星齒輪齒形的精鍛齒模;精鍛凹模 外側套設精鍛凹模應力圈，兩者過盈配合;精鍛齒模外側套設精鍛齒模應力圈，兩者構成過 盈配合;所述精鍛齒模中心設置通孔，通孔內(nèi)裝有精鍛頂沖，兩者構成滑動配合;所述的精 鍛凹模上設置與待加工油槽形狀、位置吻合的凸起;凸起有多個，并由精鍛凹模(21)中心均 勻向外發(fā)散。2. 根據(jù)權利要求1所述的一種齒輪鍛造加工用裝置，其特征在于，預鍛模組件包括用于 鍛造行星齒輪球面的預鍛凹模，和用于鍛造行星齒輪齒形的預鍛齒模;預鍛凹模外側套設 預鍛凹模應力圈，兩者過盈配合;預鍛齒模外側套設預鍛齒模應力圈，兩者構成過盈配合； 所述預鍛齒模中心設置通孔，通孔內(nèi)裝有預鍛頂沖，兩者構成滑動配合。3. 根據(jù)權利要求2所述的一種齒輪鍛造加工用裝置，其特征在于，所述的兩凹模與對應 的凹模應力圈的接觸面呈頂部朝下的圓錐面;所述兩齒模與對應的齒模應力圈的接觸面呈 頂部朝上的圓錐面;所述兩凹模應力圈外側面上部分別設置上凸沿，所述兩齒模應力圈的 外側面下部分別設置下凸沿。4. 根據(jù)權利要求3所述的一種齒輪鍛造加工用裝置，其特征在于，，包括框架、旋轉變壓 器、換能器、變幅桿和工具頭;所述換能器上方的兩側設置旋轉變壓器，所述變幅桿包括上 端部分、變截面部分和下端部分，所述上端部分直接連接換能器的底面，所述下端部分直接 連接工具頭，所述變截面的形狀根據(jù)下列公式計算：其中，P(x)為變幅桿的橫截面面積函數(shù)，k為圓波數(shù)，D(x)為輪廓半徑函數(shù)，Do 為上端部分的半徑，Po為上端部分與變截面部分連接處的橫截面面積，朽為下端部分與變截 面部分連接處的橫截面面積，下端部分的長度根據(jù)下列公式計算：％所述換能 器包括前金屬蓋板、后金屬蓋板以及厚度方向極化的壓電陶瓷圓環(huán)，偶數(shù)個所述壓電陶瓷 圓環(huán)共軸連接形成壓電陶瓷晶堆，壓電陶瓷晶堆中相鄰兩個壓電陶瓷圓環(huán)極化方向相反； 根據(jù)實際需要設定換能器的共振頻率后通過下列公式得到換能器的幾何尺寸： (1) 所述換能器的等效電路圖，虛線將整個電路劃分為三個部分，分別為前蓋板等效電 路、后蓋板等效電路和壓電陶瓷晶堆等效電路，其中，Z bL和ZfL分別是換能器后、前兩端的負 載阻抗，根據(jù)實際需要設定； (2) 所述換能器的振動頻率方程為前金屬蓋板輸入機械阻抗為后金屬蓋板輸入機械阻抗為.'V ，，'V ·.>'_能器的機械阻抗^其中，Zf = P2C2S2，k2 = w/c2，C2是前金屬蓋板中的聲速，Ρ2、Ε2、σ2分別是前金屬蓋板的密度、楊氏模量和泊松系數(shù)， h和&是前金屬蓋板的厚度和橫截面的面積； (3) 由于換能器的負載很難確定，因此通常把換能器看成空載，即ZbL = ZfL = 0,若忽略機 械損耗和介電損耗，換能器的共振頻率方程為|Zi 1=0;若考慮機械損耗，輸入電阻抗為最 小時，換能器的共振頻率方程為I Zi | = | Zi | _，通過換能器的振動頻率方程計算得到換能器 的具體尺寸； (4) 由于換能器的負載很難確定，因此通常把換能器看成空載，即ZbL = ZfL = 0，當輸入電 阻抗為無效大時，忽略損耗，換能器的反共振頻率方程為I Zi | = m;當輸入電阻抗為無效大 時，考慮損耗，換能器的反共振頻率方程為|Zi| = IZikx，通過換能器的振動頻率方程計算 得到換能器的具體尺寸； 所述換能器還包括外殼、設于外殼上表面的上端蓋、設于外殼下表面的下端蓋和固定 法蘭，所述外殼固定所述壓電陶瓷圓環(huán)、前金屬蓋板和后金屬蓋板，所述上端蓋包括固定 柱，所述固定柱設于上端蓋的中心軸位置并向上延伸至旋轉變壓器內(nèi)，且向下延伸至上端 蓋的下方，所述變幅桿向上延伸至換能器的內(nèi)部，且變幅桿與固定柱之間設有連接件、上彈 簧和下彈簧，所述上彈簧的上端連接固定柱的下端，所述上彈簧的下端連接連接件，所述下 彈簧的上端連接連接件，所述下彈簧的下端連接變幅桿。5. 根據(jù)權利要求4所述的一種齒輪鍛造加工用裝置，其特征在于，相鄰兩個壓電陶瓷圓 環(huán)間還設有金屬電極，金屬電極的厚度為0.02-0.2mm。6. 根據(jù)權利要求5所述的一種齒輪鍛造加工用裝置，其特征在于，根據(jù)實際需要設定換 能器的共振頻率后通過下列公式得到換能器的幾何尺寸：（1)首先對換能器的頻率方程進 行推導:截面AB為位移節(jié)面，位移節(jié)面AB將換能器分成兩個四分之一波長的振子，即L f+h以 及Lb+h均為振動波長的四分之一，每個四分之一波長的振子都是由壓電陶瓷晶片及金屬蓋 板組成，位移節(jié)面前與前金屬蓋板之間的壓電陶瓷進隊的長度記為L f，位移節(jié)面后與后金 屬蓋板之間的壓電陶瓷晶堆的長度記為U，若壓電陶瓷晶堆由P個厚度為1的壓電陶瓷圓環(huán) 組成，則有L f+Lb = Pl且1遠小于厚度振動的波長。位移波節(jié)前的四分之一波長振子的共振方 程為1&11(1^# &11(1?12)=2。/^，位移波節(jié)后的四分之一波長振子的共振方程為七&11(10^) tan(k山）=Ζ。/^，其中，Z〇是單個壓電陶瓷圓環(huán)的特性阻抗，ljPl2分別是后、前金屬蓋板 的厚度；（2)根據(jù)實際需要設定共振頻率，并通過得到的共振頻率方程得到換能器具體尺 寸。7. 根據(jù)權利要求6所述的一種齒輪鍛造加工用裝置，其特征在于，所述固定法蘭的中心 軸位置留有開孔，所述開孔的內(nèi)側沿其圓周方向設有包圍變幅桿變截面部分的彈性橡膠 圈。且所述固定法蘭的上表面間隔設有多個可伸縮結構，并通過可伸縮結構連接所述下端 蓋。
【文檔編號】B06B1/06GK105945203SQ201610551366
【公開日】2016年9月21日
【申請日】2016年7月11日
【發(fā)明人】不公告發(fā)明人
【申請人】楊林