具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

参照图1至图2，本发明实施例的一种超声辅助冷摆碾压成型圆锥齿轮的装置，包括底座500、下模具600和超声振动变幅杆。

底座500具有开口朝上的容纳腔510；下模具600固定安装于底座500上端面，用于装夹工件700；超声振动变幅杆安装于容纳腔510内，超声振动变幅杆包括沿一竖直轴线101依次同轴设置的定位段100、第一振动安装段200和振动变换输出段300，定位段100与底座500相连且周向定位，第一振动安装段200安装有第一压电致动器211，振动变换输出段300上安装有第二压电致动器302，且第一压电致动器211与第二压电致动器302产生的超声振动进行叠加；振动变换输出段300与工件接触，用于将超声振动传递给工件700。利用超声振动变幅杆上的第一压电致动器211和第二压电致动器302产生的超声振动并进行叠加后，产生振动能量更大的超声振动给工件，满足加工需求。

参照图2和图3，第一振动安装段200设有第一压电致动器安装槽210，第一压电致动器安装槽210用于安装第一压电致动器211，第一压电致动器211可通过紧固件安装于第一压电致动器安装槽210内；第二压电致动器302可通过紧固件安装于第二压电致动器安装槽301内。通过安装槽实现定位安装，提高安装精度，使得安装更快捷。

在本发明的一些实施例中，底座500包括嵌入容纳腔510内的基座400，基座400与容纳腔510形状适配且底部与容纳腔相抵以实现位置固定，定位段100与基座400相连且周向定位，以此实现与底座500的周向固定，此处周向固定的含义是定位段100不能绕轴线101自由旋转，避免其受扭矩后旋转，将扭转振动卸去，保证扭转振动最大限度传递给工件。

在本发明的一些实施例中，振动变换输出段300包括依次设置的第一中间段310、第二中间段320和振动输出段330，第一中间段310、第二中间段320和振动输出段330沿轴线101同轴设置，第一中间段310相比第二中间段更靠近定位段100，即第一中间段310、第二中间段320和振动输出段330从下往上依次设置。第一中间段310和第二中间段320之间设有第二压电致动器安装槽301，第二压电致动器安装槽301用于安装第二压电致动器302，第二中间段320上设有相对轴线101倾斜的通槽321。为了结构对称，通槽321通常绕轴向均匀环绕排列有多个，通常是环绕排列四个。第一压电致动器211与第二压电致动器302产生的超声振动进行叠加，振动叠加可产生能量更大的振动，并最终传递至振动输出段330，提高振动能量和振动效果，保证在有效的空间内实现较大振动，使得可以在较小的空间内安装超声振动装置，满足高能量振动的超声振动辅助加工。再加上倾斜的通槽321可产生扭转和轴向的复合振动，产生如图4所示的谐振，可降低成型压力，提高工件表面的切削质量。

在本发明的一些实施例中，定位段100与第一振动安装段200之间设有同轴的第一连接段110，定位段100为正六棱锥台，第一连接段110为正六棱柱，定位段100与第一连接段110相接处的截面相同。使得超声振动变幅杆长度得到保证，且不需要定位段长度过长，减少加工切削量。

在本发明的进一步实施例中，第一振动安装段200朝向定位段100的侧面具有朝中心向内凹陷的锥面，降低压电致动器激励的振动向定位段100传递能量，使得大部分振动能量向振动输出段330传递，降低能量损耗。且锥面可以是一个圆锥面或者是一个多棱锥的锥面。由于锥面具有斜度，在轴线101轴向上的投影具有一段长度，第一连接段110的长度约为锥面在轴向上的投影的长度的1.5倍。

参照图2，第一振动安装段200的轮廓大于第一连接段110、第一中间段310、第二中间段320和振动输出段330，使得第一振动安装段200径向凸出。第一压电致动器安装槽210设于第一振动安装段200朝向定位段100的侧面，该侧面则是第一振动安装段200径向凸出形成的轴肩，以此形成供第一压电致动器211的安装位置。且第一压电致动器安装槽210离轴线的距离为第一振动安装段200轴向长度的2-4倍，振动输出段330用于与工件接触，第一压电致动器激励引起振动使得超声振动变幅杆产生轴向大载荷的振动。

在本发明的进一步的实施例中，基座400上表面设有开口朝上的空腔401，定位段100与空腔401底壁相连，以此减少设备的整体体积，实现空间的最大化利用。

在本发明的具体实施例中，第一振动安装段200径向凸出定位段100和振动变换输出段300；第一振动安装段200朝下的侧面设有第一限位槽220，另一侧面设有第二限位槽230，且第一限位槽220和第二限位槽230均设于超声振动变幅杆的振型节点处；第一限位槽220安装有第一连接件420，第一连接件420底端与空腔401相连，另一端嵌入第一限位槽220；第二限位槽230安装有第二连接件430，第二连接件430一端嵌装于第二限位槽230，另一端与空腔401周向侧壁相连。第二连接件430两端分别与第一振动安装段200和基座固定相连。为了实现第一连接件420和第二连接件430与基座的定位，空腔401底壁和侧壁均设有对应第一连接件420和第二连接件430的定位槽。通过第一限位槽220和第二限位槽230实现与两个连接件的定位相连，且实现基座与超声振动变幅杆的多位置定位相连，提高安装精度和安装稳定性，且在超声振动变幅杆受到轴向作用力时，第一连接件420和第二连接件430可产生一定的弹性变形，以适应轴向作用力。超声振动变幅杆的振型节点与第一限位槽220和第二限位槽230位置一致，振型节点处的振动为零，不会将振动通过第一连接件420和第二连接件430传递给基座，减少能量损耗。

在本发明的具体实施例中，定位段100与空腔401之间设有限位垫块410，空腔401底壁设有供限位垫块410底部部分嵌入的第一限位槽，限位垫块410嵌入第一限位槽实现周向限位；限位垫块410上表面设有供定位段100部分嵌入的第二限位槽，定位段100嵌入第二限位槽实现周向限位。定位段100呈正六棱锥台状，尖端朝外，用于限制超声振动变幅杆定位段处的扭转运动及一侧的轴向运动，提供超声振动变幅杆的轴向支撑力与扭矩。第二限位槽与定位段100匹配以供定位段100端部嵌入，实现周向限位，限制定位段100扭转。限位垫块410整体呈正八棱柱，第一限位槽与限位垫块410匹配，限位垫块410嵌入第一限位槽实现周向定位，限制限位垫块410扭转。定位段100与限位垫块410通过多边形的嵌合接触限制扭转，基座与限位垫块通过正八面体接触限制扭转，接触面更大，降低传递给基座400的扭转力，扭转力矩由定位段100传递给限位垫块，再传给基座。正六边形的外角度比正八边形大，限制扭转的能力比正八边形强。具体的，限位垫块由高硅铸铝合金与玻璃纤维复合而成，两个外层与中间层为玻璃纤维，外层与中间层之间为铸铝合金层。玻璃纤维具有含有较高的硅，且弹性变形能力强，在承受反复扭转时，具有较高的耐磨性，承受变形能力较强，使用寿命长。铸铝刚度相对较低，承受载荷时，能够发生变形，缓冲载荷。两层铸铝合金层被中间层隔开，铸铝合金层能够相对滑动，进一步增加了其变形能力与承受载荷能力。其复合层不同层的厚度与其刚度比例对应。

在本发明的一些实施例中，第二压电致动器安装槽301和第一压电致动器安装槽210均绕轴线101均匀环绕排列四个，且第二压电致动器安装槽301和第一压电致动器安装槽210具有45°的相位差。通过控制相位角度实现轴向振动叠加。如图5所示，四个第一压电致动器的位置角度依次为0°，90°，180°，270°。如图6所示，四个第二压电致动器的位置角度依次为45°，135°，225°，315°。

第一振动安装段200与第一中间段310之间设有同轴的第二连接段340，第二连接段340直径大于第一中间段310。具体的，第二连接段340为正六棱柱，长度与第一连接段110一致。

第二连接段340直径大于第一中间段310，第二连接段340与第一中间段310之间采用高斯曲线连接，且半径缩小0.2-0.25，主要用于在将超声振动达到很高的振动速度，满足在高效的粗加工、精加工各类圆柱齿轮时的高振动速度要求，使其在一定振动周期内具有更快的振动速度。

第一中间段310和第二中间段320均为正六棱柱，且长度均与第二连接段340一致。通槽长度与第二中间段320一致，通槽的倾斜角度为60°，即通槽与轴线101的夹角为60°，增加其承受大载荷的能力。通槽宽度约为长度的0.1倍，使通槽在第一压电致动器和第二压电致动器的作用下，产生扭转与轴向振动，使得齿轮各个方向具有超声振动，降低各个方向成型的压力，促进齿轮成型，降低成型压力。此处正多棱柱的直径是指正多棱柱横截面的外接圆直径。

另外，振动输出段330长度与第二中间段320一致，为正六棱锥台，其锥度为1：13，用于与工件接触，工件设有与振动输出段330端部适配的槽，用来传递高频扭转与轴向振动给工件。

超声振动变幅杆的直径变化连接处，均采用最佳圆弧过渡。圆弧过渡的半径由连接处相邻两段横截面的尺寸及振动放大系数决定。

在本发明的一些实施例中，基座400上端面低于底座500上端面，基座400上端面设有平衡垫块440，平衡垫块440与底座500上端面平齐且与下模具600底面的部分接触。平衡垫块用于调整整个装置内由于安装或加工误差造成的水平误差，其中与工件或下模具接触面为水平。平衡垫块另外一面与超声振动装置基座接触，该面与基座上端截面一致，平衡垫块可适应基座的一定范围内的不平整，弥补基座的水平误差，确保成型中工件处于水平位置。平衡垫块由铜合金构成。铜合金具有合适的弹性与刚度，能够承受部分高频大载荷冲击力，进一步降低了振动的传递给超声振动装置。同时卡紧了超声振动装置。

本发明还提供一种超声辅助冷摆碾压快速成型圆锥齿轮的加工方法，采用上述任一实施例的超声辅助冷摆碾压快速成型圆锥齿轮的装置，上模具装夹工件，超声振动变幅杆给工件施加超声振动，再配合上模具800对工件进行加工。

上模具在成型设备驱动装置的作用下，沿着旋转轴线802旋转运动或者摆动，其旋转轴线802与上模具轴线801具有一定角度差，使得当上模具800旋转摆动时，上模具与工件的接触位置不断变化且冲击着工件，提供工件成型的压力，其压力由预紧力与冲击力构成。为保证工件被上模具冲击时，被超声振动激励，避免超声振动传递给工件时，工件未受到上模具冲击，保证超声振动的效果。上模具800冲击工件的时刻与超声振动传递至工件的时刻重合。

具体的，第一压电致动器211与第二压电致动器302的频率f、上模具800冲击频率N，第一压电致动器211产生的振动传递至第二压电致动器302处的路径行程L、第二压电致动器302产生的振动传递至工件处的路径行程L₁需满足如下关系式：

即m为包含0的正整数。且第一压电致动器211开始激励的时刻t₁、第二压电致动器302开始激励的时刻t₂、上模具第一次冲击工件的时刻t₃需要满足如下关系式：

t₃＝₂+t₂；

t₂＝₁+t；

其中c为超声振动在超声振动变幅杆上的传递速度。

Δt为第一压电致动器211与第二压电致动器302的开始激励的时间差。Δt₂为第二压电致动器302处的超声振动传递至工件的时间。n为包含0的正整数。且第一压电致动器211和第二压电致动器302的激励频率一致，均为f。通过满足上述公式，使得第一压电致动器211与第二压电致动器302的分别产生的振动能够叠加。通过超声振动变幅杆将振幅与速度放大，满足在冷摆碾压成型齿轮中大载荷，高频的要求。且超声振动激励工件的节奏与上模具冲击工件的节奏一致，使得上模具冲击工件时，工件受到超声振动的激励，实现超声振动辅助加工，保证超声振动辅助加工的效果。

设成型过程中，上模具的进给速度为fz，单位为毫米每分钟，mm/min,单位分钟内冲击工件N次。

则单次冲击时，上模具的进给量为单次振动间隔为

在圆锥齿轮成型过程中，圆锥齿轮在上模具压力下，向下运动，其位移量与圆锥齿轮齿根圆与齿顶圆半径之差，设为r，圆锥齿轮的锥度为α，则在整个圆锥齿轮成型过程中，下降高度h为

h＝sinα。

则工件向下运动的位移为h，而基座并未发生移动，则第一连接件420、第二连接件430、限位垫块在上模具的预紧力及冲击下发生弹性变形，超声振动变幅杆发生轴向弯曲变形，第一连接件420和第二连接件430轴向发生变形。上模具以h位移为标准开展进给运动，提供较大预紧力，能够使得第一连接件420和第二连接件430、限位垫块发生弹性变形，且随着加工深度逐次进行，第一连接件420和第二连接件430、限位垫块的变形量逐渐减少，直至工件成型后，压力卸载，恢复原来形状。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。