一种基于纳克能的齿轮表面超精密加工装置及方法

本发明涉及齿轮表面超精密加工，具体而言，尤其涉及一种基于纳克能的齿轮表面超精密加工装置及方法。

背景技术：

1、齿轮、丝杠类等传动零件具有效率高、传动平稳、传递载荷大等优点，在航天航空、工业装备、交通工具等领域应用广泛，需求量非常大。高表面质量的齿轮可以有效减少啮合传动过程中因轮齿变形和误差而引起的冲击，能有效地改善齿面的润滑状态，从而有利于减小附加动载荷，降低传动过程中的噪声，降低运行过程中造成的冲击损伤，避免齿面过早的破坏，可以提高齿轮的寿命及运行稳定性，从而进一步提高整个装置的稳定性及寿命。

2、齿轮精密加工的传统方法主要有剃齿、珩齿、磨齿和研齿等，这些方法都具有加工效率低，加工要求高等缺点。而且这些方法在加工的过程中会产生微米甚至纳米级的颗粒，使得废料基本不可能回收。这些传统方法为了避免加工热对齿轮等零件表面造成热损伤及降低刀具的磨损，会在加工过程中使用大量的切削液。而切削液中往往含有化学试剂，这些化学试剂的排放也对环境造成了破坏。

技术实现思路

1、根据上述提出的技术问题，而提供一种基于纳克能的齿轮表面超精密加工装置及方法，本发明利用多物理场(电磁场、力场)复合的方法实现齿轮类传动零件的绿色高效的超精密加工，本发明所涉及的纳克能主要为通过纳米磁性颗粒的高频冲击实现对零件表面的纳米尺度的加工。

2、本发明采用的技术手段如下：

3、一种基于纳克能的齿轮表面超精密加工装置，包括工作平台、运动模块和加工模块，所述运动模块的底部和加工模块的底部均安装在工作平台上，所述运动模块用于调整加工模块的高度，所述加工模块包括超声刀柄机构、模具、装夹机构和位置调整机构，待加工的工件与超声刀柄机构安装后能够放置在模具中，所述模具安装在装夹机构上，所述装夹机构设置在位置调整机构上，所述模具根据待加工零件的外形随形设计，所述模具中设置有纳米级的磁流变液，所述装夹机构为电磁铁，还包括有用于调节磁场的大小及方向，进而控制磁流变液中磁性颗粒的运动的变频器。

4、进一步地，所述工作平台为大理石材质。其高刚度保证装置运行过程中的稳定性。

5、进一步地，所述运动模块包括光轴导杆、丝杠、直线轴承、连接板、丝杠螺母、第一同步带轮、第二同步带轮、第二法兰轴承和第二电机，与第二电机同轴装配的第二法兰轴承的法兰边的下表面与工作平台的上表面相连，第二电机上同轴装配的第一同步带轮通过同步带传动到与丝杠同轴装配的第二同步带轮上，丝杠同轴装配有丝杠螺母，丝杠螺母的右侧面与连接板的左侧面相连，光轴导杆上同轴装配的直线轴承的右侧面也与连接板的左侧面相连，连接板的右侧面与加工模块的超声刀柄机构的支座左侧面相连。

6、进一步地，所述超声刀柄机构包括主轴、超声刀柄、支座和第一电机、第一法兰轴承、第三同步带轮、同步带、第三法兰轴承、第四法兰轴承、第四同步带轮，第一电机同轴装配的第一法兰轴承法兰边的下表面与支座的上表面相连，第一法兰轴承与支座上表面左侧的孔同轴装配，第一电机下端同轴装配的第四同步带轮通过同步带将动力传到第三同步带轮上带动主轴转动；主轴上端同轴装配的第四法兰轴承法兰边与支座的上表面相连，第四法兰轴承与支座上表面右侧的孔同轴配合，主轴与超声刀柄相连，超声刀柄上同轴装配的第三法兰轴承与支座下表面右侧的孔同轴装配，超声刀柄与待加工零件同轴装配。

7、进一步地，所述主轴与超声刀柄通过电磁感应传动。与直接供电相比，这样可以避免电线发生缠绕的情况。

8、进一步地，所述位置调整机构包括x向平台、y向平台，通过x向平台和y向平台的运动，调整模具的位置，所述x向平台和y向平台均带有锁紧功能，当模具运动到的合适的位置后，将x向平台和y向平台锁紧，避免加工过程平台的移动。

9、进一步地，所述装夹机构包括多爪卡盘，所述多爪卡盘安装在位置调整机构的上边上，多爪卡盘包括卡盘和多个卡爪，模具与卡盘同轴装配，利用多个卡爪卡盘夹紧。

10、进一步地，模具内侧壁与待加工零件外侧壁间隔0.1～2mm。

11、进一步地，所述磁流变液包括橄榄油、粒径分布为10～30nm且外边包覆六方氮化硼的镍球、油酸，其中橄榄油为基载液，六方氮化硼起磨削的作用，镍芯为磁敏颗粒且影响磁流变液的剪切性能，油酸为表面活性剂以防止磁敏颗粒的沉降。

12、本发明还公开了一种基于纳克能的齿轮表面超精密加工方法，其步骤如下：

13、s1:将待加工零件放入含有绿色环保的工业清洗剂中超声波清洗机中清洗，清洗过程中应充分搅拌清洗液，便于将待加工零件表面的污渍脱落；

14、s2:用无水乙醇清洗将待加工零件表面残留的工业清洗剂，清洗时间依据将待加工零件的表面积和数量确定，清洗结束后将待加工零件吹干；

15、s3:将将待加工零件装夹在超声刀柄机构上，将位置调整机构复位到原点，即将待加工零件表面的轴线与装夹机构的轴线共线；

16、s4:将模具装夹在装夹机构上，将待加工零件的下表面下降至距离模具上表面预设位置处；

17、s5:转动待加工零件，使得待加工零件下表面的纹路与模具上表面的空隙预对齐；

18、s6:将待加工零件继续下降，微调将待加工零件确保其下表面的纹路与模具上表面的空隙对齐；

19、s7:将待加工零件边旋转边下降待加工零件的高度h，下降过程中将待加工零件转动的角度为θ＝θ螺旋角/h；

20、s8:将磁流变液倒入模具中；

21、s9:给装夹机构通电，给超声刀柄供电，给变频器供电；

22、s10:控制与s7相反的步骤，让待加工零件上升；

23、s11:重复s7和s10多次，直到将待加工零件加工完成；

24、s12:给装夹机构断电，给超声刀柄断电，给变频器断电，拆卸待加工零件及模具；

25、s13:利用酒精清洗将待加工零件并吹干。

26、较现有技术相比，本发明具有以下优点：(1)该装置极大的提高了零件的超精密加工效率；(2)该装置所用材料更加绿色环保，解决传统加工的环境不友好问题；(3)该装置基于微米级粒子对零件表面的高频纳米级冲击和划刻极大的提高了零件的表面质量和加工效率，解决了传统豪克能技术只能单个毫米级工具改善零件表面的问题。

技术特征：

1.一种基于纳克能的齿轮表面超精密加工装置，其特征在于，包括工作平台、运动模块和加工模块，所述运动模块的底部和加工模块的底部均安装在工作平台上，所述运动模块用于调整加工模块的高度，所述加工模块包括超声刀柄机构、模具、装夹机构和位置调整机构，待加工的工件与超声刀柄机构安装后能够放置在模具中，所述模具安装在装夹机构上，所述装夹机构设置在位置调整机构上，所述模具根据待加工零件的外形随形设计，所述模具中设置有纳米级的磁流变液，所述装夹机构为电磁铁，还包括有用于调节磁场的大小及方向，进而控制磁流变液中磁性颗粒的运动的变频器。

2.根据权利要求1所述的基于纳克能的齿轮表面超精密加工装置，其特征在于，所述工作平台为大理石材质。

3.根据权利要求1所述的基于纳克能的齿轮表面超精密加工装置，其特征在于，所述运动模块包括光轴导杆、丝杠、直线轴承、连接板、丝杠螺母、第一同步带轮、第二同步带轮、第二法兰轴承和第二电机，与第二电机同轴装配的第二法兰轴承的法兰边的下表面与工作平台的上表面相连，第二电机上同轴装配的第一同步带轮通过同步带传动到与丝杠同轴装配的第二同步带轮上，丝杠同轴装配有丝杠螺母，丝杠螺母的右侧面与连接板的左侧面相连，光轴导杆上同轴装配的直线轴承的右侧面也与连接板的左侧面相连，连接板的右侧面与加工模块的超声刀柄机构的支座左侧面相连。

4.根据权利要求1所述的基于纳克能的齿轮表面超精密加工装置，其特征在于，所述超声刀柄机构包括主轴、超声刀柄、支座和第一电机、第一法兰轴承、第三同步带轮、同步带、第三法兰轴承、第四法兰轴承、第四同步带轮，第一电机同轴装配的第一法兰轴承法兰边的下表面与支座的上表面相连，第一法兰轴承与支座上表面左侧的孔同轴装配，第一电机下端同轴装配的第四同步带轮通过同步带将动力传到第三同步带轮上带动主轴转动；主轴上端同轴装配的第四法兰轴承法兰边与支座的上表面相连，第四法兰轴承与支座上表面右侧的孔同轴配合，主轴与超声刀柄相连，超声刀柄上同轴装配的第三法兰轴承与支座下表面右侧的孔同轴装配，超声刀柄与待加工零件同轴装配。

5.根据权利要求4所述的基于纳克能的齿轮表面超精密加工装置，其特征在于，所述主轴与超声刀柄通过电磁感应传动。

6.根据权利要求1所述的基于纳克能的齿轮表面超精密加工装置，其特征在于，所述位置调整机构包括x向平台、y向平台，通过x向平台和y向平台的运动，调整模具的位置，所述x向平台和y向平台均带有锁紧功能，当模具运动到的合适的位置后，将x向平台和y向平台锁紧，避免加工过程平台的移动。

7.根据权利要求1所述的基于纳克能的齿轮表面超精密加工装置，其特征在于，所述装夹机构包括多爪卡盘，所述多爪卡盘安装在位置调整机构的上边上，多爪卡盘包括卡盘和多个卡爪，模具与卡盘同轴装配，利用多个卡爪卡盘夹紧。

8.根据权利要求1所述的基于纳克能的齿轮表面超精密加工装置，其特征在于，模具内侧壁与待加工零件外侧壁间隔0.1～2mm。

9.根据权利要求1所述的基于纳克能的齿轮表面超精密加工装置，其特征在于，所述磁流变液包括橄榄油、粒径分布为10～30nm且外边包覆六方氮化硼的镍球、油酸，其中橄榄油为基载液，六方氮化硼起磨削的作用，镍芯为磁敏颗粒且影响磁流变液的剪切性能，油酸为表面活性剂以防止磁敏颗粒的沉降。

10.一种如权利要求1-9任意权利要求所述基于纳克能的齿轮表面超精密加工装置的加工方法，其特征在于，包括如下步骤：

技术总结
本发明涉及一种基于纳克能的齿轮表面超精密加工装置及方法。本发明包括工作平台、运动模块和加工模块，所述运动模块的底部和加工模块的底部均安装在工作平台上，所述运动模块用于调整加工模块的高度，所述加工模块包括超声刀柄机构、模具、装夹机构和位置调整机构，待加工的工件与超声刀柄机构安装后能够放置在模具中，所述模具安装在装夹机构上，所述装夹机构设置在位置调整机构上，所述模具根据待加工零件的外形随形设计，所述模具中设置有纳米级的磁流变液，所述装夹机构为电磁铁，还包括有用于调节磁场的大小及方向，进而控制磁流变液中磁性颗粒的运动的变频器。本发明极大的提高了零件的超精密加工效率，提高了零件的表面质量。

技术研发人员：张振宇,孟凡宁,李嘉新,周红秀,石春景,冯俊元,张瀚升
受保护的技术使用者：大连理工大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/22