基于加工轨迹均匀包络原理的高精度球加工方法研究

发布时间：2020-05-12 01:38

【摘要】：高精度球体是高端球轴承的关键元件,其几何精度、表面质量和批一致性直接影响轴承的运动性能、工作寿命以及设备的工作性能。针对高端轴承球形滚动体加工对高精度、高一致性的技术需求,本研究基于加工轨迹均匀包络原理,提出单转盘变曲率沟槽球体加工方法,使球体运动状态随沟槽曲率半径的变化而持续发生变化,实现球面轨迹全包络加工,保证高精度球体加工的高效率和高一致性。球面加工轨迹均匀包络是高精度球体成形的必要条件之一。本文重点针对变曲率沟槽研磨方法下的加工原理、沟槽结构几何参数对研磨均匀性的影响、成球机理研究与材料去除模型、设备研制等关键问题进行了研究。主要研究工作如下:基于纯滚动运动的假设条件,以几何运动学为理论基础,构建了几何运动学模型,计算了球体加工轨迹方程,研究了沟槽半角、偏心量、滚道极径、沟槽间距系数等结构几何参数对加工轨迹的影响,得到了优化的几何参数组合,通过MATLAB软件仿真显示在该加工方法下球体表面的加工轨迹能完整的包络整个球体,且加工轨迹形态呈多方向性,能保证球体的高精度加工。分析了球体成形的基本原理及加载系统对成球过程的影响。采用流体加载系统有利于提高放大系数,提高球体的加工效率。利用有限元软件分析仿真多球系统的受力情况,结合Preston方程,研究滑动与滚动对材料去除的影响,构建与修正变曲率沟槽加工方法下轴承钢材料去除模型,得出沟槽滚道极径的变化对去除率影响甚微,但有益于去除率波形收敛。通过有限元对多球系统进行力学仿真分析,研究沟槽盘不同区域内球体的整体受力情况,得到球体直径的应力分布情况,在精研阶段的球体加工必须避免直径大的球体的混入。研制了卧式变曲率沟槽球体加工设备,出球口的水平位置高于进球口,解决了球体堆积问题;同时增加球体加工路径长度在线监测系统,使得球体加工路径长度可控。对主轴的固有频率进行了有限元分析,并对主轴的绝对振动进行了试验测试和分析,验证该主轴设计在工作转速范围内可有效避免共振的发生;主轴的绝对振动强度较小,对机床加工精度无影响。基于自主研发的单转盘变曲率沟槽卧式研球机,进行了精研阶段球体加工的单因素工艺实验,依据正交实验对影响球体加工的工艺参数优化研究,再进行超精研和抛光,加工后直径变动量为0.08μm,球形误差达到0.078μm,表面粗糙度为10nm,达到了G3级球的标准。研究结果证明,本文提出的基于加工轨迹均匀性包络原理的单转盘变曲率沟槽研磨方法实现了球体加工方式的高精度和高一致性,适用于高精度球体高效批量加工的新方法,对提升我国高端轴承制造水平,促进高端装备制造业的自主发展,具有重要的理论意义和工程应用价值。
【图文】：

第 1 章 绪论因此，实现高效高一致性的高精度球加工技术是解决高端机械基础部件发展瓶突破点[17-20]。深入研究高精度球的加工技术和装备，实现高效、高一致性加工批合格率，对提升我国高端轴承制造水平，，促进高端装备制造业的自主发展具理论意义和工程应用价值。

(a) 立式 (b) 卧式图 1-2 同心圆 V 形槽球体加工方式的基本原理等[35]采用该方式研究了 Si3N4陶瓷球的加工工艺，建立了在各研磨阶段磨料度值、表面质量和材料去除率的关系，实验得到球度达到 0.062μm 以下，表a 达到 1.48nm 以下的高精度球。张永乾等梳理了当前陶瓷球加工的难点，比瓷球加工方法，设计了合理的加工工序及工艺参数，加工得到表面粗糙度为形误差 0.08μm 的球体[36]。张京军等[37]基于对卧式球体加工装置下钢球的动立其研磨运动方程，研究得出盘径变化与迹线间距的关系，从而改善钢球表的均匀性。李国广等[38]利用球-盘弹性接触理论建立起磨削力与磨削深度之型，通过理论分析与数值模拟为提高钢球的研磨精度提供依据。接触轨迹
【学位授予单位】：浙江工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TH133.3

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本文编号：2659414