高精度无心磨削成圆过程解析及其虚拟加工系统研究

发布时间：2017-04-13 17:08

  本文关键词：高精度无心磨削成圆过程解析及其虚拟加工系统研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：无心磨削作为零件回转表面的高效精密加工方法,在轴承和汽车等基础工业中具有无可替代的地位。随着相关行业设备运行精度和工作效率要求的不断提高,对无心磨削加工的工件精度和生产率亦提出愈来愈苛刻的要求。作为无心磨削的典型工件,精密轴承滚子(Φ15×20mm)加工后的圆度误差要求控制在0.1μm以下,加工效率达到350件/min。为实现上述目标,必须全面深入地分析无心磨削加工过程各主要环节,并以此为基础综合考虑各要素及其耦合关系对无心磨削加工过程进行集成研究。为此,本文在综合考察工件实时轮廓、磨削区域几何特征、机床配置参数和部件运动方式的基础上,对工件与磨削系统之间的交互作用过程进行运动学和动力学解析,建立高精度无心磨削加工过程的动力学模型,研究工件的成圆过程。并进一步通过机床与工件之间的动态交互作用机制进行虚拟机床、工件和材料去除过程的集成,从而实现无心磨削成圆过程和机床加工性能的高精度预测与分析。切入式无心磨削作为无心磨削加工的最基本方式,对其进行运动学和动力学分析是研究高精度无心磨削成圆过程的基础。本文通过对该过程机床配置参数即磨削角和托板倾角的分析,研究工件相对托板和导轮的运动误差对工件成圆的影响,并计算机床进给与工件成圆之间的运动学关系,进而得到基本的成圆方程。由于工件的非理想表面轮廓及其在加工中的实时变化对工件在磨削区域的运动影响显著,因此本文依据工件的时变位置和轮廓计算其与砂轮、托板和导轮动态交互作用过程中的误差运动和作用力,并综合考虑工件成圆过程中的接触-分离、表面滤波和材料去除约束等非线性环节,建立了高精度切入式无心磨削的动力学模型,实现工件表面成圆过程及其最终轮廓和圆度误差的预测。贯穿式无心磨削加工中,随着工件表面材料沿轴向逐渐被去除,不同截面的表面再生过程呈现各异的特征,并且由于无心磨削工件处于无装夹状态,导致成圆过程中工件在磨削区域的位置和姿态实时地变化,并与工件表面的再生过程相耦合。为了研究高精度贯穿式无心磨削成圆过程,本文应用齐次坐标变换法将砂轮、托板、导轮轮廓与工件的实时轮廓统一于参考坐标系下进行表征,从而准确高效地对工件与磨削区域的作用过程进行运动学分析。以此为基础在三维空间内分析工件与磨削区域的动态交互作用力和力矩,并进一步基于拉格朗日方程建立工件成圆过程的动力学模型,实现了工件成圆过程的高精度空间动态解析。无心磨削特有的工件支撑和驱动方式要求导轮在垂直面内设置倾转,并且需根据工件加工要求增加附加的水平摆动,导致其理想轮廓曲面更加复杂。为保证高精度加工中对工件的稳定支撑和驱动,降低工件轴线的平移和摆动误差,本文以导轮对工件提供理想线接触为要求,综合考虑机床配置参数、导轮调整参数和工件几何参数建立了导轮理想轮廓的数学模型。通过工件运动学分析,定量地解析理想导轮轮廓和常规导轮轮廓条件下导轮倾角和机床配置参数对工件平移运动误差和轴线摆动误差的作用规律,并探讨各项运动误差对高精度无心磨削成圆过程的影响。无心磨削成圆过程是机床磨削系统与工件动态交互作用下工件表面的再生过程。为实现成圆过程和机床加工性能的准确可靠预测,本文构建了高精度无心磨削虚拟加工系统。在分析虚拟系统的基本要求、构建策略及方法的基础上,通过在原始机床模型上读取并关联部件的运动学数据、结构的动力学参数和驱动控制特性构建了虚拟机床模型。并进一步通过分析无心磨削精度创成各相关要素间的交互作用机制,实现了集成虚拟机床、工件和动态成圆机制的高精度无心磨削虚拟仿真分析。高精度无心磨削加工过程的影响因素相对较多,各因素以不同的方式和规律对成圆过程产生影响。本文在分析磨削角和托板倾角对工件表面各次谐波误差成圆稳定性影响的基础上,选取合理的机床配置参数开展了加工实验,验证了高精度切入式和贯穿式无心磨削动态成圆模型的正确性和有效性。结果显示,本文所建立的模型可以有效地分析成圆过程并预测工件最终轮廓。以此为基础进一步分析了高精度无心磨削工件成圆的主要影响因素及其对圆度误差的作用规律,并提出了降低圆度误差的主要措施。
【关键词】：无心磨削 圆度误差 成圆过程 动力学 虚拟加工系统
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TG580.6
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-15
• 第1章 绪论15-29
• 1.1 课题背景、研究的目的和意义15-17
• 1.2 高精度无心磨削研究现状17-24
• 1.2.1 高精度切入式无心磨削研究现状17-22
• 1.2.2 高精度贯穿式无心磨削研究现状22-24
• 1.3 虚拟加工研究现状24-28
• 1.4 主要研究内容28-29
• 第2章 高精度切入式无心磨削运动学和动力学分析29-47
• 2.1 引言29
• 2.2 切入式无心磨削成圆机制29-34
• 2.2.1 切入式无心磨削的机床配置29-30
• 2.2.2 几何成圆机制30-32
• 2.2.3 静态成圆机制32-33
• 2.2.4 动态成圆机制33-34
• 2.3 成圆过程的运动学分析34-37
• 2.3.1 机床的进给运动34-36
• 2.3.2 工件表面轮廓对工件运动的影响36-37
• 2.4 高精度切入式无心磨削成圆过程动力学研究37-46
• 2.4.1 工件与磨削系统的交互作用37-39
• 2.4.2 局部变形的计算39-40
• 2.4.3 磨削力的计算40-42
• 2.4.4 高精度切入式无心磨削动力学模型42-46
• 2.4.5 工件表面的动态成圆方程46
• 2.5 本章小结46-47
• 第3章 高精度贯穿式无心磨削成圆的空间动态解析47-74
• 3.1 引言47
• 3.2 贯穿式无心磨削机床配置47-54
• 3.2.1 贯穿式无心磨削原理及其基本参数47-49
• 3.2.2 导轮的理想轮廓49-54
• 3.3 三维空间中工件运动的表征54-62
• 3.3.1 工件的旋转和轴向进给运动54-55
• 3.3.2 工件相对托板的运动55-58
• 3.3.3 工件在磨削区域的运动58-62
• 3.4 高精度贯穿式无心磨削空间动态成圆模型62-72
• 3.4.1 工件与磨削系统的动态交互作用62-70
• 3.4.2 高精度贯穿式无心磨削动力学模型70-72
• 3.4.3 工件表面的空间动态成圆方程72
• 3.5 本章小结72-74
• 第4章 高精度无心磨削虚拟加工系统的构建74-99
• 4.1 引言74
• 4.2 高精度无心磨削虚拟加工系统的主体框架74-85
• 4.2.1 高精度无心磨削虚拟加工的提出74-75
• 4.2.2 系统的基本要求和运行与集成策略75-79
• 4.2.3 数据提取与转换79-82
• 4.2.4 高精度无心磨削虚拟加工系统的运行82-83
• 4.2.5 虚拟加工数据的处理和输出83-85
• 4.3 虚拟无心磨床的构建85-91
• 4.3.1 进给系统的运动学建模86-87
• 4.3.2 磨削系统的动力学建模87-89
• 4.3.3 机床机械系统的刚柔关联建模方法与过程89-90
• 4.3.4 集成机床机械系统与电气系统的虚拟无心磨床的构建90-91
• 4.4 高精度无心磨削虚拟加工研究91-98
• 4.4.1 工件的成圆模型91-92
• 4.4.2 高精度无心磨削虚拟加工的实现92-93
• 4.4.3 高精度无心磨削虚拟加工系统运行稳定性验证93-95
• 4.4.4 高精度无心磨削虚拟加工系统的扩展95-98
• 4.5 本章小结98-99
• 第5章 高精度无心磨削成圆过程的实验研究99-125
• 5.1 引言99
• 5.2 机床配置参数的选取99-102
• 5.2.1 无心磨削的稳定性分析99-102
• 5.2.2 机床配置参数的选取和调整102
• 5.3 磨削系统动力学参数的实验辨识102-105
• 5.4 无心磨削成圆模型的实验验证105-114
• 5.4.1 切入式无心磨削成圆模型的实验验证105-109
• 5.4.2 贯穿式无心磨削成圆模型的实验验证109-114
• 5.5 高精度无心磨削加工圆度误差的主要影响因素及改进措施114-120
• 5.5.1 导轮轮廓对工件运动的影响114-116
• 5.5.2 砂轮和导轮轴系的刚度对圆度误差的影响116-118
• 5.5.3 磨削参数对圆度误差的影响118-119
• 5.5.4 机床结构布局对圆度误差的影响119-120
• 5.6 基于虚拟加工的高精度无心磨削加工过程分析及改进120-124
• 5.7 本章小结124-125
• 结论125-127
• 参考文献127-137
• 攻读博士学位期间发表的论文及其它成果137-139
• 致谢139-140
• 个人简历140-141
• 附录A 高精度虚拟加工系统主要MATLAB源程序141-150
• 附录B 无心磨削加工实验现场图片150-153

  本文关键词：高精度无心磨削成圆过程解析及其虚拟加工系统研究，由笔耕文化传播整理发布。

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本文编号：304059