磨削过程动态性能测试、解析模型构建及工艺优化方法研究

发布时间：2017-05-11 08:16

第一章 绪论

磨削工艺系统是磨床、刀具、夹具和工件的统一体，从动力学观点看，磨削工艺系统也是复杂的动态系统，其动态性能的优劣直接影响加工工件的质量[2]。由于磨削工艺系统涉及关联要素复杂多变，要素和要素之间存在大量复杂非线性耦合关系，各种关联要素间的相互作，极大影响了磨削工艺系统的稳定性，从而极大影响了磨削的质量与效率。目前相当一部分磨削加工工艺脱离具体机床工艺系统的动态性能，工艺设计理论模型、材料去除模型支持下输出工艺参数，或凭借技术人员的经验对加工参数进行选择，工艺参数设计或选择的科学依据不够，导致加工精度与表面质量很难稳定受控。显然，为了在确定工艺系统条件下，获得更好的更稳定的加工质量，必须考虑和研究工艺系统的动态性能对加工质量的作用和影响。根据工艺系统的动态性能，选择和设计优化的工艺参数，是保证精密零件加工质量及其加工质量稳定性的关键。由于工艺系统的动态性能是因机床而异的，研究和探索以工件加工精度、表面质量等为导向的多传感器检测技术，非常迫切。通过应用多传感器检测技术，可以定量考察不同机床加工工艺及其参数条件下，加工质量的演变规律，为加工工艺优化提供科学依据。
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第二章考虑磨削工艺动态性能的工艺优化方法研究

2.1 磨削质量的技术指标

高质量磨削是指经过磨削加工的产品可稳定的达到完备的技术指标及较高的等级。完备的技术指标包括加工精度和表面完整性两大方面。表面完整性是由美国金属切削研究协会在 1964 年召开的一次技术座谈会上首次提出的，表面完整性是工件表面某些典型偏差和缺陷的综合体现。工业加工的根本任务就是在特定条件下将工件转化为能完成特定功能的零件，而零件的表面质量是其中影响其使用性能的关键因素。为此，采用了一些特征量来衡量已加工零件的表面性能，包括表面粗糙度、硬化层深度和表面残余应力等[1]。若以表面特性为评价指标来衡量加工工艺的优劣，则应考虑一定的参照系。这些参照系可分为宏观水平（形状和尺寸精度）、微观水平（表面特性）、亚微观水平（材料结构与属性）和纳米水平（表面属性）。在评价表面质量时，如采用表面完整性的各个指标对加工工艺在四个水平上进行综合评价，则评价结果具有较高的可信度。表面粗糙度是衡量表面完整性的主要指标，除此之外，还涉及磨削表面波纹、振纹、残余应力、加工硬化层、磨削烧伤及微裂纹等相关的评价指标。高质量磨削的评价等级通常指 4 级或更高的加工精度、表面粗糙度数值达到 Ra0.2 和 Rz0.4 或更小、数值适当且均匀分布的残余压应力或符合要求的工件残变量、有无表面烧伤以及微裂纹等。

2.2 影响技术指标的因素分析

磨削机床、砂轮、工件的选择，加工工艺系统精度及稳定性及工艺参数的选择都会对工件质量的指标产生影响。在特定的磨削工艺系统约束下（机床、砂轮及工件）磨削工艺参数设计，就成为影响磨削动态性能的关键因素。为了实现高质、高效、低成本和节能环保的磨削过程，就必须解决以下几个关键问题。（1）基于外圆磨削机理，对影响工艺系统动态磨削力因素分析；（2）动态磨削力解析模型建立；（3）不同磨削工艺系统条件下，解析模型的修正；（4）基于特定磨削工艺系统动态性能的工艺参数设计准则；（5）基于特定工艺系统动态性能条件下的工艺参数优化。为了解决以上问题，必须找到磨削工艺系统过程的动态特性及质量稳定性的评估方法及机制。从而为进一步基于磨削工艺系统动态特性的工艺优化方法奠定基础。

第三章 高速外圆磨削时域动态磨削力解析模型构建 （TDFMD） ··············28

3.1 磨削行为的表征及其计算模型 ······28
3.2 基于单位时间的外圆切入磨削运动的动态未变形厚度计算模型········33
3.3 动态磨削力的影响因素及磨削力解析模型 ·····35
3.4 功率计算模型 ·····38
3.5 基于时域动态解析模型的磨削力仿真实验结果与分析············38
第四章 动态性能测试平台及关联要素测试方法研究·········50
4.1 磨削工艺系统动态性能测试 ········50
4.2 基于实际加工的磨削力检测结果与对比分析 ········60
4.3 基于改进功率谱算法（ MPSD）的动态性能检测·········63
4.4 局部均值分解与 Lempel-Ziv 相结合的磨削过程稳定性分析方法·······76
4.5 基于核聚类信号融合的磨削稳定区域图判别(SLD-KCF) ········83
第五章 考虑磨削工艺系统动态性能的磨削工艺优化模型（MOGPO）··········90
5.1 概述 ·····90
5.2 基于传感器融合检测修正的多目标磨削工艺优化模型····················91
5.3 考虑工艺系统动态性能的磨削质量预测模型(KPCA-MELM)············98
5.4 基于 Pareto 解集磨削过程工艺优化······104

第六章 工程应用案例及其效果分析

6.1 高速全陶瓷机床主轴的精密磨削案例及其效果分析

随着高速精密机床的发展，高速电主轴系统的精度、寿命的相关研究得到了广泛关注。由于工程陶瓷的耐高温、高强度、耐磨损、超硬度、抗腐蚀等优良性能，全陶瓷电主轴受到国内外高度关注。本文将以其中的全陶瓷主轴为例，根据其技术指标要求，开展全陶瓷主轴的精密磨削工艺、工艺参数，以及磨床的动态性能等的相关研究和工程实践。为了提高工程陶瓷磨削加工的表面质量，本节以难加工高速全陶瓷 ZrO₂为对象，通过对实际磨削的仿真和实验研究，验证优化结果的可行性与正确性。首先通过解析模型，探索砂轮速度的提高对改善磨削质量的作用，然后，通过磨削工艺系统在线检测平台，研究陶瓷材料磨削加工过程中不同砂轮速度对磨削工艺系统动态性能的影响，以及引起的表面质量的改变。最后，在上述解析和实验检测基础上，通过 Pareto 多目标优化，找到陶瓷磨削加工过程中保证加工质量的稳定工艺优化范围，为陶瓷加工工艺优化选择找出科学依据105, 118, 119]。本节对陶瓷材料磨削在不同工艺条件下的动态磨削力及表面质量进行工程验证，涉及以下工作：（1）使用解析模型对动态磨削力进行仿真，分析动态磨削力的变化对磨削加工质量的影响。

6.2 汽车轴类零件高效磨削的工程应用

汽车轴类零件是其动力系统中的重要零件，其质量直接限制着汽车传动系统的性能。随着汽车工业的发展，对轴类零件的加工精度、效率以及表面质量都提出了更高的要求。将高速磨削技术应用到汽车轴类零件加工中能使零件具备更高的加工效率以及更好的表面质量。本章针对汽车轴类零件典型材料开展高速磨削高效率高质量控制的实验与解析模型研究，系统地展开相关实验与应用分析，汽车轴类零件高效高质量磨削的工艺参数选择提供参考依据。

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第七章 结论与展望

磨削过程的动态特性是影响磨削加工表面质量的关键性因素，加工过程由于加工环境复杂，工件主轴跳动、砂轮磨损、砂轮主轴不平衡等任何一个微小因素的变化都会导致动态性能的改变，从而影响加工表面质量。本文结合多传感器在线检测技术和动态力解析建模的方法，开展高速磨削过程动态特性的研究，研究加工过程动态特性对磨削质量的影响。同时，，在上述研究的基础上，对磨削加工工艺进行优化设计，使磨削加工满足质量、效率、成本、绿色环保的要求。本文的主要工作和结论如下：（1）基于磨削过程不稳定的动态因素，对磨削加工过程开展解析模型研究。主要结论如下：综合研究、分析了磨削工艺参数、砂轮形貌、砂轮和工件主轴跳动等对磨削工艺系统动态特性的影响，构建磨削力时域动态解析模型，经过大量的仿真计算与分析，所形成的磨削规律与已有的磨削机理研究成果相符。 基于多传感器检测和融合处理获得的实际磨削工艺系统特性参数，对磨削力动态时域解析模型进行修正，使模型具有更好的实用性和普适性。实验与工程应用实例表明，高质量磨削不仅取决于工艺参数的优化设计，并且受到磨削工艺系统动态性能的很大制约。因此，开展综合考虑特定磨削工艺系统动态特性的磨削工艺优化方法研究，具有重要理论意义和实用价值。

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参考文献（略）

本文编号：356723