高精度無心磨削成圓過程解析及其虛擬加工系統(tǒng)研究.pdf

1、無心磨削作為零件回轉(zhuǎn)表面的高效精密加工方法，在軸承和汽車等基礎(chǔ)工業(yè)中具有無可替代的地位。隨著相關(guān)行業(yè)設(shè)備運(yùn)行精度和工作效率要求的不斷提高，對(duì)無心磨削加工的工件精度和生產(chǎn)率亦提出愈來愈苛刻的要求。作為無心磨削的典型工件，精密軸承滾子（Φ15×20mm）加工后的圓度誤差要求控制在0.1μm以下，加工效率達(dá)到350件/min。為實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)，必須全面深入地分析無心磨削加工過程各主要環(huán)節(jié)，并以此為基礎(chǔ)綜合考慮各要素及其耦合關(guān)系對(duì)無心磨削加工過程

2、進(jìn)行集成研究。
　　為此，本文在綜合考察工件實(shí)時(shí)輪廓、磨削區(qū)域幾何特征、機(jī)床配置參數(shù)和部件運(yùn)動(dòng)方式的基礎(chǔ)上，對(duì)工件與磨削系統(tǒng)之間的交互作用過程進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)解析，建立高精度無心磨削加工過程的動(dòng)力學(xué)模型，研究工件的成圓過程。并進(jìn)一步通過機(jī)床與工件之間的動(dòng)態(tài)交互作用機(jī)制進(jìn)行虛擬機(jī)床、工件和材料去除過程的集成，從而實(shí)現(xiàn)無心磨削成圓過程和機(jī)床加工性能的高精度預(yù)測(cè)與分析。
　　切入式無心磨削作為無心磨削加工的最基本方式，對(duì)其進(jìn)行運(yùn)

3、動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析是研究高精度無心磨削成圓過程的基礎(chǔ)。本文通過對(duì)該過程機(jī)床配置參數(shù)即磨削角和托板傾角的分析，研究工件相對(duì)托板和導(dǎo)輪的運(yùn)動(dòng)誤差對(duì)工件成圓的影響，并計(jì)算機(jī)床進(jìn)給與工件成圓之間的運(yùn)動(dòng)學(xué)關(guān)系，進(jìn)而得到基本的成圓方程。由于工件的非理想表面輪廓及其在加工中的實(shí)時(shí)變化對(duì)工件在磨削區(qū)域的運(yùn)動(dòng)影響顯著，因此本文依據(jù)工件的時(shí)變位置和輪廓計(jì)算其與砂輪、托板和導(dǎo)輪動(dòng)態(tài)交互作用過程中的誤差運(yùn)動(dòng)和作用力，并綜合考慮工件成圓過程中的接觸-分離、表面濾波

4、和材料去除約束等非線性環(huán)節(jié)，建立了高精度切入式無心磨削的動(dòng)力學(xué)模型，實(shí)現(xiàn)工件表面成圓過程及其最終輪廓和圓度誤差的預(yù)測(cè)。
　　貫穿式無心磨削加工中，隨著工件表面材料沿軸向逐漸被去除，不同截面的表面再生過程呈現(xiàn)各異的特征，并且由于無心磨削工件處于無裝夾狀態(tài)，導(dǎo)致成圓過程中工件在磨削區(qū)域的位置和姿態(tài)實(shí)時(shí)地變化，并與工件表面的再生過程相耦合。為了研究高精度貫穿式無心磨削成圓過程，本文應(yīng)用齊次坐標(biāo)變換法將砂輪、托板、導(dǎo)輪輪廓與工件的實(shí)時(shí)輪廓

5、統(tǒng)一于參考坐標(biāo)系下進(jìn)行表征，從而準(zhǔn)確高效地對(duì)工件與磨削區(qū)域的作用過程進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析。以此為基礎(chǔ)在三維空間內(nèi)分析工件與磨削區(qū)域的動(dòng)態(tài)交互作用力和力矩，并進(jìn)一步基于拉格朗日方程建立工件成圓過程的動(dòng)力學(xué)模型，實(shí)現(xiàn)了工件成圓過程的高精度空間動(dòng)態(tài)解析。
　　無心磨削特有的工件支撐和驅(qū)動(dòng)方式要求導(dǎo)輪在垂直面內(nèi)設(shè)置傾轉(zhuǎn)，并且需根據(jù)工件加工要求增加附加的水平擺動(dòng)，導(dǎo)致其理想輪廓曲面更加復(fù)雜。為保證高精度加工中對(duì)工件的穩(wěn)定支撐和驅(qū)動(dòng)，降低工件軸線的

6、平移和擺動(dòng)誤差，本文以導(dǎo)輪對(duì)工件提供理想線接觸為要求，綜合考慮機(jī)床配置參數(shù)、導(dǎo)輪調(diào)整參數(shù)和工件幾何參數(shù)建立了導(dǎo)輪理想輪廓的數(shù)學(xué)模型。通過工件運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，定量地解析理想導(dǎo)輪輪廓和常規(guī)導(dǎo)輪輪廓條件下導(dǎo)輪傾角和機(jī)床配置參數(shù)對(duì)工件平移運(yùn)動(dòng)誤差和軸線擺動(dòng)誤差的作用規(guī)律，并探討各項(xiàng)運(yùn)動(dòng)誤差對(duì)高精度無心磨削成圓過程的影響。
　　無心磨削成圓過程是機(jī)床磨削系統(tǒng)與工件動(dòng)態(tài)交互作用下工件表面的再生過程。為實(shí)現(xiàn)成圓過程和機(jī)床加工性能的準(zhǔn)確可靠預(yù)測(cè)，本文

7、構(gòu)建了高精度無心磨削虛擬加工系統(tǒng)。在分析虛擬系統(tǒng)的基本要求、構(gòu)建策略及方法的基礎(chǔ)上，通過在原始機(jī)床模型上讀取并關(guān)聯(lián)部件的運(yùn)動(dòng)學(xué)數(shù)據(jù)、結(jié)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)參數(shù)和驅(qū)動(dòng)控制特性構(gòu)建了虛擬機(jī)床模型。并進(jìn)一步通過分析無心磨削精度創(chuàng)成各相關(guān)要素間的交互作用機(jī)制，實(shí)現(xiàn)了集成虛擬機(jī)床、工件和動(dòng)態(tài)成圓機(jī)制的高精度無心磨削虛擬仿真分析。
　　高精度無心磨削加工過程的影響因素相對(duì)較多，各因素以不同的方式和規(guī)律對(duì)成圓過程產(chǎn)生影響。本文在分析磨削角和托板傾角對(duì)工件