高精度無心磨削成圓過程解析及其虛擬加工系統研究.pdf

1、無心磨削作為零件回轉表面的高效精密加工方法，在軸承和汽車等基礎工業(yè)中具有無可替代的地位。隨著相關行業(yè)設備運行精度和工作效率要求的不斷提高，對無心磨削加工的工件精度和生產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，加工效率達到350件/min。為實現上述目標，必須全面深入地分析無心磨削加工過程各主要環(huán)節(jié)，并以此為基礎綜合考慮各要素及其耦合關系對無心磨削加工過程

2、進行集成研究。
　　為此，本文在綜合考察工件實時輪廓、磨削區(qū)域幾何特征、機床配置參數和部件運動方式的基礎上，對工件與磨削系統之間的交互作用過程進行運動學和動力學解析，建立高精度無心磨削加工過程的動力學模型，研究工件的成圓過程。并進一步通過機床與工件之間的動態(tài)交互作用機制進行虛擬機床、工件和材料去除過程的集成，從而實現無心磨削成圓過程和機床加工性能的高精度預測與分析。
　　切入式無心磨削作為無心磨削加工的最基本方式，對其進行運

3、動學和動力學分析是研究高精度無心磨削成圓過程的基礎。本文通過對該過程機床配置參數即磨削角和托板傾角的分析，研究工件相對托板和導輪的運動誤差對工件成圓的影響，并計算機床進給與工件成圓之間的運動學關系，進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時變化對工件在磨削區(qū)域的運動影響顯著，因此本文依據工件的時變位置和輪廓計算其與砂輪、托板和導輪動態(tài)交互作用過程中的誤差運動和作用力，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力學模型，實現工件表面成圓過程及其最終輪廓和圓度誤差的預測。
　　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各異的特征，并且由于無心磨削工件處于無裝夾狀態(tài)，導致成圓過程中工件在磨削區(qū)域的位置和姿態(tài)實時地變化，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，本文應用齊次坐標變換法將砂輪、托板、導輪輪廓與工件的實時輪廓

5、統一于參考坐標系下進行表征，從而準確高效地對工件與磨削區(qū)域的作用過程進行運動學分析。以此為基礎在三維空間內分析工件與磨削區(qū)域的動態(tài)交互作用力和力矩，并進一步基于拉格朗日方程建立工件成圓過程的動力學模型，實現了工件成圓過程的高精度空間動態(tài)解析。
　　無心磨削特有的工件支撐和驅動方式要求導輪在垂直面內設置傾轉，并且需根據工件加工要求增加附加的水平擺動，導致其理想輪廓曲面更加復雜。為保證高精度加工中對工件的穩(wěn)定支撐和驅動，降低工件軸線的

6、平移和擺動誤差，本文以導輪對工件提供理想線接觸為要求，綜合考慮機床配置參數、導輪調整參數和工件幾何參數建立了導輪理想輪廓的數學模型。通過工件運動學分析，定量地解析理想導輪輪廓和常規(guī)導輪輪廓條件下導輪傾角和機床配置參數對工件平移運動誤差和軸線擺動誤差的作用規(guī)律，并探討各項運動誤差對高精度無心磨削成圓過程的影響。
　　無心磨削成圓過程是機床磨削系統與工件動態(tài)交互作用下工件表面的再生過程。為實現成圓過程和機床加工性能的準確可靠預測，本文

7、構建了高精度無心磨削虛擬加工系統。在分析虛擬系統的基本要求、構建策略及方法的基礎上，通過在原始機床模型上讀取并關聯部件的運動學數據、結構的動力學參數和驅動控制特性構建了虛擬機床模型。并進一步通過分析無心磨削精度創(chuàng)成各相關要素間的交互作用機制，實現了集成虛擬機床、工件和動態(tài)成圓機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較多，各因素以不同的方式和規(guī)律對成圓過程產生影響。本文在分析磨削角和托板傾角對工件