陶瓷球研磨机加载装置及其控制系统的研究

论文摘要

由于先进陶瓷材料低密度、高硬度、高刚度、高耐磨损性和低热膨胀系数、高热稳定性和化学稳定、无磁等优良的综合性能,氮化硅等陶瓷球已被广泛地用于高速、高精度及特殊环境需求轴承的滚动体。加工载荷被认为是陶瓷球研磨最重要的加工参数,直接影响了陶瓷球研磨过程中的成球过程、加工效率以及加工质量。本文主要以氮化硅Si3N4陶瓷球为研究对象,探讨了加工载荷对加工过程的影响规律,并针对现有加载系统的局限性,开发了新型的加载装置及其控制系统。本文主要工作和取得的成果如下:1.为掌握不同加工载荷条对陶瓷球加工过程的影响,采用理论分析、实验研究、数值仿真的方法讨论了不同载荷条件陶瓷球成球过程、表面材料去除形式以及表面质量的影响。研究结果表明,采用较小的加工载荷,能够实现较好的尺寸选择性,从而提高球形误差的修正效果。当载荷较大或磨粒浓度较低时,材料主要以二体磨损的形式去除。反之材料主要以三体磨损的形式去除。当材料以二体形式去除时,材料去除率较高。陶瓷球表面材料主要是以材料的脆性裂纹的形式去除的。较小的研磨压力有利于获得较好的表面粗糙度,减少裂纹等表面损伤的产生。2.为实现高精度的加载要求,提出了一种步进电机驱动蜗轮蜗杆进行精确加压的装置,并针对课题组开发的双自转精密球体研磨加工设备,进行了新型加载装置的工程开发。加载系统采用步进电机通过涡轮蜗杆结构下压使加压弹簧变形产生压力,并通过压力传感器测定压力值。涡轮蜗杆减速箱具有自锁功能,从而保证上研磨盘的压力恒定。加载装置最大加载力为10kN,加载精度为5‰,最小加载力为50N。完全可以实现陶瓷球精加工的需要。3.进行新型加载方式控制系统设计。载荷控制方法选择为数字递推PID控制算式;加载控制器MCU采用Cygnal的C8051F单片机;选择110BYG步进电机;选择UCN5804B集成电路芯片作为电机驱动芯片;选择了加速度传感器和压力传感器。选择装配完成后的加载装置最大加载力为10kN,加载精度为5‰,最小加载力为50N。4.双自转研磨加工设备的新型加载方式对球坯进行了研磨实验,并与原加载研磨方式下毛坯研磨结果进行了比较。通过测量加工后球的球度、表面粗糙度等参数,毛坯球在新型加载方式下的球度、表面粗糙度都比原加载研磨方式下球体加工效果要好,两种加载方式下球体去除率相差不大。通过理论分析和实验验证,所设计的新型加载方式可实现高精度的加载要求,完全可以实现陶瓷球精加工中对载荷控制的需要。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 符号说明
• 第1章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 研磨成球方式的研究
• 1.2.2 加工载荷对陶瓷研磨的影响研究
• 1.2.3 加载方式及其控制方法的研究
• 1.3 研究意义与研究内容
• 第2章 加工载荷对球体研磨过程影响规律的研究
• 2.1 加工载荷对陶瓷球成球过程的影响
• 2.1.1 加载荷对陶瓷球球形误差修正过程的影响
• 2.1.2 加工载荷对陶瓷球球径一致化的影响
• 2.2 加工载荷对陶瓷球表面材料去除形式的影响
• 2.2.1 材料去除形式的分类
• 2.2.2 实验研究
• 2.3 加工载荷对球体表面质景的影响
• 2.3.1 实验条件
• 2.3.2 实验结果
• 2.4 本章小结
• 第3章 陶瓷球研磨设备新型加载装置的开发
• 3.1 传统加载方式的局限性
• 3.2 新型加载方式的基本原理
• 3.3 加载装置机械传动部分的设计与实现
• 3.3.1 蜗轮蜗杆升降装置的设计计算与选型
• 3.3.2 加压弹簧的设计计算与选型
• 3.4 本章小节
• 第4章 载荷控制系统的设计
• 4.1 载荷控制方法
• 4.1.1 模拟PID的控制原理
• 4.1.2 数字PID控制算法
• 4.2 载荷控制系统设计与实现
• 4.2.1 加载控制器
• 4.2.2 电机与驱动器选择
• 4.2.3 压力传感器
• 4.2.4 加速度传感器
• 4.2.5 载荷控制系统软件设计
• 4.3 新型加载方式的性能测试
• 4.4 本章小节
• 第5章 陶瓷球加工实验
• 5.1 实验设计与测量仪器
• 5.1.1 实验设计
• 5.1.2 测量仪器
• 5.2 实验结果及讨论
• 5.3 本章小节
• 第六章 结论与展望
• 6.1 研究总结
• 6.2 课题展望
• 参考文献
• 附录
• 致谢
• 攻读学位期间参加的科研项目和成果