轴对称回转曲面精密磨削加工技术研究

论文摘要

随着低碳绿色制造、量产化、低成本工业生产的需求,越来越多的零件采用近净塑性成型的模具加工,模具技术水平已经成为衡量一个国家制造加工工业水平的重要标志。模具曲面如轮胎模具胎侧板曲面、灯具模芯曲面等其形状精度和表面精度都直接影响产品的性能,传统的精车、研磨及抛光加工方法已无法满足加工效率和产品性能的要求。针对轴对称回转曲面精密加工需求,研究曲面圆弧包络磨削加工技术突破现有工艺,实现轴对称回转曲面的高效率和高精度加工在工程领域具有重要意义。本文通过对轮胎模具胎侧板曲面、灯具模芯成形曲面等形状结构特点的分析,针对轴对称回转曲面精密加工技术的需求,发展了曲面圆弧包络磨削工艺方法,研制了用于生产的轮胎模具胎侧板大型轴对称回转曲面磨削的数控磨床和用于曲面圆弧包络磨削工艺研究的曲面数控磨削装置,开展了曲面圆弧包络磨削工艺的系统性研究。分析了曲面圆弧包络磨削的特殊性,通过分析曲面磨削的成形过程,建立了圆弧轨迹包络磨削过程中砂轮与工件干涉的几何模型。通过对曲面圆弧包络磨削过程中磨削点移动距离的分析,建立了有效移动距离与砂轮截面圆弧半径和工件曲率半径的关系,优化分析曲面圆弧包络磨削加工过程中磨削点在砂轮表面上具有最大的移动量以提高砂轮耐磨性。提出根据工件上任意一点处的切线斜率以及砂轮圆弧半径值计算工件曲面的等距面并求出曲面上任意一点处对应的砂轮中心位置的计算方法,为曲面圆弧包络磨削加工方法的实际应用提供了理论依据。理论建模分析了工艺参数对曲面圆弧包络磨削过程中加工表面理论残留高度的影响,发现表面理论残留高度值与工件的转速成反比、与砂轮进给速度成正比关系,基于对被加工曲面曲率计算通过调整磨削进给速度的变化可以保证曲面理论残留高度均匀性,提出了等残留高度法以及等去除率法磨削加工原理。实验研究结果表明,采用恒速磨削时,给定曲面上理论残留高度波动率30.7%,实际磨削后的表面粗糙度的变动率为35.06%,两者基本吻合。采用恒残留高度法变速磨削的表面粗糙度波动率为11.33%,下降幅度超过三分之二,效果明显,有效提高了回转曲面上不同曲率处的表面粗糙度均匀性。采用金刚石滚轮数控修整可以得到较高的圆弧砂轮形状精度以及较好的砂轮表面形貌,对于直径Φ400mm、截面圆弧半径R28的砂轮修整后的砂轮圆弧半径约有0.01mm左右的误差。针对实验中砂轮的不均匀磨损问题,理论分析了砂轮圆弧截面上单位宽度磨粒的材料去除量和接触时间的关系,通过使单位宽度磨粒的接触时间相同的方式提出针对砂轮均匀磨损的变进给速度磨削控制方法,结果可以有效提高砂轮形状精度约25%。建立了曲面圆弧包络磨削过程中砂轮圆弧面与工件曲面的接触状态模型,研究分析砂轮的磨耗过程,提出了实现砂轮均匀磨损的工艺方法。根据曲面圆弧包络磨削过程中工件和砂轮的接触变形等导致的工件形状误差分布,提出曲面磨削加工过程工件材料恒去除量原理,在分析工件曲率半径以及和砂轮圆弧中心进给速度关系的基础上,采用分段磨削方法通过分段变速的磨削方式可降低50%的工件形状误差,同时还可改善粗糙度均匀性问题。研究曲面圆弧包络磨削过程中磨削力特性及其影响因素,通过对各分力的时域以及磨削力比分析,深入研究了曲面圆弧包络磨削力在整个曲面磨削过程中的分布特征,在曲面圆弧包络磨削过程中Fy力成为主磨削力,不但磨削力值最大变化幅度也最大。曲面圆弧包络磨削过程由于砂轮与工件接触面积较小、磨削力值相对较小,在所实验的范围内磨削力在5-55N之间,研究了曲面不同曲率处磨削力分布,首次系统性揭示了曲面圆弧包络磨削力分布的规律性。研制了用于轮胎模具胎侧板加工的大型轴对称回转曲面数控磨床（最大磨削工件直径Φ1250mm）和曲面磨削加工实验装置。针对轮胎模具胎侧板大型回转曲面精密加工要求,研制了回转台双主轴曲面数控磨床,采用圆弧包络磨削方法实现轮胎模具胎侧板曲面磨削抛光一体化加工,可以大幅提高成型曲面形状精度同时降低其表面粗糙度,显著提高加工效率和精度。基于外圆磨床改造完成一台曲面数控磨削实验装置,开发了金刚石滚轮数控砂轮修整器,搭建了曲面磨削力采集分析系统,用于曲面圆弧包络磨削工艺的研究。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• CONTENTS
• 第一章 绪论
• 1.1 本课题的研究背景与意义
• 1.2 曲面磨削国内外研究现状
• 1.2.1 曲面磨削方式
• 1.2.2 国内外曲面先进磨削技术及工艺的发展
• 1.2.3 砂轮精密修整技术
• 1.2.4 成型砂轮形状精度检测技术
• 1.2.5 曲面形状误差补偿技术
• 1.3 大型轴回转曲面磨削有待解决的关键问题
• 1.4 本论文主要研究内容
• 第二章 轴对称回转曲面磨削成型原理
• 2.1 引言
• 2.2 曲面圆弧砂轮包络磨削法
• 2.2.1 轴对称回转曲面轨迹包络磨削原理
• 2.2.2 曲面轨迹包络磨削过程建模分析
• 2.3 工件等距包络面方程的计算
• 2.4 曲面数控磨削实验装置研制
• 2.5 实验测试分析仪器
• 2.6 本章小结
• 第三章 曲面圆弧包络磨削表面粗糙度特性研究
• 3.1 曲面圆弧包络磨削加工表面形成机理
• 3.1.1 曲面圆弧包络磨削加工砂轮进给残留高度Rr
• 3.1.2 等残留高度法
• 3.1.3 曲面圆弧包络磨削表面磨粒划痕高度Rh
• 3.2 曲面圆弧包络磨削加工表面粗糙度特征
• 3.3 主要工艺参数对曲面圆弧包络磨削表面粗糙度影响
• 3.3.1 修整参数对表面粗糙度的影响
• 3.3.2 磨削工艺参数对表面粗糙度的影响
• 3.4 本章小结
• 第四章 砂轮形状精度及磨损对曲面精度的影响
• 4.1 前言
• 4.2 圆弧砂轮数控包络修整法
• 4.3 圆弧砂轮修整精度分析
• 4.3.1 砂轮形状误差分析方法
• 4.3.2 修整参数对砂轮形状精度的影响
• 4.4 磨削工艺参数对圆弧砂轮形状精度的影响
• 4.5 圆弧砂轮磨损均匀性
• 4.6 工件形状精度及等去除量磨削
• 4.6.1 回转曲面类等去除量磨削
• 4.6.2 板类曲面零件的恒磨除量磨削
• 4.7 本章小结
• 第五章 曲面圆弧包络磨削的磨削力特性研究
• 5.1 引言
• 5.2 磨削力测量及其数据处理
• 5.3 实验结果及分析
• 5.3.1 磨削参数对磨削力的影响
• 5.3.2 砂轮磨损对磨削力的影响
• 5.4 砂轮耐用度的确定
• 5.5 本章小结
• 第六章 轴对称回转曲面数控磨床研制
• 6.1 轴对称回转曲面数控磨床设计方案
• 6.2 磨削过程中的干涉检查
• 6.3 包络砂轮圆弧截面参数的影响及其优化分析
• 6.4 机床整体布局分析
• 6.4.1 工件台结构方案
• 6.4.2 砂轮磨头的支撑结构
• 6.4.3 砂轮修整器
• 6.4.4 床身的结构方案分析
• 6.5 轴对称回转曲面数控磨床的主要参数
• 6.6 本章小结
• 主要结论与展望
• 一. 结论
• 二. 展望
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的论文
• 致谢