异型轧辊数控车床切削进给系统的设计理论及其关键技术研究

论文摘要

轧辊是轧机的重要部件之一,是轧制作业的主要变形模具,其质量直接决定了轧制产品的质量。而异型轧辊属于非圆截面零件,由于其复杂的截面形状,较高的形位、尺寸精度,以及较差的加工工艺性,对加工设备的性能提出了更高的要求。如何提高复杂曲面异型轧辊的加工质量、加工效率,降低成本,已成为冶金机械领域中备受关注的难点和热点之一。本课题以异型轧辊数控专用车床设计开发中的关键技术为切入点,利用曲线拟合理论、机械运动学、动力学理论、优化方法及有限元方法等手段,较深入地研究了异型轧辊数控专用车床的进给系统的设计理论和关键技术。取得了以下主要创新性成果:1.对异型轧辊横截面外轮廓曲线进行了分析与拟合,给出了异型轧辊环状孔型曲线的解析式;依据孔型曲线的特性,提出了分段逼近的策略和逼近方法。2.提出了异型轧辊数控车床采用双径向进给系统,并对进给系统刀具的运动特性进行了分析,利用ADAMS软件对刀具的径向进给运动进行了仿真,确定了刀具径向进给参数。3.完成了进给系统与主轴系统的运动学匹配设计。并得出两点结论:一是在满足加工精度的前提下,应尽可能地降低主轴转速,使径向进给速度和加速度具有较大设计空间;二是刀具的进给速度和加速度较高时,径向进给系统必须具有较高的刚度、固有频率和合适的阻尼,且具有较小的运动惯量、时间常数和弹性变形。4.建立了进给系统的结构模型和动力学模型。进行了动态性能仿真,并具体分析了传动系统各结构参数对系统动态性能的影响,优化了相关结构参数,满足了实际生产的要求。本课题是针对异型轧辊的加工提出的,其研究成果对非圆类零件车削加工技术的研究同样具有参考价值和指导意义。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1-1 数控机床的应用和发展
• 1-1-1 数控机床的构成及应用
• 1-1-2 数控机床的发展趋势
• 1-2 数控机床的进给伺服系统
• 1-2-1 数控机床进给伺服系统的功能
• 1-2-2 数控机床进给伺服系统的构成
• 1-2-3 数控机床对进给伺服系统的要求
• 1-2-4 进给伺服系统的发展趋势及研究现状
• 1-3 本课题的研究背景
• 1-3-1 非圆截面零件的应用
• 1-3-2 非圆截面零件的车削加工方法
• 1-3-3 异型轧辊的应用及工艺要求
• 1-3-4 车削工艺及其在异型截面加工中的应用
• 1-4 本课题的研究内容及意义
• 1-5 本章小结
• 第二章 异型轧辊环状孔型曲线分析
• 2-1 异型轧辊环状孔型曲线拟合
• 2-1-1 异型轧辊环状孔型曲线加工工艺要求
• 2-1-2 异型轧辊横截面外廓曲线拟合
• 2-2 异型轧辊环状孔型曲线逼近
• 2-2-1 等间距直线逼近法
• 2-2-2 等步长直线逼近法
• 2-2-3 等误差直线逼近法
• 2-2-4 等误差圆弧逼近法
• 2-3 曲线逼近方法综合优选
• 2-4 本章小结
• 第三章 刀具径向进给运动特性分析及运动仿真
• 3-1 异型轧辊数控车床刀具径向进给运动特性分析
• 3-1-1 刀具径向进给运动分析
• 3-1-2 刀具径向进给运动特性
• 3-2 刀具径向进给运动仿真及进给参数求解
• 3-2-1 机械系统仿真软件ADAMS
• 3-2-2 刀具径向进给运动仿真
• 3-2-3 仿真结果分析
• 3-3 本章小结
• 第四章 异型轧辊数控车床进给传动系统的动力学建模
• 4-1 机床的动力分析及动态设计
• 4-2 机床进给系统结构参数对其动态性能的影响
• 4-3 机床的动力学建模及结构模型的简化
• 4-4 异型轧辊数控车床进给传动系统的动力学建模
• 4-4-1 U 向进给传动系统动力学建模
• 4-4-2 X 向进给传动系统动力学建模
• 4-5 本章小结
• 第五章 数控车床进给系统动态性能分析及仿真
• 5-1 机械系统的动态性能分析
• 5-1-1 机械系统的时域响应分析
• 5-1-2 时域响应分析中的性能指标
• 5-1-3 机械系统的频率特性分析
• 5-1-4 频率特性分析中的性能指标
• 5-1-5 机械系统的稳定性分析
• 5-1-6 稳定性分析中的性能指标
• 5-1-7 数控机床进给系统动态性能分析中的干扰信号
• 5-2 U 向、X 向进给传动系统的状态空间模型
• 5-2-1 U 向进给传动系统的状态空间模型
• 5-2-2 X 向进给传动系统的状态空间模型
• 5-3 数控车床进给系统动态性能仿真及结果分析
• 5-3-1 U 向进给系统动态性能仿真
• 5-3-2 U 向进给系统结构参数改变时的动态性能仿真
• 5-3-3 X 向进给系统动态性能仿真
• 5-3-4 X 向进给系统结构参数改变时的动态性能仿真
• 5-4 本章小结
• 第六章 数控车床进给传动系统结构参数的优化
• 6-1 机械优化设计方法
• 6-1-1 优化问题的建模
• 6-1-2 优化问题的求解
• 6-2 U 向进给传动系统优化数学模型的建立
• 6-2-1 U 向进给传动系统的设计变量
• 6-2-2 U 向进给传动系统的目标函数
• 6-2-3 U 向进给传动系统的约束条件
• 6-2-4 U 向进给传动系统的优化目标函数求解
• 6-3 X 向进给传动系统优化数学模型的建立
• 6-3-1 X 向进给传动系统的设计变量
• 6-3-2 X 向进给传动系统的目标函数
• 6-3-3 X 向进给传动系统的约束条件
• 6-3-4 X 向进给传动系统的优化目标函数求解
• 6-4 进给传动系统优化前后动态性能的比较
• 6-4-1 U 向进给传动系统优化前后的动态性能比较
• 6-4-2 X 向进给传动系统优化前后的动态性能比较
• 6-5 提高进给系统结构参数的具体措施
• 6-6 本章小结
• 第七章 车刀几何参数设计
• 7-1 刀具种类选取
• 7-2 刀片设计
• 7-2-1 刀片外形的选择
• 7-2-2 车刀角度选取
• 7-3 加工过程中切削力计算
• 7-3-1 切削运动分析
• 7-3-2 切削力计算
• 7-4 刀柄几何参数设计
• 7-4-1 刀柄材料的选取
• 7-4-2 刀颈形状选取
• 7-4-3 刀柄尺寸的设计
• 7-5 基于有限元的车刀刚度验证及几何参数优化
• 7-5-1 有限元方法简介
• 7-5-2 问题描述
• 7-5-3 刀柄的优化设计
• 7-6 本章小结
• 第八章 车削部件受力分析及设计
• 8-1 刀架方案的提出
• 8-2 有限元算法建模与流程
• 8-2-1 有限元模拟建模相关数据
• 8-2-2 静态力学分析假设和量纲
• 8-2-3 有限元计算模型的前处理
• 8-2-4 有限元计算模型的后处理
• 8-3 有限元计算结果分析与方案选定
• 8-3-1 结果输出
• 8-3-2 结果分析
• 8-4 刀架方案的优化设计
• 8-4-1 初始方案分析
• 8-4-2 几何优化设计数学模型的建立
• 8-4-3 结构优化设计方案
• 8-5 本章小结
• 第九章 非线性载荷工况下车削部件力学分析
• 9-1 非线性问题概述
• 9-2 径向非线性动态切削量计算
• 9-3 时间序列计算
• 9-4 非线性切削力计算
• 9-5 非线性载荷加载
• 9-5-1 加载方案一：非线性载荷单分析步直接加载
• 9-5-2 加载方案二：非线性载荷两分析步过渡加载
• 9-5-3 加载特性分析
• 9-6 车削部件准静态力学分析
• 9-6-1 刀架应力分布分析
• 9-6-2 刀尖点位移分析
• 9-7 车削部件动态力学分析
• 9-7-1 刀尖点动态位移响应
• 9-7-2 刀尖点动态运动特性
• 9-7-3 刀架支反力动态响应
• 9-7-4 车削部件固有频率
• 9-8 本章小结
• 第十章 总结与展望
• 10-1 工作总结
• 10-2 问题与展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读博士学位期间取得的相关成果