新型钢球砂带磨削技术的研究

论文摘要

钢球作为球轴承的关键部件,其磨削质量的优劣直接影响到球轴承的工作性能。本课题从钢球光磨工艺中遇到的问题出发,提出了改善钢球磨削均匀性和磨削效率的新型钢球砂带磨削工艺,并对此工艺展开了一系列的理论研究和仿真试验,研究结果为生产实际提供了理论依据。课题首先研究了传统光球工艺机理,提出了砂带磨削具体方案并最终选择了旋转阻尼盘砂带磨削方案,在该方案下设计了简易的砂带磨床并进行了相关部件的设计。为了研究单个钢球磨削运动规律,将钢球视为刚体,运用高等动力学中的相关知识建立了钢球磨削模型,描述了钢球在磨削时的一般运动,分析了钢球在某一瞬时的受力状态,采用质心运动定理和动量矩定理推导出以钢球质心位置和欧拉角为广义变量的钢球磨削运动微分方程,用坐标变换的方法导出了磨削迹线方程。随着虚拟仿真技术的不断成熟,采用ADAMS动力学分析软件对砂带磨削单个钢球的功能模型进行仿真试验,得出了自转角速度、钢球姿态角随时间的变化曲线,绘制了钢球表面的磨削迹线,证明新工艺在磨削均匀性上优于传统工艺。仿真还得出砂带线速度和阻尼盘转速的变化对钢球自转角速度的影响,为合理选择砂带线速度和阻尼盘转速提供了依据。在探讨磨削机理的时候,分析了磨粒在砂带表面的分布及磨削过程,建立了单个磨粒的圆锥体模型,基于该模型推导出了整个钢球受到的磨削力。提出了磨削效率评价方法,分析了磨削效率影响因素。此外,还对磨削热的来源和组成、砂带磨损形式和寿命进行了研究,提出了延长砂带寿命的措施。最后,从微观角度对钢球磨削过程进行简化,建立了微观磨粒磨削钢球的模型,借助有限元分析软件Deform-2D对磨削过程进行了数值模拟,研究了钢球表面微屑的形成和折断机理。通过仿真试验,获得了磨粒磨削过程中磨削力的变化趋势及钢球内部的应力场、应变场、节点位移和速度、主应力及温度场的分布云图。改变磨粒前角分别进行仿真实验,得出了不同磨粒前角下的钢球成屑过程,磨削力大小,磨削区温度场分布,分析了前角对以上各指标的影响,深入研究了钢球磨削微观机理。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 课题来源
• 1.2 课题的意义
• 1.3 课题的准备
• 1.3.1 国外钢球加工技术现状
• 1.3.2 我国钢球磨削技术发展
• 1.3.3 现有光球设备简介
• 1.3.4 砂带磨削方案的引出
• 1.4 课题的研究内容和方法
• 第二章 砂带磨削方案设计
• 2.1 现有光球工艺研究
• 2.1.1 光球加工原理
• 2.1.2 钢球在沟槽中的运动
• 2.1.3 光球加工存在的问题
• 2.2 砂带磨削方案的提出
• 2.2.1 砂带磨削方式分类及选择
• 2.2.2 砂带磨削具体方案
• 2.2.3 方案选择及可行性分析
• 2.3 砂带磨床结构设计
• 2.3.1 机床总体布局及传动方式
• 2.3.2 自动输料系统
• 2.3.3 砂带磨头结构
• 2.4 磨床部件的设计及其校核
• 2.4.1 电机的选择
• 2.4.2 磨头功能部件基本参数设计
• 2.4.3 V 带的选择计算及其校核
• 2.4.4 张紧弹簧的选择及其校核
• 2.5 本章小结
• 第三章 砂带磨削动力学研究
• 3.1 刚体动力学基础
• 3.1.1 刚体一般运动的描述
• 3.1.2 刚体一般运动的微分方程
• 3.2 钢球磨削动力学分析
• 3.2.1 磨削模型的建立
• 3.2.2 钢球受力分析
• 3.2.3 钢球运动微分方程
• 3.3 钢球表面磨削迹线方程
• 3.4 本章小结
• 第四章 基于ADAMS 的钢球磨削动力学分析
• 4.1 ADAMS 软件简介
• 4.2 动力学模型的建立
• 4.3 动力学仿真结果
• 4.3.1 钢球自转角速度随时间的变化曲线
• 4.3.2 钢球姿态角随时间的变化曲线
• 4.3.3 钢球表面磨削迹线分布
• 4.3.4 砂带线速度对钢球角速度的影响
• 4.3.5 阻尼盘转速对钢球自转角速度的影响
• 4.4 本章小结
• 第五章 砂带磨削机理研究
• 5.1 磨粒切刃的形状及分布
• 5.2 磨削过程分析
• 5.3 磨削力的推导
• 5.4 磨削效率
• 5.4.1 磨削效率的评价
• 5.4.2 磨削效率影响因素
• 5.5 磨削温度分析
• 5.6 砂带磨损分析
• 5.6.1 砂带磨损形式
• 5.6.2 砂带的使用寿命
• 5.7 本章小结
• 第六章 微观磨粒磨削数值模拟
• 6.1 磨削过程简化
• 6.2 磨粒磨削过程的前处理
• 6.2.1 几何模型的建立
• 6.2.2 有限元模型的生成
• 6.2.3 材料参数设定
• 6.2.4 网格重划分设置
• 6.2.5 接触摩擦的设定
• 6.2.6 热传导控制
• 6.2.7 运动参数设定
• 6.2.8 边界条件设定
• 6.2.9 模拟控制设定
• 6.3 仿真结果分析
• 6.3.1 磨削力分析
• 6.3.2 切屑形成过程
• 6.3.3 等效应力分析
• 6.3.4 等效应变分析
• 6.3.5 节点位移和节点速度
• 6.3.6 主应力分析
• 6.3.7 工件和磨粒温度分布
• 6.3.8 不同前角下的仿真结果
• 6.4 本章小结
• 第七章 总结与展望
• 7.1 研究总结
• 7.2 课题创新点
• 7.3 课题不足
• 7.4 课题展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录：作者在攻读硕士学位期间发表的论文