无心外圆磨削特性的有限元建模与数值模拟

论文摘要

无心外圆磨削作为一种获得高精度、低粗糙的精加工工艺方法,在机械制造领域占有重要地位。无心磨削系统中的动态特性和热特性对工件加工精度均有很大影响,所以深入研究结构的动态特性和热特性是提高加工性能的关键。本课题是无锡光洋机械工业株式会社无心磨床成圆过程模拟项目的一个子课题,结合国内外磨削技术发展现状,进行了以下几方面研究。首先从简化的单个磨粒的切削状态入手,建立了外圆三阶段横向磨削的切向和法向磨削力理论模型,通过Matlab6.5仿真,获得了磨削力仿真曲线,依据实验数据对经验常数q进行修正,使仿真结果与实验数据趋于一致,表明本文所建理论模型的合理性与可行性。在此基础上,得到了工件稳态运动时整个无心外圆磨削系统动力学分析及仿真结果,为后面有限元分析的力载荷模型奠定基础。运用三维软件Pro/E建立了砂轮架系统模型,并将CAD模型转成有限元模型,通过定义系统热载荷和边界条件,获得了砂轮架稳态和瞬态温度分布,采用间接热结构耦合法对砂轮架系统进行热变形分析,结果表明:砂轮架主轴从左至右变形逐渐减小,且最大变形发生在上端盖前端部分。为改善磨削工件的加工精度指明了方向。分别建立了导轮架和托板的Pro/E模型和ANSYS有限元模型,通过对它们进行瞬态动力学分析,得到了系统的等效位移场、应变场和应力场分布等值线图,以及导轮架和托板在整个磨削过程中随时间的变形图,并根据变形原理提出了减小托板变形的几点建议。最后,通过比较发现,导轮架系统变形对工件加工精度的影响相对较小。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 无心外圆磨削的特点
• 1.3 国内外磨削特性研究的发展现状
• 1.3.1 磨削特性研究的发展现状
• 1.3.2 国外磨削特性的研究现状
• 1.3.3 国内磨削特性的研究现状
• 1.4 本课题的研究意义和目标
• 1.5 本文主要研究内容
• 第二章 无心外圆磨削系统力学模型建立及仿真
• 2.1 外圆横向磨削力模型的建立
• 2.1.1 磨削力的意义及研究现状
• 2.1.2 外圆三阶段横向磨削力的理论推导
• 2.1.3 外圆三阶段横向磨削力的计算机仿真
• 2.1.4 外圆三阶段横向磨削力模型验证
• 2.2 稳态无心外圆磨削力的计算机仿真
• 2.3 工件稳态运动下的磨削系统力学分析
• 2.4 稳态无心外圆磨削系统力学的计算机仿真
• 2.5 本章小结
• 第三章 基于ANSYS 的结构变形和热变形分析理论基础
• 3.1 ANSYS 软件分析处理模块
• 3.2 结构变形分析基础理论
• 3.2.1 结构分析类型
• 3.2.2 静力分析过程
• 3.2.3 瞬态动力学分析过程
• 3.3 热分析基础理论
• 3.3.1 热传递的概念与理论
• 3.3.2 热分析前处理
• 3.3.3 稳态传热
• 3.3.4 瞬态传热
• 3.4 热结构耦合分析方法
• 3.4.1 直接耦合方法
• 3.4.2 间接耦合方法
• 3.5 本章小结
• 第四章 无心外圆磨床砂轮架系统热变形分析
• 4.1 砂轮架系统三维CAD 模型
• 4.2 Pro/E 与 ANSYS 模型的转化
• 4.3 砂轮架系统有限元模型
• 4.3.1 导入的砂轮架ANSYS 模型
• 4.3.2 砂轮主轴系统
• 4.3.3 单元类型和材料属性
• 4.3.4 热载荷和边界条件的定义
• 4.4 砂轮架系统温度场分析
• 4.4.1 砂轮架热分析的求解
• 4.4.2 砂轮架稳态热分析
• 4.4.3 砂轮架瞬态热分析
• 4.5 砂轮架系统热变形分析
• 4.6 本章小结
• 第五章 无心外圆磨床导轮架和托板变形分析
• 5.1 磨床导轮架结构变形分析
• 5.1.1 导轮基础内容简介
• 5.1.2 导轮架三维CAD 建模
• 5.1.3 导轮架有限元模型
• 5.1.4 导轮架结构变形分析
• 5.2 托板变形分析
• 5.2.1 托板几何参数简介
• 5.2.2 托板的受力分析
• 5.2.3 托板CAD 建模和有限元模型
• 5.2.4 托板的结构变形比较
• 5.2.5 托板的瞬态动力学分析
• 5.2.6 减少托板变形的建议
• 5.2.7 磨削系统变形结果分析
• 5.3 本章小结
• 第六章 结论与展望
• 6.1 结论
• 6.2 问题与展望
• 6.2.1 存在的问题
• 6.2.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文清单