高精度球体加工机床加压系统研究

论文摘要

高精度球体是制造高精度轴承的关键零部件之一,广泛应用于精密机床设备和检测设备中。加工载荷是球体加工中最重要的加工参数之一,对球体表面质量和球形误差等有着重要影响,而传统球体加工机床加压系统普遍采用液压加压系统,无法实现载荷的精确控制,对最终成球质量造成一定影响。为解决传统机床加压系统无法精确控制载荷的问题,本文提出了一种新型机械加压系统,采用两组弹簧分段加压的方式实现了载荷的精确控制:并进一步分析其加压误差来源,优化结构设计,使其满足理论所需的加压精度要求。为确定加压系统对加压精度的需求,通过建立双自转研磨方式下球体运动学、力学模型,得到球体做无打滑研磨运动条件下单球所需的最小载荷公式,并测试了油基条件下球体表面摩擦磨损特性,分析得到加压系统所需的加压精度为0.86%FS(满量程百分比)。为满足加压系统加压精度需求,开发了一套采用步进电机驱动,两组弹簧分段加压的新型机械加压系统;并通过建立新型加压系统力学模型并结合测量结果,对加压系统误差来源进行了分析,发现静摩擦力引起的误差是加压精度误差的主要来源,球体振动引起的误差是加工前期控制精度误差的主要来源。针对所分析的误差来源,对加压系统进行了两个方面的改进,主要包括上磨盘调平和弹簧组优化;并对优化弹簧组进行静力学与动力学仿真分析,分析表明,在弹簧组个数为6个,安装半径为180mm的条件下,加压系统的加压均匀性与稳定性最好;改进后加压系统的加压精度达到0.67%F·S,满足加压系统加压精度要求。为验证改进后加压系统的加压性能,在采用更低单球载荷的条件下,对G10级的氮化硅陶瓷球进行了研磨加工实验。实验结果表明,G5级球成球率达到93%,G3级球成球率达到72.5%,且质量优于采用传统加压系统所生产的陶瓷球。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 课程研究背景
• 1.2 国内外高精度球体加工机床研究现状
• 1.2.1 高精度球体研磨技术的研究
• 1.2.2 国内外主要高精度球体加工机床简介
• 1.2.3 加工载荷对球体加工过程影响的研究
• 1.2.4 高精度球体加工机床加压系统的研究
• 1.3 课题的研究目的与意义
• 1.4 论文结构安排
• 第2章 加压系统加压精度需求分析
• 2.1 球体动力学分析
• 2.1.1 双自转研磨技术运动学分析
• 2.1.2 双自转研磨技术球体力学分析
• 2.2 加压系统加压精度需求分析
• 2.3 球体摩擦磨损实验
• 2.3.1 实验设计
• 2.3.2 实验设备和材料
• 2.3.3 实验条件
• 2.3.4 单因素实验分析
• 2.3.5 摩擦磨损分析
• 2.3.6 实验结论
• 2.4 加压精度计算
• 2.5 本章小结
• 第3章 新型加压系统以及加压误差来源分析
• 3.1 新型加压系统
• 3.1.1 加压系统组成及工作原理
• 3.1.2 加压系统加压性能测试
• 3.2 加压系统力学分析
• 3.3 加压系统加压精度误差影响因素分析
• 3.3.1 压力算法的影响
• 3.3.2 静摩擦力的影响
• 3.3.3 压力传感器精度的影响
• 3.4 加压系统压力控制精度影响因素分析
• 3.4.1 弹簧中径变化的影响
• 3.4.2 加压系统进给精度的影响
• 3.4.3 球体振动的影响
• 3.5 本章小结
• 第4章 加压系统改进
• 4.1 加压系统加压精度误差改进
• 4.1.1 传统V形槽式球体加工机床上磨盘重心位置的理论计算
• 4.1.2 传统V形槽式机床加压系统上磨盘调平方法
• 4.2 加压系统弹控制精度误差改进
• 4.2.1 加压系统弹簧组优化计算
• 4.2.2 优化弹簧组有限元分析
• 4.2.3 优化弹簧组动力学分析
• 4.2.4 弹簧组优选结论
• 4.3 改进后加压系统加压精度测量
• 4.4 本章小结
• 第5章 高精度氮化硅陶瓷球加工实验
• 5.1 高精度球体加工机床研磨加工实验
• 5.1.1 实验条件
• 5.1.2 实验过程
• 5.2 实验结果及讨论
• 5.2.1 球形偏差变化分析
• 5.2.2 陶瓷球表面质量分析
• 5.2.3 不同阶段去除率分析
• 5.2.4 振动值对比分析
• 5.2.5 成球精度统计
• 5.3 本章小结
• 第6章 总结与展望
• 6.1 课题总结
• 6.2 课题展望
• 符号说明
• 参考文献
• 致谢
• 攻读学位期间参加的科研项目和成果