螺纹曲面精密数控磨削关键技术研究

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由于数控螺纹磨床面向的主要加工对象是滚珠丝杠,螺纹磨床的磨削精度对滚珠丝杠的加工精度和性能起着关键作用。发展数控螺纹磨削技术对滚珠丝杠加工精度的提高具有基础支撑作用。现阶段数控磨床大多采用数控一体化解决方案,磨削精度也在逐步提高,但稳定性较差,结合SWM1530数控螺纹磨床结构特点,本文以数控螺纹磨削技术为研究对象,借助于数学解析建模、有限元分析软件和实验研究等方法在建立的螺纹磨削力模型、三维传热温度模型和弹性变形模型的基础上,对数控螺纹磨削技术进行研究,研究内容具体包括:1、根据螺纹磨削机理,利用磨削几何学理论,以螺纹磨削几何路径为研究对象,分析螺纹磨削砂轮当量直径与砂轮、工件直径以及螺旋倾角之间关系。以砂轮单颗磨粒为研究对象,建立单颗磨粒磨削力模型,进而建立整个磨削区域磨削力模型。根据传热学以及移动传热理论,以磨削接触区域为研究对象,建立了三维传热温度模型,应用拉氏变换、傅里叶变换以及狄拉克函数特点对三维传热温度模型进行求解。2、由于砂轮与工件磨削时的接触弧长度是磨削过程中极其重要的参数之一,磨削接触弧长度对磨削区的磨削温度、磨削力以及磨削时工件的弹性变形和塑性变形有重要影响。根据螺纹磨削接触路径特点,提出了螺纹磨削动态接触弧长计算新公式,分析磨削参数对螺纹磨削动态接触弧长的影响,对比不同材质工件加工下磨削接触弧长。3、分析影响工件磨削加工精度弹性变形的主要因素。分别建立磨削力弹性变形模型和工件自重弹性变形的数学模型。针对磨削加工过程有无中心架支撑两种情况,分别分析了两种情况下工件的弹性变形,并对这两种情况进行最优计算,得到了工件弹性变形最小的磨削接触点。针对两种加工方式分别提出相应的螺纹变速磨削加工控制方法。4、螺纹磨床在进行磨削加工时,受到室温、磨削热、冷却液温升、局部照明等诸因素的影响,使被加工工件受热不均匀,因而出现不同的热变形状态。应用移动传热理论,在磨削三维传热温度模型的基础上,对比磨削二维传热温度场和三维传热温度场,得到磨削过程中工件的径向和纵向温度分布,利用ANSYS软件对工件磨削温度分布进行有限元仿真分析,得到了工件径向和轴向的温度分布云图,对工件进行热结构耦合分析,得到工件热变形规律。分析室温和冷却液温升对磨削质量的影响,提出了相应的改善方案。5、影响螺纹磨削加工精度的误差主要受到来自磨削力变形误差和热变形误差影响,针对单个因素建立误差补偿系统势必会忽略另外因素对加工精度的影响,因此需建立一个多因素综合误差补偿系统来最大限度降低误差带来的影响。根据磨削力和磨削温度对工件加工误差的影响,建立基于模糊神经网络理论的综合误差补偿系统,针对有中心架和无中心架两种磨削加工结构,提出了不同的综合误差补偿方法,针对工件3次精磨过程,分别进行了仿真分析,对比实验数据后工件加工精度得到了显著提高。6、针对磨削颤振和热变形分析,基于SWM1530数控螺纹磨床设计相对应的实验方案,通过加速度传感器、电感测微仪测量相应的数据信息,并应用模糊神经网络算法进行综合误差预测并进行离线补偿实验,验证了补偿结果的有效性。本研究为数控螺纹磨床的设计提供了理论和技术支持,为提高螺纹磨削质量提供了切实可行的方法,采用的弹性变形误差和热误差综合误差补偿模型对其他细长杆类工件的误差补偿具有参考价值,对促进我国数控螺纹磨床的制造水平具有重要的理论意义。
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