精密球体加工方法研究及加工系统关键零部件设计范文

本文对多螺旋线变半径沟槽加工方法下的单颗球体进行了运动学分析和加工轨迹仿真，对沟槽几何参数和机床关键结构件的优化进行了研究。本文的主要工作及结论如下： （1）对多螺旋线变半径沟槽加工的基本工作原理进行简要的介绍，通过分析最终确定了立式单转盘沟槽偏心式变半径沟槽加工方式。以沟槽盘中的任意一条螺旋曲线为研究对象通过速度矢量分析法建立了单颗球体在理想条件下的几何运动学模型，推导出了工件在加工过程中自转角及自转角速度的表达式。对单个球体在单个加工周期内的运动轨迹进行了 Matlab 软件仿真，结果表明，三个接触点形成的研磨轨迹能比较均匀的覆盖在整个球面上且呈多方向性。

第 1 章 绪论

1.1 研究背景与意义
改革开放 40 多年来，中国的综合国力得到了巨大的提升，GDP 提升为世界第二，拥有了全部的工业门类，中国“奇迹”的出现，离不开装备制造业的飞速发展，随着科学技术的不断进步，推动了“第四次工业革命”的兴起，传统的装备制造业也将迎来全面的转型和升级[1-3]。轴承可以限制旋转体轴向以及径向移动，并且能够承担径向载荷，极大地减小了旋转体运行时产生的摩擦力，被称为“机械的关节”，是机械装备中非常重要也是最为基础的的一种零部件，目前已广泛应用于汽车制造、高端装备、机器人、国防及航空航天等领域，轴承对机械装备的性能和可靠性都起到关键性的影响[4-6]。我国轴承制造行业产量已经超过 196 亿套，轴承制造行业主营业务收入为 1770 亿元，在成为第三大轴承制造国家的同时，形成了洛阳、哈尔滨和瓦房店三大轴承制造基地[7-8]。但是，我国目前仍然以生产中低端的轴承产品为主，中高端轴承的生产设备与技术不足，并且在轴承行业的专利申请方面，国内的产业部门依然相对落后于国外的公司，极大的限制了我国高端装备的制造和发展[9-11]。精密球体作为高端轴承最关键的部件，其精度直接决定了轴承的性能，为了减少基础部件的频繁更换，就需要精度更高的精密球，因此亟需对精密球的研磨技术进行进一步的研究[12-13]。
要提升轴承球的精度，除了改进研磨技术外，还必须具备高精度的加工机床[14]。通过经验设计等传统设计方法生产的机床，因设计者水平不同其质量也参差不齐，往往会造成材料的浪费，并且加工精度通常不高[15-16]。随着现代工业水平的不断提升，人们迫切需要寻找一种更优的设计方式，伴随计算机技术的提高，出现了有限元分析设计方法，显著的提高了设计效率与机床的各项性能，虽然近年来人们开始对有限元分析技术进行了诸多研究，但是国内外的学者极少有针对精密球研磨机床进行的分析和优化[17-18]。
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1.2 国内外研究现状
1.2.1 精密球体加工方法研究
针对不同加工方式下的机床设备开发[20-23]，球体表面材料去除机理[24-26]，研磨技术优化[27-30]及精密球成球运动理论[31-34]，国内外学者进行了大量的研究。目前研究较多的加工球体的方法按照驱动力的数量以及是否需要磁流体主要可以分成以下四类：一是单驱动力研磨方法，其中主要包括传统的单转盘同心 V 形槽研磨方法和进一步设计后的偏心 V 形槽研磨方法；二是多驱动力研磨方法，包括三转盘研磨方法和进一步设计后的双转盘研磨方法；三是磁流体研磨方法；四是单驱动力研磨中特殊的变曲率沟槽研磨方法。
（1）单转盘研磨方法
通过外部单一驱动力带动任一研磨盘旋转运动即为单转盘研磨方式。1976 年，用多个 V 形的同心圆沟槽进行球体研磨的方法第一次被 Inagaki 等人提出[35]。其研磨方式示意图如图 1-1 所示，在下研磨盘上等间距的加工出多条 V 形的同心圆沟槽，将待加工的球坯放置于沟槽内，然后将另一块平面研磨盘加载于球坯之上，通过外部驱动力带动研磨盘的旋转，使球体沿着沟槽在两研磨盘之间循环转动，通过研磨盘与球坯接触位置的相互作用来去除球体表面的材料，这里的 V 形槽既有研磨作用又有定位作用。
Zhang B.等人对球体在同心 V 形槽中的运动方式进行了运动学分析和实验研究，发现这种方式在加工过程中球坯无法自发的改变自转角，加工后的球坯在球体表面只能形成 3 条同心的研磨环带[36]。张京军等人基于纯滚动的理想条件得出了球体在卧式研球机中的运动学模型，分析得出了研磨盘尺寸变化与迹线间距对于球面轨迹均匀性的影响[37]，Yuan J L 通过使用一种硬度低于工件材料的研磨剂来化学机械抛光 Si3N4 陶瓷球，获得了 Ra 为 4nm 的光滑球体[38]，李国广运用弹性接触理论对单颗圆锥形磨粒磨削运动时的球体表面受力进行了理论分析，建立了磨削力与磨削深度之间的数学模型[39]。为了使整个球面均能得到有效的研磨，提高最后的成球精度，必须要在两个加工周期之间添加一个外力扰动，来人为地改变球坯的自转角。
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第 2 章 多螺旋线变半径沟槽球体加工几何原理分析

2.1 成球原理
球体作为一个立体图形，有且只有一个连续不间断的曲面，实际中不存在绝对光滑的曲面，所以球面加工的实质就是通过不断去除这个连续曲面上“突出”部分的材料，来达到填补球面凹陷的作用，降低球体表面的粗糙度和提高球度，使工件趋近于绝对球体。球面成型的基本原理如图 2-1 所示，加工时，研具带动工件绕着回转中心 Z 轴以角速度 ω 旋转，同时工件还绕着自身的瞬时回转轴 Φ 以角速度