静压轴承内孔磨削的圆度误差形成机理及其变化规律研究

摘要

超精密机床是超精密加工赖以实现的基础。液体静压主轴常作为超精密机床的核心功能部件。在精密和超精密加工精度要求越来越高的大趋势下，液体静压轴承内孔的圆度误差，对于最终磨削零件精度的影响已逐步占主导地位。仅从磨削工艺角度进行研究，不能客观反映主轴系统动力学特性对工件圆度误差形成过程的影响，亟需从磨削系统动力学和磨削工艺相结合的角度，深入研究液体静压轴承内孔圆度误差的形成机理及其变化规律。
　　(1)建立了 Timoshenko梁砂轮主轴-头架主轴转子磨削系统动力学的计算模型。基于有限元和转子动力学理论，推导了梁单元刚度矩阵、单元质量矩阵和单元阻尼矩阵，通过组装单元矩阵构建了主轴-轴承转子系统动力学分析模型。在此基础上，采用商业软件Matlab编程对主轴-轴承转子系统动力学模型的固有频率、振型和动力学特性进行了研究。
　　(2)提出了与模型相适应的磨削力-瞬态磨削量循环迭代收敛的磨削过渡过程仿真算法，实现了计入双主轴回转精度与磨削系统工艺参数耦合的轴承内孔圆度误差定量仿真计算，为液体静压轴承内孔磨削的圆度误差形成机理研究提供了分析工具。该方法的主要研究思想为：1)选取重要仿真工艺参数，如主轴转速、进给时间和速度以及磨削刚度等。2)在磨削进给方向上遵循砂轮主轴的总进给量等于工件表面材料去除量、砂轮磨损量、砂轮与工件弹性变形量以及双主轴外伸端变形量之和的原则。3)选择最小区域圆法作为轴承内孔圆度误差的评定方法。
　　(3)揭示了静压轴承内孔磨削圆度误差形成机理是磨削过程中磨床双主轴、砂轮以及磨削工艺参数对工件表面耦合作用的体现。定量研究了磨床主轴-轴承系统参数、头架主轴和砂轮动平衡精度等级以及磨削工艺参数等对静压轴承内孔圆度误差的影响规律。研究表明：减小砂轮回转误差幅值和提高砂轮动平衡精度等级，可以显著降低轴承内孔的圆度误差值。头架主轴动平衡精度等级和磨床主轴系统轴承的阻尼系数对磨削内孔圆度误差的影响非常小。
　　(4)搭建了液体静压轴承磨削的实验台，对头架主轴固有频率和静压轴承内孔的圆度误差进行了实验测试。结果表明：头架主轴固有频率和内孔圆度误差的数值计算结果与实验测试结果基本吻合，验证了本文数值计算结果的正确性。
　　本文工作提升了人们对液体静压轴承内孔磨削圆度误差形成机理的认识水平，对于进一步探索液体静压主轴和磨床精度极限具有参考价值。

目录

声明

第1章 绪 论

1.1 研究背景及意义

1.2 国内外研究概况

1.3 有待深入研究的问题

1.4 本文研究的主要内容

第2章 砂轮主轴-头架主轴系统建模和动力学分析方法研究

2.1 引言

2.2 Timoshenko梁有限元双转子主轴磨削系统动力学建模

2.3 主轴转子模态和动态响应分析

2.4 本章小结

第3章 内孔磨削成圆过渡过程仿真和圆度误差形成机理研究

3.1 引言

3.2 静压轴承磨削的重要工艺参数

3.3 圆度误差的评价方法

3.4 磨削力-瞬态磨削量循环迭代算法

3.5 轴承内孔磨削的圆度误差形成机理研究

3.6 本章小结

第4章 磨床主轴系统和磨削工艺参数对圆度误差影响规律研究

4.1 引言

4.2 磨床主轴-轴承系统参数对轴承内孔圆度误差的影响

4.3 主轴和砂轮动平衡精度等级对轴承内孔圆度误差的影响

4.4 磨削工艺参数对轴承内孔圆度误差的影响

4.5 本章小结

第5章 头架主轴固有特性和静压轴承内孔圆度误差实验研究

5.1 引言

5.2 实验目的

5.3 实验原理

5.4 实验设备与仪器

5.5 实验步骤

5.6 实验结果分析

5.7 本章小结

结论与展望

参考文献

致谢

附录A（攻读硕士学位期间所参加的科研项目）