复杂廓形螺杆转子高精磨削的误差控制及工艺优化研究

摘要

螺杆转子作为螺杆机械的关键零件，其齿形精度和表面粗糙度直接影响着螺杆机械的使用性能。复杂廓形螺杆转子的型线通常由不对称的复杂曲线构成，且由于螺杆转子齿数少和螺旋升角大的特点，成形磨削复杂廓形螺杆转子的加工精度不易保证，随着螺杆机械的发展，对螺杆转子的精度及表面粗糙度要求越来越高，这使得针对复杂廓形螺杆转子的高精磨削技术研究成为一个重要的发展方向。以此为背景，基于国产数控螺杆转子磨床，对高精成形磨削复杂廓形螺杆转子的误差控制及用于降低螺杆转子表面粗糙度的磨削工艺参数优化进行了广泛而深入的研究，研究内容如下:
　　(1)应用多体系统理论建立了机床几何误差与砂轮安装参数误差的映射模型。该模型基于国产数控螺杆转子磨床的结构和运动机理分析，将螺杆转子的被磨削点看作砂轮的实际磨削点，实现了机床几何误差与砂轮安装参数误差的转换，简化了机床几何误差修正的过程。此外，阐述了螺杆转子成形磨削的几何成形理论，推导了螺杆转子的共轭型线数学模型、螺杆转子与砂轮形位关系数学模型，开发了螺杆转子型线与砂轮廓形验证软件验证了这些模型的正确性。
　　(2)提出了基于砂轮修整路径干涉校验及砂轮与螺杆转子的动态干涉校验的砂轮廓形设计方法。该方法依据现有的砂轮廓形设计方法，借鉴磨削加工齿轮过程中砂轮安装参数调整范围条件，获得了砂轮安装参数调整范围，通过调整砂轮安装参数，结合砂轮干涉校验，避免了砂轮干涉现象，保证了砂轮廓形的精度。
　　(3)提出了一种数值方法量化评估由单因素砂轮安装角误差、砂轮与螺杆转子中心距误差和砂轮轴向的位置误差以及它们的耦合因素对螺杆转子齿形的影响。揭示了多因素砂轮安装参数误差影响下的螺杆转子齿形误差与单因素误差影响下的螺杆转子齿形误差的解耦关系，并经试验验证了上述结论的正确性。
　　(4)提出了数控成形磨削螺杆转子齿形误差的综合修正方法。基于螺杆转子的齿形误差测量结果和螺杆转子的磨削过程，从砂轮修整阶段、转子加工阶段分别提出了砂轮修整器参数及砂轮安装参数调整策略以修正螺杆转子齿形误差。为进一步减少螺杆转子齿形误差，基于现有螺杆转子齿形误差修正方法，引入了误差修正因子，构造了螺杆转子预修正型线，提出了基于砂轮廓形修正的螺杆转子齿形误差预修正策略，并开展了螺杆转子齿形误差修正方法的验证及对比试验，验证试验结果表明本文提出的螺杆转子齿形误差修正方法能有效减少螺杆转子的齿形误差，与现有螺杆转子齿形误差修正方法的对比试验结果表明:同样进行单次修正，相对于现有的齿形误差修正方法，本文提出的螺杆转子齿形误差预修正策略使得阴转子型线上超过误差范围的型值点的百分比由34.8％降至7.05％，阳转子则由20％降至1.33％，显著提高了现有螺杆转子齿形误差修正方法的效率。
　　(5)采用正交设计理论，开展了磨削工艺参数对螺杆转子表面粗糙度和磨削系统振动影响的正交试验。经正交数据分析后，得到了磨削工艺参数的单目标优化方案及螺杆转子表面粗糙度相对磨削工艺参数的幂函数预测模型，并对该模型的准确性进行了验证。考虑到磨削系统振动对螺杆转子表面粗糙度的影响，引入螺杆转子表面粗糙度的关注度，应用归一化理论建立了适用不同需求的螺杆转子表面粗糙度和系统振动的多目标函数，获得了磨削工艺参数的多目标优化方案。验证结果表明，采用本文提出的单目标优化方案后，阳转子的表面粗糙度降低了2.4％，阴转子则降低了1.6％，考虑系统磨削振动对螺杆转子表面粗糙度的影响后，阳转子的表面粗糙度由0.291μm降至0.282μm，阴转子则由0.315μm降至0.313μm。
　　对成形磨削复杂廓形螺杆转子的误差控制及磨削工艺优化的系统研究表明，运用本文的方法，成形磨削复杂廓形螺杆转子的齿形精度和表面粗糙度可得到有效改善，为研制高精成形磨削螺杆转子加工设备提供理论支撑。

目录

声明

摘要

图表目录

1 绪论

1．1 选题的背景与意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 螺杆转子磨床精度分析的国内外研究现状

1．2．2 成形砂轮廓形精度分析的国内外研究现状

1．2．3 砂轮安装参数误差对螺杆转子齿形影响分析的国内外研究现状

1．2．4 螺杆转子齿形误差补偿方法的国内外研究现状

1．2．5 成形磨削螺杆转子表面粗糙度分析的国内外研究现状

1．3 选题来源及主要研究内容

1．3．1 选题来源

1．3．2 论文的主要研究内容

2 成形磨削螺杆转子的齿形误差溯源与分析

2．1 成形磨削螺杆转子磨床结构及运动机理

2．2 螺杆转子齿形误差溯源及误差形成机理

2．2．1 误差源分析

2．2．2 误差形成机理分析

2．3 基于多体系统理论的机床几何误差与砂轮安装参数误差关系建模

2．3．1 螺杆转子磨床几何误差描述

2．3．2 螺杆转子磨床的多体系统模型

2．3．3 螺杆转子磨床的相邻体变换矩阵

2．3．4 螺杆转子磨床几何误差与砂轮安装参数误差映射模型

2．4 本章小结

3 螺杆转子磨削的几何成形理论研究与验证

3．1 螺杆转子磨削的几何成形理论

3．1．1 螺杆转子的共轭型线模型

3．1．2 螺杆转子与砂轮的形位关系模型

3．1．3 基于累加弦长参数样条函数的离散点一阶导数求解

3．2 螺杆转子型线与砂轮廓形的软件验证

3．3 本章小结

4 基于砂轮安装参数的砂轮实际廓形设计与砂轮干涉校验

4．1 砂轮实际廓形设计

4．2 砂轮安装参数可调范围分析

4．2．1 砂轮安装参数对砂轮廓形的影响分析

4．2．2 不产生螺杆转子过渡曲面的砂轮安装参数条件

4．2．3 不产生砂轮干涉螺杆转子的砂轮安装参数条件

4．3 砂轮干涉校验

4．3．1 修整过程中砂轮廓形修整路径的干涉校验

4．3．2 加工过程中砂轮干涉螺杆转子的动态仿真校验

4．4 本章小结

5 砂轮安装参数误差对螺杆转子齿形误差的影响分析

5．1 螺杆转子齿形误差评估方法

5．1．1 螺杆转子的齿形误差计算模型

5．1．2 交叉点位置区间的搜寻

5．1．3 螺杆转子的齿形误差评价流程

5．2 砂轮安装参数误差对螺杆转子齿形误差的影响分析

5．2．1 单因素砂轮安装参数误差对螺杆转子齿形误差的影响分析

5．2．2 砂轮安装参数耦合误差对螺杆转子齿形误差的影响分析

5．3 本章小结

6 数控成形磨削螺杆转子的齿形误差修正方法

6．1 螺杆转子齿形误差修正流程

6．2 基于砂轮修整器参数调整的螺杆转子齿形误差修正策略

6．3 基于砂轮安装参数调整的螺杆转子齿形误差修正策略

6．4 基于砂轮廓形修正的螺杆转子齿形误差预修正策略

6．5 本章小结

7 成形磨削螺杆转子的几何成形及工艺参数优化试验研究

7．1 砂轮安装参数误差对螺杆转子齿形误差影响验证试验

7．1．1 试验方案

7．1．2 单因素误差对螺杆转子齿形误差影响的验证试验

7．1．3 多因素耦合误差对螺杆转子齿形误差影响的验证试验

7．2 成形磨削螺杆转子齿形误差修正方法验证试验

7．3 成形磨削螺杆转子表面粗糙度及振动工艺参数优选试验

7．3．1 试验方案

7．3．2 检测系统设计

7．3．3 螺杆转子螺旋面表面粗糙度检测、分析与优化

7．3．4 成形磨削系统的振动检测、分析与优化

7．4 基于系统振动与螺杆转子表面粗糙度的多目标工艺参数优化

7．5 本章小结

8 结论和展望

8．1 主要研究成果及创新

8．1．1 主要研究成果

8．1．2 创新点

8．2 展望

致谢

攻读博士学位期间发表的论文及成果

参考文献