变曲率沟槽高精度球体循环加工运动方式研究及装置设计

摘要

目前高精度球体批量加工方法多为概率成球法，存在加工精度低、批一致性差等问题，严重制约了高精度球体的大批量生产。变曲率沟槽球体加工方法作为一种精密研磨新方法，通过沟槽滚道曲率的变化来改变球体的运动姿态，可以实现高精度球体的高效、高一致性加工。本文结合工件运动学分析和变曲率沟槽加工方法的仿真分析，设计了适用于变曲率沟槽高精度球体加工方法的研磨加工装置，为最终实现变曲率沟槽加工方式的生产应用奠定基础。本文的主要工作包括以下几个方面:
　　1)分析了变曲率沟槽加工方式的原理，基于纯滚动运动假设条件，以几何运动学为理论基础，对双转盘轴偏心式变曲率沟槽加工系统建立了单颗球体的几何运动学模型。仿真分析了在变曲率沟槽球体加工方式下，单个加工周期后的球面加工轨迹。
　　2)基于球面加工轨迹均匀性的定量评价方法，以各网格区域内轨迹点密度的标准差值SD为加工轨迹均匀性的定量评价指标，仿真分析变曲率沟槽球体加工方法的不同加工方式和变曲率沟槽盘主要参数。综合考虑单周期加工后球面加工轨迹分布特性及工程实现所需加工装置的复杂性，选择单转盘轴偏心式变曲率沟槽球体加工方式来进行变曲率沟槽高精度球体循环加工装置的设计。
　　3)在前面的基础上结合变曲率沟槽高精度球体加工装置的需求分析，设计了变曲率沟槽球体循环加工装置。装置主要由床身、头架主轴传动机构、尾架加压机构、加工球计数系统、电器控制系统等部分组成。
　　4)在变曲率高精度球体循环加工装置上，以轴承钢球为加工对象设计了正交实验。基于田口法分析了研磨压力、磨料粒径、磨料浓度对材料去除率、表面粗糙度和球度误差的影响程度。实验结果表明对于材料去除率，研磨压力的影响最为显著;对于表面粗糙度，磨料粒径的影响最大，研磨压力影响最小;对于球度误差，研磨压力的影响最大，其他因素的影响较小。在分析得到的优化研磨参数组合基础上，进一步进行优化实验，轴承钢球平均表面粗糙度达到12nm，球度误差到达0.112μm，已经达到G5级球的标准。

目录

声明

摘要

1．1 课题背景与意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 成球的基本条件

1．2．2 高精度球体加工方法和技术的研究

1．2．3 成球均匀性的研究

1．2．4 国内外高精度球体加工设备

1．3 变曲率沟槽球体加工方法

1．3．1 传统高精度球体加工方法存在的问题

1．3．2 变曲率沟槽球体加工方法的提出

1．3．3 变曲率沟槽球体加工方法及装置的研究

1．4 研究内容与结构安排

第2章 变曲率沟槽加工方式下工件几何运动学分析

2．1 引言

2．2 变曲率沟槽加工方式概述

2．2．1 加工原理

2．2．2 沟槽轨道形状分析

2．3 工件几何运动学模型的建立

2．3．1 坐标系统的建立

2．3．2 双转盘轴偏心变曲率加工系统中工件速度矢量分析

2．4 球面加工轨迹的分析

2．4．1 球面加工轨迹定义及其计算基本流程

2．4．2 加工轨迹点的坐标计算

2．4．3 加工轨迹仿真

2．5 本章小结

第3章 变曲率沟槽加工方式及沟槽盘参数仿真研究

3．1 引言

3．2．2 球面网格划分

3．2．3 球面加工轨迹评价指标

3．3 不同加工方式下球面加工轨迹均匀性分析

3．3．1 双转盘驱动方式下轨迹均匀性分析

3．3．2 单转盘驱动方式下轨迹均匀性分析

3．4 变曲率沟槽几何参数的分析

3．4．1 偏心距的影响

3．4．2 沟槽半角的影响

3．4．3 沟槽滚道极径的影响

3．4．4 沟槽间距系数的影响

3．5 本章小结

第4章 变曲率沟槽高精度球体循环加工装置的设计

4．2 变曲率沟槽球体循环加工装置需求分析

4．3 变曲率沟槽球体加工装置的整体结构设计

4．3．1 变曲率沟槽球体加工装置结构形式分析

4．3．2 加工装置主要设计参数

4．3．3 变曲率沟槽球体加工装置整体结构

4．4 变曲率沟槽盘的设计

4．4．1 变曲率沟槽盘需求分析

4．4．2 变曲率沟槽盘沟槽轨迹线

4．4．3 变曲率沟槽盘沟槽设计

4．5 装置驱动与轴设计

4．5．1 驱动结构组成及工作原理

4．5．2 主轴扭矩计算与电机选择

4．5．3 主轴静力分析

4．5．4 主轴传动带的设计

4．6 装置加压机构设计

4．6．1 加压机构结构组成及工作原理

4．6．2 加压装置力学分析

4．6．3 弹簧组设计

4．6．4 弹簧组仿真分析

4．7 加工球计数系统

4．8 本章小结

5．1 引言

5．2 实验条件

5．3 正交实验设计

5．4 实验分析方法

5．5 实验结果与分析

5．5．1 实验结果

5．5．2 S／N平均响应分析

5．5．3 方差分析

5．5．4 优化分析

5．6 本章小结

第6章 结论和展望

6．1 结论

6．2 创新点

6．3 展望

参考文献

致谢

攻读学位期间参加的科研项目和成果