高精度双平面圆柱滚子加工设备的研究

摘要

高精度、高一致性圆柱零件是高精度轴承的关键性基础元件，被广泛应用于医疗机械、航空航天领域、能源机械等特种装备中。目前，无心磨削等轴承圆柱滚子外圆加工方法存在加工精度批一致性差等技术难题，这使得圆柱滚子在各个领域的应用受到限制。
　　为解决圆柱滚子加工表面质量不均匀性、批加工一致性差等问题，前人提出了一种双平面研磨圆柱滚子的方法，这种方法虽然使得滚子表面质量得到了改善，但由于设备稳定性较差，无法保证工件批加工的一致性，为了达到批一致性好的加工要求，本文对双平面研磨圆柱滚子加工设备进行设计，主要工作如下:
　　(1)阐述了双平面研磨加工圆柱滚子的两种方式。针对双平面方式下研磨圆柱滚子外圆的方式，提出了一种圆柱面加工轨迹的定量评价方法，通过将圆柱面划分为若干个单元网格，计算每个单元网格内的加工轨迹密度，进而计算它们的标准差，以此作为轨迹均匀性评价指标，得出行星式的加工轨迹均匀性优于偏心式。
　　(2)通过ADAMS仿真软件，对圆柱滚子双平面加工的加载系统做了动力学分析，得出了压力型、上盘浮动加载系统的压力加载较均匀，压力波动值较小，适合于圆柱滚子的加工，并对加载机构与气压控制系统进行设计。
　　(3)设计了双平面研磨设备的上盘加载系统、精密传动系统、外齿圈升降系统、磨盘修正系统;设计了各传动轴并运用ANSYS有限元分析软件对各轴的强度进行校核，并对传动系统进行模态分析。
　　(4)通过正交试验，在1000＃Al2O3磨料粒度下，对设备加工工艺参数进行了优化及分析，得出了最优转速组合与最优加工参数A2（加载压力15N）、B2(磨料浓度为25％)、C2转速组合（上磨盘∶下磨盘∶内齿圈∶外齿圈=-75∶82∶80∶47）;采用单一实验研究方法，分析了不同粒度的磨料对滚子加工结果的影响，得出粒度越大，材料去除率越大，磨料粒度越小加工表面质量越好，5000＃Al2O3磨料粒度下，滚子的圆度批一致性达到了0.51um，单个滚子最小圆度达到0.4μm，最后进一步对设备加工效果做研究，通过抛光实验加工的圆柱滚子批圆度达到0.30μm，单个滚子最小圆柱度达到0.194μm。
　　本文设计了用于加工圆柱滚子的四轴驱动的双平面研磨设备，主要对加载系统与传动系统进行设计，并设计了外齿圈升降系统及对研磨盘修整系统进行改进，最后通过圆柱滚子加工工艺实验对设备可靠性进行验证。

目录

声明

摘要

符号说明

1．1 课题研究背景

1．2 国内外研究现状

1．2．1 圆柱外圆加工方法与技术研究

1．2．2 双平面方式研磨方法

1．2．2 传统双平面方式加工圆柱滚子存在的问题

1．3 课题的研究目标及意义

1．4 课题的来源及研究内容

1．4．1 课题来源

1．4．2 本文技术路线图

1．4．2 论文结构安排

1．5 本章小结

2．1 引言

2．2 双平面研磨圆柱滚子运动方式

2．2．1 偏心运动方式

2．2．2 行星运动方式

2．3 双平面运动方式下圆柱面轨迹定量评价

2．3．1 圆柱面加工轨迹分析

2．3．2 加工轨迹点的坐标计算

2．3．3 圆柱面加工轨迹均匀性的定量评价方法

2．4 两种运动方式下研磨轨迹分析与运动方式的确定

2．4．1 两种运动方式下圆柱面均匀性的影响

2．4．2 两种运动方式下加工轨迹形态的影响

2．5 行星式运动机构的设计计算

2．5．1 2K-H行星轮系的啮合效率计算

2．5．2 2K-H行星轮系传动比计算

2．5．3 行星齿轮传动时齿数及行星轮数量应满足的条件

2．6 双平面行星式运动仿真分析

2．6．1 模型的建立

2．6．2 模型仿真数据的采集

2．7 本章小结

3．1 引言

3．2 加载系统的动力学分析

3．2．1 加载系统模型的设计

3．2．2 加载系统动力学仿真模型的建立

3．2．3 几何建模

3．2．4 定义运动副和驱动

3．2．5 施加载荷

3．3 仿真结果分析和讨论

3．3．1 四种不同加载方式的比较

3．3．2 不同弹簧安装半径仿真结果

3．3．3 不同弹簧安装数量仿真结果

3．4 设备上盘加载结构的设计

3．4．1 加载机构的组成及原理分析

3．4．2 加载机构横梁与立柱的静力分析

3．4．3 上磨盘静力分析

3．4．4 气缸的设计分析

3．5 气动加载控制的设计

3．5．1 气动控制系统的算法原理

3．5．2 气动控制系统的设计

3．6 本章小结

4．1 引言

4．2 研磨设备的功能需求分析及整体方案的确定

4．2．1 功能需求分析

4．2．2 整体方案的确定

4．2．3 研磨设备性能参数的确定

4．3 传动系统电机选型

4．4 传动轴的设计与静力学分析

4．4．1 下盘空心轴的结构设计及分析

4．4．2 中心轴结构设计及分析

4．4．3 内齿圈空心轴的结构设计及分析

4．4．4 下盘支撑机构的设计及静力学分析

4．5 研磨设备传动系统模态分析

4．5．1 研磨设备传动系统模态分析结果

4．6 齿圈升降机构的设计

4．6．1 外齿圈升降机构整体设计

4．6．2 滚珠丝杠的计算

4．6．3 升降系统电机的选型

4．7 研磨盘修整系统设计

4．8 本章小结

5．1 引言

5．2 双平面加工装置与测量设备

5．3 圆柱滚子外圆的研磨工艺参数正交试验

5．3．1 试验设计

5．3．2 试验结果分析和讨论

5．4 圆柱滚子外圆的研磨加工实验

5．4．1 实验条件

5．4．2 实验结果分析与讨论

5．5 圆柱滚子外圆的抛光加工实验

5．5．1 实验条件

5．5．2 实验结果分析与讨论

5．6 本章小结

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