硬質合金磨削過程中的機床--工藝交互作用預測及控制研究.pdf

1、近年來，伴隨著航空航天、汽車、船舶、電子等行業(yè)的迅猛發(fā)展，對于高效、高精度硬質合金刀具的需求日益迫切。硬質合金材料具有硬度高、脆性大的特點，增加了加工的難度，采用磨削加工是目前實現硬質合金產品精密與超精密加工的主要手段。在磨削加工過程中，機床與加工工藝過程之間構成了一個動態(tài)交互系統(tǒng)，在這個交互系統(tǒng)中產生的振動、彈性變形、熱變形等物理現象是造成加工精度下降、表面質量變差、砂輪磨損等結果的主要原因。對于高硬材料精密磨削加工過程，機床與工藝過

2、程之間交互作用的影響往往更為突出。目前精密磨削加工中缺乏對機床與工藝過程交互作用的綜合理解，因此限制了硬質合金產品磨削質量和磨削效率的進一步提升。
　　為了實現硬質合金材料的精密高效加工，就需要綜合考慮磨削過程中機床與工藝過程動態(tài)交互作用的影響，通過對這種交互作用的預測和控制來優(yōu)化磨削過程。為此，本文采用理論研究、建模仿真與科學試驗相結合的方法，開展硬質合金材料磨削過程中機床-工藝動態(tài)交互作用機理與控制的研究，進一步提出了機床動態(tài)

3、性能預測、磨削表面形貌仿真和工藝過程優(yōu)化的新方法。論文的主要研究工作如下:
　　1.綜合采用單顆磨粒切削仿真和虛擬砂輪磨削仿真兩種方法研究了硬質合金的磨削機理?；诤喕膱A錐形磨粒建立了單顆磨粒磨削力有限元仿真模型，進而分析了磨粒粒度和磨削工藝參數對磨削力的影響規(guī)律，并通過單顆金剛石磨粒劃擦硬質合金實驗驗證了仿真結果。研究了虛擬砂輪的建模方法，建立了磨粒形狀、尺寸及磨粒間距都呈隨機分布的砂輪表面形貌模型，并基于該砂輪模型對磨削過程

4、進行了仿真，研究了磨削工藝參數對磨削力的影響規(guī)律，最后通過磨削硬質合金實驗對該仿真方法做了進一步驗證。
　　2.建立了機床-工藝交互模型的數學描述方法，提出了用于機床模型與工藝過程模型的耦合仿真策略。研究了機床結構動力學的建模方法，建立了主軸-砂輪系統(tǒng)的有限元模型，并通過模態(tài)實驗進行了驗證。采用耦合仿真方法實現了主軸-砂輪模型與磨削力模型之間的集成，開發(fā)了耦合仿真接口用于實現不同仿真軟件之間的數據交換，提出了用于耦合仿真的迭代算法

5、，并通過磨削實驗對仿真結果做了驗證。
　　3.研究了角接觸球軸承的動力學建模方法，綜合考慮軸承內外圈熱變形及離心膨脹的影響建立了軸承非線性動力學模型，然后將主軸模型和軸承模型進行集成建立了主軸系統(tǒng)動力學模型。在此基礎上，通過耦合仿真方法將磨削力理論模型與主軸系統(tǒng)模型進行耦合，基于該耦合模型進一步預測了主軸系統(tǒng)的動態(tài)性能，同時研究了工藝參數對主軸動剛度的影響規(guī)律。
　　4.分析了磨削過程中砂輪磨粒與工件的干涉作用，建立了磨粒運

6、動軌跡方程和工件表面形貌方程。考慮主軸-砂輪結構與磨削過程之間的交互作用，研究了磨削表面形貌的仿真方法。通過磨削實驗分析了磨削參數對磨削表面形貌的影響，將實驗得到的磨削表面與仿真表面進行比較，結果表明該仿真方法可以有效的預測磨削表面形貌。
　　5.研究了數控加工中進給率定制的方法，構建了磨削過程進給率自適應優(yōu)化系統(tǒng)框架，提出了一種基于機床-工藝集成力預測模型的多因素約束進給率自適應控制方法，給出了進給率在線自適應優(yōu)化的算法，最后通