發(fā)布時間：2017-05-11 08:16

第一章 緒論

磨削工藝系統(tǒng)是磨床、刀具、夾具和工件的統(tǒng)一體，從動力學(xué)觀點(diǎn)看，磨削工藝系統(tǒng)也是復(fù)雜的動態(tài)系統(tǒng)，其動態(tài)性能的優(yōu)劣直接影響加工工件的質(zhì)量[2]。由于磨削工藝系統(tǒng)涉及關(guān)聯(lián)要素復(fù)雜多變，要素和要素之間存在大量復(fù)雜非線性耦合關(guān)系，各種關(guān)聯(lián)要素間的相互作，極大影響了磨削工藝系統(tǒng)的穩(wěn)定性，從而極大影響了磨削的質(zhì)量與效率。目前相當(dāng)一部分磨削加工工藝脫離具體機(jī)床工藝系統(tǒng)的動態(tài)性能，工藝設(shè)計理論模型、材料去除模型支持下輸出工藝參數(shù)，或憑借技術(shù)人員的經(jīng)驗對加工參數(shù)進(jìn)行選擇，工藝參數(shù)設(shè)計或選擇的科學(xué)依據(jù)不夠，導(dǎo)致加工精度與表面質(zhì)量很難穩(wěn)定受控。顯然，為了在確定工藝系統(tǒng)條件下，獲得更好的更穩(wěn)定的加工質(zhì)量，必須考慮和研究工藝系統(tǒng)的動態(tài)性能對加工質(zhì)量的作用和影響。根據(jù)工藝系統(tǒng)的動態(tài)性能，選擇和設(shè)計優(yōu)化的工藝參數(shù)，是保證精密零件加工質(zhì)量及其加工質(zhì)量穩(wěn)定性的關(guān)鍵。由于工藝系統(tǒng)的動態(tài)性能是因機(jī)床而異的，研究和探索以工件加工精度、表面質(zhì)量等為導(dǎo)向的多傳感器檢測技術(shù)，非常迫切。通過應(yīng)用多傳感器檢測技術(shù)，可以定量考察不同機(jī)床加工工藝及其參數(shù)條件下，加工質(zhì)量的演變規(guī)律，為加工工藝優(yōu)化提供科學(xué)依據(jù)。
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第二章考慮磨削工藝動態(tài)性能的工藝優(yōu)化方法研究

2.1 磨削質(zhì)量的技術(shù)指標(biāo)

高質(zhì)量磨削是指經(jīng)過磨削加工的產(chǎn)品可穩(wěn)定的達(dá)到完備的技術(shù)指標(biāo)及較高的等級。完備的技術(shù)指標(biāo)包括加工精度和表面完整性兩大方面。表面完整性是由美國金屬切削研究協(xié)會在 1964 年召開的一次技術(shù)座談會上首次提出的，表面完整性是工件表面某些典型偏差和缺陷的綜合體現(xiàn)。工業(yè)加工的根本任務(wù)就是在特定條件下將工件轉(zhuǎn)化為能完成特定功能的零件，而零件的表面質(zhì)量是其中影響其使用性能的關(guān)鍵因素。為此，采用了一些特征量來衡量已加工零件的表面性能，包括表面粗糙度、硬化層深度和表面殘余應(yīng)力等[1]。若以表面特性為評價指標(biāo)來衡量加工工藝的優(yōu)劣，則應(yīng)考慮一定的參照系。這些參照系可分為宏觀水平（形狀和尺寸精度）、微觀水平（表面特性）、亞微觀水平（材料結(jié)構(gòu)與屬性）和納米水平（表面屬性）。在評價表面質(zhì)量時，如采用表面完整性的各個指標(biāo)對加工工藝在四個水平上進(jìn)行綜合評價，則評價結(jié)果具有較高的可信度。表面粗糙度是衡量表面完整性的主要指標(biāo)，除此之外，還涉及磨削表面波紋、振紋、殘余應(yīng)力、加工硬化層、磨削燒傷及微裂紋等相關(guān)的評價指標(biāo)。高質(zhì)量磨削的評價等級通常指 4 級或更高的加工精度、表面粗糙度數(shù)值達(dá)到 Ra0.2 和 Rz0.4 或更小、數(shù)值適當(dāng)且均勻分布的殘余壓應(yīng)力或符合要求的工件殘變量、有無表面燒傷以及微裂紋等。

2.2 影響技術(shù)指標(biāo)的因素分析

磨削機(jī)床、砂輪、工件的選擇，加工工藝系統(tǒng)精度及穩(wěn)定性及工藝參數(shù)的選擇都會對工件質(zhì)量的指標(biāo)產(chǎn)生影響。在特定的磨削工藝系統(tǒng)約束下（機(jī)床、砂輪及工件）磨削工藝參數(shù)設(shè)計，就成為影響磨削動態(tài)性能的關(guān)鍵因素。為了實現(xiàn)高質(zhì)、高效、低成本和節(jié)能環(huán)保的磨削過程，就必須解決以下幾個關(guān)鍵問題。（1）基于外圓磨削機(jī)理，對影響工藝系統(tǒng)動態(tài)磨削力因素分析；（2）動態(tài)磨削力解析模型建立；（3）不同磨削工藝系統(tǒng)條件下，解析模型的修正；（4）基于特定磨削工藝系統(tǒng)動態(tài)性能的工藝參數(shù)設(shè)計準(zhǔn)則；（5）基于特定工藝系統(tǒng)動態(tài)性能條件下的工藝參數(shù)優(yōu)化。為了解決以上問題，必須找到磨削工藝系統(tǒng)過程的動態(tài)特性及質(zhì)量穩(wěn)定性的評估方法及機(jī)制。從而為進(jìn)一步基于磨削工藝系統(tǒng)動態(tài)特性的工藝優(yōu)化方法奠定基礎(chǔ)。

第三章 高速外圓磨削時域動態(tài)磨削力解析模型構(gòu)建 （TDFMD） ··············28

3.1 磨削行為的表征及其計算模型 ······28
3.2 基于單位時間的外圓切入磨削運(yùn)動的動態(tài)未變形厚度計算模型········33
3.3 動態(tài)磨削力的影響因素及磨削力解析模型 ·····35
3.4 功率計算模型 ·····38
3.5 基于時域動態(tài)解析模型的磨削力仿真實驗結(jié)果與分析············38
第四章 動態(tài)性能測試平臺及關(guān)聯(lián)要素測試方法研究·········50
4.1 磨削工藝系統(tǒng)動態(tài)性能測試 ········50
4.2 基于實際加工的磨削力檢測結(jié)果與對比分析 ········60
4.3 基于改進(jìn)功率譜算法（ MPSD）的動態(tài)性能檢測·········63
4.4 局部均值分解與 Lempel-Ziv 相結(jié)合的磨削過程穩(wěn)定性分析方法·······76
4.5 基于核聚類信號融合的磨削穩(wěn)定區(qū)域圖判別(SLD-KCF) ········83
第五章 考慮磨削工藝系統(tǒng)動態(tài)性能的磨削工藝優(yōu)化模型（MOGPO）··········90
5.1 概述 ·····90
5.2 基于傳感器融合檢測修正的多目標(biāo)磨削工藝優(yōu)化模型····················91
5.3 考慮工藝系統(tǒng)動態(tài)性能的磨削質(zhì)量預(yù)測模型(KPCA-MELM)············98
5.4 基于 Pareto 解集磨削過程工藝優(yōu)化······104

第六章 工程應(yīng)用案例及其效果分析

6.1 高速全陶瓷機(jī)床主軸的精密磨削案例及其效果分析

隨著高速精密機(jī)床的發(fā)展，高速電主軸系統(tǒng)的精度、壽命的相關(guān)研究得到了廣泛關(guān)注。由于工程陶瓷的耐高溫、高強(qiáng)度、耐磨損、超硬度、抗腐蝕等優(yōu)良性能，全陶瓷電主軸受到國內(nèi)外高度關(guān)注。本文將以其中的全陶瓷主軸為例，根據(jù)其技術(shù)指標(biāo)要求，開展全陶瓷主軸的精密磨削工藝、工藝參數(shù)，以及磨床的動態(tài)性能等的相關(guān)研究和工程實踐。為了提高工程陶瓷磨削加工的表面質(zhì)量，本節(jié)以難加工高速全陶瓷 ZrO₂為對象，通過對實際磨削的仿真和實驗研究，驗證優(yōu)化結(jié)果的可行性與正確性。首先通過解析模型，探索砂輪速度的提高對改善磨削質(zhì)量的作用，然后，通過磨削工藝系統(tǒng)在線檢測平臺，研究陶瓷材料磨削加工過程中不同砂輪速度對磨削工藝系統(tǒng)動態(tài)性能的影響，以及引起的表面質(zhì)量的改變。最后，在上述解析和實驗檢測基礎(chǔ)上，通過 Pareto 多目標(biāo)優(yōu)化，找到陶瓷磨削加工過程中保證加工質(zhì)量的穩(wěn)定工藝優(yōu)化范圍，為陶瓷加工工藝優(yōu)化選擇找出科學(xué)依據(jù)105, 118, 119]。本節(jié)對陶瓷材料磨削在不同工藝條件下的動態(tài)磨削力及表面質(zhì)量進(jìn)行工程驗證，涉及以下工作：（1）使用解析模型對動態(tài)磨削力進(jìn)行仿真，分析動態(tài)磨削力的變化對磨削加工質(zhì)量的影響。

6.2 汽車軸類零件高效磨削的工程應(yīng)用

汽車軸類零件是其動力系統(tǒng)中的重要零件，其質(zhì)量直接限制著汽車傳動系統(tǒng)的性能。隨著汽車工業(yè)的發(fā)展，對軸類零件的加工精度、效率以及表面質(zhì)量都提出了更高的要求。將高速磨削技術(shù)應(yīng)用到汽車軸類零件加工中能使零件具備更高的加工效率以及更好的表面質(zhì)量。本章針對汽車軸類零件典型材料開展高速磨削高效率高質(zhì)量控制的實驗與解析模型研究，系統(tǒng)地展開相關(guān)實驗與應(yīng)用分析，汽車軸類零件高效高質(zhì)量磨削的工藝參數(shù)選擇提供參考依據(jù)。

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第七章 結(jié)論與展望

磨削過程的動態(tài)特性是影響磨削加工表面質(zhì)量的關(guān)鍵性因素，加工過程由于加工環(huán)境復(fù)雜，工件主軸跳動、砂輪磨損、砂輪主軸不平衡等任何一個微小因素的變化都會導(dǎo)致動態(tài)性能的改變，從而影響加工表面質(zhì)量。本文結(jié)合多傳感器在線檢測技術(shù)和動態(tài)力解析建模的方法，開展高速磨削過程動態(tài)特性的研究，研究加工過程動態(tài)特性對磨削質(zhì)量的影響。同時，，在上述研究的基礎(chǔ)上，對磨削加工工藝進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，使磨削加工滿足質(zhì)量、效率、成本、綠色環(huán)保的要求。本文的主要工作和結(jié)論如下：（1）基于磨削過程不穩(wěn)定的動態(tài)因素，對磨削加工過程開展解析模型研究。主要結(jié)論如下：綜合研究、分析了磨削工藝參數(shù)、砂輪形貌、砂輪和工件主軸跳動等對磨削工藝系統(tǒng)動態(tài)特性的影響，構(gòu)建磨削力時域動態(tài)解析模型，經(jīng)過大量的仿真計算與分析，所形成的磨削規(guī)律與已有的磨削機(jī)理研究成果相符。 基于多傳感器檢測和融合處理獲得的實際磨削工藝系統(tǒng)特性參數(shù)，對磨削力動態(tài)時域解析模型進(jìn)行修正，使模型具有更好的實用性和普適性。實驗與工程應(yīng)用實例表明，高質(zhì)量磨削不僅取決于工藝參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計，并且受到磨削工藝系統(tǒng)動態(tài)性能的很大制約。因此，開展綜合考慮特定磨削工藝系統(tǒng)動態(tài)特性的磨削工藝優(yōu)化方法研究，具有重要理論意義和實用價值。

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參考文獻(xiàn)（略）

本文編號：356723