（机械制造及其自动化专业论文）支持轴承套圈磨削进给参数优化的质量分析系统的研究.pdf

浙江大学硕士学位论文 摘要 随着信息技术、先进制造技术与管理方法的层出不穷，使得质量和效率这对生产中可能 存在的矛盾趋于平衡。磨削加工是轴承精密加工的关键工艺之一，本文围绕轴承套圈磨削加 工中的进给参数优化的问题展开研究，研制和开发了支持蘑削进给参数优化过程的质量分析 系统 ， 全书分为六章： 第一章：首先阐述磨削- 艺参数优化在轴承制造业中的重要意义，综述了磨削加工及磨 削工艺检测技术的现状和发展趋势，提出了开发支持磨削进给参数优化的质量分析系统的意 义、目标及本文的总体框架。 第二章：阐述轴承套圈磨削加工的进给机构的进给平台、进给驱动，分析在磨削过程 的中的迸给参数对加工质量的影响，讨论了面向探索性数据分析法的解析优化和试验优化 法，给出了数学中的指数平滑、拉格朗日插值法及方差分析方法，为支持轴承套圈磨削进给 参数优化的质量分析系统软件开发提供数学基础。 第三章：首先介绍了由现场测量层、通信层和集中管理分析层组成的轴承套圈磨削进给 参数优化系统。介绍现场测量层磨床进给参数检测仪器的特点。采用串口数据通信技术连接 上位机的质量分析系统与下位机的现场测量仪器，最后建立支持磨削进给参数优化的质量分 析系统的模型。 第四章：磨削进给参数优化过程中主要采用探索性数据的方法，因此本章将围绕质量分 析系统的数据流程，应用前面介绍的数学方法对异常数据进行处理，分析轴承套圈磨削加工 过程中进给参数、采样特征数据与磨削质量的关系。 第五章：本章在前面对研究结果的基础上，在w i n d o w s 环境下，采用混合编程与快速 原型法，结合v c - h - 与m a t l a b 优点进行软件开发，实现质量分系统。以微璎轴承套圈磨 削迸给加工迸给参数优化的为例，进行软件各个功能模块的介绍。 第六章：总结本文主要的研究成果和主要贡献。并提出今后需要进一步深入研究的工作。 关键诃；轴承套圈磨削进给参数工艺理论模型参数优化方法 浙江大学硕士学位论文 a bs n t a c t a b s t r a c t w i 嘲t h ef l o u r i s h i n gd e v e l o p m e n to fi n f o r m a t i o nt e c h n o l o g y , a d v a n c e dm a n u f a c t u r i n g t e c h n o l o g ya n dm a n a g e m e n tm e t h o d ，q u a l i t ya n de f f i c i e n c yt h a t a r ec o n t r a d i c t o r ye l e m e n t s b e c o m eb a l a n c e g r i n d i n gi so n eo ft h em o s ti m p o r t a n tb e a r i n gp r e c i s i o np r o c e d u r e s t h i s d i s s e r t a t i o ns t u d i e st h eo p t i m i z a t i o np r o g r e s sp r o c e a so fg r i n d e r r & d “s u p p o r ts o f t w a r es y s t e m o f q u a l i t ya n a l y s i sf o r b e a r i n gf e r r u l eg r i n d i n gp r o g r e s sp a r a m e t e r so p t i m i z a t i o n t h e r ea r es i xc h a p t e r si nt h i sd i s s e r t a t i o n c h a p t e ro h ed e p i c t st h ei m p o r t a n ts e n s eo f g r i n d i n gp r o g r e s sp a r a m e t e r so p t i m i z a t i o ni no u r c o u n t r y sb e a r i n gm a n u f a c t u r ea n ds u mu pt h es t a t u sq u oa n dt h ed e v e l o p m e n tt r e n do f g r i n d i n g , i n d i c a t e st l l er e s e a r c l lp u r p o s ea n dm a i nc o n t e n to f t h i ss y s t e m i nc h a p t e rt o w , w ee x p a t i a t eo nt h ep l a f f o r r na n dd r i v e r sa n da n a l y z et h ed i f f e r e n tp r o g r e s s p a r a m e t e r sh o wt oi n f l u e n c eq u a i l t yo f 鲥n d i n g ，d i s c u s st h er e s o l u t i o no p t i m i z a t i o na n dt h e e x a m i n a t i o no p t i m i z a t i o nt h a ta r cf a c et od a t ag r o p i n ga n a l y s i s ，i tb d n g sf o r w a r ds e v e r a l m a t h e m a t i c sm e t h o d s , s u c ha se x p o n e n t i a lf l a t n e s s , l a g r a n g ei n s e r tm e t h o da n da n a l y s i so f v a r i a n c e i ti st h eb a s eo f t h eq u a l i t ya r i a l y s i ss y s t e m i n c h a p t e r t h r e e w e i n t r o d u c e t h e s y s t e m o f g r i n d i n g p r o g r e s s p a r a m e t e r o p t i m i z a t i o n t h a t i s c o n s i s t e do fl o e a l em e a s u r e m e n td e v i c e 。c o m m u n i c a t i o nd e v i c ea n dc e n t r a lm a n a g e m e n ta n a l y s i s d e v i c e w ei n t r o d u c et h ew a i to fg r i n d e rp r o g r e s sp a r a m e t e rm e a s u r i n gs y s t e m t h e nw eu s e r s 2 3 2i nt h ec o m m u n i c a t i o no f l o c a l em e a s u r e m e n td e v i c ea n dq u a l i t ya n a l y s i ss y s t e m f i n a l l y s e t su pt h em o d e lo f q u a l i t ya n a l y t i c a ls y s t e m o p t i m i z a t i o n 鲥n d i n gp r o g r e s sp a r a m e t e rm a i n l ya d o p ta td a t ag r o p i n ga n a l y s i s a c c o r d i n g t ot h ep r o c e s so f d a t as t r e a m ，a p p l yf o r e g o i n gm a t h e m a t i cm e t h o dt od e a lw i t ha b n o r m i t yd a t ai n c h a p t e rf o u r t oa n a l y z et h er e l a t i o n s h i p so ft h ep r o g r e s sp a r a m e t e r , t h ec h a r a c t e r i s t i cd a t ao f $ a m p i ea n dt h eg r i n d e rq u a l i t i e s a tt h eb a s eo ft h e o r ys t u d y , w ei m p l e m e n tt h eq u a l i t ya n a l y s i ss y s t e m c h a p t e rf i v es t a r t s f 0 肿t h ei n t r o d u c t i o i lt h em i x e dd e v e l o p m e n te n v i r o n m e n to fv c + + a n dm a t l a b i tu s e s d e v e l o p m e n tm e t h o do ft h ef a s tm o d e lo fs y s t e m t h ea p p l i c a t i o no fq u a l i t ya n a l y s i ss y s t e mi n b e 耐n gc o m p a n y , i n t r o d u c ee a c hf u n c t i o ni n t e r f a c ea n dh o w t ou s ei t f i n a l l y , c h a p t e rs i xm a k e sac o n c l u s i o no f t h ew h o l ed i s s e r t a t i o na n dp u t sf o r w a r dt h ef u t u r e r e s e a r c hi nt h i sf i e l d k e yw o r d s ：b e a r i n gf e r r u l e ，鲥n d i n g , p r o g r e s sp a r a m e t e r s , a r t sa n dc r a 缸t h e o r ym o d e lo f g r i n d i n g , o p t i m i z a t i o nm e t h o d so f p a r a m e t e r s i i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所 知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究 成果，也不包含为获得堑鎏盘空或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一 同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：之天1 j 菱签字日期：2 肿占年j 月j7 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解堑垄盘堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。 本人授权逝望盘茎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 健 导师签名 如辞 签字日期：7 p 占年2 月穹日 、，日 k v 易堋 ： 年 嬲以 睹 力 姘 肌 沦 日 位 字 学 签 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论 内容提要 本章首先阐述磨削优化在我国现代制造业中的重要意义，综述r 磨削加工及磨削1 = 艺捡测技术的现状 和发展趋势。结合磨削进给参数和进给方法研究。提出了开发支持磨削进给参数优化的质量分析系统意义， 目标及本文的总体框架 1 1 课题提出的背景 质量是企业生存与发展的关键，这已成为人们的共识。特别是自我国加入w r o 以后，单 纯通过价格竞争取得的优势，将由于劳动力成本的提高和低档产品生产规模的不断扩大丽渐 渐地丧失。同时，企业所面i 临的全球化质量竞争的压力将进一步加大如何引导企业，特别 是中小型制造企业从单纯的价格竞争走向质量竞争，已成为是各级政府主管部门急待解决的 重要议题。我国国务院还为此颁布了质量振兴纲要，作为我国企业迎接二十一世纪挑 战的重要策略，推动企业不断地加强质量工作的力度，提高产品质量的保证能力。 近日媒体报道，经济高速发展的中国现已成为制造业的大国，仅次于德国居世界第四位。 专家表明，制造业在中国以超过g d p 的速度增长，成为中国最大的产业都门和国民经济的 重要组成部分，上交税金、从业人口占全部工业的9 0 ，出口占全国外贸出口的9 1 2 ，是 出口的重要力量，1 0 0 多种制造业产品产量号称世界第一”1 但是，目前我国制造企业的质量工作还任重而遭远。据国家质量技术监督抽查报告显示， 2 0 0 0 年机械行业产品质量平均合格率7 5 的水平，滚动轴承三年的平均合格率仅为6 8 。 事实上，轴承作为一种精密的、难加工的基础部件，其质量好坏直接影响到产品整机的质量。 据统计，在使用滚动轴承的旋转机械中。大约有3 0 0 , 6 的机械故障是由于轴承失效所引起的， 可见，轴承的好坏对机器工作状况的影响极大。而在精密机械中。对轴承的要求就更高，哪 怕是轴承滚道上有微米级的缺陷，都会影响整个机器系统的性能。冈此，保证轴承质最对提 升我国制造业的整体水平将具有深远的意义。同时，也正由于这一原因，促使轴承行业提前 进入质量竞争时代。 制造过程对产品的质量有着决定性的影响，对于轴承生产行业，磨削加工有其想当重要 的地位。据统计，在轴承制造行业，磨削加工约占整个轴承生产劳动量的6 0 以上，磨床 用量也占全部加工机床的6 0 以上。同时，磨削加工也是比较先进的加工方法，加工的精 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 度很高，尽管轴承的加工有几十道工序，但最终都是以磨削加工结束。经磨削加工后的轴承 套圈，其圆度误差能达到0 0 0 1 m m ，表面租糙度能达到1 2 5 0 o l o zm 以下，这样高的加 工精度是其他机床很难达到的p h 4 】 磨削是一种精密的加工方法。因此应该在最佳条件下应用。虽然磨削广泛应用于工业， 但在所有加工方法中，它可能仍然是被了解的最少的一种。如何应用它经常依靠操作者的经 验，而不是科学知识。这种情形似乎来自不正确的观念，那就是磨削加工过程太复杂以致难 以理解。在过去的3 0 年里，已对磨削加工不同方面有了较清楚的理解，本文针对轴承套圈 磨削过程进给参数进行研究，对磨削加工的优化具有重要意义 1 2 磨削技术的研究概述 现代机械产品精度，可靠性和寿命的要求不断提高，高硬度、高强度、高耐磨性、高功 能性材料的应用增多，给磨削加工提出了新的挑战为满足不断提高的加工要求，磨削理论， 磨削技术和磨削监测技术处于迅猛发展之中。 1 2 1 磨削理论的研究进展 磨削理论研究是磨削技术发展的基础，磨削理论的研究包含很多方面的内容。根据物理 学、数学，弹塑性力学，断裂力学，磨擦学、切削学、计算机科学、信息论和控制论等基础 科学，研究磨削过程的机理、磨屑的形成、磨削力、磨削功率，磨削温度、磨削热，磨削区 温度的分布与传散以及磨削区接触弧长等问题。通过实验考察、理论分析、模拟与仿真，建 立数学模型，确定合理地切削规范与磨削用量，揭示磨削过程诸现象的本质，总结出磨削过 程中的规律，用于指导生产实际。” 在磨削热的机理研究方面，近年来国内外学者先后建立了多种磨削热模型进行研究”， 包括1 6 v 5 n e 的磨粒传热模型，m o r p n 的改进圆锥磨粒模型，c g u o 的砂轮一磨削液复合体模 型、高航教授建立的断续磨削热源模型、r o w e 建立的简化传热模型等”。针对磨削的残余 应力现象，有不少学者进行研究，如西北工业大学对高温合金。超高强度钢的磨削残余应力 进行了分析“”“1 ，哈尔滨工业大学研制出了基于百孔法原理的残余应力测蹙仪1 ，北方交 通大学应用新型的无损磁弹性检测法对残余应力进行了测试试验，取得些进展“”。有对磨 削表面完整性形成机理的研究。还有通过实验方法( 如单因素实验、多因素实验等) 建立数 学模型，来研究磨削参数对质量的影响规律等。 2 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 1 2 2 磨削技术的研究进展 磨削技术已发生了很多的改进和创新，正向着超精磨削、高效率磨削、超硬磨料磨具磨 削、磨削自动化和智能化等方向发展。 超精密加工当前是指被加工零件加工精度小于0 1n1 1 1 ，且表面粗糙度p a d , 于0 0 2 5 m 的加工技术f l ，l 而纳米工艺的加工精度则为1 0 2 1 0 - 3 “1 1 1 。超精密加工的关键是最后一 道工序要从工件表面上除去一层小于或等于工件最后精度等级的表面层。因此，要实现超精 密加工，首要的是要减少磨粒单刃切除量而使用微细或超微细的磨粒是减小单刃切除量的 最有效途径。实现超精密磨削是一项系统工程，包括研制高速高精度的磨床主轴、导轨与微 进给机构，精密的磨具及其平衡与修整技术，以及磨削环境的净化与冷却方式等。超精密磨 削多使用金刚石或立方氯化硼( c b n ) 微粉磨具。早期镜面磨削使用树脂结合剂磨具，借助其 弹性使磨削过程稳定。近几年来随着金属结合剂金刚石微粉磨具和电解在线修整( e l i d ) 技术的开发使超精密镜面磨削技术日臻成熟 已可加工出r a 0 0 2 o 0 0 2 hm 的镜面。哈 尔滨工业大学等单位在这方面做了不少研究，取得了一定进展。 高生产率和高精度是现代制造技术追求的两大目标。众所周知，磨削虽然在达到的加工 精度和表面粗糙度方面具有无可比拟的优势，但其材料的切除率q ( 单位时间内磨除材料的 体积r l l m 3 s ) 难以与切削抗衡。这是因为q 等于磨屑平均断面积、磨屑平均长度和单位时间 内的作用磨粒数( 磨屑数) 三者的乘积。所以为了提高磨削效率，必须采用增大单位时间内作 用的磨粒数( 如高速磨削、超高速磨削，砂带磨削等) 、增大磨屑平均断面积( 如各种重磨削) 及增大磨屑平均长度( 如缓进给探磨、立轴平磨) 等许多高效率磨削技术。其中重负荷荒磨、 超高速磨削、砂带磨削、高效深磨和超声波磨削技术的发展尤其引人注目。 重磨削的发展使磨削不仅适用于精密加工和超精密加工，而且也适用于粗加工与荒加 工目前荒磨时的磨削速度普遍达到8 0 m s ，高的已达1 2 0 m s ；磨削压力一般为1 0 0 0 0 i 2 0 0 0 n ，个别可达3 0 0 0 0 n ；磨削功率一般为1 0 0 1 5 0 k w ，个别可达3 0 0 k w ；最高材料磨 除率可达5 0 0 k g h 。我国钢坯的重负荷荒磨技术庄设备引进基础上已接近世界先进水平。 目前通常将磨削速度为5 0 1 5 0 m s 磨削称为高速磨削。而 1 5 0 m s 的磨削称为超高速 磨削。近年来研究表明，超高速磨削不但可大幅度提高j ：效、延长砂轮寿命和降低表面粗糙 度，而且可对硬脆材料实现延性域磨削，对高塑性和难磨材料也有良好的磨削效果。过去由 于受砂轮回转破裂速度的限制，以及磨削温度高和工件表面烧伤的制约，磨削速度长期停滞 在8 0 m s 左右。随着c b n 磨料的广泛使用和高速磨削机理研究的深人现在工业上实用的 3 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 磨削速度己达到了1 5 0 2 5 0 r n s ，实验室中达= l i j 5 0 0 m s 。超高速磨削需要有趣高速磨削 砂轮、超高速磨床主轴轴承、磨削液及供液过滤系统、以及对磨削过程监控等一定的相关技 术作支撑。东北大学在国家自然科学基金资助下已建造t 2 0 0 m s 的超高速磨削试验台并 进行了超高速磨削机理的研究取得了若干阶段性成果【l i 砂带磨削的加工效率比普通磨削高5 1 0 倍以上，由于它属于弹性磨削，有利于解决磨 削变形、工件烧伤等同题。所以，工业发达国家的砂带磨削已占总磨削量的一半左右近几 年来国外的砂带己用c u b i t r o n ( 美国3 m 公司) 和s g ( 美国n o r t o n 公司) 磨料取代普通刚玉磨料， 新磨料是微晶结构，自锐性和韧性好，磨粒很少发生宏观折断另外，由于采用新基体，新 结合剂砂带寿命延长。前几年我国郑州磨料磨具磨削研究所和湖南大学等单位承接了国家 下达的“砂带磨削工艺的试验研究及应用”课题研究工作，并以涤纶生产线上的定型辊及纺 织轴辊、1 9 0 型柴油机铸铁缸盏、汽轮机不锈钢柱形叶片为研究对象解决了大型及细长薄 壁圆柱体工件的高效精密低粗糙度磨削、铸铁平面高教精密磨削及数控仿形高效精密磨削等 技术难题促进了砂带磨削在生产中的使用与推广。 缓进给深磨是一种大切深和快进给的高效磨削技术，它不但生产率高，而且磨削精度高 和加工表面质量好。特别是近几年来出现的一种集超高速( 1 5 0 2 5 0 m s ) 、大切探( o i 3 0 r a m ) 、快进给( o 5 1 0 m r a i n ) 于一体的高效深磨h e d g ( h i g he f f i c i e n c yd e e pg r i n d i n g ) 新 技术，它结合c b n 砂轮与c n c 技术，可使单位宽度砂轮上的材料磨除率高达2 0 0 0 3 0 0 0 m m m m s 。用此法磨削成形表面和构槽类零件时( 如转子槽、麻花钻头上螺旋槽) ，可获得远 高于切削加工的材料切除率。我国东北人学已制造出了大功率超高速高效深磨磨床，砂轮电 动机功率为5 5 k w ，使用c b n 单层电镀砂轮，圆周速度为2 5 0 r i d s 。 普通磨削中磨削区域温度高，经常出现砂轮堵塞和工件烧伤。为此，2 0 世纪8 0 年代后期， 天律大学的李天基等人在高速磨削时对磨头施加超声振动，提出了高效的超声磨削符合加工 方法。超声波振动磨削具有磨削力小、磨削温度低。砂轮不易堵塞等优点，能较好地解决普 通磨削中存在地问题，效率比传统超声加工提高6 倍以上，表面质量也有了大幅度地提高。 广泛应用于不锈钢，钛合金、高温合金等难磨材料加工中，比普通磨削降低磨削力3 0 6 0 ，降低磨削温度，提高加工效率i 4 倍。 当前，磨削技术除向超精密、高效率和超硬磨料方向发展外，磨削加工自动化也是磨削 技术发展的重要方向之一。目前磨削自动化在c n c 技术日趋成熟和普及的基础上，正在进 一步向数控化和智能化方向发展，许多专用磨削n c 软件和系统已经商品化。磨削是一个复 杂的多变量影响过程，对其信息化及智能化处理和决策，是实现柔性自动化和最优化的重要 4 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 基础。 目前磨削中人工智能的主要应用包括磨削过程建模、磨具和磨削参数合理选择、磨削过 程监测预报和控制、自适应控制优化、智能化工艺设计和智能工艺库等方面近几年来，磨 削过程建模、模拟和仿真技术有很大发展，并已达到适用水平我国在磨削过程建模与模拟、 声发射过程监控与识别、工作表面烧伤及残余应力预报，磨削加工误差在线检测、评价与补 偿等方面都有许多成果，并已开发出了新型磨削机器入。 自从有了磨削加工技术，磨削过程中的检测和监控也应运而生。磨削加工技术的快速发 展对检测和监控技术提出了新的要求。驱使其向前发展。同时磨削工艺过程监控检测为保证 磨削质量和了解磨削工况提供了技术支持。 1 3 磨削工艺过程检测与监控的研究概述 为了提高离散生产线的生产水平和管理水平，对生产线上的一些重要参数和机械设备本 身的运行状况等进行监视十分必要。传统的作法主要是采用人工监视方式，即由人工记录生 产线上每台设备远行状况的有关数据，由人工抽样检查产品的有关质量数据，然后以这些数 据作依据，对设备的状况进行管理的维护，对现场人员的生产业续进行考核，对生产线的其 它有关数据进行统计，等等由于这种人工监控方式许多数据采集和处理工作均由人工来实 施，许多信息传递只能以电话方式进行，不规范、无记录，这不仅造成工作量大而且误差大， 存在观测精度低，工作强度大、数据的维护和分折困难，而且难以追查因管理失误而造成的 责任事故等不足，已远远不能满足现代机械加工生产线的管理和质量控制的需要。因此，对 重要参数进行监测和影响磨削加工质量的主要因素进行分析，需要对传统监控方式进行自动 化技术改造，以适应不同参数和因素的检测，或者获得更高精度的检测数据。 1 3 1 磨削加工质量的影响因素研究 磨削过程是个非常复杂地系统，影响磨削加工质鼍的因素非常多，全面分析分析影响磨 削过程的因素及磨削加工目标参数有一百多个，对这些参数和因素全部分析和控制是不现实 的。因此，研究基于某个或某几个主要因素，主要因素如图1 1 所示。分析其对于零件的那 些质量影响。 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 图1 1 影响磨削加工的因素 1 磨削液的影响 磨削时，在磨削区由于磨粒的高速切削和滑擦，使之产生极高的温度，该温度往往造成 工件表面的烧伤并导致砂轮的严重磨损，结果使被加工零件的精度和表面完整性恶化。因此， 磨削时必须把磨削液注入磨削区以降低磨削温度。由于磨削所具有的润滑、冷却和洗涤作用， 故对改善砂轮的磨损、堵塞及磨削质量十分有益【1 8 】。 磨削液对砂轮磨削性能的影响非常大，润滑性能好的磨削液可以改善砂轮对工件的磨除 量、砂轮损耗量和磨削比、减小磨削力。图1 - 2 总结了磨削液的冷却润滑效应，这种效应随 着冷却液类型和成分的不同而异。 豳雹豳 降低摩擦 。 降低切削力和功爿 l 减少热量产生l 雹戮阉 降低工件及 刀具温度 o 减少热量产生 图1 2 磨削液效应图 2 砂轮磨损的影响 磨削过程中，砂轮工作表面的磨粒会逐渐磨钝，砂轮磨钝后磨削力增大，磨削温度上 升，发生颤振与烧伤，使被加工零件的表面完整性受到极大影响。同时，砂轮的磨钝也会使 砂轮工作表面丧失正确的几何形状，使加工精度降低。因此。为了使砂轮在使用中能保持正 6 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 确的形状和锐利性。需要定期对砂轮进行修整。然而，磨削过程中砂轮表面的变化是复杂和 随机的。这就产生了不需要修整的砂轮被修整了( 从而增加了加工时间和砂轮磨耗) 或需要修 整时砂轮还继续工作，可能导致砂轮的烧伤或震颤。 3 磨削力因素 磨削力起源于工件与砂轮接触后引起的弹性变形、塑性变形、切屑形成以及磨粒和结 合荆与工件表面枝江的摩擦作用。磨削力与砂轮耐用度、磨削表面粗糙度、磨削比能等均有 直接关系。实践中，由于磨削力比较容易测量与控制，因此常用磨削力来诊断磨削状态。它 的测量方法有在磨削过程中，磨削力直接影响磨削熟的产生，并进一步影响着振动、加工精 度及砂轮的磨损。因此，磨削力的检测也是状态检测中非常重要的一个方面。 4 磨削温度 磨削时，磨料以很大的负前角切削，砂轮对工件表面的摩擦非常剧烈，磨削区域的瞬 时温度高达1 0 0 0 n c ，磨削系统的热变形对工件的磨削精度产生很大的影响，导致工件产生 尺寸精度和形状精度误差，同时也会引起表面的热损伤( 表面氧化、烧伤、残余应力和裂纹) 5 磨削进给因素 由机床中的控制系统提供给砂轮一个随时间变化的径向进给速度，但实际径向进给量由 于系统扰度和砂轮径向磨损及破碎而有滞后和误差。弹性变形主要包括：砂轮及主轴的弹性 交形、工件及其支承的弹性变形且变形量6 与实际磨削深度l 成正比，即6 = al ，所以 实际磨削深度：l = l 6 ，其中a 为变形系数，i a 即为系统刚度。连续磨削可以看成是一 个一个短行程的进给过程，使得每次进给磨削得理论切深与实际切深之间存在一个关系即： 耳= 1 - ( 剖 在式中，由于l + 口 l 所以每次行程的实际切深均小于理论切深。同时可以看出，随着 ；的增加，即时间的增加，( 击) 趋向于。，使得l ，趋近于l ，磨削切深趋于稳定，但是 总的实际切削深度总是小于理论切深，达不到尺寸精度的要求o ”。 实际上，不同的进给方法对磨削质量的影响也是不同的。目前，国内轴承生产企业普遍 采用全自动轴承磨床，磨削加工进给的方法也得到了快速发展，种类众多。但从磨削区的基 本情况而言，大致分为三类：定程进给磨削、恒压力磨削和采用t a c 自适应控制系统磨削。 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 1 ) 定程进给磨削 这种方法通过控制拨盘，设定固定的空程快进量，当空程快进进行到设置数值时，进给 系统即转为粗磨速度进给。其空程快进设置方法是，设工件跳进剑进给磨削到尺寸总的进给 量为s ，快跳安全量为t ( 为避免砂轮跳进撞击毛坯表面而设置的安全量) ，则总进给量为： s = k 。+ f + 艿 艿= s k 。一f 即砂轮跳进后，进给系统空程快进至刚接触最小直径毛坯的内表面，然后转为粗磨进给， 由于毛坯内表面尺寸公差的存在。使磨削仍存在一个磨削空程，造成磨削效率的严重损失 粗、精磨削采用定速进给方式，通过拨盘设定不变的粗、精进给速度，靠仪表测量毛坯 余量进行粗、精速转换由于磨削过程十分复杂，随着砂轮、接杆、冷却液及整个机床系统的 不断变化，磨削力和功率也不断变化，以恒定的磨削速度进给，显然不利于砂轮及主轴系统 发挥最佳磨削能力。鲫因而这种方法显得比较落后，磨削效果不佳，由于存在这弹性变形 和机床本身的误差，使得磨削后零件的尺寸精度和形状精度产生随机的误差。但仍是目前国 内最常用的磨削方法。 2 ) 控制力磨削 采用控制力磨削方法实现空程快进及粗、精建转换。当液压系统的压力油经减压阀调整 到所需压力p 后，通过两个液压阻力微量节流阀l l 和l 2 ，进入两个有效面积不等的柱塞缸内， 利用油缸的压力差口1 f 2 ) 作用于进给拖板上，预选口1 一f 2 ) 的大小，并合理调整动力参数( 阻 尼及工作转速等) ，来控制径向磨削力的变化规律和大小， 2 8 1 并使磨削力恒定以便适应磨削 过程中的具体条件和要求。 控制力磨削中，工件与砂轮接触前，即空程磨削阶段，运动阻力很小，进给拖板以最大 速度进给，砂轮接触毛坯表面后，进给阻力增大，进给速度自动转换，有效地解决了磨削空 程影响效率的问题。同时，控制力磨削不受毛坯余营和误筹人小，砂轮切削能力强弱和土轴 刚性等的影响，始终以限定的磨削力进行磨削，使径向磨削力仅在一定范围内变化，相比定 速磨削的磨削力变化范围小得多，易于控制砂轮的过速磨损当砂轮切削能力降低时，进给 速度自适应地降慢，砂轮锋利时，进给速度自适应地加快，从而使砂轮始终在较佳状态下工 作，充分发挥砂轮的切削能力。保证产品质量及生产效率 但采用控制力磨削方式，对机床系统有一些严格要求，如机床必须具备灵敏并具有一定 阻尼特性的进给导轨，灵敏而稳定的施力装置和可精确调整的微量节流装置等。 3 ) 采用t a c 自适应控制系统磨削 8 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 t a c 磨削适应控制系统是日本东洋公司研制开发，应用于t - 1 0 7 全自动内圆磨床及其系 列产品上经试验，t a c 控制系统比定速进给系统的磨削时间平均减少1 5 2 0 采用t a c 控制进给磨削比一般定速进给及控制力进给磨削更能发挥机床和砂轮的磨削能力。控制系统 通过对切向磨削力及砂轮大小的监测，控制进给速度，有效地消腺了磨削空程。并在磨削全 过程适应地控制进给速度，保证了稳定的磨削效果，实现了恒功率磨削这一理想方式。但是 这种控制系统相当复杂，技术难度很高，目前国内磨床设计和生产厂家尚未完全掌握这一技 术。 目前，国内轴承制造企业一个比较突出的问题是企业对加工设备比较重视，舍得化本钱 去引进先进的磨削加工设备，但却忽视相关的配套技术改造，包括现场检测设施改善，工艺 参数的优化。其结果是虽然机器能力得到很大的提高，但产品质量仍然没有得到大幅度地改 善。就轴承制造中份量最大的磨削加工而言，磨床具有较高的机器能力是保证质量的基础， 但更重要的还应该根据企业的具体情况将其机器能力充分地发挥出来，包括合理地设置工艺 参数，解决工艺性调整问题等。在工艺优化方面，大多停留在经验性的摸索阶段，基础比较 好的企业则采用正交试验方法，但普遍缺乏有效的定量化辅助工具来进行更深层次的研究。 现在国内轴承生产中主要采用的还是定程进给磨削，在此加工条件下，必需对于磨削加工参 数进行优化，提高磨削质量和效率。这也正是本文研究的切入点。 1 3 2 磨削工艺过程的检测与监测 实现磨削加工计算机控制与智能化，对磨削过程进行监控是一个重要的问题。解决磨削 过程诸现象的信号识别，信号采集、信号数据处理、反馈与补偿，需要高灵敏度的传感器， 还需要有专家系统或智能系统及软件设计等技术的支撑。对砂轮的磨损与破损情况采用声发 射监控系统。汉诺威大学用3 2 r o w 连续机关管，位置光敏检测器和镜头的新光学测量方法， 评价砂轮形貌对磨削过程的稳定性影响，并对砂轮微观特征信息及状态进行在线判断。由于 磨削过程复杂性，目前磨削过程的监控系统在理论上及实用性方面尚有许多问题没有解决 高精度的磨削表面的在线自动检测要比车、铣加工困难得多，关键在于开发高灵敏度得 传感器技术及信号采集、识别、处理技术。对磨削加工后零件尺寸、形状及位置精度，表面 质量进行检测分为离线与在线检测。对超精密磨削及游离磨粒加工后所获得高精度与第表面 粗糙度的检测，目前采用的检测方面发有：电子显微镜( s e m ) 、隧道扫描电子显微镜( s t m ) 和光学式非接触测量，入外差干涉法，条文干涉法激光散射法等。游离磨粒弹性发射( e e m ) 9 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 加工系统是通过识别表面、光敏发光谱的方法实现被加工表面的自动检测 砂轮形貌的检测方法很多，按检测状态的不通，可分为砂轮磨损的静态检测与动态检测。 按检测时的接触状态不同，可分为接触式和非接触式；按检测的参数不同，可分为直接检测 和间接检测；按机床的状态不同，可分为在线检测( 工作状态) 及停机检测( 非工作状态) 等。 2 0 l 主要的检测方法有：触针法，光截法、光电自动测量法、激光功率谱法、电镜观察 法、光反射法和生发射法等。此外还有利用磨削力、磨削热和动态数据测试等方法。 其常用方法有：检测电机功率，用应变片测定磨削力，电容变化，压电晶体以及电涡流 式传感器测力系统等。在实际的工程计算中，仍然采用经验公式为主，多年来各国学者都做 了很多研究，提出的公式几乎都是以磨削条件的幂指数函数形式表示的，形式如下： f - f , a ；。嵋4 嵋矿 式中： 只表示单位磨削力； b 磨削加工宽度( m m ) ： 口、厶 艿一指数。 影响磨削加工温度的因素相对复杂的多，对其进行检测的难度也较大，现在应用的检测技术 主要有以下几种：熟电偶测温法、红外辐射测温法、热敏涂料法、计算机检测系统。相比较 而言，采用单片机对磨削温度进行检测。温度检测范围是0 2 0 0 0 。c 磨削工作温度用4 位 七段数码管显示。具有测量精度高，显示直接等优点。 磨削进给参数的检测主要有：位移传感器检测、激光检测以及采用c c d 的测位法。同 时也有经验公式模型预报法。磨削进给量与磨削件的加工质量( 包括工件表面质量) 和加工效 率之间存在着矛盾和相互制约的复杂关系。如何确定最佳磨削用量与进给速度是工艺优化的 一个重要课题。在众多磨削进给参数对于表面质量的影响研究中，对于影响结果有不同的看 法如：文献口认为，在塑性模式条件下进行磨削时，表面粗糙度不受磨削深度影响。文 献垤出。随着磨削深度的增大，磨削表面粗糙度值变大，因为磨削深度增大导致单颗磨 粒的未变形切削厚度增加。而文献l “1 贝u 得出与之不同的结论：当磨削深度小于一定数值时， 随磨削深度的增大，磨削表面粗糙度值变大；但当磨削深度大于一定数值时，磨削深度继续 增大，磨削表面粗糙值迅速变小。因此，磨削进给方案直接影响磨削质量和效率，需要对此 展开进一步的研究。 1 0 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 i 4 本文的研究目标及主要内容 本文研究的对象即为定程进给磨削，这类机床要求进给单元运转灵活、分辨率高、定 位精度高、没有爬行和较大的移动范围( 既要适合空行程时的快进给，又要适应加工时的小 进给或者微进给) ，既要有较大的加速度，又要有足够大的推力、刚性高、动态响应快、定 位精度好。磨削过程加工工艺过程大多如图1 3 所示【2 l 】 由于车加工及热处理后，工件的内径存在一定的散差。因此，每个套圈的余量是不同的。 磨削空程快进也不相同。在保证或提高产品质量前提下，为减少辅助磨削时间，提高磨削效 率。需要对磨削的工艺过程进行深入的研究，以便最大发挥磨床与砂轮的切削能力。其中空 程快进、粗磨速度和精磨速度决定磨床的加工效率，光整决定了磨削零件表面粗糙度的质量。 设置空程快进运动可以较快的切入速度快速消除砂轮跳入后与工件表面形成磨削空程。 1 4 1 研究目标 位 移 图1 3 磨削迸给过程 时间 先进的数控磨床，大多可按预定的进给运动规律进行控制，能大大减少人为误差、稳定 加工质量。然而，如果前道工序的尺寸散差较大而进给运动规律设置的不合理时，仍然难以 达到应有的效果。因此，如何根据磨削生产的实际情况，建立合理的进给运动规律，使被加 工工件质量最优，是一个值得研究的问题。据调查发现，目前市场上尚缺乏能够解决该问题 的有效手段，因此，本实验室研制的“磨床进给参数检测装置”，已填补这一空白。 由于对此数据没有专用软件进行分析，需要借助于相关软件进行分析，同时直接对数据 进行分析非常枯燥。本论文主要是开发一套支持磨削进给参数优化的质量分析软件，结合数 据通信和存储，图形显示和操作，工艺分析和进给方案改进的软件。目的在于找出磨床进给 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 参数对工件加工质量影响规律。以有效地控制和提高产品质量，提高产业层次为目标。 本系统采用定性分析与定量研究相结合、理论研究与试验研究相结合，解析优化和试验 优化相结合的技术路线。系统构建需要经过四个阶段：磨削进给理论分析阶段、现场检测仪 器开发阶段、质量分析软件系统开发阶段以及总体的试运行和总结阶段。本论文针在前两个 研究阶段的基础上，主要针对第三阶段的支持磨床进给参数优化的质量分析系统的研究。 1 4 2 主要研究内容 本文分析了支持磨削进给参数优化的质量分析系统提出的背景、阐述了磨削进给物理过 程、研究磨削进给参数的优化方法，开发质量分系统模型。本文主要研究内容如下： 第一章：阐述磨削优化在我国现代制造业中的重要意义，综述了磨削加工及磨削工艺检 测技术的现状和发展趋势。结合磨削进给参数研究和进给方法，提出了开发支持磨削进给参 数优化的质量分析系统意义、目标及本文的总体框架 第二章：本章阐述磨削加工的进给机构的进给平台、进给驱动，分析在套圈磨削加工过 程中的进给参数对于质量的影响，确定采用探索性数据分析法的解析优化和试验优化法来研 究磨削进给参数的优化；介绍系统中采用的指数平滑、拉格朗日插值法及方著分析方法。 第三章：介绍了由现场测量层、通信层和集中管理分析层组成的磨削进给参数优化系统 阐述现场测量层磨床进给参数检测仪器的特点，采用串口数据通信技术连接上位机的质量分 析系统与下位机的现场测量层，最后建立支持磨削进给参数优化的质量分析系统的模型。 第四章：磨削进给参数优化过程中主要采用探索性数据的方法，因此本章将围绕质量分 析系统的数据流程，应用前面介绍的数学方法对异常数据进行处理，分析轴承套圈磨削加工 过程中进给参数、采样特征数据与磨削质量的关系 第五章：以v c + + 软件开发环境为基础，采用结构化和面向对象的开发方法。以及快速 原型开发模型进行软件开发。对于软件主要功能模块进行介绍同时以某轴承套圈为例展示了 软件系统使用说明。 论文的章节安排如图l - 3 所示： 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 j 第一章绪论i + 第二章 磨削进给过程参数优化的基础研究 l + 第三章支持磨削进给参数优化的质量系统的架构 l 1r 第四章质量分析系统的关键技术设计 i 1， 上 第五章支持磨削进给参数优化的质量分析系统的开发 i 图1 5 论文总体结构 浙江大学硕士学位论文 第二章轴承套圈磨削仅给过程参数优化的摹础研究 第二章轴承套圈磨削进给过程参数优化的 基础研究 阐述磨削加工的进给机构的进给平台、进给驱动，分析在套圈磨削加工过程中的进给参数对于质量的 影响，确定采用探索性数据分析法的解析优化和试验优化法来研究磨肖进给参数的优化；介绍系统中采用 的指数平滑、拉格朗日插值法及方差分析方法 2 1 磨削工艺系统 磨削加工中的磨床、磨具、工件、夹具和量具构成磨削工艺系统。磨削工艺系统由输入 磨削过程输出组成，其基本构成如图2 1 所示。 围2 一l 麝削工艺系统理论模型 通常影响磨削过程的质量和效率的主要因素是尺寸误差、几何形状误差，表面粗糙度的 变化，颤振、烧伤等。为了减少或消除磨削过程中的这些不利因素，就必须研究磨削过程中 的输入条件和输出条件之间的相互关系。磨床作为磨削过程的主体，对其研究有助于更好的 1 4 浙江大学硕士学位论文 第二章轴承套圈磨削仅给过程参数优化的基础研究 理解磨削过程。本文主要对磨削进给参数进行研究，在这里主要讲解磨削进给机构及其驱动。 2 2 磨床的进给机构 随着轴承工业的迅速发展，对轴承磨床的加工精度、效率、可靠性提出了更高的要求。 尺寸精度是轴承加工中控制的一项关键精度之一，而磨床的进给机构直接影响轴承套圈加工 的尺寸精度口”因此，随着轴承质量要求的不断提高，需要更加精密高效的磨床进给机构， 下面对轴承磨床进给机构进行简单介绍。 2 2 1 磨