（机械制造及其自动化专业论文）轴承套圈沟道磨削的进给状态参数监测及其工艺试验研究.pdf

浙江大学硕士学位论文 摘要 摘要 套圈的沟道是滚动轴承使用时承受负荷的工作表面，沟道加工质量的好坏直接影响到轴 承使用时的工作性能和寿命。目前许多轴承制造企业在套圈沟道磨削工序中存在质量不稳 定、效率低等问题，并缺乏在线监测手段。为此，本文首先研究轴承套圈沟道磨削进给状态 参数检测与分析系统，并以此为基础，通过工艺试验和数据分析，研究套圈沟道磨削过程中 的进给状态参数对磨削质量的影响规律，为轴承套圈沟道磨削工序的在线监测提供依据。 论文的主要章节和内容如下： 第一章：提出课题研究的背景，阐述智能监测在我国现代制造业中的重要意义，综述磨 削状态监测技术的国内外研究现状和发展趋势，总结轴承套圈沟道磨削在监测手段上存在的 不足，提出了本文的研究目标和主要研究内容。 第二章：研究目前典型的球轴承套圈沟道磨削工艺系统和产品的主要质量指标及其影响 因素；在理论分析的基础上，给出了选择砂轮的横向进给位移和主电机功率作为磨削过程中 监测信号的原因。 第三章：介绍了磨削进给状态参数检测与分析系统：阐述了进给状态参数检测系统的功 能特点和软、硬件设计等。阐述进给状态参数分析系统的功能设计、系统界面实现方法以及 基本的数据分析方法等。最后介绍检测系统和分析系统之间的通信协议设计。 第四章：对沟道磨削过程中的进给状态参数和粗糙度、沟形误差进行了理论分析。通过 工艺试验，研究套圈沟道表面粗糙度和沟形误差的变化规律，分析进给状态参数的特征值与 沟道表面粗糙度的关系，分析进给状态参数的特征值与沟形误差的关系。 第五章：对进给状态参数和磨后套圈沟道圆度进行了理论分析。通过工艺试验，分析不 同波段沟道圆度值的相关性，分析进给状态参数的特征值与磨后沟道圆度的关系，利用进给 位移曲线和功率曲线的关系计算不同工件的磨削量，分析磨削量对磨后沟道圆度的影响。 第六章：总结本文主要的研究成果及结论和本文的主要贡献，并指出今后需要进一步开 展的研究工作。 关键词：套圈沟道，磨削状态监测，进给状态参数，检测与分析系统，影响规律，沟道圆 度，沟道粗糙度、沟形误差 a bs t r a c t 1 1 1 eq u a l 砂o fr a c e w a yd e t e r m i n e st h eb e a r i n g sp e r f o r m a n c ea n dl i f e g r i n d i n g i sav e r y i n l p o 栅t p r o c e s so fr a c e w a ym a c h i n i n g a tp r e s e n t t h ed o m e s t i cr a c e w a yg r i n d i n gp r 0 l 幽 s p e c i a li n t c l l i g e n tm o n i t o r i n gm c t h o d s i n o r d e rt op r o v i d et h es u p p o r t sf o o n - l i n em o n i t o r i n go f r a c e w a y 酽n d i n gp r o c e s s ，b a s e do n t h ee x p e r i m e n t s ，t h i sd i s s e ：r t a t i o nr e s e a r c h e st h e 硼u e n c e l 删 o ff e e d i n gs t a t ep a r a m e t e r so ng r i n d i n gq u a l i t y t h ew h o l ed i s s e r t a t i o ni sd i v i d e di n t o s i xc h a p t e r s ： c h a p 懈0 n eb e g i l l s w i t ht h es i g n i f i c a n c eo fi n t e l l i g e n t m o n i t o r i n g i nt h em o d e m m 锄u f a c t u i j n g a f t e ri l l u s n a t i n gt h er e s e a r c h s t a t u so fg r i n d i n gp r o c e s sm o n i t o r i n ga n dr a c e w a y 咖d i i l g 唧e s s ，t h en e c e s s i t y o fr e s e a r c ho nr i n gr a c e w a yg r i n d i n g 蛐m 删幻m g 塔 i n t r o d u c e d h ic h a p t e rt 、 ，o ，t l l e 啪i c a lt e c h n i c so ff i n gr a c e w a yg r i n d i n g i sf t r s t l yr e s e 砌e d ，硫l u d i n g g r i n d i n gm e 也0 d 觚dw o r k i n gp r o c e d u r e t h e n t h ea f f e c t i n gf a c t o r so fm a i nq u a l i t ya r eo u t l i n e d a tl a s t , a c c o r d i n gt 0t h ep r i n c i p l e sf o rf e a t u r e ds i g n a l s ，t h e r e a s o nf o rs e l e c t i n gt h et 、) r o f e e d i n g s t a t ep a r a m e t e r sa st h em o n i t o r i n gs i g n a l si sg i v e n 1 1 1c h 蝴t h r e e ，触l y t h em a i nf u n c t i o n s ，t h es o f t w a r ed e s i g na n dt h eh a r d w a r ed e s i 印o f m e a l s u r i n gs y s 钯ma r ei l l u s t r a t e d s e c o n d l y , t h ed e s i g n o fa n a l y z i n g5 y s t e m 坞m 仃o d u c e d 疵l u d i n gt h e 扭a b a s cd e s i g n , t h es y s t e mi n t e r f a c e sa n d t h eb a s i ca n a l y z i n gm e t h o d s c h 棚栅触l yg i v e st h et h e o r ya n a l y s i so fp o w e r a n dg r i n d i n gw h e e l 5a b 膦i 锄s 协t e t 1 1 r o u 曲s o m ee x p e r i m e n t s ，i ta n a l y z e st h er e l a t i o n s h i pb 咖e e n m a i nm o t o rp o w e ra n dr a c e w a y r o u g h n e s s ，a n dt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e n m a i nm o t o rp o w e ra n dr a c e w a yf o r md 吖i a t i o n c h a p 储付e 痂卿g i v e st h et h e o r ya n a l y s i so ff e e d i n g s t a t ep 删n e t e r s 觚d 龇m e w a y r o u i l d n e s s 伽u 曲s o m ee x p e r i m e n t s ，i ta n a l y z e st h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nm 锄m o t o r p o w e r 狮i a 雠e w a yr o u n d n e s s ，a n d t h er e l a t i o n s h i p 。b e t w e e nf e e d i n gd i s p l a c e m e n t a n dr a c e w a y r o u n d n e s s f i n a l l y , c h a p t e rs i xm a k e sa c 。n c l u s i o no ft h ew h o l ed i s s e r t a t i o na n dp u tf o n a r dt h ef r e s e a r c hi nt h i sf i e l d k e yw o r d s ：r i n gr a c e w a y , g r i n d i n g s t a t em o n i t o r i n g ，f e e d i n gs t a t ep a r 锄e t e r m e a s u n n gs y s t e m ， 锄a l y z i n gs y s t e m s ，i n f l u e n c el a w , r o u n d n e s s ，r o u g h n e s s ，r a c e w a y f o r md e v i a ：t i o n t t 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人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，也不包含为获得逝婆盘堂或其他教育机 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。 学雠文储虢船晗签字吼砌9 年占月i 多日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解逝婆盘茎有关保留、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。本人授权迸姿态堂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) 一虢想晗新繇食孕 签字日期：汤p g 年多月以日 签字日期：力衫锌舌月扩日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 电话： 邮编： 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 轴承行业是机械基础产业和骨干行业，其发展水平的高低，往往代表或制约着一个国家 机械工业和其它产业的发展水平。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。我国的轴承工业与发达国家相比，尚存在着很大的差距。根据国 家轴承质量监督检测中心近年来的监督抽查的结果表明，轴承产品的平均合格率仅为6 6 左右，低于全国各类产品平均合格率的7 5 - - - 8 0 的水平【1 1 。据统计，在使用滚动轴承的旋 转机械中，大约有3 0 的机械故障是由于轴承失效所引起的，因此，保证轴承质量对提升 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。 一大批国内知名轴承制造企业对当前的质量形势给予了极大的关注，纷纷投入了大量的 人力、物力进行质量研究与攻关，取得了长足的进步。然而，质量管理是一项涉及面广、复 杂程度高、系统性强的工程，需要脚踏实地做好基础性工作、持续不断地改进工作质量，才 能在质量竞争中处于领先。特别是高档轴承作为机械制造中高难度、高技术要求的产品，在 众多制造过程中的任一环节出了问题，都会导致大面积的报废。需要对加工设备、生产工艺、 材料、检测、人员技能与生产环境等各个方面的所有质量影响因素，实施严格有效地控制， 才能保证高质量的产 2 1 。 目前，国内外大部分精度高，表面质量好的零件都是通过磨削加工来完成的，磨削加工 对于提高产品质量具有重要的意义。对于轴承制造行业来说，磨削加工有其相当重要的地位。 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 左右。磨削加工的成本占整个轴承生产成本的1 5 以上。拿轴承套圈 加工为例，尽管有几十道加工工序，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 1m m 以下，表面粗糙度能达到0 0 1 以下，这样高的加工精度是,um 其他机床很难达到的f 3 1 1 4 ) 。近年来，为提高产品性能还大量使用新型工件材料，对许多难加 工材料，高速磨削和高效磨削技术的应用，磨削过程自动化、数控化和智能化的发展，已使 磨削加工在机械制造领域占有越来越重要的地位5 1 。磨削加工始终是最主要的精密和超精密 加工方法。 据统计，从1 8 7 0 年到1 9 8 0 年11 0 年间，制造过程的效率提高了近2 0 倍，而产品设计 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 的效率只提高了1 2 倍6 1 ，这表明体力劳动通过自动化技术得到了极大的解放，而脑力劳动 的自动化程度则很低，未能真正地把人从复杂的生产过程中解放出来，日益复杂的生产过程 中各种问题的求解及决策仍然依赖于人，这成为制造过程自动化发展的瓶颈。 事实表明，制造过程的自动化程度受制于制造系统的智能水平，这引发了从上世纪八十 年代末开始的对智能制造技术的研究【7 1 【引。智能制造的定义是：在制造业的各个环节以一种 高度柔性与高度集成的方式，通过计算机模拟人类专家的智能活动，进行分析、判断、推理、 构思和决策、旨在取代或延伸制造环境中人的部分脑力劳动。其中，智能加工技术是智能制 造系统的一项关键基础性技术，智能加工面向具体的加工过程，它由智能监测、智能控制与 智能决策三个部分组成，三个部分相互联系和制约1 9 。智能决策的前提是智能监测，而智能 决策的实现依赖于智能控制。因此智能监测技术是智能控制和智能决策技术的基础。 机械加工的智能监测主要包括切削状态监测、工件质量的监测、加工设备故障的监测、 加工环境的监测等，其中切削状态监测是智能监测中最重要的内容，它与工件的加工质量密 切相关。切削状态监测的定义是：通过对加工过程中可测量的、可观察的反映加工过程状态 的物理量进行连续地测量和调整，以期得到合格的产品质量【1 0 1 。 磨削是一个复杂的多变量影响过程，切入式磨削作为一种重要的磨削形式被广泛地应用 于外圆、内孔的磨削加工。常规的切入式定程磨削为开环控制，这种磨削方式的加工精度受 到多方面因素的影响，有工具的因素，有被磨材料的因素，有相对运动因素，有机床因素， 还有环境条件的因素等。各种影响因素构成了输入条件，从而产生了复杂的磨削现象，形成 了新的工作表面【1 1 】。目前磨削自动化在计算机数字控s j j ( c o m p u t e rn u m e r i c a lc o n t r o l ，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方向发展，许多数控( n u m e r i c a lc o n t r o l ， n c ) 软件和系统已经商品化。为了进一步提高磨削过程的智能化程度，对磨削过程进行监测 显得至关重要，它为最优化加工以及磨削过程的智能决策和控制提供坚实的基础。另外，由 于价格昂贵的超硬磨料砂轮的应用，要求尽可能小的消耗和非常仔细的修整，这也推动了使 用磨削监测和磨削数据库技术的发展。 滚动轴承套圈的沟道是轴承工作时承受负荷的工作表面，也是滚动体滚动的轨道。沟道 加工质量的好坏将会直接影响轴承使用时的工作性能和寿命。如沟道圆度和表面粗糙度高， 会增大轴承的摩擦力矩，引起轴承工作时的振动与噪声。因此，沟道磨削是提高轴承质量的 重要工序。目前国内的套圈沟道磨削工序存在质量差、效率低的问题。在监视手段上，大多 是采用人工监视方式，即由人工记录生产线上每台设备运行状况的有关数据，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和维护，对现场人 2 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 员的生产业续进行考核。由于这种人工监视方式这不仅造成工作量大而且误差大、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，因而已远远不能满足现 代机械加工生产线的管理和质量控制的需要。因此，对这种传统监测方式进行自动化技术改 造已是当务之急。 1 2 研究现状与发展趋势 1 2 1 切削状态监测技术 为了提高切削状态监测的准确性、可靠性和实时性，国内外学者综合计算机技术、微电 子技术和先进制造技术，对传感器的质量、数量，以及信号处理方法、决策手段等进行了研 究，使监测系统具有自校正、自学习、自决策和自适应等功能，取得了一定的成果【1 2 】。 1 、多传感器融合技术 传感器信息融合技术是8 0 年代在机器人领域提出的一种新的信号处理技术，与单一传 感器相比，传感器信息融合在信息的可靠性、多维性、冗余性和容错性等方面表现出明显的 优势。目前，对于切削状态监测一般采用如下几种信号融合：力一功率，力一声发射一 振动，力温度一声发射，力一声发射一电流，电流一声发射一振动，有的甚至多达五种传 感器信息的融合【1 2 】。 2 、信号处理和特征提取 切削状态监测中，信号处理和特征提取的实质是对原始采样信号进行提炼和凝聚的过 程，也可以看成是数据压缩的过程，原则是保留有用信息，去掉噪声和冗余信息。首先对原 始信号序列进行数据检验( 平稳性、周期性和正态性检验等) ，然后对原始数据进行适当的变 换，得到初始特征向量。由于初始特征向量往往仍然很庞大，其各参数的重要性不同，相互 之间的关系也不一定相互独立，则需要进一步的选择和转换，选择少而敏感性高的特征量进 行适当编码处理，构成最终的特征向量。处理过程的依据是传感信号和刀具状态或加工质量 之间的关系，这种关系可以是经验的或基于某种物理模型的，对于经验关系甚至可以用学习 方法进行特征向量的最优选择吲。 信号处理和特征提取方法主要包括时间序列法、时域分析法、频域分析法和小波分析法 等。每种分析方法各有其不同的应用场合，根据加工方法、监测的目的和检测信号的不同， 采用不同的信号处理和特征提取方法。 3 、决策技术与辨识建型 3 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 实现切削状态监测的基本策略是建立信号特征值与目标值( 刀具状态或加工质量) 之间 的数学模型。数学模型的建立方法有：机理建模法( 一般又称白箱问题) 、辨识建模法( 一般又 称黑箱问题) 以及混合建模法( 一般又称灰箱问题) f 1 4 】。其中，辨识建模是最常用的方法，辨 识建模直接利用反映动态过程的输入输出数据，构建变量之间的数学关系。这种方法一般无 需深入了解过程机理，可以理解为在最少限度的先验知识和假设条件下进行建模。辨识建模 的方法主要有：回归分析、人工神经网络、模糊模式识别、遗传算法和混沌理论等。 回归分析方法根据收集的大量特征参数和质量数据1 1 5 】，利用统计方法将这些数据中隐 含的对象信息进行浓缩和提取，从而建立对象的数学模型。回归分析方法是一种常用的经验 建模方法，为寻找变量之间的函数关系或相关关系提供了有效的手段。但据此建立的模型的 准确性受样本真实性的影响，适用范围受样本容量的制约【1 4 1 。 人工神经网络是模拟人类大脑功能的非线性大规模并行信息处理系统，即具有专家系统 的一切优点，又摒弃了常规方法共有的缺点。它具有很强的鲁棒性、容错性，具有高度的自 组织、自适应和自学习功能【1 2 1 。采用人工神经网络建立的监测系统具有很好的柔性和实时 性。目前很多的监测系统都通过人工神经网络的方法进行建模。 模糊理论是美国控制理论专家l a z a d e h 提出的，用来解决复杂非线性系统决策的方 法，它根据专家提出的一些语言规则进行模糊逻辑判断和决策推型1 5 j 。模糊模式识别可以 用于复杂加工过程中因果关系得多因素判断。我国清华大学的罗振璧等人利用模糊判别方 法，用声发射信号对车刀破损进行了智能监测，使刀具破损识别率明显提高【1 6 】。 1 2 2 磨削状态监测技术 对于定程磨削采用主动监测仪使之成为一个闭环的系统是最常用的方法，文献2 6 】【2 7 1 研 究了采用主动监测与微机控制补偿的外圆磨削控制系统，文献介绍了内孔磨削中单点式 主动监测仪，开发了一个尺寸与粗糙度集成传感器用于在线主动监测。对被加工工件进行在 线测量，还可以采用误差分离与建模技术，通过反馈调节，对加工表面实施补偿磨削，以获 得更高精度的加工表面。即加工工件的尺寸被直接用于控制机床，机床所加工的工件尺寸和 机床刀架( 或者砂轮架) 的位移之间有着反馈联系，而在线测量为其中的必要环节。测量仪器 所测得的工件尺寸信号又施加于加工工件本身，使许多误差因素的影响被及时地克服，这就 大大地减小了系统中各种因素对加工精度的影响。特别是，磨削的进给量较大时，砂轮架和 磨杆的变形较大，工件的热变形较大，砂轮的磨损也较大，通过合理的调节来补偿砂轮磨损、 磨杆变形以及热变形等误差是非常必要的。对于磨削加工过程，特别是对轴承内圆的磨削， 4 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 尺寸精度需控制在微米量级，同时在磨削过程中存在多种影响加工精度的因素，如砂轮的磨 损、冷却液和粉尘的影响等等，因此，需要采用高精度抗干扰能力强的测量装置、传感器及 测量与控制系统。以提高测控精度和增强恶劣环境的适应能力。 但是对于内孔磨削的一些场合，例如本文研究的滚动轴承外圈沟道磨削，受空间尺寸的 限制，主动监测非常困难，因此状态监测是更有效的策略。 在磨削过程中，砂轮的状态影响着磨削的生产效率和加工质量。砂轮在磨削过程中，磨 粒递渐被磨钝而失去磨削能力，若继续磨削会增加砂轮与工件之间的摩擦而发热，磨削质量 将显著下降f 1 7 】。这主要是由于磨粒钝化、砂轮表面被堵和砂轮外形失真所致。为使工件达 到要求的表面粗糙度，就必须对砂轮进行修整，使砂轮的工作表面露出新的磨粒，恢复其磨 削功能。如果不及时对砂轮进行修整，就会影响加工工件的质量。但频繁修整砂轮，又会降 低生产率【1 8 l 【1 9 1 。因此，对砂轮状态进行在线监测，根据砂轮钝化程度，确定合理的修整周 期，对提高磨削加工生产率和磨削质量有着非常重要的意义【2 0 】。目前常用的砂轮状态在线 监测方法有：切削力监测法、声发射( a c o u s t i ce m i s s i o n ，a e ) 监测法、振动检测法等。通过 在线实时检测到的磨削力信号、a e 信号、振动信号作为砂轮磨损、破损的信号，经神经网 络数据融合，决策出砂轮的状裂2 。 磨削力信号反应灵敏、传递迅速、测量方便，所以一直作为砂轮状态监测的重要手段与 方法f 1 2 】。利用体积小、动态性能好的测力传感器对信号进行采集，建立了很多基于神经网 络的在线监测和预报系统工程模型。 东北大学的刘贵杰等人利用声发射( a e ) 传感器为信号源，固定时间间隔内的声发射信号 幅值增量累加为砂轮状态识别的特征值，应用b p 神经网络建立信号特征值与砂轮状态之间 的非线性关系模型【2 2 】【2 3 】，可以为小批量、多品种产品磨削加工中砂轮状态的智能化在线监 测提供准确有效的途径口4 1 。 汉诺威大学用连续激光管、位置光敏检测器和镜头的新光学测量法，评价砂轮形貌对磨 削过程稳定性的影响，并对砂轮微观特征信息及状态进行在线判断。也有用高灵敏压力传感 器来检测砂轮表面形貌，这种传感器有能力在连续磨削中检测砂轮表面情况，该传感器也能 辨别砂轮粒度、气孔、硬度及结构，根据被检测的砂轮状况，修整系统进行修整或修锐2 5 1 。 国内有学者试图在声发射信号某特征值与磨削表面粗糙度之间建立起映射联系【2 9 】【3 0 1 ， 通过在线检测到的a e 信号特征对磨削表面粗糙度进行连续在线评估【3 l 】。实验证明摩擦产生 的a e 信号与磨削表面粗糙度之间存在一定的对应关系【3 2 1 1 3 3 j ，可以作为表面粗糙度的监测 信号。提出了一种基于小波神经网络的在线智能监测及模糊综合评判方法，即通过提取反映 5 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 磨削质量的多种a e 信号特征参数，利用小波神经网络的非线性模型和学习机制，实现磨削 质量的在线监测。同时，根据监测结果，利用模糊综合评判方法，对磨削加工质量进行在线 综合评判，定出磨削质量等级，为进一步调整加工参数提供信息。 原华中理工大学的薛鸿健建议采用状态测量策略，以汽车发动机变速箱二挡二轴齿轮及 同步器锥盘内锥面磨削为例，通过对零件轴径向位移状态参数的测量获取空程值，依据空程 值的变化趋势来控制磨削量从而保证磨削质量。 我国东北大学的刘贵杰等人利用神经网络建立了磨削过程计算机集成智能监控系统，该 系统将磨削过程监控、故障诊断和反馈控制组成一个有机整体，可以实现磨削烧伤、磨削颤 振等故障的在线实时诊断，通过反馈控制系统实现磨削参数的实时调整，提高磨削加工的性 能【3 4 j 。 对磨削状态的监测，需要有各种传感器作为基础。近年来，进一步研制各种高精度、高 可靠性的标准传感器，如磨削力、磨削温度、电压电流等传感器。标准声发射传感器是最近 常被人关注的一种传感器，在适当的安装位置，用适当的信号分析仪可以有效地监测磨削状 态。除了标准传感器以外，国外还使用了旋转和环形传感器，用来直接在外圆和内圆磨床上 测取信号【3 5 】。 国内外磨削状态监测技术的发展动向概括起来有以下几点1 3 6 】： 1 、继续开发和研制高性能、高寿命、高可靠性、抗干扰能力强的专用监测传感器。 2 、开展多传感器信息集成与融合技术，由单参数监测向多参数监测发展，加大信息量， 提高决策精度。 3 、在信息处理上，越来越多地采用神经网络、遗传算法、时间序列、模糊识别等先进 的处理方法和算法。 4 、进一步研究监测的基础理论和技术、进一步认识监测信号与监测目标的内在联系。 1 2 3 试验设计方法 试验设计的目的的用统计分析的方法来研究输入输出变量之间的关系，达到对一个系统 的输入变量是如何影响其性能的更深刻的理解，为选择最优输入设置提供了一个基本依据。 为达到目的，允许研究者通过改变系统输入变量的设置，发现系统的响应或输出有什么变化。 试验设计是有关知识和技术的一个整体，它使研究者能够找到好的试验，有效地进行数据分 析并建立来自分析的结论和最初研究目标之间的联系【3 7 】。 2 0 世纪2 0 年代，英国统计学家费歇尔将试验设计方法应用于田间试验，从此开创了一 6 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 门新的研究领域。他运用一套规格化的“正交表”合理地安排试验条件，并利用数理统计方 法分析试验结果，来达到通过最少的试验次数，分析推理出最佳的试验结果的目的。之后， 正交试验法在国际上得到广泛推广【3 s 1 。5 0 年代初，日本质量专家田e l 玄一在综合回归分析 与试验设计研究成果的基础上，创立了回归试验设计方法。他将试验的方案设计、数据处理 与回归方程结合起来，从正交性、旋转性出发，利用正交表，多项式回归，中心组合设计建 立各种回归方程p 9 1 。7 0 年代中期，田口玄一提出了产品开发中的三次设计，即系统设计、 参数设计和容差设计，它使用综合误差因素法、动态特性设计等先进技术，用误差因素模拟 各种干扰，使得试验设计更具有工程特色，大大提高了试验效率，增加了试验设计的科学性， 能以较短的开发周期开发出相类似的一组或系列的稳健的、高质量的、在使用中具有优良可 靠性的产品f 4 0 l 。 1 2 4 轴承套圈沟道磨削研究 l 、工艺参数优化 在滚动轴承套圈沟道磨削的工艺参数研究中，国内一些学者采用单因素试验或根据生产 实践，提出了一些提高沟道磨削质量的方法。比如哈尔滨轴承集团公司的赵勇分析造成轴承 套圈沟道表面波纹度的原因，提出降低沟道波纹度的相关措施：如砂轮的平衡方法，合理地 选择进给量和光整时间，调整电磁无心夹具偏心量的方法，提高机床的检测要求等h 。洛 阳轴承研究所的徐浩等人对轴承外圈沟道磨削进行试验，用回归分析法找出外径误差对沟道 磨削的复映规律，建立了外径疏波和沟道疏波之间的线性回归方程h 2 1 。 还有一些学者以沟道质量为评价指标，通过正交试验方法，研究了磨削工艺参数对它们 的影响，并且建立了一些沟道质量特征与磨削工艺参数之间的数学模型。如福州大学的林述 温等人按正交表进行试验设计，通过对试验数据逐步回归建模【4 3 卜【4 5 1 ，建立了轴承内圈沟道 表面粗糙度和圆度与工艺参数之间的数学模型。 2 、专用数控磨床的研制 近年来，c n c 磨削技术发展很快，国外c n c 工具磨床已经从三轴发展到十轴，几乎所 有的磨床种类都有对应的c n c 磨床产品，也出现了很多专用于轴承套圈沟道磨削的数控磨 床，使轴承套圈的沟道磨削效率及精度得到了进一步的提高，例如国内生产的3 m k l 3 3 b 和 3 m k l 4 7 b 就是这种类型的磨床【4 6 1 。 3 、监测与质量预报 济南轴承厂的李春菊等人通过对磨削温度场理论分析和测试磨削后沟道表面显微硬度 7 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 的变化，建立了磨削温度与沟道磨削工艺参数之间关系的计算方程式，通过计算方程式，可 有效预测磨削后的工件表面质量 4 7 1 。 洛阳轴承集团有限公司的夏新涛等人综合考虑了磨削系统振动与几何效应对沟道圆度 误差谐波的交互作用，建立了准动力学谐波生成理论h 引，在磨削过程中实施圆度误差的谐 波控制，并给出了套圈沟道磨削表面谐波控制系统的硬件实现方法。 综前所述，滚动轴承套圈沟道磨削工序缺乏专门的手段和工具对磨削状态和磨削质量进 行有效的在线监测和预报，在工艺优化方面，大多停留在经验性的摸索阶段，普遍缺乏有效 的定量化辅助工具来进行更深层次的研究。已有的数控磨床也只是提高了加工的自动化程 度，其柔性和智能化程度需进一步提高。 1 3 本文的主要内容 本文拟从研究滚动轴承套圈沟道磨削的工艺特点和产品的主要质量指标入手，给出选取 砂轮的进给位移和主电机功率这两个进给状态参数作为监测信号的理论依据，进而优化和完 善相应的进给状态参数检测与分析系统，通过工艺试验，分析进给状态参数对轴承套圈沟道 磨削质量的影响规律，目的是找出进给状态参数的特征值和磨削质量之间的映射关系，为轴 承套圈沟道磨削工序的在线质量监测提供依据。 本文的主要研究内容如下： 第一章：提出课题研究的背景，阐述轴承制造、磨削加工和智能监测在我国现代制造业 中的重要意义，综述磨削状态监测技术的国内外研究现状和发展趋势，总结轴承套圈沟道磨 削在工艺参数优化和监测手段上存在的不足，提出了本文的研究目标和主要研究内容。 第二章：介绍目前典型的球轴承套圈沟道磨削工艺，包括磨削方法、磨削工序的循环过 程、产品的主要质量指标及其影响因素等；给出选择砂轮的横向进给位移和主电机功率作为 表征磨削过程状态的监测信号的理论分析。 第三章：介绍磨削进给状态参数检测与分析系统：阐述进给状态参数检测系统的功能特 点和软、硬件设计等；阐述迸给状态参数分析系统的功能设计、系统界面以及基本分析方法 等；介绍检测系统和分析系统之间的通信协议设计。 第四章：对沟道磨削过程中的进给状态参数与粗糙度、沟形误差进行了理论分析。通过 工艺试验，研究进给状态参数的变化规律，研究套圈沟道表面粗糙度和沟形误差的变化规律， 分析进给状态参数的特征值与沟道粗糙度的关系，分析进给状态参数的特征值与沟形误差的 关系。 8 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 第五章：对进给状态参数与磨后套圈沟道圆度进行了理论分析。通过工艺试验，分析不 同波段沟道圆度的相关性，分析进给状态参数特征值与磨后沟道圆度的关系，利用进给位移 曲线和功率曲线的关系计算不同工件的磨削量，分析磨削量对磨后沟道圆度的影响。 第六章：对全文进行总结，并对今后的研究工作进行展望。 9 浙江大学硕士学位论文 第二章套圈沟道磨削工艺研究及进给状态参数选择 第二章套圈沟道磨削工艺研究及进给状态参数选择 内容提要 本章对典型的滚动轴承套圈沟道磨削工艺系统进行了研究，在分析其磨削方法、磨削工 序循环、产品的主要质量指标及影响因素、磨削状态信号的基础上，给出了选择砂轮进给位 移和主电机功率这两个进给状态参数作为监测信号的理论分析。 2 1 沟道磨削方法 滚动轴承套圈沟道磨削一般有三种方法：摆动法、范成法和切入法。现在广泛采用的是 切入式磨削法。 切入式磨削法就是用圆弧砂轮修整器把砂轮外缘修整成所需要的加工半径，然后利用成 形的砂轮以选定的相对进给速度垂直于套圈沟道表面作切入进给，即可磨出所需要的圆弧沟 道。图2 1 所示是切入式磨削法的原理。 蛊 、 _ ：；：! ： ； ；：；_ 一)： ： _ _ 【 ： 一 夕 砂轮进给 _ 、一 快跳：磨削开始前，为提高效率而采用极快的速度使砂轮和工件靠近。 粗磨进给：为了尽快切除金属余量，以较快的进给速度进行磨削。 精磨进给：为保证磨削精度，粗磨后以较慢的进给速度进行磨削。 光整：磨削结束前，为消除系统的弹性变形量而进行的，理论上进给为零的磨削。 l l 浙江大学硕士学位论文第二章套圈沟道磨削工艺研究及进给状态参数选择 快退：磨削过程结束后，实现砂轮与工件快速分开。 2 3 产品的主要质量指标及影响因素 滚动轴承在运转过程中，沟道与滚动体间的弹性接触构成了弹性振动系统，此外轴承零 件制造误差引发的强迫振动系统和轴承零件间运动时的滑动引起的自激振动系统均会导致 轴承的振动f 4 9 】。当它的振动能量转换成压力波经空气介质再传播出去即为声辐射，其中频 率为2 0 2 0 0 0 0 h z 的声辐射为人耳所能听到，这部分就是轴承噪声p l 。滚动轴承的振动和噪 声水平是轴承动态性能的综合反映，人们希望获得运转平稳、悦耳的静音轴承。 轴承套圈的沟道是引导滚动体沿着正确的轨道作轨迹运动并承受大的径向和轴向负荷， 沟道的加工精度直接影响到轴承使用时的振动和噪声，其中影响最大的是沟道圆度、沟道表 面粗糙度和沟形误差。因此，这三项指标是磨沟工序的重要控制指标，也是比较难以控制的 指标。 2 3 1 圆度 1 、磨削夹具及成圆原理 滚动轴承套圈磨削用夹具主要有定心夹具和无心夹具两类，现在普遍采用的是无心夹具 【5 0 1 。无心夹具和定心夹具的根本区别在于工件转动轴线随定位表面的实际尺寸和几何形状 的差异而变动，优点是：重复定位精度高，主轴径向跳动不影响加工精度，无夹紧变形，装 卸工件简单。其中电磁式无心夹具广泛应用于轴承套圈沟道磨削。 ( 1 ) 电磁无心夹具的定位方式 如图2 3 所示，电磁无心夹具定位磨削一般有两种方式，( a ) 以端面和外表面定位磨削外 表面；( b ) 以端面和外表面定位磨削内表面；( c ) 以端面和内表面定位磨削外表面。 工井砂转 变承 ( a ) 仃 。、 辩 ，t j 、二 沙 瓞 _ _ 一一 一一 ( b ) 图2 - 3电磁无心夹具定位磨削方式 1 2 浙江大学硕士学位论文 第二章套圈沟道磨削工艺研究及进给状态参数选择 ( 2 ) 电磁无心磨削的成圆原理 如图2 - 4 ，若工件毛坯上有一个局部的凸起战，则当凸起转到支承2 上时，工件中心 o 平行于支承面1 平移到o7 ，位移o o 在水平方向上的分量o a 即为工件的误差a r ， 由图2 - 4 可知： z o o a = 9 0 。一f l + 9 0 。- 口= 1 8 0 。- ( 口+ )( 2 1 ) 排侧- - 0 0 s i n ( 州) = 警s i n f l k ： 晏：百s i n ( a + , 8 ) ( k 一圆度误差的纠正能力) 铖s i n 。 ( 2 - 2 ) ( 2 3 ) 当口+ 1 ，此时误差将越磨越大，只有当18 0 。一位+ ) 9 0 0 时，k 才能小于1 ，一般口取= 3 0 - - , 5 0 。，b 取9 0 1 1 6 。 图2 4 电磁无心夹具成圆原理 0 8 2 、影响因素 影响套圈沟道磨削后圆度的因素有很多( 图2 5 为磨削加工沟道圆度误差因果图) ，主 要因素有以下几点： ( 1 ) 工艺系统精度。包括磨床的尺寸精度、定位精度、控制精度和夹具系统的定位原 理、精度和结构参数等。 ( 2 ) 工艺系统的振动。磨削过程中有两种基本形式的振动强迫振动和自激振动。 强迫振动由不均匀的回转运动引起，最主要原因是砂轮的不平衡和偏心，消除砂轮不平衡和 1 3 浙江大学硕士学位论文第二章套圈沟道磨削工艺研究及进给状态参数选择 偏心可以通过多次平衡和整形交替进行。产生自激振动的原因很多，但均由动态的交变磨削 力所维持和加强，产生交变磨削力的主要原因是工件表面的形状误差引起的不均匀磨削。由 于两种振动频率不同，强迫振动和自激振动是相互独立的。 ( 3 ) 工艺系统弹性变形。工艺系统的弹性变形会引起工件原始误差复映。 ( 4 ) 磨削参数。磨削参数会影响工艺系统振动的阻尼特性，从而影响其振动特性，最 终反映在沟道的圆度上。磨削参数还影响砂轮与工件的接触刚度，影响工艺系统的弹性变形 程度。 2 3 2 沟形误差 图2 5 磨削加工沟道圆度误差因果图 产生沟道形状误差大的原因有：砂轮的形状不正确，沟道原始形状误差大，砂轮横向进 给速度太大，光磨时间不够等【5 l 】【5 2 1 。其中，砂轮的形状不正确是最主要的原因。因为切入 式磨削法磨削套圈沟道时，成形砂轮的形状精度直接影响工件的轮廓精度。为了保证砂轮的 形状，在磨削一定数量的工件后，需要对砂轮进行修整。成形砂轮修整常用的方法有金刚石 笔车削法、磨削法、挤压法、金刚石滚轮法。以金刚石笔作为刀具车削砂轮是应用最普遍的 修整方法。如图2 - 6 所示，修整时金刚石笔绕着回转中心作均匀的低速进给运动，成形运动 的实现依靠两座标运动合成。 在磨削过程中砂轮没有被及时修整，在修整时修整器的旋转精度低，金刚石太钝或安装 不牢固，都会影响砂轮的形状精度，从而影响磨后的沟形误差。 1 4 浙江大学硕士学位论文 第二章套圈沟道磨削工艺研究及进给状态参数选择 2 3 3 表面粗糙度 金刚石 图2 - 6 金刚石笔砂轮修整 滚动轴承的振动值随沟道表面粗糙度质量的提高而降低，如r a 在0 4 - 4 0 5 比m 时，表 面粗糙度每减一倍，振动值可降低2 3 d b 。 图2 - 7 磨削加工沟道表面粗糙度因果图 由于磨削过程的复杂性，影响套圈沟道表面粗糙度的因素很多( 图2 7 为磨削加工沟道 表面粗糙度因果图) ，有工件材料的金相组织、砂轮初始形貌、修整状况、磨削用量、磨削 液特性等。主要因素有以下几点【5 3 j ： 1 、砂轮形貌。一般来说，砂轮粒度越细，同时参与切削的磨粒数越多，则沟道表面粗 糙度好。 1 5 浙江大学硕士学位论文第二章套圈沟道磨削工艺研究及进给状态参数选择 2 、磨削用量。砂轮速度增大，磨削表面粗糙度值减小。这是由于增大砂轮速度使单颗 磨粒未变形磨屑厚度减少；工件速度增大，则磨削表面粗糙度值增大。这是由于增大砂轮速 度使单颗磨粒未变形磨屑厚度增大；进给速度增大，单颗磨粒的受力增大，容易发生局部破 碎甚至脱落，这种破碎和脱落是不均匀的，使砂轮工作表面更加不平，导致磨削表面粗糙度 r a 增大。 3 、砂轮修整。砂轮磨钝后，磨削力和磨削温度增大，发生颤振和烧伤，使表面粗糙度 迅速增大，从而使沟道表面粗糙度增大，因此需要确定合理的修整间隔。另外修整工具和修 整条件会影响砂轮形貌和磨刃的锐利程度，从而影响沟道表面粗糙度。 2 4 进给状态监测信号的选择 对磨削状态进行监测的目的是：通过监测信号的特征判断磨削后工件的质量情况。因此， 对沟道磨削进行状态监测的关键是选择在磨削过程中能够反映磨削质量( 圆度、沟形误差和 粗糙度) ，易于用传感器获得，并且便于分析的信号。 磨 削 状 态 信 号 砂轮进给位移 电流 图2 8 磨削状态信号框图 沟道磨削过程中的状态信号众多( 如图2 8 所示) ，本文选取砂轮进给位移和主电机功 率作为监测信号，下面分析选取的理由。 2 4 1 砂轮进给位移的选取依据 2 4 1 1 磨床进给机构的特点 磨削过程中，砂轮的横向进给通过进给机构实现。进给机构是轴承套圈沟道磨床的关键 部件，它包括导轨系统和驱动系统两部分。 l 、导轨系统 1 6 翮一一一一一一一 浙江大学硕士学位论文第二章套圈沟道磨削工艺研究及进给状态参数选择 常用的导轨结构有：滑动导轨、滚动导轨和静压导轨5 4 1 。滑动导轨由于动静摩擦系数 相差较大，运动时会出现爬行现象。滚动导轨以滚动代替滑动，摩擦系数小，可施加预负荷 消除间隙提高刚性，运动时没有爬行。静压导轨靠压力油把动静导轨分离，摩擦系数很小， 运动灵敏，是目前精度最高的一种导轨形式。 理想的轴承磨床进给机构导轨应为静压导轨，但加工难度大，需要配备专门的恒温油箱， 使用维护复杂。目前通常采用十字交叉滚子导轨。该种导轨运动精度高，抗颠覆力矩强，且 该种导轨易加工制造，采用脂润滑，不需特别维护。 2 、驱动系统 现在的套圈沟道磨床普遍采用步进电机一凸轮杠杆机构和交流伺服电机一滚珠丝杠机 构两种形式。 ( 1 ) 步进电机一凸轮杠杆机构 凸轮靠步进电机驱动旋转，凸轮通过杠杆实现进给，进给速度通过步进电机的转速实现 调节。图2 - 9 是步进电机一凸轮杠杆机构的示意图，进给油缸1 一直给拖板2 施加向右的力， 拖板2 顶在杠杆4 上，杠杆4 压在凸轮6 上，若凸轮6 顺时针转动，杠杆4 也顺时针摆动， 实现拖板2 向右运动。快跳油缸5 的活塞杆推动杠4 逆时针摆动，实现拖板2 向左跳出运动。 图2 - 9 步进电机一凸轮杠杆进给机构示意图 由于步进电机的控制系统是以单片机系统为基础的，系统不够稳定，受外界电压、电流 变化干扰大，维修不方便。步进电机作为动力源通过中间机构与砂轮进给拖板连接，结构复 1 7 浙江大学硕士学位论文第二章套圈沟道磨削工艺研究及进给状态参数选择 杂，调整维修不方便，加上步进电机容易丢步，所以进给精度低。3 m z l 4 3