（机械制造及其自动化专业论文）高精度cnc内圆磨床部分结构和工艺参数的分析和研究.pdf

中文摘要 论文题目： 专业： 硕士生： 指导教师： 高精度c n c 内圆磨床部分结构及加工工艺参数的分析和研究 机械制造及其自动化 辛梅( 签名) 董鹏敏( 签名) 摘要 随着工业的发展，对机械零件的加工精度及表面粗糙度等的要求日益提高，所以磨削 加工显得更加重要。内圆磨削是磨削领域的一个重要方面，常用于精加工孔形零件，并 决定着零件的加工质量。由于内圆磨削过程极其复杂，影响加工质量的因素很多，因而 难以用常规的数学模型进行描述。人工神经网络的出现，为进一步深入认识和研究内圆 磨削过程提供了一种崭新的方法。 为生产特定零件引进的高精度c n c 内圆磨床，为适应实际生产需要，提高效率，降 低成本，要对加工工艺系统做出调整，同时随着产品调整，此专用机床也面临着一部分 同类零件的加工任务。本课题对进口设备进行学习和研究，了解国外先进的磨削技术及 设备结构，对机床部分结构及加工工艺作分析及研究，对加工精度及加工质量做出预报。 基于对工件的工艺特点和磨削特点的分析，对加工过程中出现的各种参数进行了分类， 选择合理的工艺系统参数和基本工艺操作参数，生产实际证明，选用参数合理，取得了 较好的加工效果。以b p 神经网络的理论为基础建立内圆磨削加工的尺寸偏差和表面粗 糙度值的预测模型，通过不同切削用量的实验数据对网络进行训练和数据预报验证，预 测方法快捷方便，具有高度的自适应性。同时，以基于b p 算法的前向神经元理论为基 础，用v b 语言，面向对象编写了尺寸偏差和表面粗糙度值预报程序，并应用于新工件 的预报处理中。为生产特定零件引进的t 1 1 一l 5 9 高精度c n c 内圆磨床随着产品调整，也 面临着一部分同类零件的加工任务，适当改变工艺及工装，应用预测模型选择合适的磨 削用量，扩展机床的加工范围，达到很好的加工效果。 关键词：c n c 内圆磨床工艺参数b p 神经网络预测 论文类型：应用研究 i i 墓壅塑墨 s u b j e c t ： s p e c i a l i t y ： n a m e ： i n s t r u c t o r s t u d yo nm a c h i n ef a b r i ca n dm a n u f a c t u r ep a r a m e t e r so fh i g hp r e c i s i o n c n ci n t e r n a lg r i n d i n gm a c h i n e m a c h i n e r ya n da u t o m a t i o n x i nm e i ( s i g n a t u d u n gp e n g m i n ( s a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fm e c h a n i c a li n d u s t r y , t h ed e m a n df o rp r e c i s i o na n ds u r f a c e c r u d i t yo fd e t a i l sh a sb e e ni n c r e a s i n g l ye n h a n c e d s og r i n d i n gb e c o m e sa ni m p o r t a n tm e t h o d i nc u t t i n gp r o c e s sa m o n gg r i n d i n gf i e l d ，t h ei n t e r n a lg r i n d i n gi sa ni m p o r t a n ta s p e c t ，u s u a l l y u s e di nh o l ep r e c i s eg r i n d i n g ，a n de f f e c tt h eq u a l i t yo ft h eh o l e b u ti ti sv e r yd i f f i c u l tt o d e s c r i b et h ei n t e r n a l g r i n d i n gp r o c e s sb ym a t h e m a t i c a l m o d e lf o ri t sc o m p l e x i t ya n d d i v e r s i f i e de f f e c tf a c t o r s a n n ( a r t i f i c i a ln e u r a ln e t ) b e c o m e san e wm e t h o df o r i n t e r n a l g r i n d i n gp r o c e s ss t u d yc o n s e q u e n t l y t om e e tt h er e q u i r e m e n to fe f f i c i e n c ya n dp r e c i s i o ni m p r o v i n ga n dc o s td e t r a c t i n g ，t h e p r o c e s ss y s t e ms h o u l db er e s t r u c t u r e d ，i nt h em e a nt i m e ，w i t ht h ep r o d u c t sa d j u s t e d ，t h i s r e s e r v e dc n ci n t e r n a lg r i n d i n gm a c h i n ei sr e q u i r e dt ow o r ko ns o m en e w , s i m i l a rk i n d c o m p o n e n t s t h i sp a p e rp u r s u e sa n a l y s i sa n ds t u d yf o rt h i si n l e te q u i p m e n t ，a n da l s oc a r r yo u t p r e d i c t i o n f o r p r o c e s sp r e c i s i o n a n ds u r f a c e q u a l i t y b a s e d o nt h e a n a l y s i s f o rt h e c h a r a c t e r i s t i c so fg r i n d i n gm o d e l sa n dp r o c e s sp a r a m e t e r s ，t h ei n p u tp a r a m e t e r so fp r e c i s i o n p r o c e s sg r i n d i n ga r es u m m e du pa n dp i c k e d u pi nt h i sp a p e r t h e ya l s oa r eg r o u p e da c c o r d i n g t ot h e i rc h a r a c t e r i s t i c s i ti sp r o v e db ye n g i n e e r i n gp r a c t i c et h a tt h er a t i o n a lp a r a m e t e r sl e a dt o h i g hp r e c i s i o na n dq u a l i t y f e e df o r w a r dm u l t i l a y e rn e u r a ln e t w o r k s ，t r a i n e db yt h ee r r o r b p ( b a c kp r o p a g a t i o n ) a l g o r i t h ma r eu s e df o rb u i l d i n gad i m e n s i o nd e f l e c t i o na n ds u r f a c e c r u d i t yp r e d i c t i o nm o d e l t h i sp a t t e r ni st e s t i f i e dt ob ef a s ta n de x p e d i e n t ，a n di sa l s oah i g h l y s e l f _ a d a p t i v ec o n t r o ls y s t e m m e a n w h i l e ，t h ep r e d i c t i n gp r o g r a mb a s e do nn e u r a ln e t w o r kb y u s i n go r i e n t e d o b j e c tl a n g u a g ev i s u a lb a s i ch a sb e e nb u i l tu p ，w h i c h i su s e dt og u i d e p r o d u c t i o n t h et i 1 - l 5 9c n ci n t e r n a lg r i n d i n gm a c h i n ei sa d j u s t e dt os u i tn e wa s s i g n m e n t m o r e o v e r ，n e wc u t t i n gd o s e sa r ep i c k e db yt a k i n ga d v a n t a g eo ft h eb pp r e d i c t i o np r o g r a m t h e s ea b o v e m e n t i o n e da c t se n l a r g et h ep r o c e s se x t e n to ft h i sr e s e r v e dm a c h i n ea n da c h i e v ea g o o d r e s u l t k e vw o r d s t h e s i s ： c n ci n t e r n a lg r i n d i n gm a c h i n em a n u f a c t u r ep a r a m e t e r s b pn e u r a l n e t w o r kp r e d i c t i o n a p p l i c a t i o ns t u d y l l i 学位论文创新性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得西安石油大学或其它教育机构的学位 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做 了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 、 论文作者签名： 墨盘 日期：狮s ，8 学位论文使用授权的说明 本人完全了解西安石油大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究生在校攻读 学位期间论文工作的知识产权单位属西安石油大学。学校享有以任何方法发表_ 复制、 公开阅览、借阅以及申请专利等权利。本人离校后发表或使用学位论文或与该镥雯直接 相关的学术论文或成果时，署名单位仍然为西安石油大学。 论文作者签名： 圭超 导师签名氆丝敛 日期：迎! 。 ：g 日期：。埘r 8 第一章绪论 第一章绪论 1 1 概述 随着工业的发展，对机械零件的加工精度及表面粗糙度等的要求日益提高，所以磨削 加工显得更加重要。随着磨削技术的发展，磨床在加工机床中也占相当大的比例。欧洲机 床展览会( e m o ) 的调查数据表明川，2 5 的企业认为磨削是他们应用的最主要的加工技术， 车削占2 3 ，钻削占2 2 ，其它占8 ；而磨床在企业中占机床的比例高达4 2 ，车床占2 3 ， 铣床占2 2 ，钻床占1 4 。我国从1 9 4 9 1 9 9 8 年，开发生产的通用磨床有1 8 0 0 多种，专用 磨床有几百种，磨床的拥用量占金属切削机床总拥有量的1 3 左右。可见，磨削技术及磨 床在机械制造业中占有极其重要的位置。 磨削技术所涉及的内容广泛，不仅包括磨削本身的技术，而且也集中了其它相关技术。 关键技术如一f 2 i ：1 磨削机理及磨削工艺的研究。2 高速，高精度主轴单元制造技术。3 精 密扁速进给单元制造技术。4 砂轮制造及其新技术。5 机床支承技术及辅助单元技术。6 砂轮在线修整技术。7 磨削过程的检测控制技术。8 磨削过程的仿真与虚拟。 磨削技术发展很快，在机械加工中起着非常重要的作用。目前，磨削技术的发展趋势是， 发展超硬磨料磨具巴研究精密及超精密磨削【4 】，高速高效磨削机理并开发其新的磨削工 艺技术【5 】 6 1 ，研制高精度、高刚性的自动化磨床【7 】【8 】【9 】。0 0 l 1 2 技术背景 1 2 i c n c 数控磨床 6 0 8 0 年代，以数控机床应用为基础的数控制造技术在汽车、飞机及其他一些行业中 得到发展，其应用结果表明，数控制造适于多品种、多变化批量产品的生产。8 0 年代末，数 控制造技术发展了以数控加工中心、数控加工模块及自动换箱或转塔式多轴加工模块组 成的柔性自动线，使自动线柔性化，适应现代用户化大量生产( m a s sc u s t o m i z a t i o n ) 方式的 需要。 随着信息化及自动化的迅猛发展，以高质量的产品快速响应市场成为赢取市场竞争 的关键所在，高速、高精度成为机械制造研究的主攻方向。磨削加工是取得低成本、高 表面质量的主要技术手段，近年来，越来越多的工件丌始采用磨削工艺进行加工，对高 性能、高品质、高精度的c n c 数控磨床需求急剧增加，并丌始将c n c 磨床引入f m s 、 c i m s 系统中。2 0 世纪9 0 年代以后，人们逐渐认识到高速磨削所带来的效益，开始重视发 展高速磨削加工技术，并在实验和研究的基础上，使其得到了迅速的发展。我国在高速磨削 方面起步较晚，和国外相比有较大差距，但近几年发展很快，高速磨削已经引起高度重视，并 在一些高校、专业研究所和有关企业进行了大量的研究工作。 内圆磨床是十分重要的一种孔加工精密机床，也是机电产品生产中必不可少的精加 工设备。其高的加工精度，也就要求磨床必须具有合理的结构配置和优良的动态性能。 1 2 2 人工神经网络 内圆磨削是磨削领域的一个重要方面，常用于精加工孔形零件，并决定着零件的加 西安石油大学硕士学位论文 工质量。由于内圆磨削过程极其复杂，影响加工质量的因素很多，因而难以用常规的数 学模型进行描述。人工神经网络的出现，为进一步深入认识和研究内圆磨削过程提供了 一种崭新的方法。人工神经网络模型本质上是一种接近人的认知过程的计算模型，它通 过自学习可以模拟复杂的非线性过程。可以预计，利用人工神经网络模型将能更深入的 了解和描述内圆磨削过程。 ( 1 ) 概念 人工神经网络是采用物理可实现的器件或采用现有的计算机来模拟生物体中神经网 络的某些结构和功能，并反过来用于工程或其他领域。从系统的观点看，人工神经网络 是由大量神经元通过丰富而完善的连接而构成的自适应非线性动态系统。由于神经元之 间有着不同的联系方式，所以可以组成不同形态的神经网络系统。j ( 2 ) 特征 虽然人工神经网络与真正的神经网络有些区别，但由于它吸收了生物神经网络的部 分优点，因而有其固有的特点【1 2 】： a 人工神经网络由很多小的处理单元互相连接而成，每个单元的结构简单，但大量简单 的处理单元集体的、并行的活动得到预期的识别、计算的结果，具有较快的速度。 b 人工神经网络具有很强的容错性，即局部或部分的神经元损坏后，不影响全局的活动。 c 人工神经网络所记忆的信息是存储在神经元之间的权中，从单个的权中看不出其储藏 信息的内容，因而是分布式的存储方式。 d 人工神经网络具有十分强的自学习功能，网络中的连接权和连接的结构都可以通过学 习得到。 ( 3 ) 发展状况 神经网络的研究始于2 0 世纪4 0 年代，半个多世纪以来，它经历又兴起到衰退，又 由衰退到兴盛的曲折发展过程，这一发展过程大致可以分为以下四个阶段1 1 。 初始发展阶段1 9 4 3 年，心理学家w s m c c u l l o c h 和数学家w p i t t s 在研究生物 神经元的基础上提出了一种简单的人工神经元模型，即后来的m p 模型。1 9 4 9 年，心理 学家d o h e b b 发表了论著行为自组织，首先提出了一种调整神经网络连接权的规则 _ h e b b 学习律，直到今天，h e b b 学习律仍是神经网络中一个极为重要的学习规则。 1 9 5 7 年，f ，r o s e n b l a t t 提出了著名的感知器( p e r c e p t r o n ) 模型，这是第一个真正意义上 的人工神经网络，从而确立了从系统角度研究神经网络的基础。1 9 6 0 年，b w i d r o w 和 m e h o f r 提出了自适应线性单元( a d a l i n e ) 网络及w i d r o w - - h o f f 学习算法，后来这个 算法被称为l m s 算法，即数学上的最速下降法，这种算法在以后的b p 神经网络及其 他信号处理系统中得到了广泛的应用。 低潮时期人工智能专家m m i n s k y 和s p a p e r t 于1 9 6 9 年出版了名为感知器 的专著，指出了以感知器为代表的简单神经网络的功能及局限性，a n n 的研究陷入低谷。 不过，许多神经网络模型，如线性神经网络模型、自组织识别神经网络模型、波尔兹曼 第一章绪论 机模型等，都在这个时期出现。 复兴时期8 0 年代，物理学家j o h n j h o p f i e l d 提出了仿人脑的神经网络模型即著 名的h o p t i e l d 模型，是网络的稳定性研究有了明显判据，开拓了神经网络用于联想记忆 和优化记忆的新途径。1 9 8 6 年p d p 小组提出了误差反向传播算法，即b p 算法，已成 为至今影响最大、应用最广的一种网络学习算法。 发展高潮期8 0 年代后期至今，a n n 的应用领域较过去更为广泛，而且神经网 络和专家系统相结合成为以后发展的趋势，在理论上进行了更深入的研究，提出了很多 新的网络结构和算法。 从众多神经网络的研究和应用成果不难看出，神经网络的发展具有强大的生命力， 随着人们对大脑信息处理机制的认识日益深化，以及不同智能学科领域之间的交叉与渗 透，人工神经网络必将对智能科学的发展发挥更大的作用。 1 2 3 仿真技术在磨削加工中的应用 随着计算机技术及模拟技术的发展，利用计算机进行磨削基本参数及磨削工艺的仿 真是个重要的研究课题。利用计算机仿真，可以模拟磨削过程，并能分析和预测不同条件 下磨削效果和磨床的性能，但仿真必须建立在有充分实验数据的基础之上。目前能使用砂 轮地貌模型对砂轮进行仿真渭对磨屑形成过程、能量转换、磨削力变化磨削区温度、 磨削精度和磨削表面质量进行仿真还开发了分析和仿真磨削过程的软件工具| i ”。 在实际应用中，磨削加工参数往往由磨削实验决定，成本高且要耗费大量的时涮。 此外，为了保证一定的加工质量，实际磨削往往不是在发挥机床最大潜能的基础上工作 的，磨削加工在很大程度上依赖于操作者的经验。由于磨削技术在材料加工领域的广泛 应用，找到一种实用的方法来选择最佳的加工参数，必将获得巨大的经济效益。 计算机仿真是按照实际系统建立数学模型，并转化成程序设计语言编程的计算机程 序模型，利用计算机运行此模型来了解和预测实际系统运行的情况。咀往用实验方法研 究磨削过程需耗费大量的时间和费用，而仿真方法研究磨削过程不仅省时、费用低，而 且易于进行真实系统难以实现的各种实验，并可重复多次进行。一般磨削过程仿真输入 的磨肖0 条件包括工件材料、砂轮种类、修整用量、磨削用量和工件尺寸等，选择合适的 加工参数，如磨削速度、工件速度、工件进给量等，可实现对磨削质量的控制。 人工神经网络具有大量信息的并行处理能力，它在技术领域得到了广泛应用，运用 神经网络可以对磨削参数进行智能化选择。其基本思想是磨削参数选择受到多种因素的 影响，运用神经网络非线性映射的能力，恰当选取影响磨削质量选择的特征因素，建立 起磨削参数和各影响参数之间的神经网络映射模型，运用样本数据进行学习，自动寻找 规律并分布储存于权值中，运行时对输入影响因素通过计算求解出最佳磨肖0 参数。 1 3 课题来源 西安东凌制冷压缩机有限公司为生产特定零件引进了日本高精度c n c 内圆磨床，为 适应实际生产需要，提高效率，降低成本，要对加工工艺系统做出调整，同时随着产品 西安石油大学硕士学位论文 调整，此专用机床也面临着一部分同类零件的d n t 任务。对进口设备的学习和研究，了 解国外先进的磨削技术及设备结构，对机床部分结构及加工工艺作分析及研究，对加工 精度及加工质量做出预报成为要解决的问题，因此将“高精度c n c 内圆磨床部分结构及 加工工艺参数的分析和研究”作为论文题目。 1 4 论文的主要内容 1 机床结构及性能介绍。 2 实际生产中工艺系统参数的选择。 3 基于b p 神经网络的磨削精度及表面粗糙度预测。 4 机床加工范围的扩展。 第二章机床结构及性能 第二章机床结构及性能 2 1 机床的用途及特点 t 1 1 - l 5 9 c n c 内圆磨床是由日本t o y oa d v a n c e dt e c h n o l o g i e sc o l t d 研制，为生 产特定零件，由西安东方机电集团东凌压缩机公司引进的专用机床。工件在装夹后，可 完成内孔的粗磨及精磨加工，该机床适用于特定零件的大批量加工。 t 1 1 - l 5 9 机床特点： ( 1 ) 高精度的磨削加工技术：在工件基本尺寸不大于3 0 r n m 时，尺寸误差在o 0 0 2 m m 以内，形位公差为o 0 0 15 m m o 0 0 3 m m ，表面粗糙度为0 2 “m o 4 pi t i 。 ( 2 ) 长时间稳定加工精度：可保证连续加工3 0 0 万一3 5 0 万件精度不下降，对于引进 方西安东方机电有限公司，其压缩机年产量约4 0 万台，相关零件加工量约为4 6 万 件，机床在连续工作6 8 年后精度不丧失，有较好的稳定性。 ( 3 ) 对零件的加工是一个从粗到精一次完成的过程，其固定磨削循环过程有钻进麽削、 振动磨削、初磨循环、再磨循环、加热循环几个环节。 ( 4 ) 采用高频磨头及c b n 砂轮的磨削：由高频波产生装置设定输出频率，驱动磨头 产生较高频率，东洋公司提供的步进电机，其主轴具有大功率和高转速，使得高频 头可以提供快速的精加工，从而提高生产率。选用c b n 砂轮提高了加工精度，而且 适应了粗、精加工一次完成的需要。 ( 5 ) c n c 控制方面，具有磨削加工的智能化和维护方面的智能化。在加工过程中有信 号反馈、自适应控制、误差自动补偿、异常因素预测功能，在维护方面有故障预测 及故障查找显示等功能。 ( 6 ) 机床的液压、电气、润滑、冷却和过滤装置均为独立部件，不但与床身分离，它 们相互之间也是分离的，充分体现了模块化制造的思想。 2 2 机床的基本组成部件 t 1 1 l 5 9 c n c 内圆磨床的基本组成如图2 - 1 所示： 西安石油人学硕士学位论文 图2 - 1 机床基本构成部件 1 装卸戕臂2 畔f 轴3 砂轮4 磨头5 工作台6 叉规控制器7 送料臂 8 山料臂9 c n c 面板l o 混油器1 1 变压器1 2 磨头冷却液箱13 配电柜 1 4 液压阀1 5 气动阔1 6 冷却液滤清器 1 7 冷却液箱 6 第二章机床结构及性能 2 3 主要技术性能f j 5 j ( 1 ) 主机 磨削方式 支撑方式 加载方式 修磨方式 地面与加工中心间距 工作轴速度 磨头h f d 0 5 3 7 最高转速 工作台( z 轴) 行程 工作台( z 轴) 速度 横向进给( x 轴) 出程 回程 横向进给速度( x 轴) 驱动电机横轴( x 轴) 工作轴 磨头 纵轴( z 轴) 液压泵 加载设备 旋转修磨 体积( 宽+ 厚度+ 高) 重量 ( 2 )数控装置f t o y o m a t i c 一4 0 0 0 ) 1 5 数控振动或钻进 隔板卡盘 高速双手柄加载设备 精确旋转修整器( 高频率) 9 5 2 + 15 0 r a m 2 2 0r r a i n 13 0 0 r m i n 5 0 0 0 0 r m i n 4 0 0 m m o 2 3 3 3 0 0 0 p r l l r a i n 6 2 r a m 6 3 r a m 巾o 4 儿l l l m i n c b3 3 3 0 0 0 1 ti n r a i n 1 0 k w 5 5 k w 3 7 k w 1 5 k w 1 5 k w 1 0 k w o 1 5 k w 4 2 9 0 4 0 4 1 0 2 1 0 0 m m 4 8 0 0k g 控制轴x 轴( 横向) ，z 轴( 纵向) 同时控制坐标轴数目两坐标轴 快速进给速度x 轴：巾3 3 3 m m s z 轴：中3 3 3 m m s 磨削进给速度x 轴：巾0 0 0 0 4 由0 5 m m sz 轴：寸) o 0 0 0 2 m m s 巾0 5 m m s 最小调节量x 轴：巾o 0 0 0 2 m m s z 轴：巾0 0 0 0 1 m m s 输入方式菜单选择型：在液晶显示屏上输入数据 操作屏液晶显示触摸屏：1 0 4 型r 中显示 存储空间 3 9 k 手动进给( 自由选择) 手动脉动发生器 过载控制 操作( 快进，磨削进给) 控制方式tac 7 西安石油大学硕士学位论文 尺寸控制 尺寸校正 可变旋转速度 砂轮尺寸补偿 其它 2 4 机床运动 机床基本组成结构如图2 - 2 所示。 自动尺寸测量 自动修磨位置校正 工作主轴旋转速度 空隙补偿 监视器及自我诊断 大尺寸警示灯( 信号塔) 无工作或全工作线路 7 r，7 主轴电机+ 一斗 眇蛇磨头l - 卜一 芏轴一 引 _ 副7 ： 垦1 【j 后 ： 进蛤工作苗 工作台 工蠢 、 、 、工伴 z 轴 图2 2 机床基本组成 工作轴：支撑和旋转工件。它是通过传动带利用马达驱动。 修整器：支撑修磨用的金刚石。通常被吊起，进行修磨时下降。当修磨完成再次被 吊起。 砂轮：用于磨肖0 工件的切削工具。在进行磨削中必须进行砂轮修磨。砂轮由磨头 支撑并且以很高的速度旋转。然而，旋转速度太高，砂轮可能被损坏并且 会有碎片的飞溅。砂轮旋转速度反应低于指定的旋转速度。 横轴工作台：主轴和修磨器安装在其上。它要移动到修磨的位置的磨削处。 工作台：磨头安装在其上，它要移动到磨削位置或是修磨位置。 在加工中元件基本运动如下所示： ( 1 ) 工作台进给移动到修磨器位置。 ( 2 ) 磨器下降。 ( 3 ) 横向工作台移动到金刚石与砂轮接触的位置。 ( 4 ) 修磨旋转在金刚石与砂轮接触的条件下，砂轮被修磨和校准。 ( 5 ) 修磨器上升。 ( 6 )当工件被嵌入工件孔时横向工作台移动到砂轮不会碰撞到工件的位置。 第二章机床结构及性能 ( 7 ) 工作台进给到砂轮迸入工件孔的位置。 ( 8 ) 横向工作台逐渐进给并且磨削工件。 ( 9 ) 横向工作台回程，磨削完成。 ( 1 0 ) 工作台回程。 2 5 典型部件 2 5 1 主轴部件 图2 3 为t - 1 1 l 5 9 工件轴主轴箱的结构简图。主轴部件由主轴、工件的自动夹紧松 开装置及前后轴承等组成。 主轴为中空外圆柱零件。前支承选用n n 型滚子轴承n n 4 9 2 0 k c s l 5 u p 4 ，尺寸为 1 0 0 1 4 0 x 4 0 m m ，锥度为1 ：1 2 ，滚子数目多，两列滚子交错排列，因而承载能力大、 刚性好、允许转速高，承受径向载荷，后支承则采用两个角接触球轴承7 0 1 8 c d b g 0 5 u p 一6 组合配置形式，背靠背安装，承受径向载荷和轴向载荷，这种配置适用于高速 的主轴部件，主轴部件精度较好【l “。轴承采用油脂润滑，双重的v 型圈加强了轴承部 分的密封，在轴承周围和电动机底安装油封来减小温升。 工件自动夹紧与松开装置装在主轴内孔内，行程开关用于发出央紧和松开工件的信 号。 图2 3 王轴 1 角接触球轴承2 油封3 忙盘夹紧松开的行程开关4 圆柱滚子轴承5 v 形密封罔 6 二t ：f l ：底面定位基准面7 o 形密封阁8 密封圈9 油封 2 5 2 进给伺服系统 x 轴迸给单元安装在工作台的上面，它由伺服电动机( 1 0 k w ) 驱动，将运动传至连 轴器，连轴器右端与丝杠相连，由滚珠丝杠驱动磨头移动。丝杠螺距为5 m m ，运动速度 为0 2l lm 脉冲。横向进给( x 轴) 出程为6 2 m m ，回程为6 3 m m 。 z 轴进给单元由直流伺服电机( 1 5 k w ) 驱动，电机直接与丝杠相连，由滚珠丝杠 西安石油大学硕士学位论文 驱动工作台移动。工作台( z 轴) 行程为4 0 0 r a m ，运动速度为0 2 3 3 3 0 0 0 9 m r a i n 。 2 5 3 自动上下料机构 c n c 内圆磨床t - 1 1 l 5 9 的自动上下料装置结构简单，运动明了，效率高，定位准， 结构设计有一定独创性。 此装置由高速装卸双臂，上料爪，卸料爪，送料臂，出料臂及支架等组成。装卸双 臂安装在主轴箱侧面，可以平移及旋转；上料爪及卸料爪安装在双臂末端，用于抓取工 件。 ( 1 ) 主要技术参数 机械手有两个自由度：平移和旋转。 旋转伺服电机：1 0k w 侧向平移伺服电机：1 0k w 侧向行程：8 0 一1 2 0 m m ( 2 ) 结构特点 装置各部分组成如图2 _ 4 所示，装卸双臂各运动部分采用直流伺服电机驱动，完成 平移和旋转动作，上料爪和卸料爪由液压驱动，使之夹紧和松开工件。 图2 4 卜1 1 l 5 9 自动上下料装置 1 送料臂2 卸料爪3 装卸双臂4 卡盘5 卸料臂 6 上料爪 a 高速装卸双臂 装卸双臂结构如图2 5 所示，电机1 功率1 0k w ，最大转数4 5 0 0 r m i n ，带动双臂做一 定度数的旋转，装卸工件时，每一个动作旋转1 2 0 度。电机2 的功率及最大转数与电机l 相同，带动丝杠旋转，使双臂沿丝杠作直线运动，最大运动长度为1 2 0 m m 。 第二章机床结构及性能 图2 - 5 高速装卸双臂 b 上料爪 上料爪由外心轴，内心轴，限位螺钉，紧定螺钉，螺塞，卡簧，定位套简，复位弹 簧，位置反馈板，位移传感器等部件组成。 图2 - 6 上料爪 1 工件2 活动卡头3 内心轴4 定位套筒5 反馈板6 传感器 7 复位弹簧8 、限位螺钉9 外心轴1 0 紧定螺钉1 1 螵塞 外心轴前端由三瓣活动卡头组成，三个活动卡头是独立部件，剩余的三部分与外心 轴是一个整体。内心轴的轴端处设有两个锥面结构，与活动卡头的内锥面配合，锥面结 构可以是使活动卡头运动时受力均衡，防止倾覆力矩产生而使活动卡头卡死。内心轴通 西安石油大学硕士学位论文 过活塞杆推动而动作，缸体上设有缓冲装置，使活塞临近行程终点时减速，防止冲击。 位置反馈板用来反馈位置信息，决定下一步的动作。螺塞用来限制内心轴的位移，防止 内心轴位移过大，损伤工件内孔表面。 c 卸料爪 ， 卸料爪主要由芯轴，径向卡爪，套筒，接近片等部件组成。 图2 _ 7 卸料爪 1 工件2 芯轴3 接近片4 传感器5 弹簧6 套筒7 径向卡爪 芯轴通过后端的螺纹与套筒连接。径向卡爪起夹紧工件的作用，共有三个，均匀分 布在圆周上，通过螺钉与后端部件相连。夹持工件面为圆弧面，与工件被夹持面配合， 有效的夹紧工件但不损坏工件表面。套简通过内螺纹与芯轴连按，之间有接近片，后端 有弹簧槽，侧面有定位槽及排气孔。接近片通过螺钉装在支架上，下端在芯轴和套筒之 间，随着整体向前移动。 ( 3 ) 运动过程 本装置的运动分为5 步： a 初始位置：电机驱动装卸双臂旋转，使上料爪轴线与毛坯中心线重合，卸料爪轴 线与卡盘中心线重合，此时毛坯已被送料臂送至指定位置，用构型机械手持住， 主轴卡盘也已松开加工好的工件。 b 移近工件：装卸双臂在直流伺服电机的驱动下，沿r 轴线移动接近卡盘及送料臂， 使上料爪前端的外心轴插入工件毛胚孔中，同时卸料爪夹持住已加工的工件。 c 夹紧工件：上料爪内心轴在液压推动下左移，前端的两个锥面结构将活动卡头撑 开，顶紧工件内孔面：卸料爪卡爪夹紧工件。 d 装卸工件：装卸双臂顺时针转动一定角度，上料爪将工件送至卡盘位置，并且使 工件中心线与卡盘中心线相重合。上料爪向前运动，靠近卡盘。当上料爪前端的 工件端面与卡盘的底面相接触时，定位套筒向远离卡盘的方向移动，卡盘装置夹 第二章机床结构及性能 紧工件，控制系统发出信号，内心轴也向右移动，活动卡头在卡簧作用下收缩， 松开工件，上料爪前端退出工件。同时卸料爪将工件送至出料臂，卡爪松开a e 复位：装卸双臂沿r 轴向后退，顺时针转过一定角度，完成一次上下料动作。 2 5 4 硬件结构 t - 1 1 l 5 采用t o y o m a t i c 一4 0 0 0 数控系统，以中央处理单元( c p u ) 为核心，用数据总线 装置与存储器及各种接1 ：3 组成一个完整的数控系统，其框图如图2 - 8 所示。 图2 - 8t o y o i 肫t i c - 4 0 0 0 硬件框图 2 6 小结 本章主要介绍了t i i - l 5 9 c n c 内圆磨床的特点、结构及组成，着重介绍了其典型 部件及其自动上下料机构等独特性设计。 两安石油大学硕士学位论文 第三章磨削工艺预报参数的确定 3 1 磨削工艺的参数及工艺特征 3 1 1 磨削工艺系统的输入输出条件 磨削加工中的磨床、磨具、工件、夹具和量具等构成磨削工艺系统。磨削系统由输 入、磨削过程和输出组成，其任务是： ( 1 ) 将毛坯变成具有一定尺寸、形状、位置精度及表面质量性能的零件。 ( 2 ) 尽可能使磨削过程在最佳条件下运行，提高加工效率和降低生产成本。 要实现磨削加工两项根本目标，必须认真考察系统的输入信息、磨削过程 磨削的输出结果。 系统输入的信息构成如图3 - 1 所示。 在系统的输入各因素影响综合地反映在磨削过程中，在整个磨削区中产生物理的、 化学的及力学的现象，如图3 - 2 所示【7 1 o 萎萎呈削裂蓍雹彗嚣嘉 形 形成 擦力却损 学 工长 耗 液 作 件鹰 用 图3 - 2 磨削过程现象框图 磨削工艺系统的输出为磨削结果，其框图如图3 - 3 所示( 1 7 1 。 图3 - 3 磨削结果框图 磨削过程是一个复杂过程，受众多输入因素影响，产生各种物理、力学现象。对于 磨削的研究，大致有两种方式：一是传统的研究方法，从切削理论和摩擦学等方面，来 第三章磨削工艺预报参数的确定 研究磨削过程中的众多物理现象，探讨磨削原理及加工规律；二是应用数理统计、控制 论、计算机、力学、机械学、切削学等科学，研究系统输入和系统输出的关系。讨论输 入参数的变化对磨削过程各现象及磨削加工结果的影响，建立数学模型，寻求最优的加 工效果。 图3 - 1 系统输入信息构成图 1 5 结构) 位置精度、表面质量) 两安石油大学硕士学位论文 3 1 2 磨削工艺系统的基本参数 为实现磨削过程的最优控制，就必须研究磨削加工中输入参数和输出参数间的相互 关系，找出一些能明确表征输入或输出条件的主要参数。表征输入条件的参数有：磨刃 几何参数、有效磨粒( 刃) 数、切屑厚度、接触弧长和砂轮当量直径等。表征输出的主 要参数有：材料切除率、砂轮损耗率、磨削比、磨削力比、功率消耗和磨削比能、加工 精度及表面完整性指标等。其中，磨刃几何参数、有效磨粒( 刃) 数、切屑厚度和磨削 比等比较重要，称为磨削基本参数。 3 1 2 1 有效磨刃数 磨粒在砂轮工作表面上的分布是不均匀的，且高低参差不齐，另外，由于磨削运动 的关系，是埋入一定深度的磨刃不会参加磨削工作，因而实际参加磨削工作的磨刃数将 少于砂轮表面的磨刃数。磨削时砂轮的有效磨刃数静态有效磨刃数及动态有效磨刃数两 类。静态有效磨刃数是在砂轮与工件无相对运动的条件下测定的，动态有效磨刃数则是 在砂轮与工件相对运动的条件下测定的。 静态有效磨刃数与切入加工表面的深度、砂轮粒度及砂轮休整状况有关。砂轮切入 深度增大，有效磨刃数增大，当切入加工表面的深度增大至一定程度，有效磨刃数不再 增加。一般来说，砂轮粒度号越大，有效磨刃数越多；休整时每转修整深度越大，有效 磨刃数越少。 动态有效磨刃数为沿砂轮与工件接触弧长上测得的单位面积有效磨刃数，它与砂轮 速度、工件速度、切削深度和砂轮尺寸有关，它们的变化将使参加实际工作的有效磨粒 数发生改变。 砂轮的结构特性( 粒度、硬度和组织等) 、修整情况、磨削用量和磨削时间等都会影 响有效磨粒数的数值。 ( 1 ) 砂轮结构特性对有效磨粒数的影响在砂轮结构特性中，以粒度、组织和硬度对 有效磨粒数的影响最大。砂轮粒度越细，砂轮单位面积上的磨粒数越多，参d n i 作的有效磨粒数越多；砂轮硬度提高，砂轮表面的磨粒不易脱落，磨钝的磨粒易 引起局部破碎，使有效磨粒数增加；且随着砂轮硬度增加，有效磨粒数相对于砂 轮单位面积上的磨粒总数的百分比值会增加；砂轮的组织与硬度是有关联的，一 般来说，砂轮组织越疏松，硬度就越软，磨粒的空隙就多，间隙越大，因而有效 磨粒数越少。 ( 2 ) 修整用量对有效磨粒数的影响修整砂轮的进给率增大，有效磨粒数减少。 ( 3 ) 磨削用量对有效磨粒数的影响其影响主要通过砂轮与工件的实际接触长度和磨 粒切入深度两个因素起作用。实际接触长度取决于磨削时的切深和砂轮直径及砂 轮和工件接触时的弹性变形。磨粒切入工件表层的深度随磨粒相对于工件表层所 在的位置和磨粒的运动轨迹而变，切入深度越大，有效磨粒数越多；实际参与加 工的磨粒间距越小，有效磨粒数就越多。 第三章磨削工艺预报参数的确定 ( 4 ) 磨削时间对有效磨粒的影响图3 4 表明 磨粒间距与磨削时间的关系。开始工作 初期，随着砂轮的磨损和自锐作用，有 效磨粒的间距减小，有效磨粒数增加。 砂轮磨损到定程度后，由于砂粒磨钝 脱落，使砂轮表面的实际磨粒间距变大， 有效磨粒数减小：同时，工作磨粒上的 负荷随即增加，又进而促使磨粒较快的 破碎和脱落，使磨粒数减少，引起砂轮 的磨损加剧。 圈3 - 4 磨粒间距与磨削时间的关系1 3 1 2 2 接触弧长 砂轮与工件磨削时的接触弧长度，使磨削过程中极其重要的基本参数之一，它几乎 与所有磨削参数有关。尤其是它对磨削区的磨削温度、磨削力、砂轮和工件接触时的塑 性变形以及被磨工件的表面完整性均有重要影响。磨自0 时，砂轮与工件间的实际接触长 度与实际的磨削深度、砂轮的弹性变形和表面形貌有关，也与磨自力、磨削温度等有关。 3 1 2 3 磨粒的切屑厚度 未变形切屑厚度对磨削过程有较大影响，它不仅影响到作用在磨粒上磨削力的大小， 同时也影响到磨削比能的大小以及磨削区的温度，从而造成对砂轮的磨损以及对加工表 面完整性的影响。未变形的切屑厚度取决于连续磨削的磨粒微刃问距 。和磨削条件等参 数，使磨削状态和砂轮表面几何形状的一个非常复杂的函数。 3 1 2 4 磨削比g ( g r i n d i n gr a t i o ) 磨削比g 是表征可磨性的重要参数，是选择砂轮及磨削用量的主要依据，可磨性的 内容包括： ( 1 ) 磨削加工表面完整性( 表面粗糙度值小、加工变质层不严重、残留应力小等) 。 ( 2 ) 在规定的砂轮磨损范围内磨除工件材料体积大。 ( 3 ) 砂轮磨损小，砂轮耐用度高。 ( 4 ) 消耗磨削功率小。 由于磨削加工的复杂性，要全面评价可磨性是困难的。在实际生产中常用第一项和 第三项来评价工程材料的可磨性。但是由于目前砂轮耐用度判断标准方面仍存在不少问 题，因而目前常用第二项来得出简单评价，即采用磨削比g 作为大致的评定标准。 磨削比g 是指同一磨削条件下砂轮损耗与去除的工件材料的体积的比值关系，即： 磨粒阿距 矗目损量 西安石油大学硕士学位论文 g ：生 ( 3 1 ) 式中 v 7 w 一单位宽度单位时间金属切除体积( m _ r n 3 ( m m s ) ) v7 。单位宽度单位时间砂轮所 金属切除量 耗损的体积( m m 3 ( m m s ) ) 一般在砂轮自锐性好的情况下，砂轮 磨损主要有磨粒脱落而引起，其砂轮磨损量 与磨削量的关系如图3 5 所示。用刚修整过 的砂轮进行磨削时，砂轮的初期磨损量较 大，经过正常磨损阶段后砂轮进入急剧磨损 阶段。在计算磨削比时，在正常磨削阶段来 计算是比较合适的。 图3 - 5 砂轮磨耗量与磨削量的关系1 3 1 3 磨削的工艺特点 由于磨粒的特殊形状、尺寸以及在砂轮工作表面分布的随即特征等，造成了磨削过 程与一般且削过程的不同。磨削的特点可归纳如下： ( 1 ) 砂轮工作表面的磨粒数很多，相当于一把密齿刀具。在磨削过程中，仅有一部分 磨粒起切削作用，另一部分磨粒旨在工件表面划出沟痕，还有一部分磨粒仅与工 件表面滑擦。根据砂轮特性及工作条件不同，有效磨粒粘砂轮表面总磨粒数的 ，1 0 5 0 。 ( 2 ) 磨刃的前角多是负前角，一般前角y 。= - 1 5 。6 0 。 ( 3 ) 一颗磨粒切下的切屑体积很小，切屑厚度大约为1 0 。4 1 0 m m 。根据尺寸效应原 理，在磨粒切屑厚度非常小时，单位切削力很大