镗床主轴磨削加工建模与分析.doc

本 科 毕 业 设 计 开 题 报 告题 目 镗床主轴磨削加工建模与分析 学生姓名 学号 所在院(系) 机械工程学院 专业班级 指导教师 2014年 3 月 13日题 目镗床主轴磨削加工建模与分析一、选题的目的及研究意义1.选题目的： 在生产实际中，镗床主轴是难加工的长轴，在切削加工和使用过程中的变形是主要问题，为了解决这一问题，需要在磨削加工中进行建模分析其内部应力应变及振动。此选题便可以解决这一问题，并为后续的生产实际提供理论依据。2.研究意义： 机械制造业是国民经济的支柱产业，是国家创造力、竞争力和综合国力的重要体现。它不仅为现代工业社会提供物质基础，为信息与知识社会提供先进装备和技术平台，也是国家安全的基础。国民经济中任何行业的发展，必须依靠机械制造业的支持并提供装备；在国民经济生产力构成中，制造技术作用占60%以上。机械制造业在整个国民经济中占有十分重要的地位，而其中金属切削加工是基本而又可靠的精密加工手段，切削加工过程中常常伴随有振动产生，特别是在细长孔的切削加工过程中，更易产生振动。切削振动是影响切削加工质量和刀具耐用度的一个关键因素。机械加工过程尤其是在深孔镗削中的切削震颤和刀具刚性不足是金属切削加工中影响产品表面质量、降低刀具寿命的一些重要因素。 计算机仿真技术是指借助计算机，用系统的模型对真实系统或设计中的系统进行试验，以达到分析、研究与设计该系统的目的。利用仿真技术不但可以预演或再现系统运动规律和运动过程，而且可以对无法直接进行试验的系统进行仿真试验研究，从而节省大量的资源和费用。由于仿真技术的巨大优点，其在加工领域中叶得到了巨大的应用。磨削技术在材料加工中有着极其重要的地位，它不仅是大部分产品成形前的最后一道工序，而且随着磨削技术的飞速发展，磨削加工的能力和范围正日益扩大。然而，磨削加工但是一个相当复杂的过程，如磨削刃形状及分布处于随机的状态，而且许多参数值之间互相影响，因此要通过建模来完全重现磨削加工过程是十分困难的。磨削加工曾一度被称为是一种“黑色加工技术”。在实际应用中，磨削加工参数往往由磨削试验决定，成本高且要花费大量的时间。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加工的，所以磨削加工在很大的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，对磨削过程进行建模仿真，找到一种实用的方法老选择最佳的加工参数，必将获得巨大的经济效益。 研究这一课题对磨削加工此类零件具有重要的实践意义，通过对镗床主轴的磨削加工研究，可以为今后难加工的长轴进行类似研究打好理论基础，并可以为实际生产中的工艺改进提供理论支持。通过三维建模并仿真分析，对主轴的设计提供理论依据。通过举一反三，使得今后类似的难题有了新的解决思路和方法。2、 综述与本课题相关领域的研究现状、发展趋势、研究方法及应用领域等1. 研究现状：l 国内磨削建模与仿真概况 山东大学建立了工程陶瓷加工性能预测及加工参数优化仿真系统。该系统包括了训练模块和加工性能预测模块、优化工艺参数模块和优势因素分析模块。利用BP网络对输入输出的映射功能和自学习的特点，建立工程陶瓷加工性能预测模块。该预测模型不仅适用于稳定加工区的加工参数，也适用于不稳定加工区的加工参数。优化模型采用遗传算法，避免了用其他算法建立数学模型的复杂性和局限性。利用优势因素分析模型可分析出某个加工参数对于某项性能为优势因数，或某个加工参数对于所有性能均为优势因素。该模型使用灰色系统理论中的灰色关联矩阵分析方法，取得了良好效果。东北大学也已经研究了虚拟磨床的建模与仿真，通过VC+下直接调用OpenGL函数建立了普通外圆磨床的仿真环境，通过选择和反馈实现虚拟磨床的各项功能，同时对运动各部件碰撞和干涉加以检测。此虚拟磨床仿真系统不仅可用于磨床操作培训，也为虚拟技术在机械工程中的应用做了些基础性的研究工作。l 国外磨削建模与仿真概况 虽然磨削加工过程非常复杂，但经过近三十年的研究，已对磨削加工各方面有了较为清楚的理解，并有办法获得最佳的磨削条件。美国学者S.Malkin教授在磨削仿真领域进行了深入研究，并开发出了实用的磨削加工软件包（GRINDSIM），已经用于汽车和轴承行业，而且仿真软件呗集成进了PC开放体系控制器，作为智能磨削系统的基础。德国学者通过运动学仿真来分析和预测磨削加工过程。利用砂轮和工件的宏观及微观三位几何模型，以及描述砂轮和工件相对运动下的数学模型，磨削过程可以被看成是多磨粒的累积切削。开发和仿真软件可以形成任意的砂轮形貌来模拟实际砂轮表面状态，考虑了磨削弧区的热机械动态效应，软件能分析和预测磨削效果以及在不同磨削技术下的加工结果。随着计算机技术的突飞猛进，仿真技术也获得了飞速的发展。计算机仿真技术争朝着一体化环境下的建模与仿真方向稳步发展。2. 发展趋势： 精密和超精密磨削技术虽然在各个方面已取得了优异的成绩，已成为先进制造技术中重要的组成部分，但是随着科技的进步，在一定程度上仍然不能满足社会的需求。因此，我们仍需在以下几个方面做进一步的研究：（1）超精密磨削理论及加工工艺，重点放在磨粒的切削过程以及影响加工精度和加工表面完整性的因素，并研究相应的最有效的解决办法；（2）开发高精度、高性能、高自动化的磨床及测量装置；（3）进一步开发新型材料，以满足精密及超精密加工的要求并能获得更高的加工精度。如超微粉烧结超微粉陶瓷、非结晶半导体陶瓷、新型高分子材金属、料等。（2）高速磨削时，由于磨粒的未变形切削厚度减小，因而磨粒不容易破碎和脱落，从而砂轮的磨损减小；（3）在磨粒最大未变形切削厚度不变的情况下，可加大磨削深度或工件速度，因而可以有效地提高磨削效率；（4）切削变形程度小，每颗磨粒切削后的残留切痕深度减小，可改善表面粗糙度及减小尺寸、形状误差。3.研究方法：模型-仿真的方法。分析主轴磨削加工工艺，对镗床主轴进行三维建模，在各种约束条件下对模型通过软件进行仿真分析，分析其变形，应力、应变及振动。4.应用领域：机械中各种主轴的磨削以及各种细长轴的磨削加工，工程机械及航空航天领域的主轴磨削加工,军工机械中炮膛以及汽车制造领域中的活塞杆，均有应用。三、对本课题将要解决的主要问题及解决问题的思路与方法、拟采用的研究方法（技术路线）或设计（实验）方案进行说明 1.将要解决的主要问题是：镗床主轴在磨削过程中，由于长径比大而且刚性差，容易产生变形和弯曲、振动，从而难以达到其加工精度。2. 解决问题的思路：第一部分从磨削前的准备考虑，包括内容有：对镗床主轴进行渗氮处理，提高其刚度；检查磨床头架和尾架、中心孔；调整机床消除振动源，采用拨盘和鸡心夹头夹住工件，最后检查工件切削余量和圆度误差。第二部分从选择磨床考虑，包括磨料、硬度、粒度、形状等方面的选择要求。第三部分是选择合理的切削用量。3. 研究方案拟定l 分析镗床主轴磨削加工工艺，建立磨削加工尺寸模型l 学习仿真软件，对所建立的尺寸模型进行计算机仿真l 建立外圆磨削加工尺寸在线检测系统l 实验验证所建的尺寸模型四、检索与本课题有关参考文献资料的简要说明1.彭晓南主编.磨削技术,北京:机械工业出版社,1997年。2.李伯民、赵波主编.实用磨削技术.机械工业出版社，1996年。3.刘鸿文.材料力学（上册）.高等教育出版社，1985年。4.机械设计手册.机械工业出版社 5.机电一体化设计手册.电子工业出版社 6.张智勇著.精通MATLAB6.5.北京：航天航空工业出版社，2003年7.谭浩强主编.C语言程序设计.第二版 .清华大学出版社8.覃岭主编.磨削加工工艺基础. 重庆大学出版社，19989.韩海涛、潘玉田著.细长杆磨削加工方法.中北大学出版社10.王松等著.有限元分析-ANSYS理论应用.电子工业出版社。11.关慧贞 冯辛安主编 机械制造装备设计第三版 机械工业出版社12.袁根福 祝锡晶主编 精密与特种加工技术 北京大学出版社13.孙桓 陈作模 葛文杰 机械原理 高等教育出版社14.李志锋 孙伏著 机械优化设计 高等教育出版社15.王先逵著 机械制造工艺学 机械工业出版社16.H.K.Tonshoff,B.Karpuschewski,elt.Grinding Process Achievements and their Consequences on Machine Tools Challenges and Opportunities. Annals of CIRP Vol.47/2/1998。17.Kedrov,S.M.,Investigation of Surface Finished in Cylindrical Grinding Operations. Machines and Tooling,51.1980。 18.Banerjee,J.K.and Hillier,M.J.,Some Observations on the Effects of Wheel Wearland on Workpiece Surface Finish during Flat Surface Grinding with Cross-Feed. First World Conference on Industrial Tribology, New Delhi.1972。 19.Vicherstaff,T.J. Wheel Wear and Surface Roughness in Cross Feed Surface Grinding . Int. J.Mach.Tool Des.Res,13.1973。20.Y.Fujimoto and A.kawamura.Autonomous Control and 3D Dynamic Simulation walking Robot Incuding Environmental Force Interaction. IEEE Robbtics and Automnation Magzuine,1998,5(2):3342. 21.Rachid Alami,Frederic Robert,Felix Ingrand,Shoji Suzuki.R.Multirobot Cooperation in the Martha Project.IEEE Robotics and Automation Magazine.1998.5(1): 312-320. 五、毕业设计进程安排第一阶段 完成开题报告，检索文献及外文翻译（20140101-20140315）第二阶段 完成具体分析参数和问题确定，分析理论原理的补充；确定建模和分析的工具软件，安装熟悉 。 （20140316-20140331）第三阶段 第一步：学习并熟悉软件；（20140401-20140410）第二步：借助软件进