变定位基圆平面包络磨削凸曲面工件加工方法研究

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1、⑩次＃太摩ＴＩＡＮＪＩＮＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹ中国第—所现代大学ＦＯＵＮＤＥＤＩＮ１８９５文色一级学科动力工程及工程热物理：学科专业：机械工程：兰＾作者姓名指导教师：林彬研究员天津大学研究生院２０１７年５月天津大学博士学位论文变定位基圆平面包络磨削凸曲面工件加工方法研究StudyonPlaneEnvelopGrindingConvexSurfacewithVariablePositioningCircleMethod学科专业：机械工程研究生：王少雷指导教师：林彬研究员天津大学机械工程学院2017年5月中文摘要硬脆材料大型非球曲面元件以其优异的光

2、学性能广泛应用于武器装备系统、科学仪器设备之中，是这些系统中起到支撑作用的关键部件，其加工制造技术已成为现代制造研究领域不可或缺的重要内容。硬脆材料大型非球曲面元件的加工通常包括镜坯成型、轻量化、磨削成型、研磨、抛光等多个环节，加工效率低，其中，研抛阶段效率远低于磨削，研抛过程反复的加工与检测使加工周期变长，因此，研究人员都希望尽量在磨削阶段多去除材料，并能获得较高的加工精度和表面质量，以减少研抛耗时。本课题从磨削加工方法入手，围绕着降低砂轮磨损、提高加工精度和加工效率这一目标，提出变定位基圆平面包络磨削加工自由凸曲面方法，此磨削法将杯形砂轮端面磨粒以端面圆心为中心划分为多个环带，通过控制杯形

3、砂轮运动，有规律地让不同环带的磨粒参与磨削，同时使端面在加工中同工件曲面保持相切接触，沿着磨削轨迹将工件曲面包络成型。这种方法一方面可优化磨削轨迹，扩大轨迹行宽，提高磨削效率；另一方面可避免或减少砂轮磨损对加工精度的影响，增大砂轮有效使用面积，提高砂轮寿命。围绕这些内容，主要开展了以下工作：1.研究杯形砂轮端平面上分布在不同环带磨粒的磨耗规律。设计试验测定砂轮端面环带的磨耗规律，最终得到结论：砂轮端面环带的磨损受砂轮主轴向下进给速度的影响最显著，速度越大磨损越快；其次受到砂轮转速影响，砂轮转速越高，端面磨耗越慢。2.磨削轨迹规划是数控曲面加工的一个重要环节，直接影响到加工效率。本课题针对杯形砂

4、轮端平面包络磨削凸曲面时，砂轮运动姿态及工件凸曲面的几何特性，提出了平面包络等残留高度轨迹算法。首先从微分几何学角度描述了平面包络磨削凸曲面这一物理过程，建立了平面包络曲面的向量方程，给出了等残留高度线的算法，证明了一个关于等残留高度曲线切向量的微分几何关系，以此为基础，构建了所提出的轨迹规划方法，通过对比分析和仿真计算，证明此轨迹规划方法在保证加工残留高度的前提下，可大大减少砂轮走刀轨迹，扩大磨削行宽，能显著提高加工效率。3.杯形砂轮端面磨削主要用于平面磨削中，本课题将其应用于曲面磨削加工，在新的加工应用场景下，尤其是同五轴数控加工技术结合时，五轴数控插补过程中所固有的非线性误差出现了新的形

5、式。在研究过程中结合砂轮端平面的几何特点，对插补过程中出现的非线性误差分两种情况进行了分析，一种是机床数控系统具有RTCP功能，另一种是不具有RTCP功能，得到了两种情况下非线性误差的形成过程、出现的位置、分布规律和误差计算式，并通过实验验证了误差I计算式的正确性。在RTCP功能模式下，非线性误差小于轨迹离散产生的弓高误差，加工中可忽略；在无RTCP功能的加工模式下，非线性误差远大于轨迹离散产生的弓高误差，最大误差出现在砂轮和工件曲面切触点的下方，进而提出密化刀位点的方法来控制非线性误差。4.基于上述试验和计算分析，实施变定位基圆平面包络磨削加工凸曲面实验，对实验数据进行对比分析，证明该磨削加

6、工方法对提高加工精度有益，能扩大砂轮的有效使用面积，可有效减少磨削过程中砂轮磨损对加工精度的影响。关键词：平面包络磨削，变定位基圆法，等残留高度法，硬脆材料凸曲面，砂轮磨损IIABSTRACTThelarge-caliberasphericalsurfaceofhardandbrittlematerialiswidelyusedinweaponequipmentsystemandscientificinstrumentandplaysankeyroleinsuchsophisticatedsystems.Thusthemanufacturingtechnologyoflarge-caliber

7、asphericalsurfaceistheimportantresearchcontentsinthefieldofmodernmanufacturing.Themanufacturingprocessoflarge-caliberasphericalsurfaceusuallyincludesthefollowingsteps:blankforming,lighterweight,grindi