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磨粒流小压差均匀化抛光方法的研究

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导师姓名
高航
学科专业
机械制造及其自动化
文献出处
大连理工大学   2016年
关键词
磨粒流论文  压差论文  均匀化抛光论文  反馈控制论文  轴承滚道论文
论文摘要

磨粒流加工的柔性与高仿形性特性,以及高效、加工操作简便等特点,使其在复杂曲面的抛光中表现出独特的技术优势,在诸如复杂曲面五金零件内腔表面、模具腔体、液压阀类零件中得到广泛应用,但是在抛光过程中很容易产生边角“过抛”、“欠抛”或“倒圆”问题,限制了其在诸如精密轴承内外滚道、叶轮叶片等要求精准几何形状精度的高性能零件加工的推广应用。如何消减传统磨粒流抛光过程中的“过抛”、“欠抛”或“倒圆”问题,一直是亟待解决的技术难题之一。本文以复杂曲面内腔体零件表面的磨粒流的精密抛光为研究对象,在广泛调研和消化吸收国内外先进研究成果的基础上,首先从磨粒流的流动特性理论分析入手,开展磨粒流加工机理的深入研究,在此基础上创新提出了磨粒流小压差均匀化抛光新方法,建立了基于背压控制的磨粒流介质出入口压差控制方法,提出了基于液压缸-磨料缸-磨料介质比例控制的磨粒流介质压力场均匀化调控策略,并以此为基础研制了旋转磨粒流抛光工艺装备原理样机,进行了大尺寸滚动轴承空心滚子抛光应用验证试验,以及大尺寸滚动轴承套圈滚道的抛光应用研究。论文研究工作取得的成果为高性能复杂曲面零件的精准、高效、低成本抛光提供了一条行之有效的技术新途径。论文主要研究工作及学术贡献如下:针对传统磨粒流在抛光加工过程中出现的“过抛”、“欠抛”或“倒圆”问题,通过小压差的流场均匀化抛光方法,分析了增加背压与旋转后,磨粒流的流动特性与流场变化情况及压力、速度的变化规律,以Navier-Stokes方程为基础,考虑磨粒流所具有粘弹性特点,分析了磨粒流在挤压抛光中的流动特性,推导表征磨粒流流动特性的压力、速度、流量的数学模型。结合Holm、Burwell的粘着磨损模型以及Halling的滑动磨损模型,应用微元分析法,给出了背压及旋转流场下修正后的材料去除模型,指出其材料去除模型符合Preston方程形式。并应用计算流体力学(Fluent)软件的仿真分析表明,增加背压及旋转场作用后,流场实现了进一步均匀化。为实现磨粒流的精确传输,通过位移与压力传感器实现液压比例的闭环反馈控制策略并建立数学模型,从模型的角度揭示磨粒流从液压系统到磨料系统的传输过程,Matlab仿真结果表明,液压缸-磨料缸的液压比例控制策略提高抛光速度的稳定性并可通过PID控制调节。分析料缸截面积与料缸的活塞行程对整体设备尺寸及液压系统功率的影响,指出以料缸容积为设计主参数,并以此为参数选取的出发点,依次确定磨粒流抛光装备的设备参数的选取原则,通过对关键零部件和四立柱主机结构的动力学仿真分析,模拟了设备的振动、冲击及静载荷和变载荷下的应力应变。基于以上理论基础,自主研制了小压差旋转磨粒流加工装备。并借助背压控制及旋转运动下磨粒流装备的稳定性试验进一步验证了仿真结果。结合上述理论分析与设备研制,为了验证增加背压对传统磨粒流的加工过程中出现的“过抛”、“欠抛”和“倒圆”现象的改善,对大尺寸滚动轴承空心滚子内孔进行了磨粒流抛光试验,对比分析了增加背压与无背压下轴承空心滚子内孔进出口处的改善情况,并通过试验验证了磨粒流挤压抛光工件与夹具所形成的密封腔体时,不同截面尺寸与压力匹配的策略问题,验证了磨粒流抛光复杂曲面与细长深孔内表面时,挤压抛光间隙尺寸范围。重点研究了针对复杂曲面零件磨粒流抛光的夹具反求方法。首先通过所捕捉的三维扫描数据,直接拾取被加工工件的复杂曲面,并通过三维绘图软件对所拾取的复杂抛光表面进行建模,其次通过3D打印技术直接打印与被加工复杂曲面相一致的磨粒流夹具的内模腔体,研制与被加工工件表面相一致的夹具,在磨粒流挤压抛光过程中,可以得到几何均匀流场。并针对大尺寸滚动轴承套圈滚道复杂曲面的抛光,分别进行了正向与逆向设计夹具的抛光试验及抛光表面的对比分析,对表面质量的表征特征(表面微观形貌、表面粗糙度)及加工后对套圈滚道的修形特征(圆度)进行了磨粒流抛光的试验验证,证明了磨粒流抛光轴承套圈滚道的可行性。研究表明,经磨粒流抛光可使大尺寸轴承套圈滚道球形内表面的表面粗糙度从0.4μm降低到0.1~0.2μm范围内,并且形成新的纹理沟壑,更容易形成润滑油膜。

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摘要

ABSTRACT

主要符号表

1 绪论

1.1 引言

1.2 研究背景与意义

1.3 课题来源

1.4 磨粒流抛光加工国内外研究现状

1.5 目前存在的主要问题

1.6 研究目标和主要内容

2 磨粒流小压差均匀化抛光原理

2.1 引言

2.2 传统磨粒流抛光加工流场分析

2.2.1 磨粒流圆形料腔内磨粒压力分布

2.2.2 磨粒流圆形料腔内滑动速度分布

2.3 磨粒流流场的小压差均匀化方法

2.3.1 小压差均匀化抛光的技术途径

2.3.2 背压控制下的内部压力分析

2.3.3 背压与夹具截面积匹配的均匀化调节

2.3.4 工件旋转对流场均匀化的作用

2.4 磨粒流流场的模拟仿真分析

2.4.1 磨粒流抛光方法仿真国内外研究现状

2.4.2 背压大小对圆管内流场影响

2.4.3 旋转速度对圆管内流场影响

2.5 磨粒流材料去除模型的修正

2.5.1 传统的磨粒流的材料去除模型

2.5.2 磨粒流材料去除模型的修正

2.6 本章小结

3 磨粒流均匀化抛光控制策略研究

3.1 引言

3.2 磨粒流均匀化抛光反馈控制系统

3.2.1 液压比例加载挤压控制方式的选取

3.2.2 磨粒流均匀化抛光反馈控制系统构建

3.3 磨粒流均匀化抛光反馈控制系统数学模型

3.3.1 抛光系统数学模型

3.3.2 主控器环节

3.3.3 比例放大环节

3.3.4 比例溢流阀环节

3.3.5 液压缸推料环节

3.4 磨粒流均匀化抛光反馈控制系统仿真分析

3.5 本章小结

4 磨粒流均匀化抛光装备研制

4.1 引言

4.2 磨粒流料缸容积等参数选取原则的制订

4.3 磨粒流主机结构力学分析与优化

4.3.1 主机架体的受力与优化仿真

4.3.2 夹紧方式的力传递与校核

4.3.3 粘弹性磨料高压挤压下的密封方法

4.4 磨粒流主机冲击及静载荷应力分析

4.5 磨粒流主机振动及动载荷应力分析

4.6 磨粒流均匀化抛光原理样机的研制与性能考核

4.7 本章小结

5 磨粒流小压差抛光方法在轴承零件抛光中的应用试验

5.1 引言

5.2 磨粒流均匀化抛光轴承空心滚动体内孔试验

5.2.1 问题提出与试验准备

5.2.2 小压差均匀化抛光方法的试验验证

5.2.3 背压与夹具截面积匹配的试验验证

5.3 磨粒流均匀化抛光大尺寸轴承套圈滚道试验

5.3.1 问题提出与试验准备

5.3.2 大尺寸轴承套圈滚道磨粒流抛光夹具的研制

5.3.3 磨粒流抛光对轴承套圈滚道表面质量的影响

5.3.4 磨粒流抛光对轴承套圈滚道圆度的影响

5.4 磨粒流抛光方法对轴承零部件的应用前景分析

5.4.1 轴承空心滚子内孔磨粒流抛光成本及加工效率对比分析

5.4.2 轴承滚道的超精现状及磨粒流抛光应用前景分析

5.5 本章小结

6 结论与展望

6.1 结论

6.2 创新点

6.3 展望

参考文献

攻读博士学位期间科研项目及科研成果

致谢

作者简介

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