滚珠丝杠旋风硬铣削加工热变形误差及其控制技术研究

【摘要】高速旋风铣削淬硬丝杠(HRC60以上)是一种新兴的高效绿色加工方法,加工时工件一次铣削完成,不使用任何切削液,加工效率大约是磨削加工的5-8倍,在国外滚动部件加工行业得到了广泛应用。国内一些生产厂家也先后购买了旋风硬铣机床,但滚珠丝杠的加工精度与国外还存在很大差异,主要原因有以下几个方面：一是缺乏对旋风硬铣机理和实验研究；二是国内、外生产企业在工件材料存在差异,在控制工件热变形误差上没有可以参考的数据。上述原因限制了旋风硬铣削丝杠精度的提高。如何减小滚珠丝杠旋风硬铣削加工的热变形误差,进一步提高螺距加工精度,是当前功能部件企业亟待解决的一个问题。滚珠丝杠旋风硬铣削加工过程中,刀具工件接触区产生大量的切削热,使工件温度升高产生了热变形。基于此,本文深入分析高速切削的切削热问题的研究现状,指出了当前关于切削的研究集中在连续切削领域,而对于成型刀具的高速断续切削的切削热问题研究仍存在不足。课题以控制旋风硬铣加工的热变形误差为目的,建立了参数化的切削热仿真模型和热变形仿真模型,通过温度分布实验验证了模型的正确性；建立了基于BP神经网络的热变形规律预测模型,研究了热变形误差补偿的实现方法,实现了基于预测模型的热变形误差补偿,提高了的大型滚珠精密丝杠加工的螺距精度。主要研究内容如下：1、深入研究旋风硬铣削加工工艺参数、工件材料、刀具材料、工件的装夹方式、工件刀具运动方式,分析了影响旋风硬铣削加工精度的动态和静态因素,指出影响工件螺距累积误差的主要是工件待加工段的热变形。同时,深入研究工件螺距误差曲线变化规律及旋风硬铣滚珠丝杠的工艺过程,提出工件与液压悬浮支架的摩擦热而产生的热变形,加工区域液压悬浮支架的回落与上升而形成的工件弹性变形,也是影响螺距误差的两个重要因素。2、分析了旋风硬铣削加工机理,在考虑工件型号、工艺参数对铣削热的影响的基础上,建立了参数化的旋风硬铣削仿真模型。该模型区别于以往的2D或3D正交切削仿真模型的等厚度切削仿真,考虑了成型刀具在切削过程中切削量由薄变厚又由厚变薄对切削温度及切削热的影响。应用该参数化模型计算了不同工件型号、工艺参数条件下,成型PCBN刀具高速旋风硬铣淬硬轴承钢工件时刀具、工件的温度以及切削热分配比例,优化了工艺参数,并为进一步的工件温度场和热伸长分析奠定了载荷基础。3、建立了基于傅里叶定律的工件热传导方程,分析了移动热源作用下的工件温度分布动态变化规律,在此基础上进行工件的热变形规律研究。滚珠丝杠旋风硬铣加工过程中切削热源沿工件螺旋线移动,工件上的温度分布在时间上和空间上都是变化的。首先建立工件的热传导方程,确定了工件端面和表面的边界条件。然后建立参数化有限元仿真模型,研究了工件动态温度分布规律、待加工段温度分布变化规律,分析了工件参数对温度分布的影响规律。用T1400红外测温仪进行工件温度分布实验,提取工件轴向温度分布数据,验证了仿真结果的有效性。在ANSYS中进行热一结构耦合,得出了加工过程中工件的热伸长变化规律,重点研究了影响螺距累积误差的待加工段热伸长变化规律,指出待加工段的热伸长变化分为动态和准稳态两个阶段。4、针对旋风硬铣滚珠丝杠热伸长规律的预测问题,提取了工件待加工段热伸长规律特征值,建立了基于BP神经网络算法的预测模型,并用已经深入研究过的工件热伸长数据训练网络。对于热误差的补偿问题,直接提取样本工件仿真实验数据,利用机床数控系统螺距补偿功能,采用插值补偿算法实现螺距误差补偿。对于未经过实验验证变形规律的工件,用BP神经网络算法预测工件热变形规律的曲线特征,以曲线特征为基础进行曲线拟合,拟合的结果作为热变形误差补偿的依据。滚珠丝杠旋风硬铣削热变形误差补偿试验结果表明,应用基于BP神经网络预测的插值补偿控制方法,大型滚珠丝杠的旋风硬铣加工螺距精度显著提高。本课题所采用的工件热变形误差及控制的研究思路及成果可为其他杆类零件的热变形误差控制提供参考,对促进我国大型精密机械制造技术的发展具有重要的借鉴意义。
【作者】李彦凤；
【导师】宋现春；
【作者基本信息】山东大学，车辆工程，2014，博士
【关键词】滚珠丝杠；旋风硬铣削；切削热；热变形误差；补偿控制；

【参考文献】
[1]邬林勇,何正友,钱清泉.利用CVT二次信号的频域行波故障测距方法[J].电力系统自动化,2008,08:73-77+82.
[2]林悦.基于资产负债管理框架下的寿险长期资产结构优化研究[D].厦门大学,保险学,2014,硕士.
[3]熊恺妮.宋明理学与宋濂的文学思想及创作研究[D].湖北大学,中国古代文学,2012,硕士.
[4]马颂歌.工作情境中医生团队的专业学习研究[D].华东师范大学,人力资源开发与教育,2014,博士.
[5]马颖.清代宫廷萨满祭祀礼仪文献研究[D].东北师范大学,中国古典文献学,2012,硕士.
[6]何宁.我国管理咨询公司的营销方案研究[D].西南交通大学,2004.
[7]高雷.长春中医药大学开设传统保健体育教学的现状分析与研究[D].辽宁师范大学,体育教育训练学,2012,硕士.
[8]钟珞,张开松,江琼,夏红霞,张开鹏.Web服务技术在数据仓库系统中的应用[J].武汉理工大学学报,2004,08:74-76+83.
[9]焦健.一步成形模拟中初始场预示、效率优化及弯曲修正的算法研究[D].吉林大学,固体力学,2004,硕士.
[10]毕爱敏.基于BIM的建设工程项目采购模式与合同结构的初步研究[D].重庆大学,建筑与土木工程（专业学位）,2014,硕士.
[11]侯连赏.自动双时基示波器观测数字编码信号时同步能力分析[J].电子测量技术.1984(03)
[12]燕召将.群数字签名理论的研究[D].西安理工大学,应用数学,2004,硕士.
[13]何学军.实际气候条件下轻型屋面绿化模块的隔热性能研究[D].广东工业大学,市政工程,2013,硕士.
[14]石丹凤.多天线多维时变信道参数的重要性重采样方法研究[D].上海师范大学,通信与信息系统,2013,硕士.
[15]龙银波.正常颅压脑积水分流方式和分流管选择的探讨[D].河北医科大学,外科学（专业学位）,2014,硕士.
[16]闫静茹.基于LabVIEW的ISO/IEC14443通信监测软件设计[D].北京交通大学,电子与通信工程（专业学位）,2013,硕士.
[17]韦静.基于瞬变电磁法的盾构挖掘地质勘探应用研究[D].沈阳工业大学,仪器仪表工程,2013,硕士.
[18]王建民,孙意然,李瑞丽,杜阅光,李永正.烤烟物理特性与化学成分的典型相关分析[J].郑州轻工业学院学报(自然科学版),2014,05:28-31.
[19]董钢.分离式霍普金森压杆实验技术数值模拟[D].合肥工业大学,2005.
[20]李学军.国有商业银行个人银行业务实施客户差异化服务的战略研究[D].重庆大学,工商管理,2003,硕士.
[21]查道鑫.乙烯丙烯酸丁酯共聚物对PC复合材料增韧效果的研究[D].浙江理工大学,纺织工程,2012,硕士.
[22]徐文煜.上海市医院伦理委员会评价指标体系的研究[D].复旦大学,社会医学与卫生事业管理,2012,硕士.
[23]李阳.城市土地利用/覆盖变化与CO_2排放研究[D].华中科技大学,环境工程,2013,硕士.
[24]曾小辉.双等离子体离子源的设计与性能研究[D].吉林大学,测试计量技术及仪器,2014,硕士.
[25]赵琪,臧晓韵,胡海峰.马黛茶多酚加压毛细管电色谱法的定量分析方法[J].食品与发酵工业.
[26]姚凯.变截面梁的辊弯成型仿真研究[D].北方工业大学,机械制造及其自动化,2013,硕士.
[27]范富国,张鹏.地铁隧道内整体道床长轨排法一次铺设施工技术[J].城市轨道交通研究.2004(03)
[28]朱海港.基于肌电信号的跌倒辨识研究[D].杭州电子科技大学,模式识别与智能系统,2014,硕士.
[29]纪子千.试论自愿式环境协议行政法方向的立法框架[D].安徽大学,法律,2014,硕士.
[30]张粒子,黄弦超,舒隽,陶文斌.配电网检修计划优化模型设计[J].电力系统自动化,2005,21:54-56+66.
[31]王伟伟.舟山海洋战略性新兴产业发展的机理与对策研究[D].浙江大学,国际商务（专业学位）,2013,硕士.
[32]原帅.采购管理在YC油田配液站项目中的应用[D].吉林大学,项目管理,2014,硕士.
[33]牛妞.人力资本投资理论视域下研究生就业问题研究[D].沈阳师范大学,课程与教学论,2014,硕士.
[34]杨宇飞.面向中文网络百科的属性关系抽取研究[D].西南交通大学,信号与信息处理,2014,硕士.
[35]章建芬.基于水印的图像内容认证技术研究[D].杭州电子科技大学,计算机软件与理论,2014,硕士.
[36]吴海兵,张文松,汤潇.中央政府行为与区域金融差异形成的经验分析[J].技术经济与管理研究,2014,05:84-88.
[37]宋萌萌.大麦光周期相关基因CCA1的克隆及表达特性研究[D].西北农林科技大学,农业推广,2012,硕士.
[38]李慧.洞庭湖区历代防洪思想与措施研究[D].华中师范大学,自然地理学,2013,硕士.
[39]邓建明,姚步青,周华坤,赵新全,魏晴,陈哲,王文颖.水氮添加条件下高寒草甸主要植物种氮素吸收分配的同位素示踪研究[J].植物生态学报,2014,02:116-124.
[40]王晓华,王云专,黄真萍.薄层多波AVO效应研究[J].石油地球物理勘探,1997,05:661-668+695-750.
[41]钱荔.活血解毒方治疗干燥综合征的临床观察及干预NOD小鼠TLR4/CD14信号转导通路的实验研究[D].北京中医药大学,中医内科学,2014,硕士.
[42]徐娇.一级甲等医疗事故的民刑区分[D].吉林大学,刑法学,2014,硕士.
[43]闫文秀.Sinamics在三辊无缝钢管连轧管机组的应用[J].冶金自动化,2013,05:61-66.
[44]王记.马里旦新人权理论及对我国法治建设的启示[D].辽宁大学,法学理论,2012,硕士.
[45]张艳宏,刘保延,谢琪,张润顺,周雪忠,王斌,赵玉凤,刘岩.结局管理及其在真实世界中医临床研究中的应用[J].中医杂志,2014,11:901-904.
[46]吴飞飞.间接正犯若干问题研究[D].吉林大学,刑法学,2004,硕士.
[47]张袅娜,冯勇,王冬梅,于兰.柔性机械手的鲁棒控制器设计[J].控制与决策,2006,07:750-754.
[48]刘朋伟.踝关节撞击综合征关节镜治疗及其疗效分析[D].吉林大学,临床医学,2013,硕士.
[49]刘秋月.“体制边缘人”集体行动的实践逻辑研究[D].沈阳师范大学,社会学,2013,硕士.
[50]刘毅.聚丙烯纤维用染料的合成研究[D].大连理工大学,应用化学,2004,硕士.