作者：宋春花
出版社：电子工业出版社
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滚磨光整加工过程理论及计算机仿真试读：
前言
表面光整加工技术作为机械加工的最终加工工艺，对提高产品质量和性能、延长零件及产品整机的使用寿命等具有十分重要的影响。随着机械设备的发展，对提高零件表面质量的光整加工技术提出了越来越高的要求。目前，对光整加工新技术和新工艺的加工动态过程缺乏系统深入的认识和研究，从而影响光整加工技术的完善、应用和推广。近年来，随着计算机成本的不断降低，越来越多的研究可以通过计算机来仿真完成，在保证结果的同时，大大降低了研究成本。本书共19.1万字，分为6章，第1章概述光整加工技术及其研究现状、离散元法和人工智能技术等。第2章介绍应用颗粒运动学、动力学理论研究混合介质的受力情况、运动速度、流动特征等，对影响离心滚磨光整加工结果的因素进行理论分析。第3章介绍采用三维离散元方法建立离心滚磨光整加工过程中磨料颗粒与工件几何模型、接触模型、微观动力学模型。第4章介绍采用宏观和微观、定量和定性相结合的分析方法，通过DEM三维可视化仿真研究滚筒中混合介质的宏观运动状态、微观加工特征和滚磨光整加工效率三者的内在关系，分析各种因素对加工过程和加工效果的影响，为优化设计及工艺参数提供思路和指导。第5章介绍采用物理实验方法，对第3章理论分析和第4章仿真结果的正确性进行实验验证。第6章介绍采用人工神经网络和遗传算法，建立离心滚磨光整加工结果预测模型，实现不同参数加工结果的预测和综合评价，并进行试验验证。本书在国内外滚磨光整加工相关理论和研究成果的基础上，以离心滚磨光整加工为研究对象，将三维离散元法、人工智能技术引入光整加工领域，采用宏观和微观相结合、定性和定量相结合、动力学仿真和黑箱仿真相结合、数字实验和物理实验相结合等手段，从理论分析、仿真和实验等方面深入研究离心滚磨光整加工过程滚筒中混合介质的宏观运动特征、微观加工机理、加工效率及其影响因素，为设备开发和工业应用提供更为完善的理论支持。本书的特点是系统性和实用性，有关离心滚磨光整加工过程介质运动分析、建模和可视化仿真均属作者原创性的工作，该项工作研究意义在于：(1) 借助颗粒动力学理论，对离心滚磨光整加工中介质受力、运动速度、加工机理等从理论上进行了详细的分析，确定了介质脱离筒壁的条件，推导出临界传动比和加工效率的理论计算公式。(2) 采用三维离散元法建立了离心滚磨光整加工过程的动力学模型，对滚筒中单个介质和混合介质群的运动过程分别进行可视化仿真。通过分析滚筒运转过程中介质的位置、速度、介质间及介质与筒壁之间的接触力、接触能量、筒壁的受力等，探讨不同参数对介质的运动特征、加工机理、加工效率、加工效果的影响规律。(3) 提出离心滚磨临界传动比的概念，并通过仿真得出不同机型的临界传动比，与理论临界传动比的计算基本吻合。(4) 采用BP神经网络方法建立了离心滚磨光整加工过程的黑箱预测模型，并利用遗传算法对BP神经网络的权值进行优化，用Matlab软件编程进行仿真，实现不同参数下加工结果的预测，为进一步实现多目标优化提供基础。(5) 对离心滚磨光整加工进行实验研究，对转速、传动比、装入量、混合比、磨块直径等主要影响因素进行实验，验证了仿真结果的正确性和有效性。本书通过仿真深入系统地研究了离心滚磨光整加工在不同参数下介质运动、加工机理、加工效率、加工效果等变化规律，研究成果填补和深化了滚磨光整加工理论；并对离心滚磨机型的设计及操作参数的优化提供了依据；可以代替大量工艺实验，降低研究成本。对其他光整加工技术和新技术的应用、发展提供新的研究途径和方法，对于推动表面光整加工技术的进一步发展及推广应用具有十分重要的意义。本书从2008年至今4年的编写过程中，受到不少专家、学者、老师们的指导和帮助。杨世春、张银喜、汪鸣铮和杨胜强等专家对本书的内容、章节安排提出合理的建议和指导；李文辉、姚平喜、陈红玲、李秀红等教授对本书的内容完善及排版给予大力的支持和帮助，在此谨向他们表示诚恳的感谢！在本书的编写过程中，也参考了国内外的书籍和论文，在此谨向这些书籍和论文的作者表示衷心的感谢！限于时间和作者的水平，书中一定存在不少错误和不当之处，恳请专家、同行和读者批评指正。E-mail:syaq1668@163.com。著者符 号 说 明第1章 绪 论1.1 引言机械零件的表面质量对机械设备的性能、可靠性及寿命具有十分重要的影响，特别是随着精密机械设备的发展，对零件的表面质量提出了越来越高的要求。目前由于光整加工技术发展的时间还不是很长，对光整加工机理缺乏系统深入的研究，阻碍了光整加工技术的进一步发展。为了提高产品质量和加工效率、降低工艺成本、节约劳动力，逐渐采用数字实验和物理实验相补充验证的方法来研究和完善光整过程的加工机理，实现设备参数和加工参数的优化。用计算机对离心滚磨光整加工进行仿真模拟具有投入小、周期短的特点，可以和比例模型实验互为补充。1.2 光整加工技术综述1.2.1 光整加工技术的含义随着科学技术的进步和现代生产技术水平的进一步提高，许多产品都正在向着大型化(或微型化)、高速化(或高效化)、精密化、专用化(或柔性化)、综合化、集成化、模块化、自动化、智能化、数字化、网络化和绿色化等方向发展，对零、部件的表面质量(包括表面几何特征、表面物理力学性能等)也提出了越来越高的要求。提高零部件的表面质量已经成为改善零、部件和产品的使用性能、提高可靠性、延长使用寿命的重要途径之一。机械零件由毛坯到成品的加工过程中，无论是切削加工，还是铸锻、冲压、焊接加工，都会在零件表面留下程度不同的粗糙表面及各种各样的表面缺陷，如表面凸凹不平、棱边缺陷、飞边毛刺、磕碰划伤、微观裂纹。这些缺陷的产生和存在，不仅影响零件本身的质量，而且也影响产品整机的装配精度、使用性能和寿命。在机械加工中，以提高零件表面质量为目的的各种加工方法、加工技术统称为表面光整加工技术。对毛坯表面的光整加工，是指毛坯经过铸造、锻压、焊接成形后，采用特定的工艺清除表面氧化层、黏砂或残留焊渣等的工艺过程；对零件表面光整加工是指零件经切削加工或特种加工后，进行棱边倒角、去除毛刺、降低表面粗糙度值、改善物理力学性能的加工工艺过程，广泛用于机床、汽车、摩托车、印刷机械、纺织机械、医疗器械、石油机械、电子电器、五金工具、仪器仪表、手表首饰、焊机配件、冲压件、压铸件等不同材质的中小型异形零件的光整加工。光整加工技术作为零件加工的最终工序，是提高和改善零件表面质量的一项技术，是精密加工技术、超精密加工技术的重要组成部分，是先进制造技术的重要环节。它的发展水平直接关系到产品的质量和性能，以及产品的成本和价格。光整加工技术是现代产品生产过程中不可缺少的先进工艺，可在不改变零件原有尺寸精度的前提下，有效提高零件的表面质量：(1) 有效去除零件表面加工后的毛刺、飞边，进行棱边倒圆、除锈、去氧化皮等。(2) 零件表面粗糙度值在原有基础上能有效地降低1～2级。(3) 使零件表面的物理力学性能得到明显改善和提高，如消除表面应力集中及微观裂纹、提高表面硬度、增加耐磨层厚度、改善零件使用性能、延长疲劳寿命。1.2.2 光整加工技术的分类为了适应于现代社会对零件表面质量的要求，近年来光整加工技术得到了很大发展。以降低表面粗糙度、改善零件表面力学性能和去除飞边毛刺棱边倒圆为主要功能的光整加工新技术、新工艺不断涌现。若按光整加工的主要功能，可分为：以降低零件表面粗糙度值为主要目的的光整加工，如光整磨削、研磨、珩磨和抛光等；以改善零件表面物理力学性能为主要目的的光整加工，如滚压、喷丸强化、金刚石压光和挤孔等；以去除毛刺飞边、棱边倒圆等为主要目的的光整加工，如喷砂、滚磨、动力刷加工等。若按加工时能量的提供方法，可分为机械法、化学和电化学法、热能法三大类。对于机械法，若按磨料或磨具在加工过程中所处的状态又可分为自由磨具光整加工和非自由磨具光整加工两大类，如图1-1所示。图1-1 表面光整加工方法分类1.3 滚磨光整加工技术简介自由磨具光整加工作为机械法光整加工的一种主要类型，是使用松散磨料，用特定的运动方式，在一定的介质中使磨料和工件获得相对运动，借助此相对运动，使磨料对工件产生磨削，从而实现对工件的加工。其加工特点就是在加工过程中磨料始终与工件没有固定的相对位置，加工中磨料与工件均处于自由状态，以一定的相对速度和作用力实现对工件表面的光整加工。滚磨光整加工技术是一种重要的自由磨具加工方法。加工过程是将工件、磨料、滚磨剂和水等按一定比例放置在滚筒中，当滚筒运动时，在复杂的相对运动作用下，游离状态的磨块始终以一定的作用力对工件表面进行碰撞、滚压及微量磨削，从而达到细化表面粗糙度，去除加工毛刺和表面缺陷，改善表面物理力学性能，实现表面光整加工的目的。针对各种金属工件特别是小型异形零件的光饰加工及去毛刺加工，表面滚磨光整加工由于具有加工范围广、加工成本低、加工效率高、加工效果好、加工设备简单、操作方便等优点，不仅适用于各种金属材料的冲压件、机加工件、精密铸锻件的光整加工，而且适用于硬质合金、陶瓷和塑料零件的光整加工，因而在工业生产中得到广泛应用。滚磨光整加工按零件所处状态分为自由和非自由两种方式，如图1-2所示。下面分别对回转式、振动式、涡流式、离心式、主轴式等运动方式进行说明。图1-2 滚磨光整加工的类型1.3.1 回转式滚磨光整加工回转式滚磨光整加工是将工件、加工介质(磨块、磨剂等)装入一个滚筒内，当滚筒按一定转速回转时，筒内的工件和磨块在重力、离心力、摩擦力等作用下，使工件和磨块之间相互碰撞、挤压、滑擦和刻划，实现对工件表面的光整加工。图1-3为回转式滚磨光整加工原理简图。图1-3 回转式滚磨光整加工的原理简图回转式滚磨光整加工是最早开发的滚磨光整加工方式，适用于小型异形零件的表面光整，金属去除能力较弱，加工效率较低，工件表面有一定程度的磕碰，加工表面的完整性较差。1.3.2 振动式滚磨光整加工振动式滚磨光整加工是国外20世纪50年代开发的一种表面光整加工工艺，已广泛应用于不同材料(如钢、铜、铝、胶木等)的中小零件的去毛刺、倒圆和光整加工。振动式滚磨光整加工是将物料置于振动滚磨设备的槽式容器内，工作时借助激振器高速回转，使容器产生周期性振动，在离心激振力作用下，使容器中磨块和被加工工件产生相对运动，从而实现对工件的加工。图1-4为卧式振动滚磨光整加工的原理简图。图1-4 卧式振动滚磨光整加工的原理简图振动式滚磨光整加工具有加工效率高、加工质量好、设备结构简单、操作方便、容易实现多机床管理和加工自动化等特点，得到广泛的应用。但由于振动产生的相互作用力较小，加工时碰撞、滚压现象较弱，滑擦与刻划的微量磨削作用较强，所以这种加工方法对降低表面粗糙度值较好，但对表面物理力学性能的改善不大，不适用较大较长的工件。1.3.3 涡流式滚磨光整加工涡流式滚磨光整加工，是近20年来迅速发展起来的一种新型滚磨光整加工方法。如图1-5所示，加工过程中，回转底盘以一定转速回转，滚筒内的工件与加工介质，在离心力作用下沿固定筒壁回转，连续回转过程中，使工件与加工介质的混合物产生螺旋状的涡流运动，从而在工件和磨块间产生强烈的滚磨作用，达到均匀地去除工件毛刺、倒角或滚磨的目的。图1-5 涡流式滚磨光整加工的原理简图涡流式滚磨光整方式适用于中小型异形件(薄片件除外)的加工，加工能力较强，容易实现自动化，但零件存在一定程度的磕碰。1.3.4 离心滚磨光整加工离心滚磨光整加工是在回转式加工的基础上发展起来的。如图1-6所示，是将工件、磨块及液体介质按一定比例装入密封滚筒中，装有混合介质的行星滚筒既自转，同时又绕某一回转中心轴公转。滚筒内的介质在重力场和两个离心场组成的变化的复合场内产生强制流动，获得复杂且剧烈的相对运动，促使磨块对工件表面产生碰撞、滚压、微量磨削，从而实现对工件表面的光整加工。图1-6 离心滚磨光整加工的原理简图离心滚磨光整加工大大提高了加工效率，克服了回转式滚磨效率低、加工质量差的缺点。实践证明，行星离心滚磨光整加工要比回转式加工提高效率5～10倍，加工质量也有所提高。因此，行星离心滚磨光整加工在许多行业如金属电器零件、微型轴承零件等得到广泛应用。1.3.5 主轴滚磨光整加工主轴滚磨光整加工，是将安装在主轴上的工件，竖直或与竖直方向成一定倾斜角度地插入装有磨块、磨剂和水的滚筒中，使整个工件的自由表面处于滚磨作用中。加工过程中，通过主轴和滚筒的回转运动，或主轴的公转和自转，使磨块与工件表面产生一定的相对运动和相互作用力，实现对工件的去毛刺及表面光整加工。主轴滚磨光整加工可分为立式、行星式、交叉式三种形式，其工作原理如图1-7所示。图1-7 主轴滚磨光整加工的原理简图由上述可知，对于不同的表面滚磨光整加工方式，有不同的特点和适用范围。表1-1为常见表面滚磨光整加工性能和适用范围。表1-1的几种滚磨光整加工技术，目前在制造业中已经得到了广泛的应用，尤其是离心滚磨光整加工因其生产效率高、加工质量好而在大批量小型异形工件的滚磨和去毛刺生产中得到很好的应用。但由于光整加工技术发展的时间还不是很长，由于加工设备等情况的限制，对这些光整加工机理缺乏系统深入的研究，阻碍了光整加工技术的进一步发展。表1-1 表面滚磨光整加工方式的特点和适用范围1.4 研究背景随着精密机械设备的发展，对零件的表面质量提出了越来越高的要求，加速了光整技术在生产中的推广应用。但在多年不断探索和创新的过程中，一直存在两大问题：(1) 长期以来，对光整加工技术的研究，仅采用大量工艺实验方法，理论研究较浅，加工机理缺乏深入系统的研究，对设备的设计参数及加工工艺参数基本凭经验定性确定，没有严格的理论依据。设备不能运行在最优工作状态，无法实现优质、高效、低耗的宗旨，成了制约其进一步发展的“瓶颈”问题。(2) 新的光整加工技术研究通过试验方法投资较高，若试验不成功还会造成资金浪费，从而阻碍了光整加工技术的发展步伐。随着计算机成本的不断降低，越来越多的研究可以通过计算机来仿真完成，在保证结果的同时，大大降低了研究成本。为了提高产品质量、增加效率、降低工艺成本、节约劳动力，近年来太原理工大学光整加工技术研究所一直在探索新的研究方法，欲将数字实验和物理实验相结合，用数字实验即模拟仿真来解决困扰已久的问题。既能对现有的光整加工技术进行微观加工机理的研究，实现设备结构优化和加工参数优化；又能为新的加工技术先行数值试验，研究其可行性和有效性。本着“高效、精密、绿色的先进光整加工技术”这一主题，采用数字实验和物理实验相补充验证的方法来研究和完善光整加工过程的机理，实现设备参数和加工参数的优化，已经成为光整加工技术目前一项紧迫的任务。本书以复杂而又应用广泛的离心滚磨光整加工作为研究对象，对其光整加工过程进行仿真研究，为进一步实现其他光整加工仿真搭建平台，奠定基础。离心滚磨光整加工属于离散颗粒群体动力学行为问题，是典型的颗粒系统。颗粒系统是一个耗散的非线性动力系统，很难用传统的方法建立其加工过程的数学模型。而且深入了解介质加工的本质特征所需要的实验费用十分昂贵。近年来，计算机仿真技术、颗粒动力学技术和离散元技术的发展为非连续散体颗粒运动提供新的研究方法，并且在颗粒系统的研究中得到了一定的应用。因此，本书提出采用离散元法对离心滚磨光整加工过程进行动力学仿真，深入系统地研究加工机理。同时，本书为了更有效地进行研究，还采用人工智能技术中遗传算法和神经网络技术对离心滚磨光整加工过程进行黑箱仿真，实现加工结果的预测。两种仿真技术的结合为加工参数的选择提供指导。1.5 三维离散元法离散元方法(Discrete Element Method，DEM)是近年来发展起来用于解决不连续体力学问题的一种重要的数值分析方法。其基本思想是把散粒群体简化成具有一定形状和质量颗粒的集合，赋予接触颗粒间及颗粒与接触边界间某种接触力学模型和模型中的参数，以考虑散粒之间及散粒与边界之间的接触作用和散粒体与边界的不同物理力学性质，通过跟踪流场中每个颗粒的运动轨迹来达到模拟整个流场中颗粒运动状况。离散元法采用动态松弛法、牛顿第二定律和时步迭代求解每个颗粒的运动速度和位移，因而特别适合求解非线性问题。目前离散元法已成为研究散粒群体动力学问题的一种通用方法，并在岩土工程(如滑坡)与风沙流动(如雪崩、风化)，散粒物料的输送、混合、分级，颗粒的结块与碰撞，土壤与机械的相互作用，化工过程装备(如流化床)和机械装备(如球磨机)等研究领域得到较多应用。在离心滚磨光整加工中，滚筒中的磨料和工件是典型的离散颗粒群，当滚筒作高速行星运动时，对磨料和工件动力学特性缺乏一定的手段来进行研究。而三维离散元法能够考察离散颗粒的宏观运动特性和微观作用，为研究磨料和工件的运动特性和微观加工机理提供一种新的研究方法和途径。1.6 人工智能技术人工智能(Artificial Intelligence，AI)，被认为是21世纪(基因工程、纳米科学、人工智能)三大尖端技术之一。人工智能是研究使计算机来模拟人的某些思维过程和智能行为(如学习、推理、思考、规划等)的学科，即对人的思维的信息过程的模拟。研究范畴有机器学习、知识获取、模式识别、软计算、人工生命、神经网络、遗传算法等，目前在计算机领域、机器人、经济政治决策、控制系统、仿真系统中得到应用。本书使用神经网络、遗传算法两种技术相结合对离心滚磨光整加工过程进行仿真，对加工结果进行预测。遗传算法(GA)和人工神经网络(ANN)都是将生物学原理应用于科学研究的仿生理论成果。由于它们极强的解决问题能力，近年来引起了众多科研人员和工程技术人员的兴趣与参与，目前已成为跨学科研究的热门专题之一。GA是从自然界生物进化机制获得启示的。ANN是人脑或者动物神经网络若干基本特征的抽象与模拟，因此具有人脑的很多功能。近年来，越来越多的研究人员尝试着将GA与ANN结合起来进行研究，发挥它们各自的长处，来弥补两种算法本身存在的不足。在人工神经网络的实际应用中，80%～90%的人工神经网络模型采用的是反向传播网络即BP网络或它的变化形式，是人工神经网络最精华的部分，其中BP网络的最强大的功能之一是在非线性函数逼近上，已在工程领域中得到广泛的应用，如用在离心滚磨光整加工过程模型的辨识中，将加工过程看成一个黑箱子，通过测量其输入和输出特性，然后利用所得实际过程的输入和输出数据(实验数据)训练一个BP网络，使其输出对输入的响应特性具有与辨识过程相同的外部特性，实现对离心滚磨光整加工结果的预测。因此，本书采用遗传算法和神经网络结合建立离心滚磨光整加工预测模型，是一种行之有效的方法。第2章 离心滚磨光整加工介质运动理论分析2.1 引言离心滚磨光整加工因其加工效率高、加工质量好，在大批量小型异形工件的滚磨和去毛刺生产中得到广泛应用。滚筒在做行星运动时，带动介质群(工件和磨料等混合物)运动，在运动过程中介质会与邻接的其他介质或滚筒内壁发生碰撞、挤压和滑擦，实现对工件的光整加工。由于运动过程的复杂性，以及运动过程介质间相互作用的复杂性，使得充分了解加工机理非常困难，从而导致介质运动研究的困难。本章首先介绍离心滚磨的加工原理，对影响离心滚磨光整加工结果的因素进行分析；然后借助颗粒运动学、动力学理论研究混合介质随滚筒做行星运动过程中的受力情况、运动速度、流动特征等，揭示离心滚磨光整加工的实质，为离心滚磨光整加工过程模型的建立、仿真和加工结果预测奠定基础，为该工艺的参数选择和工业应用提供更为有效的依据。2.2 离心滚磨光整加工原理图1-6为卧式离心滚磨光整加工的工作原理，装有磨料和工件的4个柱状滚筒均匀地分布在一个圆周上，它们的轴线相互平行。滚筒的运动方式由公转和自转两部分组成。滚筒围绕固定点O的匀速圆周运动称为公转(牵连运动)；而以其轴线为中心的旋转称为自转(相对运动)。滚筒的这种既有公转又有自转的平面运动，称为行星运动。加工时，将磨料和待加工的零件及滚磨剂和水按一定的比例装入密封柱状滚筒内，滚磨剂和水等组成的溶液能够起到冷却、润滑、清洗等物理作用和软化金属表面波峰的化学作用。在加工过程中，由于公转的作用，使滚筒产生很大的离心力，将滚筒内的磨料和工件甩向滚筒内的向外一侧，并相互间产生压力；由于自转的作用，使滚筒内的工件与磨料产生强烈的流动和摩擦。磨料和工件随着滚筒在公转和自转两种运动的共同作用下，由磨料和工件构成的介质流动呈现极为复杂的运动形态和分布特征。由于磨料和工件之间存在较大的几何形状、质量等差异，使磨料和工件在滚筒带动下产生相对运动。当滚筒做高速回转时，这种相对运动比较剧烈，使磨料和待加工的零件之间发生碰撞、摩擦及上下翻滚等相互作用。在这种离心力、碰撞力、摩擦力和挤压力的作用下，滚筒内的工件被磨块恰似用砂纸打光一样，将零件的毛刺、飞边去掉，实现对工件的光整加工。按照微切削理论观点，可以认为磨块如同一把微切削刀具，在和工件相互碰撞时从工件表面划过而把材料切除。在一定的加工时间内，零件的表面粗糙度值越来越低，直至达到加工工艺的粗糙度要求。2.3 离心滚磨设备基本结构图2-1为离心滚磨光整加工设备的基本结构形式示意图。滚磨光整加工时，将磨块工件、水和滚磨剂按一定的比例装入密闭的滚筒8中，系杆带轮3靠电动机带轮传动而旋转，然后通过系杆带轮3、中心带轮5、行星带轮6组成的行星带轮系，使滚筒既能绕中心轴4公转(转速为N)，又能绕滚筒轴逆向自转(转速为n)。图2-1 离心滚磨基本结构形式示意图离心式滚磨光整加工设备的分类如下：(1) 按滚筒轴安装方位，可分为卧式和立式。一般卧式较多，立式在单个滚筒容积小于2L的小型设备中常被采用。(2) 按滚筒几何轴线与回转轴线关系，可分为同轴式和倾斜式。(3) 按滚筒截面几何形状，可分为圆形滚筒式和正多边形滚筒式。一般多为正六边形或正八边形滚筒。(4) 按滚筒数量，可分为双筒式、三筒式、四筒式、六筒式等。一般为偶数筒，便于保证加过程的动平衡。(5) 按行星传动方式，可分为带传动、链传动和齿轮传动。采用齿轮传动结构紧凑，但润滑条件不良，噪声大；采用带传动或链传动，必须设置胀紧机构。(6) 按公转转速变化，可分为恒定转速式和调速式。调速式可采用设置变速箱、调速电动机或无级调速装置来实现。在启动和停止加工时，公转回转速度的突然增加或减小，会引起剧烈碰撞，影响加工效果。设备设计时，采取一定措施实现缓慢启动和缓慢停止是十分必要的。(7) 按滚筒操作方式，可分为滚筒固定式和滚筒可卸式。对于滚筒固定式，考虑到倒料的需要，必须增加倒料机构，即实现滚筒只自转而不公转，利用滚筒自转把工件与磨块从滚筒中倒出来。(8) 按中心轴支承形式，可分为单支承(悬壁结构)和双支承。单支承只适用于小容积滚筒。(9) 按中心轴固定与否，可分为中心轴固定式和中心轴回转式。中心轴固定式(见图2-2)需一大尺寸的系杆带轮，可省去减速器或其他减速机构，但传动带更换较难；中心轴回转式一般采用一小尺寸的系杆带轮，布置在支承之外，传动带更换方便，但又必须附加减速机构。本书以同轴、四滚筒卧式离心滚磨机作为研究对象，如图2-2所示。图2-2 四滚筒卧式离心滚磨机2.4 加工过程特点及影响因素分析离心式滚磨光整加工过程是复杂而多变的生产系统，它具有下列特点：(1) 影响因素多，如介质性质、滚磨机结构、工艺加工参数等，这些因素之间相互影响、相互制约，检测也比较困难。(2) 非线性：加工效果参数与加工参数之间的关系是非线性的。(3) 时变性：加工过程中的许多因素如工件特性(如形状、尺寸、硬度等)、磨块特性(如形状、尺寸、硬度等)等都是时变的。(4) 机理复杂。影响离心滚磨光整加工效果的因素很多，概括来讲主要包括：(1) 介质性质：包括加工磨料介质和被加工工件的材料、形状、尺寸、硬度等。(2) 离心滚磨机结构：规格、型式、公转半径R、滚筒形状结构、尺寸等。(3) 加工参数：介质的装入量、磨块和工件的混合比、滚磨剂的加入量、公转和自转转速、传动比、加工时间等。上述因素中，第一类是加工过程的自变量，也是加工过程中干扰的主要来源。第二类被确定以后一般就不改变了(理想情况下)。第三类则是离心式滚磨机的工作参数。只有协调处理好三个方面之间的匹配关系，才能优质、高效、低耗地完成滚磨光整加工。图2-3为离心式滚磨光整加工工艺系统图。图2-3 离心式滚磨光整加工工艺图这些因素本身相互影响、相互制约，因此关于加工过程的建模和优化的研究到目前为止仍处于初级阶段。除此之外，上述诸因素的多变性和随机性也大大增加了加工过程建模和优化的难度。因此，在优化建模研究之前有必要对加工过程的影响因素进行分析，抓住主要矛盾，才能使研究工作顺利进行。下边对各参数特性进行简要说明。(1) 设备结构特性：主要包括滚磨机的型式、滚筒形状结构、尺寸及公转半径R等。滚筒的滚筒形状结构决定了介质作用能力、运动状态；滚筒的直径和长度确定了滚筒的有效容积，限定了滚筒容量，从而也限制了滚筒的处理能力。滚筒截面形状，一般来说，离心式滚磨光整加工所采用的滚筒截面形状有圆形和正多边形两种。截面形状的不同，导致介质在筒内受力情况和强制流动的变化也不同，从而影响加工效果。在定型离心滚磨机上，上述结构特性不再变化。(2) 磨料特性：包括磨料的材质和形状。磨料的材质决定了磨料在加工过程中的消耗量和形状保持的长久性，磨料的形状对滚磨效果有一定的影响；同时磨料的粒度对金属去除率(加工效率)、磨料的磨耗率(经济性能)也有较大的影响。因此，合理选择磨块的粒度，有利于提高滚磨机的加工效率、降低加工成本和电耗。(3) 磨剂和水的装入量：液体的装入量直接影响加工效果。如果装入量太少，则不能很好地发挥润滑、缓冲作用，造成工件表面粗糙，擦痕明显，甚至破坏工件表面；如果装入量太多，滚磨效率会明显降低。实践表明，在密封型滚筒中，液体介质的装入量，以正好淹没工件和磨块为宜。本研究中磨剂和水的装入量不作为参变量考虑。(4) 装入量(介质充填率)：磨块与工件的装入量，是指装入滚筒的磨块和工件的体积之和占滚筒实际容积的百分比，如图2-4所示。滚磨光整加工中，装入量的大小对滚筒内混合介质流动层的长度、磨块与工件间的相对滑移速度及相互作用次数影响较大。图2-4 不同装入量情况下滚筒内介质流动状态分析适宜的装入量，如图2-4(a)所示，在混合介质中心不会形成局部的相对静止，在滑移流动层可获得较大的相对滑移速度和较长的滚磨光整加工流动层，从而使磨块与工件间相对滑擦、刻划的次数增加，加工效率较高。装入量的大小将影响工件的金属去除率、工件的表面粗糙度及工件本身的宏观变形程度等。如果装入量过小，如图2-4(b)所示，混合介质在滚筒内的翻滚幅度增大，磨块与工件的碰撞加剧，工件表面会出现压痕或碰伤。另外，装入量过小，使流动层的长度变短，生产率明显下降。如果装入量过大，如图2-4(c)所示，此时介质中心的环境蠕动区增大，该区内的磨块与工件处在缓和流动状态，滚磨作用很小；同时，由于装入量过大，流动层的长度也很短，加工效率低。因此装入量是重要变量之一。(5) 磨块与工件的混合比：指装入滚筒内的磨块与工件的质量比或体积比。混合比小，说明滚筒中工件较多，磨块较少，滚磨效率低。而且由于工件多，工件间的相互碰撞冲击的可能性增大，对于易变形的薄片或细杆件，以及材质软的工件加工时，易产生变形和影响表面质量。混合比大，说明工件少，磨块多，不但影响加工效率，而且使磨块间自磨和碰撞加剧，经济性差。可根据工件材质、形状、大小及加工要求选择混合比。混合比也是重要变量之一。(6) 公转转速N：N值的大小直接影响离心力的大小。当N值过大时，滚筒内介质的离心力很大，强制流动剧烈，使磨块与工件、工件与工件、磨块与磨块之间的碰撞、刻划剧烈，导致工件表面划伤、碰伤和表面粗糙度值增加、磨块破碎等；当N值过小时，滚筒内介质的离心力很小，强制流动缓慢，使磨块与工件间的正常挤压、刻划、滑擦减弱，导致生产率下降。由此可见，N是一个重要的变量。(7)传动比n/N：指滚筒自转与公转转速的比值。从运动学角度分析，当(即公转与自转反向)时，强制流动层的流向与质点运动速度方向基本一致，流动阻力小，磨块与工件间的滑移速度快，有利于提高滚磨生产率和保证加工质量；相反，当时，滑移速度慢，滚磨效果差。传动比是影响加工效率和加工质量的主要参数。因此，研究中将n/N作为主要变量考虑。(8) 加工时间：滚磨光整加工的时间长短，直接影响工件的加工质量、生产率和经济性。(9) 功率：包括滚磨机的输入功率和有效功率。滚磨机的输入功率反映了滚磨机在单位时间内从系统外部吸取能量的多少，它受许多因素的影响；滚磨机的有效功率反映了滚磨机用于加工零件所消耗的能量，同样受许多因素的影响。在保证滚磨机产量和加工质量的前提下，降低滚磨机的输入功率是目前主要的研究方向之一。离心式滚磨合理的工作参数是取得最佳滚磨效果的必要条件。实践表明，保持离心式滚磨机在最佳工作状态下运行，不仅能提高离心式滚磨机的加工效率和加工质量，而且对节能降耗(降低磨块磨损率)具有十分重要的意义。目前，以上影响因素尚无完整的理论计算公式，只能根据实验来总结。由于滚磨效率与介质运动动力学有关，因此离心滚磨效率可通过对加工过程中混合介质(磨料和工件)运动的动力学规律、介质的运动轨迹、介质脱离筒壁的条件及滚磨机结构参数等方面的研究进行综合考虑。2.5 滚筒内介质运动分析2.5.1 滚筒内混合介质的运动速度分析由于滚筒中介质的受力和运动速度与参考系的选择有关，随着参考系的不同而有所不同。因此在进行运动分析之前，先确定坐标系。建立如图2-5所示的坐标系，其中xoy是以公转中心o为原点建立的坐标系，是一静坐标系；而XOY是以自转中心为原点建立的坐标系，是一动坐标系。XOY坐标系相对xoy坐标系做定轴转动，为一非惯性坐标系。基于滚筒中混合介质运动的复杂性，对于滚筒内介质的运动分析比较困难。为了研究方便，取滚筒最外一层介质作为研究对象，推导滚筒内任一介质的运动情况，如图2-6所示。在分析中，因为介质的半径远小于滚筒的半径，在研究中把它看做一个质点，其速度等于筒壁的速度，可把它看做是筒壁上一质点。图2-6中，滚筒上任意一介质贴附于筒壁的P点，距滚筒中心O的距离为r；R为滚筒回转半径即滚筒中心距回转中心的距离(m)；r为滚筒的半径(m)；N为回转盘转速(r/min)，n为滚筒自转速度(r/min)；o为公转中心，O为自转中心；为滚筒中心相对x轴的初始角位移，为介质在P点相对x轴的初始角位移，v为介质在P点由公转而产生1的瞬时速度(m/s)，v为介质在P点由自转而产生的瞬时速度(m/s)；为P点距回2转中心的距离(m)。图2-5 离心滚磨运动坐标系的建立图2-6 介质在P点的运动速度分析又将式(2-3)代入式(2-2)得：式中，n/N当N与n转向相同时取正，反之取负。式(2-4)为介质位于滚筒上任一位置运动速度的一般形式。当公转转速与自转速度大小相等、转向相反时，滚筒内壁上任一位置的介质运动速度相同。此时，滚筒处于平动状态，滚筒内壁上任一位置介质的运动状态相同。由式(2-4)可知，滚筒上任一位置介质的运动速度与介质距自转中心O的距离r，传动比n/N以及介质距公转中心o的距离有关。为研究简化起见，下面对介质处于图2-7几个特定位置的运动速度进行分析。试读结束[说明：试读内容隐藏了图片]