无心磨削作为零件回转表面的高效精密加工方法,在轴承和汽车等基础工业中具有无可替代的地位。随着相关行业设备运行精度和工作效率要求的不断提高,对无心磨削加工的工件精度和生产率亦提出愈来愈苛刻的要求。作为无心磨削的典型工件,精密轴承滚子(Φ15×20mm)加工后的圆度误差要求控制在0.1μm以下,加工效率达到350件/min。为实现上述目标,必须全面深入地分析无心磨削加工过程各主要环节,并以此为基础综合考虑各要素及其耦合关系对无心磨削加工过程进行集成研究。为此,本文在综合考察工件实时轮廓、磨削区域几何特征、机床配置参数和部件运动方式的基础上,对工件与磨削系统之间的交互作用过程进行运动学和动力学解析,建立高精度无心磨削加工过程的动力学模型,研究工件的成圆过程。并进一步通过机床与工件之间的动态交互作用机制进行虚拟机床、工件和材料去除过程的集成,从而实现无心磨削成圆过程和机床加工性能的高精度预测与分析。切入式无心磨削作为无心磨削加工的最基本方式,对其进行运动学和动力学分析是研究高精度无心磨削成圆过程的基础。本文通过对该过程机床配置参数即磨削角和托板倾角的分析,研究工件相对托板和导轮的运动误差对工件成圆的影响,并计算机床进给与工件成圆之间的运动学关系,进而得到基本的成圆方程。由于工件的非理想表面轮廓及其在加工中的实时变化对工件在磨削区域的运动影响显著,因此本文依据工件的时变位置和轮廓计算其与砂轮、托板和导轮动态交互作用过程中的误差运动和作用力,并综合考虑工件成圆过程中的接触-分离、表面滤波和材料去除约束等非线性环节,建立了高精度切入式无心磨削的动力学模型,实现工件表面成圆过程及其最终轮廓和圆度误差的预测。贯穿式无心磨削加工中,随着工件表面材料沿轴向逐渐被去除,不同截面的表面再生过程呈现各异的特征,并且由于无心磨削工件处于无装夹状态,导致成圆过程中工件在磨削区域的位置和姿态实时地变化,并与工件表面的再生过程相耦合。为了研究高精度贯穿式无心磨削成圆过程,本文应用齐次坐标变换法将砂轮、托板、导轮轮廓与工件的实时轮廓统一于参考坐标系下进行表征,从而准确高效地对工件与磨削区域的作用过程进行运动学分析。以此为基础在三维空间内分析工件与磨削区域的动态交互作用力和力矩,并进一步基于拉格朗日方程建立工件成圆过程的动力学模型,实现了工件成圆过程的高精度空间动态解析。无心磨削特有的工件支撑和驱动方式要求导轮在垂直面内设置倾转,并且需根据工件加工要求增加附加的水平摆动,导致其理想轮廓曲面更加复杂。为保证高精度加工中对工件的稳定支撑和驱动,降低工件轴线的平移和摆动误差,本文以导轮对工件提供理想线接触为要求,综合考虑机床配置参数、导轮调整参数和工件几何参数建立了导轮理想轮廓的数学模型。通过工件运动学分析,定量地解析理想导轮轮廓和常规导轮轮廓条件下导轮倾角和机床配置参数对工件平移运动误差和轴线摆动误差的作用规律,并探讨各项运动误差对高精度无心磨削成圆过程的影响。无心磨削成圆过程是机床磨削系统与工件动态交互作用下工件表面的再生过程。为实现成圆过程和机床加工性能的准确可靠预测,本文构建了高精度无心磨削虚拟加工系统。在分析虚拟系统的基本要求、构建策略及方法的基础上,通过在原始机床模型上读取并关联部件的运动学数据、结构的动力学参数和驱动控制特性构建了虚拟机床模型。并进一步通过分析无心磨削精度创成各相关要素间的交互作用机制,实现了集成虚拟机床、工件和动态成圆机制的高精度无心磨削虚拟仿真分析。高精度无心磨削加工过程的影响因素相对较多,各因素以不同的方式和规律对成圆过程产生影响。本文在分析磨削角和托板倾角对工件表面各次谐波误差成圆稳定性影响的基础上,选取合理的机床配置参数开展了加工实验,验证了高精度切入式和贯穿式无心磨削动态成圆模型的正确性和有效性。结果显示,本文所建立的模型可以有效地分析成圆过程并预测工件最终轮廓。以此为基础进一步分析了高精度无心磨削工件成圆的主要影响因素及其对圆度误差的作用规律,并提出了降低圆度误差的主要措施。