【技術(shù)實現(xiàn)步驟摘要】
基于磨削熱變形分析切入式外圓磨削去除率模型修正方法
[0001]本專利技術(shù)涉及一種切入式外圓磨削去除率修正模型，尤其是一種基于磨削熱變形分析的切 入式外圓磨削去除率模型修正方法。
技術(shù)介紹
[0002]切入式外圓磨削作為回轉(zhuǎn)類零件外表面加工的主要方式廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)實踐當(dāng)中，與其 他外圓磨削加工方式相比，切入式磨削加工能獲得較高的表面質(zhì)量，但在加工過程中，砂輪 和工件的接觸弧內(nèi)會產(chǎn)生大量磨削熱，引起熱變形，影響磨削材料去除過程和工件最終表面 精度
[3]。近些年隨著現(xiàn)代機械加工對產(chǎn)品零件的表面質(zhì)量要求越來越高，磨削熱變形對工件 加工質(zhì)量產(chǎn)生的影響變得不可忽視。因此，如何有效檢測磨削熱變形對磨削材料去除率變化 影響，對提升外圓切入式磨削加工精度和保證磨削質(zhì)量具有重要的實用意義。
[0003]在切入式磨削加工中，磨削力作為表征磨削加工情況的主要參數(shù)，與磨削熱變形直接相 關(guān)。Wemer(Wemer G.Influence of work material on grinding forces[J].Annals of theFIRP,1978,27(1):243
?
248.)等人基于磨削運動學(xué)及砂輪磨粒的幾何分布情況，首先提出 磨削力的有關(guān)計算方法，并建立了計算磨削力的數(shù)學(xué)模型，但此時的數(shù)學(xué)模型形式過于復(fù)雜 且只適用于某些特定條件。T.J.Choi(TJChoi,NSubrahmanya,HLi,etal.Comprehensiveanalysis of the thermal impact...
【技術(shù)保護點】
【技術(shù)特征摘要】
1.一種基于磨削熱變形分析切入式外圓磨削去除率模型修正方法，其特征在于：首先，對外圓切入磨削過程中砂輪與工件的磨削熱變形量及熱變形速率進行階段分析，確定切入階段及光磨階段磨削熱對磨削進給速度影響及數(shù)學(xué)函數(shù)，然后，根據(jù)不同磨削階段下熱變形速率公式、磨削進給速度與功率信號的關(guān)系建立基于磨削熱變形的切入式外圓磨削材料去除率修正TPMG模型，最后，通過大量磨削實驗對所建立TPMG模型進行驗證，證明該修正模型的準確性及實用價值。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于磨削熱變形分析切入式外圓磨削去除率模型修正方法，其特征在于：所述對外圓切入磨削過程中砂輪與工件的磨削熱變形量及熱變形速率進行階段分析，確定切入階段及光磨階段磨削熱對磨削進給速度影響及數(shù)學(xué)函數(shù)，采用切入式外圓磨削熱變形機理分析：在切入式外圓磨削加工過程中，砂輪磨粒切削工件表面使砂輪和工件在接觸區(qū)產(chǎn)生大量的磨削熱，其中絕大部分熱量流入工件和砂輪內(nèi)部導(dǎo)致工件和砂輪發(fā)生熱膨脹，熱膨脹對磨削工件表面表現(xiàn)為向砂輪面方向的靠近，使砂輪的實際切入速度加快。隨著加工工序和時間變化，熱膨脹量也發(fā)生變化，為便于分析其熱膨脹過程，將外圓切入磨削實際接觸狀態(tài)進行簡化，以o1為砂輪圓心，o2為磨削工件圓心，R
o1
為磨削開始前砂輪半徑，R
o2
為磨削開始前工件半徑，R
O1
′
為磨削過程中砂輪發(fā)生熱膨脹后半徑，R
O2
′
為未考慮熱膨脹工件半徑，R
O2
″
為加入磨削熱變形后工件半徑，為砂輪理論進給速度；假設(shè)磨削系統(tǒng)中由于熱積聚而產(chǎn)生的熱變形量只沿半徑方向發(fā)生變化，砂輪和工件在A位置開始接觸磨削，令砂輪架向切入工件內(nèi)部方向的移動量為d，系統(tǒng)剛度導(dǎo)致的磨削殘留余量為d1，在傳統(tǒng)磨削理論中砂輪切入工件表面深度由d
?
d1決定，當(dāng)加入對熱變形的考量后，令砂輪熱變形量為d
θs
，工件熱變形量為d
θw
，砂輪發(fā)生熱膨脹后半徑表示為R
O1
′
＝R
O1
+d
θs
，工件半徑表示為R
O1
′
＝R
O1
+d
θs
，故砂輪發(fā)生熱變形時的磨削深度由d
?
d1+d
θs
+d
θw
決定；通過熱變形量dθ時間導(dǎo)數(shù)間接求值方法對熱變形速率進行討論分析；基于磨削過程實際接觸狀態(tài)分析和砂輪和工件熱變形量和熱變形速率分析可知，在實際切入階段中，砂輪實際進給量為d
?
d1+d
θs
+d
θw
，實際切入速度由決定，由于砂輪實際切入速度大于理論移動速度而獲得增速效果，砂輪和工件以相對于切入速度無法忽略的附加熱變形速率相互靠近，導(dǎo)致實際尺寸生成速度被加速。在光磨階段，砂輪架實際切入量為d
θs
+d
θw
，故實際移動速度由決定，由于導(dǎo)致實際尺寸生成速度R
r
比預(yù)期的尺寸生成速度更早的收斂到零；基于前面分析得知在實際切入階段和光磨階段中，由于磨削熱變形因素影響，磨削砂輪會獲得額外的增減速效果，導(dǎo)致傳統(tǒng)的基于彈性變形的磨削去除率模型與實際加工情況之間存在較大偏差，外圓磨削熱變形速率用函數(shù)曲線形式表示為準確計算砂輪
?
機床
?
工件系統(tǒng)熱變形速率對外圓磨削過程產(chǎn)生的影響。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于磨削熱變形分析切入式外圓磨削去除率模型修正方法，其特征在于：所述根據(jù)不同磨削階段下熱變形速率公式、磨削進給速度與功率信號的關(guān)系建立基于磨削熱變形的切入式外圓磨削材料去除率修正TPMG模型，根據(jù)對切入式外圓磨削實際接觸狀態(tài)和磨削熱變形機理分析，將在傳統(tǒng)磨削去除率模型的基礎(chǔ)上，結(jié)合磨削熱變形在磨削加工中的變化情況，對切入階段和光磨階段進行模型修正，并根據(jù)磨削功率信號建立切入式外圓磨削去除率修正TPMG模型，具體包括：(1)磨削材料去除率模型
為方便研究將切入式外圓磨削加工過程簡化，將工件
?
砂輪
?
機床組成的磨削系統(tǒng)簡化為三個彈簧系統(tǒng)，分別為砂輪剛度k
s
，工件剛度k
w
，砂輪與工件接觸剛度k
a
，v
w
為工件轉(zhuǎn)速，v
s
為砂輪轉(zhuǎn)速，該系統(tǒng)的等效剛度k
e
表示為下式：機床按照設(shè)定的進給速度運行，砂輪在磨削力的作用下磨除工件上的余量，磨削過程中產(chǎn)生的磨削力可以分為切向磨削力和法向磨削力，其中法向磨削力F
n
是導(dǎo)致工件產(chǎn)生彈性變形δ的主要原因，法向磨削力與系統(tǒng)等效剛度的關(guān)系式表示為：法向磨削力F
n
的大小和磨削過程中砂輪實際進給速度成一定的線性關(guān)系，表示為公式(3)，其中k
c
為磨削力系數(shù)，a為工件每轉(zhuǎn)下的進給深度，n
w
為工件轉(zhuǎn)速，(1.1)基于磨削熱變形的切入階段磨削材料去除率模型根據(jù)磨削熱變形速率與磨削時間關(guān)系建立修正函數(shù)，在切入階段中，熱變形速率經(jīng)過兩次驟變，分別為A階段和B階段：1)在A階段中高速旋轉(zhuǎn)的砂輪與工件開始接觸，在接觸瞬間磨削區(qū)內(nèi)產(chǎn)生大量磨削熱，砂輪和工件的溫度發(fā)生突變，形成較大溫度梯度，系統(tǒng)熱變形速率呈指數(shù)函數(shù)上升，在A階段結(jié)束時達到峰值，由溫度變化引起的工件和砂輪發(fā)生的熱膨脹和熱收縮效應(yīng)在實際磨削加工中均表現(xiàn)為熱應(yīng)力和熱彈性變形，故設(shè)定該階段由磨削熱變形引起的材料去除率與磨削時間t關(guān)系可表示為：2)在B階段砂輪和工件保持持續(xù)磨削，隨加工運行時間的增加逐漸趨于熱穩(wěn)定狀態(tài)，此時熱變形量仍處于上升階段，但熱變形速率從峰值開始以指數(shù)形式下降，直到B階段結(jié)束時熱變形速率降低為0，此時熱變形量趨于穩(wěn)定，由于C階段熱變形速率一直保持為零，用單個修正函數(shù)表示B階段和C階段的狀態(tài)變化，設(shè)定該階段由磨削熱變形引起的材料去除率與磨削時間t關(guān)系可表示為：式中a1，a2，b1，b2為未知常系數(shù)，在磨削熱變形作用下，實際磨削進給速度與程序設(shè)定的進給速度出現(xiàn)偏差，當(dāng)忽略砂輪磨損時，數(shù)控指令砂輪的進給速度和實際磨削進給速度之間的磨削差值可表示為公式(6)，其中為系統(tǒng)彈性變形速度：將公式(2)和公式(3)代入公式(6)可得：
時間常數(shù)可表示為將公式(4)，公式(5)代入公式(7)可得：通過求解微分方程(8)可得切入階段中A,B階段磨削去除率模型：(1.2)基于磨削熱變形的光磨階段磨削材料去除率模型在光磨階段，系統(tǒng)熱變形速率同樣經(jīng)過了兩次變化，分別為D階段和E階段：1)在D階段中，系統(tǒng)設(shè)定進給速度磨削液能夠充分作用，由于此過程和切入階段出現(xiàn)較大溫度梯度，系統(tǒng)重新進入熱不穩(wěn)定狀態(tài)，砂輪和工件中的熱能持續(xù)減少，熱收縮速率增大，在D階段結(jié)束時達到收縮速率峰值，該階段由磨削熱變形引起的材料去除率與磨削時間t關(guān)系表示為：2)在E階段中，隨著磨削時間的增加，砂輪和工件中熱量進一步流失，但由于溫度梯度差值減小，熱收縮速率逐漸趨于平緩，該階段由磨削熱變形引起的材料去除率與磨削時間t關(guān)系可表示為：式中a3，a4，b3，b4，c2，c3為未知常系數(shù)，在光磨階段中彈性變形方向和熱變形方向相反，公式(6)可變形為公式(12)將公式(10)和公式(11)代入公式(12)可得：對公式(13)進行微分方程求解后可得光磨階段材料去除率模型：(2)基于功率信號的TPMG模型建立與求解建立基于功率信號的磨削去除率模型對實際材料去除率進行分析，砂輪單位磨削寬度的功率P
′
與單位磨削寬度的切向磨削力F
t
′
之間的關(guān)系可表示為P
′
＝F
t
′
v
s
?????????
(15)式中v
s
為砂輪線速度，則砂輪軸的磨削功率為：
P＝k
p
F
t
v
s
?????????
(16)式中P為磨削砂輪主軸的功率，F(xiàn)
t...
【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：遲玉倫，蘆華，徐亮亮，雷咸豐，文卓，
申請(專利權(quán))人：上海機床廠有限公司，
類型：發(fā)明
國別省市：
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