基于時(shí)間常數(shù)的切入磨削接觸剛度測(cè)量方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種加工測(cè)量技術(shù)，特別涉及一種基于時(shí)間常數(shù)的切入磨削接觸剛度 測(cè)量方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 磨削顫振是機(jī)床磨削系統(tǒng)加工過程中一種動(dòng)態(tài)不穩(wěn)定現(xiàn)象，研究表明砂輪與工件 之間的磨削接觸剛度是影響顫振頻率的一個(gè)重要的參數(shù)，磨削接觸剛度大小不僅影響磨削 加工尺寸精度及表面粗糙度，也是建立磨削動(dòng)力學(xué)模型與分析磨削顫振的基礎(chǔ)，由于磨削 過程中的接觸剛度的非線性變化特征，使磨削動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)成為一個(gè)非線性系統(tǒng)。因此，為有 效分析磨削顫振系統(tǒng)提高磨削加工精度，非常有必要對(duì)磨削接觸剛度進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)量。
[0003] 磨削接觸剛度是指加工過程中磨削力與砂輪與工件之間接觸變形之比，通常包括 砂輪接觸剛度和工件接觸剛度兩部分。由于磨削過程中的接觸變形無法直接測(cè)量，目前常 用測(cè)量手段方法難以獲得較為準(zhǔn)確的接觸剛度絕對(duì)值，這對(duì)分析磨削顫振機(jī)理與提高磨削 精度造成很大影響。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明是針對(duì)目前常用測(cè)量手段方法難以獲得較為準(zhǔn)確的接觸剛度的問題，提出 了一種基于時(shí)間常數(shù)的切入磨削接觸剛度測(cè)量方法，通過實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)利用力傳感器和位移傳 感器直接測(cè)量磨削砂輪剛度、工件剛度及切入磨削力信號(hào)，并基于磨削去除率模型中時(shí)間 常數(shù)測(cè)量來準(zhǔn)確獲得磨削加工過程中的磨削接觸剛度。該方法易操作，有很強(qiáng)的實(shí)用性，對(duì) 研究優(yōu)化磨削工藝參數(shù)避免或抑制磨削顫振有著重要意義。
[0005] 本發(fā)明的技術(shù)方案為:一種基于時(shí)間常數(shù)的切入磨削接觸剛度測(cè)量方法，具體包 括如下步驟：
[0006] 1)磨削接觸剛度計(jì)算表達(dá)式獲得:將切入磨削力模型簡化成有三個(gè)彈簧系統(tǒng)，由 工件與床身之間彈簧、工件與砂輪之間彈簧、砂輪與滑座之間彈簧構(gòu)成，對(duì)應(yīng)力產(chǎn)生工件剛 度1^，砂輪與工件之間的磨削接觸剛度k a，砂輪剛度ks，磨削系統(tǒng)等效剛度ke由上述三個(gè)剛 度形成，法向磨削力為F n，切向磨削力為Ft，在法向磨削力Fn作用下砂輪與工件的變形量分 別為Δ χ#Ρ Δ χ2,磨削接觸剛度1^表達(dá)式為：

[0008] 2)用實(shí)驗(yàn)方法求磨削工件剛度kw和砂輪剛度ks:
[0009]

，F(xiàn)ns為實(shí)驗(yàn)設(shè)定施加在工件和砂輪上給定的力；
[0010] 3)基于時(shí)間常數(shù)的磨削系統(tǒng)等效剛度計(jì)算：
[0011] 搭建切入磨削力測(cè)量裝置，工件采用雙頂尖裝夾方式，即通過磨床頭架和尾架自 帶的頭架頂尖和尾架頂尖將工件固定在中間，設(shè)定砂輪進(jìn)給磨削工件，一次磨削加工過程 分為進(jìn)給階段和駐留階段，在磨床頭架與頭架頂尖處安裝了三向測(cè)力傳感器，實(shí)時(shí)測(cè)量磨 削加工法向磨削力為F4P切向磨削力為F t，根據(jù)測(cè)量的法向磨削力?"獲得時(shí)間常數(shù)τ與磨削 力系數(shù)kc:
[0012]

，其中？/傳感器測(cè)量穩(wěn)定階段的磨削力信號(hào)，??為數(shù)控指令設(shè)定的 砂輪進(jìn)給速度，nw為工件轉(zhuǎn)速；
[0013]

為磨削加工時(shí)磨削力信號(hào)變化率；
[0014] 將獲得時(shí)間常數(shù)τ與磨削力系數(shù)k。代入時(shí)間常數(shù)τ表達(dá)式得到磨削系統(tǒng)等效剛度 ke，

[0016] 4)將步驟2)和3)獲得的工件剛度1^、砂輪剛度ks和磨削加工過程的磨削系統(tǒng)等效 剛度k e，代入步驟1)中磨削接觸剛度1^表達(dá)式，即可獲得磨削加工過程的磨削接觸剛度ka。
[0017] 所述步驟2)中實(shí)驗(yàn)方法為：
[0018]將壓力傳感器安裝于工件一側(cè)并在其上施加一垂直定力Fns，在施力點(diǎn)對(duì)應(yīng)工件的 另一側(cè)安裝位移傳感器，用以測(cè)量出工件被施加力后工件另一側(cè)測(cè)點(diǎn)的變形量A X1;
[0019] 將壓力傳感器安裝于砂輪外圓一側(cè)并在其上施加一垂直圓心的定力Fns，在砂輪施 力點(diǎn)對(duì)應(yīng)另一側(cè)外圓安裝位移傳感器，用以測(cè)量出工件被施加力后砂輪中心對(duì)稱測(cè)點(diǎn)的變 形量A X2。
[0020] 本發(fā)明的有益效果在于:本發(fā)明基于時(shí)間常數(shù)的切入磨削接觸剛度測(cè)量方法，在 切入磨削去除率模型基礎(chǔ)上，提出了一種基于時(shí)間常數(shù)與實(shí)驗(yàn)測(cè)量相結(jié)合的方法準(zhǔn)確確定 磨削接觸剛度，該磨削接觸剛度測(cè)量方法操作容易，實(shí)用性強(qiáng)。由于磨削接觸剛度是影響顫 振頻率的一個(gè)重要的參數(shù)，建立磨削動(dòng)力學(xué)模型的基礎(chǔ)，接觸剛度大小也是影響磨削加工 尺寸精度及表面粗糙度的重要因素。因此，該發(fā)明專利測(cè)量磨削接觸剛度方法對(duì)避免實(shí)際 磨削顫振和提高磨削效率有重要意義。
【附圖說明】
[0021 ]圖1為本發(fā)明切入磨削系統(tǒng)簡化模型圖；
[0022] 圖2為本發(fā)明磨削工件剛度測(cè)量示意圖；
[0023] 圖3為本發(fā)明磨削砂輪剛度測(cè)量示意圖；
[0024]圖4為本發(fā)明切入磨削力測(cè)量裝置示意圖；
[0025]圖5為本發(fā)明切入磨削力測(cè)量信號(hào)圖。
【具體實(shí)施方式】
[0026]基于時(shí)間常數(shù)的切入磨削接觸剛度測(cè)量方法如下：
[0027] 1、磨削接觸剛度計(jì)算表達(dá)式：
[0028] 如圖1所示切入磨削系統(tǒng)簡化模型圖，切入磨削力模型可以簡化成有三個(gè)彈簧系 統(tǒng)，由工件與床身之間彈簧、工件與砂輪之間彈簧、砂輪與滑座之間彈簧構(gòu)成，所對(duì)應(yīng)的工 件剛度k w，砂輪與工件之間的磨削接觸剛度ka，砂輪剛度ks。圖1中砂輪質(zhì)量為m s，轉(zhuǎn)速為vs; 工件質(zhì)量為mw，轉(zhuǎn)速為，法向磨削力為Fn，切向磨削力為Ft。在法向磨削力F n作用下砂輪與 工件的變形量分別為A xjP △ X2。該磨削系統(tǒng)等效剛度b可表示為：

[0030]根據(jù)上式(1)，磨削接觸剛度1^可表示為：

[0032] 根據(jù)上式(2)，通過實(shí)驗(yàn)測(cè)量出砂輪剛度ks，工件剛度kw及磨削系統(tǒng)等效剛度ke后， 則可計(jì)算出磨削接觸剛度k a。
[0033] 2、砂輪剛度ks與工件剛度kw測(cè)量：
[0034] 如圖2所示磨削工件剛度測(cè)量示意圖，利用實(shí)驗(yàn)方法求磨削工件剛度kw，將壓力傳 感器安裝于工件一側(cè)并在其上施加一垂直定力F ns，在施力點(diǎn)對(duì)應(yīng)工件的另一側(cè)安裝位移傳 感器，用以測(cè)量出工件被施加力后工件另一側(cè)測(cè)點(diǎn)1的變形量A X1，利用下式計(jì)算出工件剛 度：

[0036]如圖3所示磨削砂輪剛度測(cè)量示意圖，利用上述類似實(shí)驗(yàn)方法求磨削砂輪剛度ks， 將壓力傳感器安裝于砂輪外圓一側(cè)并在其上施加一垂直圓心的定力Fns，在砂輪施力點(diǎn)對(duì)應(yīng) 另一側(cè)外圓安裝位移傳感器，用以測(cè)量出工件被施加力后砂輪中心對(duì)稱測(cè)點(diǎn)2的變形量△ X2,利用下式計(jì)算出砂輪剛度：

[0038] 3、基于時(shí)間常數(shù)的磨削系統(tǒng)等效剛度計(jì)算：
[0039] 根據(jù)切入磨削原理，提出基于時(shí)間常數(shù)τ計(jì)算其磨削系統(tǒng)等效剛度h。切入磨削進(jìn) 給過程中，由于法向磨削力Fn產(chǎn)生的系統(tǒng)彈性變形δ可表示為：

[00411式中，F(xiàn)n為磨削砂輪與工件接觸點(diǎn)的法向磨削力。
[0042]切入磨削中法向磨削力實(shí)際進(jìn)給速度服從一定的線性關(guān)系，其表達(dá)式為：

[0044]式中，a為工件每轉(zhuǎn)下的進(jìn)給深度，k。為磨削力系數(shù)，/為工件半徑增大速度(實(shí)際 進(jìn)給速度），nw為工件轉(zhuǎn)速。
[0045] 當(dāng)忽略砂輪磨損磨削系統(tǒng)中（切入磨削瞬時(shí)砂輪磨損量很?。?，數(shù)控指令設(shè)定的砂 輪進(jìn)給速度0和實(shí)際磨削進(jìn)給速度/之間的磨削差值為系統(tǒng)彈性變形變化率名，可表示為：
[0046] ?-Γ = δ (7)
[0047] 聯(lián)立式(5)、（6)和(7)可得磨削系統(tǒng)控制公式，f為實(shí)際進(jìn)給速度的積分：

[0051]式中，τ為磨削系統(tǒng)時(shí)間常數(shù)，可表示為：

[0053]該時(shí)間常數(shù)τ與磨削系統(tǒng)等效剛度ke，磨削力系數(shù)k。及工件轉(zhuǎn)速nw有關(guān)。
[0054]根據(jù)磨削力系數(shù)kc、工件轉(zhuǎn)速nw以及時(shí)間常數(shù)τ，即可獲得磨削系統(tǒng)剛度k e。上式 (10)中工件轉(zhuǎn)速11?根據(jù)磨削加工參數(shù)可知，時(shí)間常數(shù)τ和磨削力系數(shù)k。未知；因此，通過實(shí) 驗(yàn)方法測(cè)量出時(shí)間常數(shù)τ和磨削力系數(shù)k。，即可獲得磨削系統(tǒng)剛度k e。
[0055] 4、時(shí)間常數(shù)τ與磨削力系數(shù)kc的測(cè)量：
[0056] 基于切入磨削過程，如圖4所示切入磨削力測(cè)量裝置示意圖，工件采用雙頂尖裝夾 方式，即通過磨床頭架和尾架自帶的頭架頂尖和尾架頂尖將工件固定在中間，程序設(shè)定砂 輪進(jìn)給磨削工件，一次磨削加工過程分為進(jìn)給階段和駐留階段。為測(cè)量在磨床頭架與頭架 頂尖處安裝了三向測(cè)力傳感器，可實(shí)時(shí)測(cè)量磨削加工法向磨削力為F4P切向磨削力為F t。因 此，根據(jù)測(cè)量的法向磨削力獲得時(shí)間常數(shù)τ與磨削力系數(shù)k。。
[0057] 對(duì)上述常系數(shù)非齊次微分方程式(9)進(jìn)行求解，可獲得切入磨削進(jìn)給階段和駐留 階段的關(guān)于當(dāng)前磨削時(shí)間t下面函數(shù)表達(dá)式：
[0058] 實(shí)際磨削進(jìn)量r的時(shí)間函數(shù)r(t)，可表示為：

[0062]由上述式(6)、式(11)和式(12)聯(lián)立得法向磨削力Fn的時(shí)間函數(shù)Fn(t)為：

[0064]上式中的磨削系統(tǒng)時(shí)間常數(shù)τ、和磨削力系數(shù)k。均未知，而這些參數(shù)可根據(jù)穩(wěn)態(tài)磨 削力信號(hào)K "和磨削力變化率變化來確定，如下式所示

[0067]任何時(shí)間都可以帶入式（13)計(jì)算磨削力變化率，求導(dǎo)計(jì)算，為了計(jì)算方便根據(jù)式 (15)可以獲得磨削力變化率^，然后計(jì)算出時(shí)間常數(shù)。
[0068]根據(jù)測(cè)量的磨削力信號(hào)，如圖5所示切入磨削力測(cè)量信號(hào)圖，根據(jù)穩(wěn)態(tài)磨削力信號(hào) K "獲得磨削力系數(shù)k。，如下式：

[0070]根據(jù)穩(wěn)定階段的磨削力信號(hào)F/，可通過圖5中磨削加工時(shí)磨削力信號(hào)變化率/ζ可 計(jì)算出磨削加工過程時(shí)間常數(shù)τ，如下式：

[0072] 將式(16)和式(17)代入式(10)后，可獲得磨削加工過程的磨削系統(tǒng)等效剛度ke。
[0073] 綜合上述分析計(jì)算，將式（10)中磨削加工過程的磨削系統(tǒng)等效剛度I，式(3)中工 件剛度kw，式⑷中砂輪剛度匕，代入式⑵中，即可獲得磨削加工過程的磨削接觸剛度k a。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種基于時(shí)間常數(shù)的切入磨削接觸剛度測(cè)量方法，其特征在于，具體包括如下步驟： 1) 磨削接觸剛度計(jì)算表達(dá)式獲得:將切入磨削力模型簡化成有三個(gè)彈簧系統(tǒng)，由工件 與床身之間彈簧、工件與砂輪之間彈簧、砂輪與滑座之間彈簧構(gòu)成，對(duì)應(yīng)力產(chǎn)生工件剛度 kw，砂輪與工件之間的磨削接觸剛度ka，砂輪剛度ks，磨削系統(tǒng)等效剛度ke由上述三個(gè)剛度 形成，法向磨削力SF n，切向磨削力為Ft，在法向磨削力Fn作用下砂輪與工件的變形量分別 為Δ xjP Δ X2,磨削接觸剛度1^表達(dá)式為：2) 用實(shí)驗(yàn)方法求磨削工件剛度kw和砂輪剛度ks:s為實(shí)驗(yàn)設(shè)定施加在工件和砂輪上給定的力； 3) 基于時(shí)間常數(shù)的磨削系統(tǒng)等效剛度計(jì)算： 搭建切入磨削力測(cè)量裝置，工件采用雙頂尖裝夾方式，即通過磨床頭架和尾架自帶的 頭架頂尖和尾架頂尖將工件固定在中間，設(shè)定砂輪進(jìn)給磨削工件，一次磨削加工過程分為 進(jìn)給階段和駐留階段，在磨床頭架與頭架頂尖處安裝了三向測(cè)力傳感器，實(shí)時(shí)測(cè)量磨削加 工法向磨削力為F4P切向磨削力為F t，根據(jù)測(cè)量的法向磨削力?"獲得時(shí)間常數(shù)τ與磨削力系 數(shù)kc:，其中F'df感器測(cè)量穩(wěn)定階段的磨削力信號(hào)，為數(shù)控指令設(shè)定的砂輪進(jìn) 給速度，nw為工件轉(zhuǎn)速；,/；為磨削加工時(shí)磨削力信號(hào)變化率； 將獲得時(shí)間常數(shù)τ與磨削力系數(shù)k。代入時(shí)間常數(shù)τ表達(dá)式得到磨削系統(tǒng)等效剛度ke，4) 將步驟2)和3)獲得的工件剛度1^、砂輪剛度k4P磨削加工過程的磨削系統(tǒng)等效剛度 ke，代入步驟1)中磨削接觸剛度1^表達(dá)式，即可獲得磨削加工過程的磨削接觸剛度ka。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述基于時(shí)間常數(shù)的切入磨削接觸剛度測(cè)量方法，其特征在于，所述 步驟2)中實(shí)驗(yàn)方法為： 將壓力傳感器安裝于工件一側(cè)并在其上施加一垂直定力Fns，在施力點(diǎn)對(duì)應(yīng)工件的另一 側(cè)安裝位移傳感器，用以測(cè)量出工件被施加力后工件另一側(cè)測(cè)點(diǎn)的變形量A X1; 將壓力傳感器安裝于砂輪外圓一側(cè)并在其上施加一垂直圓心的定力Fns，在砂輪施力點(diǎn) 對(duì)應(yīng)另一側(cè)外圓安裝位移傳感器，用以測(cè)量出工件被施加力后砂輪中心對(duì)稱測(cè)點(diǎn)的變形量 A Χ2〇
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種基于時(shí)間常數(shù)的切入磨削接觸剛度測(cè)量方法，通過實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)利用力傳感器和位移傳感器直接測(cè)量磨削砂輪剛度、工件剛度及切入磨削力信號(hào)，并基于磨削去除率模型中時(shí)間常數(shù)測(cè)量來準(zhǔn)確獲得磨削加工過程中的磨削接觸剛度。該方法易操作，有很強(qiáng)的實(shí)用性，由于磨削接觸剛度是影響顫振頻率的一個(gè)重要的參數(shù)，建立磨削動(dòng)力學(xué)模型的基礎(chǔ)，接觸剛度大小也是影響磨削加工尺寸精度及表面粗糙度的重要因素。因此，該發(fā)明專利測(cè)量磨削接觸剛度方法對(duì)避免實(shí)際磨削顫振和提高磨削效率有重要意義。
【IPC分類】B24B49/16, G06F17/50
【公開號(hào)】CN105710782
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201610203230
【發(fā)明人】遲玉倫, 李郝林, 衷雪蓮
【申請(qǐng)人】上海理工大學(xué)