一种磨粒切厚分布求解方法及其在磨削工艺设计上的使用方法技术

本发明专利技术公开了一种磨粒切厚分布求解及其在磨削工艺设计上的使用方法，求解方法包括A：构建数字化砂轮，B、磨粒轨迹轮廓计算，C、工件离散，D、磨粒切厚分布计算；该方法应用在磨削工艺设计上的应用方法具体是根据加工结果设定目标磨粒切厚分布，然后根据目标切厚分布约束得到优选砂轮磨粒参数，进而以优选砂轮磨粒参数制备实际砂轮并对其测量得到实际砂轮上的磨粒参数，再将实际砂轮磨粒参数为输入再次结合加工结果进行磨削用量优选。采用优选参数制造的实际砂轮与优选磨削用量搭配进行磨削加工，可以高效高质量低成本地获得预期加工结果。

A method for solving the distribution of abrasive particle thickness and its application in grinding process design

The invention discloses a method for solving the cutting thickness distribution and its use in grinding process design. The solution method includes A: constructing digital grinding wheel, calculating B, grinding particle trajectory contour, C, workpiece discrete, D, and abrasive cutting thickness distribution calculation; the application method applied to grinding process design is specifically based on processing. The result is to set the thickness distribution of the target grinding particle, and then obtain the optimum grinding wheel parameters according to the constraint of the target thickness distribution. Then the actual grinding wheel is obtained by optimizing the grinding wheel parameters and the grinding parameters on the actual grinding wheel are obtained. Then the actual grinding wheel grinding parameters are used to combine the processing results and the grinding dosage is superior. Choose. The actual grinding wheel, which is made of the optimized parameters, is matched with the optimized grinding parameters to carry out the grinding process, and the desired machining results can be obtained with high efficiency, high quality and low cost.

【技术实现步骤摘要】
一种磨粒切厚分布求解方法及其在磨削工艺设计上的使用方法
本专利技术涉及磨削领域。
技术介绍
磨削加工是零件高尺寸精度、高表面质量的主要加工手段，是先进制造技术的重要组成部分。磨削过程的控制与加工结果的准确预测对高效精密磨削加工技术至关重要。磨削加工是众多磨粒在结合剂把持下分别实现微切削，进而从宏观上去除工件材料的加工方式。换句话说，磨削加工是工具上材料宏观层面的去除，在微观上实实在在是每颗磨粒切削完成的。因此，每个磨粒切削厚度值一直是磨削过程和磨削结果的关键控制量。目前业界主要采用单颗磨粒最大未变形切屑厚度来作为每颗磨粒切削厚度表征。但是现有的单颗磨粒最大未变形切屑厚度基于砂轮表面上所有磨粒均匀分布且大小、形态、出刃高度均一致的理想状态假设。换句话说，是假定砂轮上每颗磨粒的切削量均匀一致的。然而，众所周知，实际上砂轮表面上磨粒众多且出刃高度、大小、刃形均并不一致，也就是说实际加工中砂轮表面上磨粒的切削厚度并不一致。这也正是用单颗磨粒最大未变形切屑厚度控制磨削过程时往往与预期偏差甚大的根本原因。事实上，业界也已经发现了单颗磨粒最大未变形切屑厚度计算方法存在原理性假设缺陷。也正因为如此，业界也开始寻找更好的磨粒切削厚度求解方法。美国Markin教授将磨粒在砂轮表面三维的随机性简化成平面内(垂直与砂轮轴向的平面)磨粒分布不均匀、不等高，进而提出了平面内磨粒切削厚度的求解公式，但本质也还只是考虑平面内(即二维的随机性)。因此，寻找更接近实际的磨粒切厚分布方法倍受业界期待。另一方面，传统磨削过程优化都是根据给定砂轮进行，这种磨削过程优化难度很大，且很难达到效果。能否找到“一种以加工结果为目的进行砂轮磨粒参数设计，然后制造出来，再根据制造出来的砂轮结合加工目的进行优化磨削用量，再进行磨削加工”成为业界关注的热点和殷切的期待。
技术实现思路
本专利技术提供了提供了一种磨粒切厚分布求解方法及其在磨削工艺设计上的使用方法，其克服了
技术介绍
中所存在的不足。本专利技术解决其技术问题的所采用的技术方案是：一种磨粒切厚分布求解方法，包括如下步骤：步骤A、构建数字化砂轮：将砂轮表面的磨粒参数表示成一个矩阵{Gjk}p×q，p×q是指矩阵{Φ}为p行q列矩阵，即砂轮外圆有p行q列磨粒分布，元素Gjk表示磨具表面的第j行第k列颗磨粒，Gjk＝{Xjk,Zjk,dgjk,hjk}；Xjk表示磨粒Gjk在磨具圆周方向的位置坐标，Zjk表示磨粒Gjk在磨具轴向方向的位置坐标，dgjk表示磨粒粒径，hjk表示磨粒的岀刃高度；将砂轮表面磨粒参数导入矩阵{Gjk}p×q；步骤B、磨粒轮廓轨迹计算：坐标系XYZ固定在工作台面上，X方向为工件的平移方向，Z方向与砂轮的轴向(砂轮宽度)方向一致，Y方向与工作台面法向相同，坐标系原点放置在工作台面中心位置合；对于平面磨削，磨具以速度vs旋转，并以速度vw相对工件移动；t时刻磨粒Gjk球心在XYZ坐标系中的运动轨迹方程为：zc(t)＝Zjk(c)式中，xc(t)、yc(t)、zc(t)为磨粒Gjk球心在XYZ坐标系中t时刻的坐标，Zjk、dgjk、hjk分别表示磨粒Gjk在磨具轴向方向位置坐标、磨粒粒径和磨粒岀刃高度；x0、y0是磨具中心在XYZ坐标系中的坐标，θ＝2lg/ds，lg是磨粒沿磨具圆周方向的初始位置，lg＝Xjk，ds是磨具直径，ap、vw、vs是磨削参数，即磨削用量，其中ap是磨削深度、vw是工件进给速度、vs是磨削砂轮线速度，t是加工时间；进一步通过磨粒形状与磨粒球心运动轨迹耦合，得到砂轮表面上任意一颗磨粒Gjk轮廓上任意一点(xg,yg,zg)的运动方程：(xg-xc(t))2+(yg-yc(t))2+(zg-zc(t))2＝(dgjk)2(d)步骤C：工件离散：将工件被切割成n个间距为Δx且垂直于工件平移方向的截面，截面之间的间距Δx乘以n表示工件的长度；每一截面又切割成m条间距为Δz的竖直线，线段在y-方向的长度表示工件的高度，线段之间的间距Δz乘以m表示工件的宽度；这样，工件就离散成n×m条竖直线段；离散化之后，工件可用一个二维数组W表示，储存每一竖直线的高度值，每一线段在数组中的位置用下标u，v表示，u表示X方向的位置，v表示Z方向的位置，0＜u＜n,0＜v＜m；第u截面上的第v根竖直线的坐标xuv和zuv表达为：xuv＝u*Δx(e)zuv＝v*Δz(g)步骤D、磨粒切厚分布计算：磨粒Gjk与第u个截面第v根竖直线的干涉深度可通过以下①～③流程得到：①从磨具数值模型中读出磨粒Gjk的磨粒粒径dgjk、出露高度hjk、磨粒轴向位置坐标Zjk(zc)和周向初始位置坐标Xjk；②对方程(a)，令xc(t)＝xuv，通过牛顿迭代法求得t的数值解，代入方程(b)，可得yc(t)；③把xc(t)、yc(t)、zc(t)和方程(e)、(f)代入方程(d)，并求解；如果方程无解，说明磨粒Gjk与竖直线v没有交点；否则，解方程求得并与工件数组W中储存的初始高度值相比较，如果说明磨粒Gjk在竖直线v的上方，与竖直线v没有接触，否则，求得磨粒Gjk切割竖直线v的高度即切深深度同时将储存在临时数组Wt中，并用替换后储存在数组W中；④调整j和k值，重复以上①②③步骤，即可求得砂轮表面磨粒磨粒矩阵{Gjk}p×q中所有磨粒与平面u上所有竖直线的干涉深度，并对应储存在矩阵{hmaxGjk}p×q，即得到磨粒切削厚度分布。在一实施例中，所述的磨粒切厚分布是磨削加工时砂轮表面上每颗磨粒切入工件深度。在一实施例中，所述的磨削用量包括磨削速度、磨削深度和进给速度。在一实施例中，所述的磨粒参数包括磨粒在磨具上的位置参数、高度参数、磨粒粒径。在一实施例中，所述的砂轮表面磨粒参数导入是测量得的每颗磨颗参数直接导入，或是通过测量统计得到砂轮分布磨粒参数分布函数后，再通过分布函数间接生成每颗磨粒参数，然后再导入。本专利技术的又一技术方案为：一种磨粒切厚分布求解在磨削工艺设计上的应用方法，其特征在于：包括如下步骤：步骤1：根据加工结果设定目标磨粒切厚分布，预估磨削用量；步骤2：根据前述的磨粒切厚分布求解方法，导入预估磨削用量；导入砂轮磨粒参数(第一次计算用初始值，下轮计算则在上一轮的参数值基础上进行调整)，然后进行磨粒切厚分布求解；步骤3：优选砂轮磨粒参数：将步骤2算得的磨粒切厚分布与步骤1的目标切厚分布进行比较，两者相差超出设定标准值，则再次进行步骤2计算，直到两者偏差符合设定标准值后，停止计算，此时步骤2最后一次调整的砂轮磨粒参数即为优选砂轮磨粒参数；步骤4：以步骤3优选砂轮磨粒参数为依据制备实际砂轮，然后将制备所得实际砂轮上的磨粒参数通过测量等到实际砂轮磨粒参数；步骤5：根据前述的磨粒切厚分布求解方法，将步骤4的实际砂轮磨粒参数导入，导入磨削用量(第一次计算时采用步骤3所得的初选磨削用量，下轮计算则在上一轮的参数值基础上进行调整)，然后进行磨粒切厚分布求解，步骤6：优选磨削用量：将步骤5算得的磨粒切厚分布与步骤1的目标切厚分布进行比较，两者相差超出设定标准值，则再次进行步骤5计算，直到两者偏差符合设定标准值后，停止计算，此时步骤5最后一次调整的磨削用量即为再次优化的磨削用量；步骤7：采用步骤4所制的实际砂轮与步骤6再次优化所本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种磨粒切厚分布求解方法，包括如下步骤：步骤A、构建数字化砂轮：将砂轮表面的磨粒参数表示成一个矩阵{Gjk}p×q，p×q是指矩阵{Φ}为p行q列矩阵，即砂轮外圆有p行q列磨粒分布，元素Gjk表示磨具表面的第j行第k列颗磨粒，Gjk＝{Xjk,Zjk,dgjk,hjk}；Xjk表示磨粒Gjk在磨具圆周方向的位置坐标，Zjk表示磨粒Gjk在磨具轴向方向的位置坐标，dgjk表示磨粒粒径，hjk表示磨粒的岀刃高度；将砂轮表面磨粒参数导入矩阵{Gjk}p×q；步骤B、磨粒轮廓轨迹计算：坐标系XYZ固定在工作台面上，X方向为工件的平移方向，Z方向与砂轮的轴向(砂轮宽度)方向一致，Y方向与工作台面法向相同，坐标系原点放置在工作台面中心位置合；对于平面磨削，磨具以速度vs旋转，并以速度vw相对工件移动；t时刻磨粒Gjk球心在XYZ坐标系中的运动轨迹方程为：

【技术特征摘要】
1.一种磨粒切厚分布求解方法，包括如下步骤：步骤A、构建数字化砂轮：将砂轮表面的磨粒参数表示成一个矩阵{Gjk}p×q，p×q是指矩阵{Φ}为p行q列矩阵，即砂轮外圆有p行q列磨粒分布，元素Gjk表示磨具表面的第j行第k列颗磨粒，Gjk＝{Xjk,Zjk,dgjk,hjk}；Xjk表示磨粒Gjk在磨具圆周方向的位置坐标，Zjk表示磨粒Gjk在磨具轴向方向的位置坐标，dgjk表示磨粒粒径，hjk表示磨粒的岀刃高度；将砂轮表面磨粒参数导入矩阵{Gjk}p×q；步骤B、磨粒轮廓轨迹计算：坐标系XYZ固定在工作台面上，X方向为工件的平移方向，Z方向与砂轮的轴向(砂轮宽度)方向一致，Y方向与工作台面法向相同，坐标系原点放置在工作台面中心位置合；对于平面磨削，磨具以速度vs旋转，并以速度vw相对工件移动；t时刻磨粒Gjk球心在XYZ坐标系中的运动轨迹方程为：zc(t)＝Zjk(c)式中，xc(t)、yc(t)、zc(t)为磨粒Gjk球心在XYZ坐标系中t时刻的坐标，Zjk、dgjk、hjk分别表示磨粒Gjk在磨具轴向方向位置坐标、磨粒粒径和磨粒岀刃高度；x0、y0是磨具中心在XYZ坐标系中的坐标，θ＝2lg/ds，lg是磨粒沿磨具圆周方向的初始位置，lg＝Xjk，ds是磨具直径，ap、vw、vs是磨削参数，即磨削用量，其中ap是磨削深度、vw是工件进给速度、vs是磨削砂轮线速度，t是加工时间；进一步通过磨粒形状与磨粒球心运动轨迹耦合，得到砂轮表面上任意一颗磨粒Gjk轮廓上任意一点(xg,yg,zg)的运动方程：(xg-xc(t))2+(yg-yc(t))2+(zg-zc(t))2＝(dgjk)2(d)步骤C：工件离散：将工件被切割成n个间距为Δx且垂直于工件平移方向的截面，截面之间的间距Δx乘以n表示工件的长度；每一截面又切割成m条间距为Δz的竖直线，线段在y-方向的长度表示工件的高度，线段之间的间距Δz乘以m表示工件的宽度；这样，工件就离散成n×m条竖直线段；离散化之后，工件可用一个二维数组W表示，储存每一竖直线的高度值，每一线段在数组中的位置用下标u，v表示，u表示X方向的位置，v表示Z方向的位置，0＜u＜n,0＜v＜m；第u截面上的第v根竖直线的坐标xuv和zuv表达为：xuv＝u*Δx(e)zuv＝v*Δz(g)步骤D、磨粒切厚分布计算：磨粒Gjk与第u个截面第v根竖直线的干涉深度可通过以下①～③流程得到：①从磨具数值模型中读出磨粒Gjk的磨粒粒径dgjk、出露高度hjk、磨粒轴向位置坐标Zjk(zc)和周向初始位置坐标Xjk；②对方程(a)，令xc(t)＝xuv，通过牛顿迭代法求得t的数值解，代入方程(b)，可得yc(t)；③把xc(t)、yc(t)、zc(t)和方程(e)、(f)代入方程(d)，并求解；如果方程无解，说明磨粒Gjk与竖直线v没有交点；否则，解方程求得并与工件数组W中储存的初始高度值相比较，如果说明磨粒Gjk在竖直...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐西鹏，黄国钦，方从富，崔长彩，黄辉，张玉周，
申请(专利权)人：华侨大学，
类型：发明
国别省市：福建,35