一种杯形砂轮曲面磨削加工的磨削力预测方法及预测系统技术方案

本发明专利技术属于曲面磨削加工技术领域，公开了一种杯形砂轮曲面磨削加工的磨削力预测方法及预测系统，杯形砂轮曲面磨削加工过程中单颗磨粒的磨削轨迹l以及磨削接触面积S的获取；单颗磨粒沿磨削轨迹l方向上的磨削深度a

A prediction method and system of grinding force for cup wheel surface grinding

【技术实现步骤摘要】
一种杯形砂轮曲面磨削加工的磨削力预测方法及预测系统
本专利技术属于曲面磨削加工
，尤其涉及一种杯形砂轮曲面磨削加工的磨削力预测方法及预测系统。
技术介绍
目前，最接近的现有技术：风电叶片及涡轮机叶片等大型曲面工件在自动化磨削加工过程中磨削力难以做到实时监测，而磨削力是解释磨削过程的最重要参数。现今的机器人末端恒力执行器在曲面磨削加工中仅能够保证单向力恒定输出，无法做到同时预测和控制打磨过程中其他各向磨削力数值，因此建立完整且精确的曲面磨削加工磨削力预测方法显得尤为重要。在曲面工件磨抛工具的选择方面，杯形砂轮具有比平行砂轮更高效的优势。综上，建立杯形砂轮曲面磨削加工的磨削力预测方法意义重大。目前，关于磨削力预测的研究方法主要分为两类：解析式法和经验公式法。解析式法更多的应用于科学研究当中解释磨削现象(如磨削温度场，刀具寿命等)，做定性分析；经验公式更多应用到实际工业生产当中。杯形砂轮的几何外形和磨削方式与平形砂轮有很大区别，因此两者的磨削力预测方法差别较大，目前关于平行砂轮磨削力方法的研究成果较多，而杯形砂轮相关的成果较少。关于杯形砂轮磨削力预测方法的研究目前有：吴琦等,杯形砂轮精密磨削WC-Co涂层的磨削力.南京航空航天大学学报(英文版),2007.24(2):第134-138页；以及Fujiwara,T.,etal.,StudyonGrindingForceDistributiononCupTypeElectroplatedDiamondWheelinFaceGrindingofCementedCarbide.AdvancedMaterialsResearch,2014.1017:p.9-14。以上研究均是针对杯形砂轮平面磨削得到的磨削力预测方法及磨削力分布模型，但是并没有讨论曲面磨削加工的磨削力预测方法相关的研究，并且所描述的磨削力预测方法精度较低无法达到实际工业应用的要求。因此，亟需一种杯形砂轮曲面磨削加工的磨削力预测方法，以解决现有技术中存在的问题，满足生产所需。综上所述，现有技术存在的问题是：首先说明，杯形砂轮曲面磨削加工的磨削力方法在此之前尚未发现相关研究成果，并且平面磨削力预测方法的很多结论并不适用于曲面磨削的情况。(1)杯形砂轮平面磨削的磨削方法并不适用于曲面磨削，而且杯形砂轮平面磨削与曲面磨削所产生的磨削接触区域也有很大不同；(2)杯形砂轮平面磨削的磨削接触区域任意位置点处磨削深度ap是固定值，而曲面磨削的磨削接触区域任意位置点处磨削深度ap不是固定值，需要对单颗磨粒磨削轨迹进行几何分析，然后推演磨削深度ap的计算公式；(3)之前的磨削力预测方法研究当中，磨削接触区域内单位面积磨粒数的统计方法并不科学具体，使得磨削力预测结果与实验结果吻合度较差；现有技术均是针对杯形砂轮平面磨削得到的磨削力预测方法及磨削力分布模型，但是并没有讨论曲面磨削加工的磨削力预测方法相关的分析，并且所描述的磨削力预测方法精度较低无法达到实际工业应用的要求。解决上述技术问题的难度：(1)曲面磨削接触区域分析困难。杯形砂轮曲面磨削过程砂轮与工件的接触区域不同于平面磨削，需分析磨削接触区域以确定磨削力的积分区域。(2)单颗磨粒磨削轨迹分析及任意点处的磨削深度获取困难。杯形砂轮曲面磨削的磨粒磨削轨迹为空间三维曲线，造成磨削区域内任意位置点处的磨削深度ap不是固定值。确定任意位置点处的磨削深度ap是计算杯形砂轮曲面磨削力的重要步骤。(3)砂轮磨削接触区域单位面积内的磨粒数获取困难。砂轮由结合剂与磨料粘结加工而成，砂轮表面的磨粒形状不规则，突出高度也不一致，因此在磨削过程中参与磨削加工的有效磨粒数量统计是一个难题。解决上述技术问题的意义：磨削力是研究磨削过程的最重要参数之一，磨削力几乎与所有的磨削现象有关，包括磨削热、表面粗糙度、砂轮磨损寿命、磨削效率等。本处暂举出一些目前想到的意义。以往的杯形砂轮磨削研究集中在平面磨削方向，而曲面磨削的磨削方法及磨削力的研究探索并没有相关成果，因此本专利技术提供的一种杯形砂轮曲面磨削加工磨削力预测方法填补了该研究方向的技术空白；在工艺方面，曲面磨削力预测方法的建立为磨削热源温度场以及磨削烧伤检测打下理论基础。并且曲面磨削力预测方法可以用于预测杯形砂轮在曲面加工过程的刀具寿命，进而及时对砂轮进行修整(或是更换刀具)提高磨削加工效率；在机器人自动化曲面磨削加工方面，曲面磨削力预测方法的建立实现了自动化磨削加工过程中的磨削力实时监测，可以避免撞刀等现象的产生。并且为机器人自动化曲面磨削加工中的力位混合控制提供了磨削力预测数据。
技术实现思路
针对现有技术存在的问题，本专利技术提供了一种杯形砂轮曲面磨削加工的磨削力预测方法及预测系统。本专利技术是这样实现的，一种杯形砂轮曲面磨削加工的磨削力预测方法，所述磨削力预测方法包括以下步骤：步骤一，杯形砂轮曲面磨削加工过程中单颗磨粒的磨削轨迹l以及磨削接触面积S的获取。分析杯形砂轮磨削曲面工件的磨削方法，结合曲面工件任意时刻的变化曲率半径R得到任意时刻磨削接触面积S；单颗磨粒磨削轨迹l是随磨削参数及曲面工件曲率半径R变化的，通过几何关系推导l与磨削参数及曲率半径R之间的几何公式。步骤二，单颗磨粒沿磨削轨迹l方向上的磨削深度ap以及临界磨削深度apc的获取。通过解析步骤一的磨削轨迹l上任意点(x,y,z)与曲面工件表面的干涉程度进而得到磨削轨迹l上任意点的磨削深度ap；临界磨削深度apc(磨粒从摩擦过程转换到切削过程的临界深度)需要利用材料属性参数进行公式计算。步骤三，单颗磨粒的磨削力模型的获取。假设单颗磨粒为圆锥体，分别计算单颗磨粒的切向力Fet(包括切削力Fetc及摩擦力Fets)及法向力Fen(包括切削力Fenc及摩擦力Fens)。步骤四，单位面积内总磨粒数Nstat有效磨粒数Nact的获取。利用砂轮选型参数对总磨粒数Nstat进行计算，然后利用高斯分布概率统计方法计算有效磨粒数Nact(包括参与切削过程的有效磨粒数Nc以及参与摩擦过程的有效磨粒数Ns)。步骤五，曲面磨削总磨削力的计算。步骤三的单颗磨粒的磨削力F与步骤四的单位面积有效磨粒数Nact相乘并在步骤一所得的磨削接触区域S内进行积分进而得到杯形砂轮曲面磨削加工的磨削力计算公式。进一步，所述步骤一具体包括：明确杯形砂轮曲面磨削加工的磨削方法：砂轮在磨削过程中，磨削面始终与曲面工件被磨削点处的法矢垂直，且杯形砂轮的轴线与曲面工件的法矢始终保持dw的偏离，经测试该磨削方法在磨削过程中具有较好的稳定性。该方法形成的砂轮与曲面工件的磨削接触区域S，磨削接触区域S划分了磨削力的积分区域。以上所述dw数值为：式中，D、d分别为杯形砂轮的外圆直径和内圆直径。杯形砂轮单颗磨粒的磨削轨迹l是由砂轮转速为vs的z轴旋转曲线及进给速度为vw的x轴旋转曲线合成的三维螺旋曲线。磨削轨迹l的长度可由以下公式计本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种杯形砂轮曲面磨削加工的磨削力预测方法，其特征在于，所述磨削力预测方法包括以下步骤：/n步骤一，杯形砂轮曲面磨削加工过程中单颗磨粒的磨削轨迹l以及磨削接触面积S的获取：分析杯形砂轮磨削曲面工件的磨削方法，结合曲面工件任意时刻的变化曲率半径R得到任意时刻磨削接触面积S；单颗磨粒磨削轨迹l是随磨削参数及曲面工件曲率半径R变化的，通过几何关系推导l与磨削参数及曲率半径R之间的几何公式；/n步骤二，单颗磨粒沿磨削轨迹l方向上的磨削深度a

【技术特征摘要】
1.一种杯形砂轮曲面磨削加工的磨削力预测方法，其特征在于，所述磨削力预测方法包括以下步骤：
步骤一，杯形砂轮曲面磨削加工过程中单颗磨粒的磨削轨迹l以及磨削接触面积S的获取：分析杯形砂轮磨削曲面工件的磨削方法，结合曲面工件任意时刻的变化曲率半径R得到任意时刻磨削接触面积S；单颗磨粒磨削轨迹l是随磨削参数及曲面工件曲率半径R变化的，通过几何关系推导l与磨削参数及曲率半径R之间的几何公式；
步骤二，单颗磨粒沿磨削轨迹l方向上的磨削深度ap以及临界磨削深度apc的获取：通过解析步骤一的磨削轨迹l上任意点(x,y,z)与曲面工件表面的干涉程度进而得到磨削轨迹l上任意点的磨削深度ap；临界磨削深度apc利用材料属性参数进行公式计算；
步骤三，单颗磨粒的磨削力模型的获取：假设单颗磨粒为圆锥体，分别计算单颗磨粒的切向力Fet及法向力Fen；
步骤四，单位面积内总磨粒数Nstat有效磨粒数Nact的获取：利用砂轮选型参数对总磨粒数Nstat进行计算，然后利用高斯分布概率统计方法计算有效磨粒数Nact；
步骤五，曲面磨削总磨削力的计算：步骤三的单颗磨粒的磨削力F与步骤四的单位面积有效磨粒数Nact相乘并在步骤一所得的磨削接触区域S内进行积分进而得到杯形砂轮曲面磨削加工的磨削力计算公式。


2.如权利要求1所述杯形砂轮曲面磨削加工的磨削力预测方法，其特征在于，所述步骤一具体包括：
明确杯形砂轮曲面磨削加工的磨削方法：砂轮在磨削过程中，磨削面始终与曲面工件被磨削点处的法矢垂直，且杯形砂轮的轴线与曲面工件的法矢始终保持dw的偏离，经测试该磨削方法在磨削过程中具有较好的稳定性；所述方法形成的砂轮与曲面工件的磨削接触区域S，磨削接触区域S划分了磨削力的积分区域；以上所述dw数值为：



式中，D、d分别为杯形砂轮的外圆直径和内圆直径。


3.如权利要求1所述杯形砂轮曲面磨削加工的磨削力预测方法，其特征在于，所述步骤一还包括：
杯形砂轮单颗磨粒的磨削轨迹l是由砂轮转速为vs的z轴旋转曲线及进给速度为vw的x轴旋转曲线合成的三维螺旋曲线；磨削轨迹l的长度可由以下公式计算：



其中，
式中，(x,y,z)为磨粒在曲面磨削任意点的动态空间坐标，R为曲面工件在任一位置的曲率半径，t为磨削时间，β为磨粒绕砂轮圆心转过角度。


4.如权利要求1所述杯形砂轮曲面磨削加工的磨削力预测方法，其特征在于，所述步骤二具体包括：
磨削轨迹l上任意点磨削深度ap的获取：单颗磨粒磨削轨迹l与曲面工件形貌干涉便产生了磨削深度ap的划痕，由于磨削轨迹l与曲面工件形貌的干涉程度是变化的，磨削深度ap随干涉程度变化的变量；ap的计算表达式为：



式中，apmax为设定的磨削深度，r为杯形砂轮半径变量。


5.如权利要求1所述杯形砂轮曲面磨削加工的磨削力预测方法，其特征在于，所述步骤二还包括：
临界磨削深度apc的获取：临界磨削深度ap与被磨削材料属性直接相关，计算公式为：



式中，λ0为磨粒几何形状有关的常数；KIC为工件材料的断裂韧度；H为工件材料的硬度；ξ为几何因子，其取值与磨粒形状相关；θ为单颗磨粒的半顶角，一般取值为53°；
当任意点磨削深度ap大于临界磨削深度apc时，该点处磨粒的磨削状态为切削；当任意点磨削深度ap小于临界磨削深度apc但大于0时，该点处磨粒的磨削状态为摩擦；若任意点磨削深度ap小于0，则该点处磨粒未与工件表面接触，不参与磨削。


6.如权利要求1所述杯形砂轮曲面磨削加工的磨削力预测方法，其特征在于，所述步骤三具体包括：
单颗磨粒磨削力模型的获取：对磨粒形状进行合理简化，假设杯形砂轮的磨粒形状为圆锥体；杯形砂轮在磨削过程中单颗磨粒的磨削力由切向磨削力Fet和法向磨削力Fen构成，计算式如下：



式中，Fenc、Fetc分别为单颗磨粒所受的法向和切向的切削变形力；Fens、Fets分别为单颗磨粒所受的法向和切向的摩擦力。


7.如权利要求1所述杯形砂轮曲面磨削加工的磨削力预测方法，其...

【专利技术属性】
技术研发人员：戴士杰，张帅，袁怡昆，孙振林，母嘉恒，邓日清，
申请(专利权)人：河北工业大学，
类型：发明
国别省市：天津;12