基于磨削去除率建立无心磨削ERWC碳排放模型的方法技术

本发明专利技术涉及一种基于磨削去除率建立无心磨削ERWC碳排放模型的方法，首先，对无心磨削碳排放影响因素深入分析，使用基于功率信号的磨削材料去除率来计算材料去除能耗、砂轮磨损碳排放，有效避免基于经验公式计算的无心磨削碳排放对实际情况反映的偏差，建立无心磨削碳排放模型，然后，基于监测功率信号的无心磨削材料去除率模型，综合考虑电能消耗、资源消耗和废弃物对无心磨削碳排放的影响，建立无心磨削ERWC碳排放模型；最后，将建立的无心磨削ERWC碳排放模型用于企业工厂柱塞芯磨削加工进行实验研究，深入分析探究砂轮、导轮转速工艺参数对无心磨削碳排放的影响。艺参数对无心磨削碳排放的影响。艺参数对无心磨削碳排放的影响。

【技术实现步骤摘要】
基于磨削去除率建立无心磨削ERWC碳排放模型的方法


[0001]本专利技术涉及一种建立无心磨削ERWC碳排放模型的方法，尤其是一种基于磨削去除率建立无心磨削ERWC碳排放模型的方法。

技术介绍

[0002]在机械加工中，磨削是一种重要的加工方式，广泛应用于航空航天、汽车、冶金等领域。磨削是指用磨具，磨料去除工件上多余材料的一种机械加工方法，主要分为平面磨削、外圆磨削、内圆磨削、无心磨削、自由磨削、环端面磨削。其中无心磨削无需进行装夹定位，而是靠工件自身的外圆进行定位，在加工过程中，工件由托板进行支承，导轮和砂轮同向旋转，导轮带动工件旋转，并由砂轮完成材料去除。相对于其他加工方式，无心磨削的能量效率低，在加工过程中产生的温度更高，磨削液的使用以及砂轮修整会产生大量的碳排放，是一种高能耗、高消耗资源、高排放的加工方式。
[0003]目前，国内外学者对于机械加工中的碳排放进行了大量研究和实验分析。1.建立了基于切削速度、进给量和切削深度的机床加工过程能耗经验模型。2.将机床分为空载、准备、加工不同运行状态，依据实验数据拟合机床不同阶段的能耗模型。3.对非切削状态的功率进行了建模，并通过实验进行了验证。4.分析机床空载运行下的能量参数特性，建立了相应的空载能量参数模型，并提出了一种数控机床通用能耗模型。5.提出机械加工过程中还存在载荷损耗，并以机床主传动系统为研究对象，建立了考虑载荷损耗的机床主传动系统时段能量模型。6.通过将数控机床不同子系统划分为时变能耗单元和非时变能耗单元，提出了一种数控机床多远动态能耗建模方法，并以数控铣床加工验证了其有效性。上述研究主要考虑了机床加工过程中的能源消耗，但是机械加工碳排放除了能耗产生的部分外，还有诸如磨削液消耗、刀具损耗等也会导致碳排放的产生，因此在建立碳排放模型时要予以考虑。7.分析了数控铣削加工过程中的碳排放的影响因素，建立了数据铣削加工碳排放模型，定量计算了数据铣削加工过程中产生的碳排放量。8.综合考虑齿轮加工过程中材料、能源以及废弃物等造成的碳排放，建立了齿轮加工过程碳排放计算模型。9.从机床典型零部件全生命周期出发，分析了关键环节的碳排放，从“三流”(物料流、能量流、环境排放流)的角度建立磨削能耗与碳排放模型。10.以滚齿为研究对象，对滚齿加工中的物料、能源消耗和碳排放特性进行定量分析，提出了一种滚齿加工过程的碳排放定量计算模型。11.提出了一种基于微观分析的改进能耗和碳排放建模方法，并以铣削加工为例验证了该方法的有效性。12.将数字孪生技术应用到了数控加工碳排放的减少中，通过实例验证了该方法的有效性。上述研究中的研究者主要的研究的对象是铣削，齿轮加工等，对磨削加工，尤其是磨削加工中的无心磨削研究较少。13.使用公理化设计的方法找出影响无心磨削碳排放的关键影响因素，综合考虑能源、资源和废弃物这三方面对无心磨削碳排放的影响，建立了ERWC碳排放模型，分析了影响碳排放的关键因素。14.利用键图理论建立了无心磨床子系统的能耗模型，并提出一种无心磨床磨削加工过程低碳性评价方法，可以对无心磨削加工过程中的碳排放量进行定量计算。上述的研究成果在建立碳排放模型的过程中，大都直接采用经验
公式来计算加工过程中的材料去除能耗，以及其他与材料去除相关的碳排放。由于无心磨削的过程复杂，大部分工件的加工工艺不尽相同，不同机床的加工特性也不一样，这就导致经验公式往往不能反映无心磨削加工的真实情况，基于经验公式建立的无心磨削碳排放模型对无心磨削加工过程中产生的碳排放量的计算就不够准确。因此需要提出一种更能反映无心磨削实际加工情况的碳排放模型。磨削去除率是考虑磨粒和工件在加工过程中的相互作用，结合工艺参数建立的理论模型，有效反映了磨削加工过程中的材料去除情况。姜晨
[16]等提出用一种使用声发射信号对轴类零件材料去除率进行在线监测的方法，并通过实验证明了该方法的有效性。迟玉伦
[17]等首先提出了一种基于功率信号磨削去除率模型，该模型能有效提高磨削加工效率。15.提出了另一种多磨粒材料去除率的计算方法，并通过实验验证该方法的有效性。目前，大多数对磨削去除率的研究都集中在使用磨削去除率提高磨削的加工效率方面，还没有研究者将磨削材料去除率使用在无心磨削碳排放模型的建模中。

技术实现思路

[0004]本专利技术提出一种基于监测功率信号的无心磨削材料去除率模型来建立无心磨削碳排放模型的方法。在无心磨削的加工过程中，功率信号能够有效反映加工过程中磨削力的变化，进而反映加工过程中材料去除的电能消耗情况。本专利技术使用无心磨削加工过程中产生的实际功率信号来确定无心磨削材料去除率，并利用该材料去除率计算无心磨削中的材料去除能耗等碳排量，最终建立能有效反映了无心磨削加工过程的真实情况的碳排放模型，提高了无心磨削碳排放模型的准确性。
[0005]本专利技术的技术方案是：一种基于磨削去除率建立无心磨削ERWC碳排放模型的方法，首先，对无心磨削碳排放影响因素深入分析，使用基于功率信号的磨削材料去除率来计算材料去除能耗、砂轮磨损碳排放，有效避免基于经验公式计算的无心磨削碳排放对实际情况反映的偏差，建立无心磨削碳排放模型，然后，基于监测功率信号的无心磨削材料去除率模型，综合考虑电能消耗、资源消耗和废弃物对无心磨削碳排放的影响，建立无心磨削ERWC碳排放模型；最后，将建立的无心磨削ERWC碳排放模型用于企业工厂柱塞芯磨削加工进行实验研究，深入分析探究砂轮、导轮转速工艺参数对无心磨削碳排放的影响。
[0006]进一步，所述无心磨削碳排放影响因素分析，包括：在建立无心磨削碳排放模型之前，先对影响无心磨削碳排放的因素进行分析，确定无心磨削碳排放的组成部分：1)辅助装置、数控装置运行过程中产生的能耗基本能耗，2)机床在运行过程中砂轮与导轮由于变频作用产生的空载能耗，其值由数控机床本身的特性决定，3)材料去除过程中产生的能耗，4)导轮在材料去除过程中由于磨削力而产生的对电机的额外负载导致的额外能耗；此外，在无心磨削过程中，工件磨削产生的磨屑、砂轮的磨损以及润滑液和磨削液的消耗也是无心磨削过程中碳排放产生的重要影响因素，综合以上对无心磨削碳排放影响因素的分析，确定从能源消耗、资源使用以及废弃物处理这三个方面考虑无心磨削加工过程产生的碳排放。
[0007]进一步，所述建立无心磨削碳排放模型的方法，首先，通过监测功率信号建立无心磨削材料去除率模型，然后根据该模型建立无心磨削碳排放模型，其中，基于功率信号建立无心磨削碳排放模型，通过功率传感器、示波器元件建立无心磨削功率监测装置，依据测量
到的功率信号建立磨削材料去除率模型，在建立磨削材料去除率模型后，将该模型用于计算材料去除能耗碳排放量、砂轮磨损碳排放量、磨屑碳排放量等，最后建立无心磨削碳排放模型。
[0008]进一步，所述无心磨削材料去除率模型，包括：通过对无心磨削的切入磨削过程进行简化，建立无心磨削动力学简化模型，基于该动力学模型，推导出无心磨削四个阶段的磨削材料去除率通用公式，建立磨削材料去除率模型，其中：
[0009]工件在磨削过程中共受到7个作本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于磨削去除率建立无心磨削ERWC碳排放模型的方法，其特征在于：首先，对无心磨削碳排放影响因素深入分析，使用基于功率信号的磨削材料去除率来计算材料去除能耗、砂轮磨损碳排放，有效避免基于经验公式计算的无心磨削碳排放对实际情况反映的偏差，建立无心磨削碳排放模型，然后，基于监测功率信号的无心磨削材料去除率模型，综合考虑电能消耗、资源消耗和废弃物对无心磨削碳排放的影响，建立无心磨削ERWC碳排放模型；最后，将建立的无心磨削ERWC碳排放模型用于企业工厂柱塞芯磨削加工进行实验研究，深入分析探究砂轮、导轮转速工艺参数对无心磨削碳排放的影响。2.根据权利要求1所述的基于磨削去除率建立无心磨削ERWC碳排放模型的方法，其特征在于：所述无心磨削碳排放影响因素分析，包括：在建立无心磨削碳排放模型之前，先对影响无心磨削碳排放的因素进行分析，确定无心磨削碳排放的组成部分：1)辅助装置、数控装置运行过程中产生的能耗基本能耗，2)机床在运行过程中砂轮与导轮由于变频作用产生的空载能耗，其值由数控机床本身的特性决定，3)材料去除过程中产生的能耗，4)导轮在材料去除过程中由于磨削力而产生的对电机的额外负载导致的额外能耗；此外，在无心磨削过程中，工件磨削产生的磨屑、砂轮的磨损以及润滑液和磨削液的消耗也是无心磨削过程中碳排放产生的重要影响因素，综合以上对无心磨削碳排放影响因素的分析，确定从能源消耗、资源使用以及废弃物处理这三个方面考虑无心磨削加工过程产生的碳排放。3.根据权利要求1所述的基于磨削去除率建立无心磨削ERWC碳排放模型的方法，其特征在于：所述建立无心磨削碳排放模型的方法，首先，通过监测功率信号建立无心磨削材料去除率模型，然后根据该模型建立无心磨削碳排放模型，其中，基于功率信号建立无心磨削碳排放模型，通过功率传感器、示波器元件建立无心磨削功率监测装置，依据测量到的功率信号建立磨削材料去除率模型，在建立磨削材料去除率模型后，将该模型用于计算材料去除能耗碳排放量、砂轮磨损碳排放量、磨屑碳排放量等，最后建立无心磨削碳排放模型。4.根据权利要求3所述的基于磨削去除率建立无心磨削ERWC碳排放模型的方法，其特征在于：所述无心磨削材料去除率模型，包括：通过对无心磨削的切入磨削过程进行简化，建立无心磨削动力学简化模型，基于该动力学模型，推导出无心磨削四个阶段的磨削材料去除率通用公式，建立磨削材料去除率模型，其中：工件在磨削过程中共受到7个作用力，分别是工件自身重力mg、导轮对工件的法向作用力F
cn
和切向摩擦力F
ct
、托板对工件的法向作用力F
bn
和切向作用力F
bt
、砂轮对工件的法向作用力F
gn
和切向摩擦力F
gt
，无心磨削切入磨削过程主要的磨削参数有砂轮线速度v
s
，工件线速度v
w
，数控系统控制进给速度切入磨削通过这些参数控制实现；将无心磨削外圆切入磨削动力学模型简化成三个弹簧系统，分别是砂轮刚度k
s
、工件刚度k
w
以及砂轮与工件接触刚度k
a
，该简化模型的等效刚度k
e
为式中：k
a
——等效刚度，N/mm，k
a
——砂轮与工件接触刚度，N/mm，k
s
——砂轮刚度，N/mm，k
w
——工件刚度，N/mm，砂轮在磨削过程中，按照数控系统设定的进给速度进给，在和工件接触后产生了磨削
力，该磨削力分解为法向磨削力和切向磨削力，其中由法向磨削力F
gn
产生的弹性变形δ为式中：F
gn
——法向磨削力，N，δ——弹性变形，mm，此外，法向切削力与实际磨削进给速度有如下关系式中：k
c
——磨削力系数，和磨削条件有关，a——工件每转下的进给深度，mm，n
w
——工件转速，r/s，实际磨削进给速度与理论进给速度之间的差值为式中：——数控系统控制进给速度，mm/s，联立上述几个式子得到5.根据权利要求1所述的基于磨削去除率建立无心磨削ERWC碳排放模型的方法，其特征在于：所述建立无心磨削ERWC碳排放模型的方法，将从能源、资源、废弃物各自的组成部分出发，基于推导出的无心磨削材料去除率模型，推导建立无心磨削ERWC碳排放模型，具体包括：(1)磨削能耗碳排放量磨削过程中的电能消耗主要和磨削功率有关，在磨削过程中磨削功率主要分为四个方面，分别是磨削基本功率，磨削空载功率，材料去除功率以及磨削响应功率，磨削功率模型为P＝P
base
+P
e
+P
grinding
+P
r
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3.1)式中：P
base
——磨削基本功率，W，P
e
——磨削空载功率，W，P
grinding
——材料去除功率，W，P
r
——响应功率，W，从这四个方面出发，分别建立各自的功率模型，进而得出相应的电能消耗。(1.1)材料去除能耗在无心磨削的加工过程中，磨削功率和磨削力之间有P
grinding
＝k
p
F
gt
v
s
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3.2)式中：k
p
——功率系数，F
gt
——砂轮对工件的切向摩擦力，N，v
s
——工件线速度，m/s，法向磨削力和切向磨削力的关系为F
gn
＝AF
gt
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3.3)
式中：A——切向磨削力和法向磨削力之间的比例关系，取1.5～3，综合式(2.3)和(2.6)，基于磨削功率信号的切入磨削各阶段的通用理论功率模型为由上式可知，无心磨削功率模型有许多未知参数，时间常数τ可以根据磨削功率信号的变化率进行计算，使用最小二乘法对功率信号进行计算；为了减少误差，提高时间常数τ的准确性，选择余量稳定的半精磨阶段功率信号作为计算时间常数τ的数据，此外，k
p
，k
c
需要通过对功率信号进行最小二乘法拟合求解，通过计算出这些未知参数，最终得到整个磨削阶段的功率模型，由此可以得到材料去除能耗为式中：E
g
——材料去除能耗，W
·
s，(1.2)磨削响应能耗工件在磨削过程中受力平衡，其力平衡方程为式中：mg——工件自身重力，N，F
cn
——导轮对工件的法向作用力，N，F
ct
——导轮对工件的切向摩擦力，N，F
bn
——托板对工件的法向作用力，N，F
bt
——托板对工件的切向作用力，N，θ、α、β——几何参数角，
°
，同时有式中：f1——导轮和工件之间的摩擦系数，f2——托板和工件之间的摩擦系数，通常f1＝0.2,f2＝0.28，由式(2.1)到(2.4)得到F
gt
...

【专利技术属性】
技术研发人员：迟玉伦，芦华，徐亮亮，陆金雷，卢典庆，徐家晴，
申请(专利权)人：上海机床厂有限公司，
类型：发明
国别省市：