超聲振動(dòng)輔助磨削脆性材料沿進(jìn)給方向切削力預(yù)測(cè)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及超聲震動(dòng)輔助磨削加工技術(shù)，特別是一種針對(duì)脆性材料超聲振動(dòng)輔助 磨削過程中的進(jìn)給方向切削力預(yù)測(cè)方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 脆性材料，如氧化鋯陶瓷、玻璃等，具有耐高溫、耐磨損、高硬度、高強(qiáng)度比、抗腐蝕 等優(yōu)異的物理性能，因此在許多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，例如牙齒修復(fù)、航空航天、軍工、能源、 機(jī)械、電子、石化和汽車等領(lǐng)域。但是其脆性大、斷裂韌性低、導(dǎo)熱率低、彈性極限和強(qiáng)度極 限非常接近等特點(diǎn)，傳統(tǒng)的加工方法很難對(duì)脆性材料進(jìn)行加工。因此，可將旋轉(zhuǎn)超聲加工技 術(shù)引入到脆性材料的加工中，從而提高加工效率和質(zhì)量。
[0003] 旋轉(zhuǎn)超聲加工技術(shù)中常采用的技術(shù)手段是超聲振動(dòng)輔助磨削脆性材料，切削力是 重要的輸出量之一，它對(duì)切削加工過程中的穩(wěn)定性以及工件的表面質(zhì)量有著直接的影響， 因此對(duì)加工過程中切削力進(jìn)行預(yù)測(cè)非常重要。目前已有的基于理論分析的進(jìn)給方向切削力 預(yù)測(cè)，未能將超聲振動(dòng)的兩個(gè)重要參數(shù)：振幅和頻率考慮參在內(nèi)。現(xiàn)有的實(shí)際加工過程中， 未考慮到振動(dòng)參數(shù)對(duì)去磨粒運(yùn)動(dòng)軌跡與去除量的影響，從而側(cè)面磨粒的切削過程與普通磨 削相同，導(dǎo)致預(yù)測(cè)精度欠佳。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明目的在于提供一種考慮超聲振動(dòng)振幅和頻率的磨削脆性材料的進(jìn)給方向 的切削力預(yù)測(cè)方法，該方法區(qū)分側(cè)面磨粒的切削過程和普通磨削，使計(jì)算過程更加符合實(shí) 際加工狀況，提高了超聲振動(dòng)輔助磨削脆性材料過程中進(jìn)給方向切削力預(yù)測(cè)的精度。
[0005] -種磨削脆性材料的進(jìn)給方向的切削力預(yù)測(cè)方法，切削力由沿進(jìn)給方向的超聲振 動(dòng)輔助提供，包括以下步驟：
[0006] 步驟1，確定單顆磨粒實(shí)際參與切削加工的有效切削時(shí)間；
[0007] 步驟2,建立單顆磨粒在不同位置時(shí)所受徑向力與最大徑向力之間的關(guān)系；
[0008] 步驟3,建立有效切削時(shí)間內(nèi)單顆磨粒振動(dòng)周期數(shù)、主軸轉(zhuǎn)速和超聲振動(dòng)頻率之間 的關(guān)系；
[0009] 步驟4,獲得單顆磨粒的材料去除體積；
[0010] 步驟5,獲得參與切削加工的有效磨粒數(shù)目；
[0011] 步驟6，建立有效切削時(shí)間內(nèi)材料總的理論去除體積和有效切削時(shí)間內(nèi)材料的實(shí) 際去除體積之間的關(guān)系；
[0012] 步驟7,獲得磨粒在切削過程中所受最大徑向力；
[0013] 步驟8，獲得進(jìn)給方向切削力。
[0014] 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下優(yōu)點(diǎn)：（1)本方法將超聲振動(dòng)參數(shù)考慮到進(jìn)給 方向切削力模型中，更加貼合實(shí)際；(2)考慮了側(cè)面磨粒運(yùn)動(dòng)軌跡對(duì)有效磨粒數(shù)量的影響， 改進(jìn)了參與切削加工的側(cè)面有效磨粒數(shù)目計(jì)算方法；（3)通過對(duì)單顆側(cè)面磨粒的運(yùn)動(dòng)特征 以及脆性材料去除機(jī)理進(jìn)行分析，提出了更加符合實(shí)際加工過程的有效切削時(shí)間內(nèi)側(cè)面單 顆磨粒的材料去除體積的計(jì)算方法；(4)對(duì)側(cè)面磨粒進(jìn)行了受力分析，考慮了磨粒在不同 位置時(shí)切入深度和所受徑向力的變化，得出磨粒在不同位置時(shí)所受徑向力與最大徑向力的 關(guān)系，更加符合實(shí)際加工過程。
[0015] 下面結(jié)合說明書附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步描述。
【附圖說明】
[0016] 圖1是本發(fā)明的方法流程圖。
[0017] 圖2是脆性材料超聲振動(dòng)輔助磨削加工過程示意圖。
[0018] 圖3是單顆側(cè)面磨粒在加工表面的軌跡圖。
[0019] 圖4是脆性材料去除機(jī)理裂紋產(chǎn)生的示意圖。
[0020] 圖5是單顆磨粒的材料去除體積示意圖。
[0021] 圖6是單顆磨粒的材料去除體積計(jì)算模型圖。
[0022] 圖7是刀具側(cè)面磨粒分布示意圖。
[0023] 圖8側(cè)面磨粒在切削過程中不同位置的受力分析圖。
【具體實(shí)施方式】
[0024] 結(jié)合圖1，一種磨削脆性材料的進(jìn)給方向的切削力預(yù)測(cè)方法，切削力由沿進(jìn)給方向 的超聲振動(dòng)輔助提供，包括以下步驟：
[0025] 步驟1，有效切削時(shí)間t的確定，即通過對(duì)單顆磨粒的運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行分析，確定單 顆磨粒實(shí)際參與切削加工的時(shí)間，即有效切削時(shí)間t ;
[0026] 步驟2,單顆磨粒在不同位置時(shí)所受徑向力Fi與最大徑向力Fr的關(guān)系的建立，即 綜合考慮磨粒在不同位置時(shí)切深的變化規(guī)律，建立所側(cè)面磨粒受徑向力F i與最大徑向力Fr 的關(guān)系，其中i為不同位置的索引值；
[0027] 步驟3,有效切削時(shí)間內(nèi)單顆磨粒振動(dòng)周期數(shù)N、主軸轉(zhuǎn)速n、超聲振動(dòng)頻率f的關(guān) 系的建立，即根據(jù)有效切削時(shí)間內(nèi)，超聲的總振動(dòng)時(shí)間與有效切削時(shí)間相等的原則，建立了 單顆磨粒振動(dòng)周期數(shù)N與主軸轉(zhuǎn)速n，超聲振動(dòng)頻率的關(guān)系；
[0028] 步驟4,單顆磨粒的材料去除體積V計(jì)算，即根據(jù)單顆磨粒在有效切削時(shí)間內(nèi)的運(yùn) 動(dòng)軌跡表達(dá)式，求出單顆磨粒的總切削路程S u。其次根據(jù)磨粒在切削過程中切入深度的變 化規(guī)律，即，所受徑向力Fi的變化規(guī)律以及脆性材料的脆性去除特性計(jì)算出單顆磨粒的材 料去除體積V ;
[0029] 步驟5,參與切削加工的有效磨粒數(shù)目Na的計(jì)算，即通過分析加工過程中相鄰磨粒 之間材料在脆性去除的過程中產(chǎn)生的橫向裂紋之間的相互作用，以及主軸轉(zhuǎn)速、超聲振動(dòng) 參數(shù)對(duì)磨粒運(yùn)動(dòng)軌跡的影響，從而確定有效切削時(shí)間內(nèi)，實(shí)際參與切削加工的有效磨粒數(shù) 目Na;
[0030] 步驟6,理論去除體積V'與實(shí)際去除體積Va，即根據(jù)有效磨粒數(shù)目Na和單顆磨粒 的材料去除體積V求出有效切削時(shí)間內(nèi)總的理論體積V'。再根據(jù)切削加工參數(shù)求得有效時(shí) 間內(nèi)材料的實(shí)際去除體積V a，并借助比例參數(shù)K建立V'與Va之間的關(guān)系；
[0031] 步驟7,磨粒在切削過程中所受最大徑向力^預(yù)測(cè)公式的獲得。首先分析磨粒的 運(yùn)動(dòng)軌跡，找出磨粒所受徑向力^為最大時(shí)所在的位置。根據(jù)V'與￥3之間的關(guān)系，建立最 大徑向力F1?與比例參數(shù)K、刀具參