專利名稱：一種回轉(zhuǎn)體零件的高速磨削特性分析測(cè)試裝置及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于回轉(zhuǎn)體零件高速磨削過(guò)程中磨削力、磨削熱準(zhǔn)確測(cè)試的傳感裝置及采用該裝置的測(cè)試方法，屬于磨削生產(chǎn)過(guò)程或高速磨削試驗(yàn)在線測(cè)試技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
在汽車、軸承和航空航天器制造領(lǐng)域中，高速高效磨削很大程度上提高了磨削生產(chǎn)的效率，同時(shí)也能兼顧加工精度和生產(chǎn)成本。為了更深入地理解磨削加工的機(jī)理，更及時(shí)準(zhǔn)確地監(jiān)控磨削過(guò)程，有效地提高磨削質(zhì)量和磨削效率，迫切需要實(shí)現(xiàn)磨削溫度和磨削力的同時(shí)在線測(cè)量。平面磨削已實(shí)現(xiàn)磨削溫度和磨削力的同時(shí)在線測(cè)量。其中使用的測(cè)力儀已有 較為成熟的產(chǎn)品，例如KiStIer公司生產(chǎn)的9257A、大連理工生產(chǎn)的YDX-39702 ;平面磨削溫度的測(cè)量現(xiàn)已成功地采用夾式測(cè)溫試件和頂式測(cè)溫試件兩種結(jié)構(gòu)分別公開在《Anexperimental investigation of temperatures and energy partition ingrindingof cemented carbide with a brazed diamond wheel》(Y. J. Zhan and X.P.Xu, TheInternational Journal of Advanced Manufacturing Technology,2012.61 (1-4)p.117-125)及《High Speed Grinding ofAdvanced Ceramics A Review》(HuangH. , KeyEngineering Materials, 2009. P. 404.)中。但是，在外圓磨削中，工件在整個(gè)磨削過(guò)程始終處于繞軸線回轉(zhuǎn)狀態(tài)，這使得傳感器的安裝與引線變得十分困難。關(guān)于外圓磨削中磨削溫度和磨削力的同時(shí)在線測(cè)量文獻(xiàn)報(bào)道，一直處于空白。近有研究人員(Jiaming Ni, Beizhi Li, JingzhuPang, “APractical Study on the Surface Integrity of High-Speed Cylindrical GrindingofSiC^aterials Science Forum Vol. 723 (2013) p. 202-207)嘗試過(guò)將瑞士 Kistler 公司產(chǎn)的9123C測(cè)力儀用于外圓磨削力的測(cè)量，但因該測(cè)力儀的敏感原件在測(cè)量過(guò)程中也要隨工件轉(zhuǎn)動(dòng)，傳感器的制作工藝十分復(fù)雜，技術(shù)要求嚴(yán)格，制作難度大，生產(chǎn)費(fèi)用高，因此，此類傳感器制成的測(cè)力儀成本也隨之增高，難以實(shí)用。此外，在測(cè)量過(guò)程中，該測(cè)力儀的測(cè)量坐標(biāo)始終相對(duì)于機(jī)床坐標(biāo)回轉(zhuǎn)。因此，實(shí)際測(cè)量的法向力和切向力呈周期性變化，必需經(jīng)復(fù)雜的后續(xù)標(biāo)定和數(shù)據(jù)處理，才能獲得穩(wěn)定的磨削力數(shù)據(jù)。外圓磨削的磨削溫度測(cè)量，同樣因砂輪和工件的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)遇到挑戰(zhàn)。當(dāng)使用夾式測(cè)溫試件和頂式測(cè)溫試件時(shí)，砂輪和工件的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)使工件的定位和夾緊變得非常困難。熱電偶檢測(cè)信號(hào)的引出與數(shù)據(jù)采集技術(shù)迄今尚未突破。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種實(shí)用性強(qiáng)，能同時(shí)進(jìn)行外圓磨削力和砂輪、工件磨削表面溫度測(cè)量的裝置及采用該裝置的方法。為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明的一個(gè)技術(shù)方案是提供了一種回轉(zhuǎn)體零件的高速磨削特性分析測(cè)試裝置，其特征在于，包括
外圓磨削用的工件及其溫度測(cè)試裝置，包括工件心軸、套裝在工件心軸外的工件及埋在工件被磨削表層的工件溫度測(cè)量裝置，由工件溫度測(cè)量裝置實(shí)時(shí)采集工件表面的磨削溫度；高速砂輪主軸系統(tǒng)，包括電主軸、由電主軸帶動(dòng)高速旋轉(zhuǎn)的超硬磨料砂輪及埋在砂輪工作表層的砂輪溫度測(cè)量裝置，由超硬磨料砂輪對(duì)工件進(jìn)行磨削，由砂輪溫度測(cè)量裝置實(shí)時(shí)采集砂輪表面溫度；工件主軸系統(tǒng)，包括測(cè)力頂尖部件一及驅(qū)動(dòng)部件，由驅(qū)動(dòng)部件驅(qū)動(dòng)工件心軸旋轉(zhuǎn)；測(cè)力裝置，包括測(cè)力頂尖部件二及電荷放大器，由測(cè)力頂尖部件二配合測(cè)力頂尖 部件一將工件心軸夾緊并定心定位，在工件心軸旋轉(zhuǎn)過(guò)程中，測(cè)力頂尖部件一及測(cè)力頂尖部件二保持不動(dòng)，通過(guò)測(cè)力頂尖部件一及測(cè)力頂尖部件二獲取表示工件受力情況的電荷信號(hào)，由電荷放大器對(duì)該電荷信號(hào)進(jìn)行放大；數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，捕獲工件磨削溫度、砂輪表面磨削溫度及放大后的電荷信號(hào)，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理。優(yōu)選地，所述工件溫度測(cè)量裝置包括工件測(cè)溫?zé)犭娕技凹鳝h(huán)；所述工件被剖分為至少兩部分，工件測(cè)溫?zé)犭娕假N合在相鄰兩部分的接合面上；包裹工件測(cè)溫?zé)犭娕冀z的導(dǎo)線引致套裝在所述工件心軸上的集流環(huán)，集流環(huán)連接所述數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。優(yōu)選地，所述導(dǎo)線的厚度為O. 03-0. 04mm,寬度為1_1. 2mm。優(yōu)選地，所述超硬磨料砂輪包括砂輪基體及粘接在砂輪基體外的超硬磨料層；所述砂輪溫度測(cè)量裝置包括砂輪測(cè)溫?zé)犭娕?、信?hào)調(diào)理器、無(wú)線發(fā)射裝置及云母片，砂輪測(cè)溫?zé)犭娕记度氤材チ蠈樱稍颇钙瑢?duì)砂輪測(cè)溫?zé)犭娕歼M(jìn)行絕緣處理，砂輪測(cè)溫?zé)犭娕歼B接信號(hào)調(diào)理器，信號(hào)調(diào)理器連接無(wú)線發(fā)射裝置，由無(wú)線發(fā)射裝置將砂輪表面磨削溫度信號(hào)發(fā)送給所述數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。優(yōu)選地，所述驅(qū)動(dòng)部件包括工件電主軸、對(duì)稱撥桿一、對(duì)稱撥桿二及雞心夾頭，雞心夾頭用于夾持所述工件心軸，工件電主軸通過(guò)對(duì)稱撥桿一及對(duì)稱撥桿二驅(qū)動(dòng)雞心夾頭及工件。優(yōu)選地，所述測(cè)力頂尖部件一及所述測(cè)力頂尖部件二的結(jié)構(gòu)相同，包括頂尖、安裝在頂尖上的固定式三向測(cè)力敏感元件及與頂尖固定連接的標(biāo)準(zhǔn)莫氏錐，標(biāo)準(zhǔn)莫氏錐位置固定，由三向測(cè)力敏感兀件分別獲得表不位于X軸方向分力的電荷信號(hào)、表不位于Y軸方向分力的電荷信號(hào)及表不位于Z軸方向分力的電荷信號(hào)；由所述電荷放大器分別對(duì)X軸分力的電荷信號(hào)、Y軸分力的電荷信號(hào)及Z軸分力的電荷信號(hào)進(jìn)行放大。本發(fā)明還提供了一種回轉(zhuǎn)體零件的高速磨削特性分析測(cè)試方法，其特征在于，步驟為第一步、分別求解磨削弧區(qū)產(chǎn)生的總熱量Qt、切屑吸收熱量Q。、冷卻液吸收熱量Qf及工件吸收熱量Qw，其中Q1 =氣!’ Ft = Fly+Fry,Fly為通過(guò)測(cè)力頂尖部件一獲得的位于Y軸方向上的力，
Fry為通過(guò)測(cè)力頂尖部件二獲得的位于Y軸方向上的力，Vs為超硬磨料砂輪的線速度，b為超硬磨料砂輪的寬度；
Qc = P ccpwTcapvw, P。為制成工件的材料的密度，Cpw為制成工件的材料的比熱，Tc為制成工件的材料的熔點(diǎn)溫度，ap為磨削深度，Vw為工件的線速度；Qf= a f (Tf-T0) lg, a f為磨削時(shí)所使用的冷卻液的熱擴(kuò)散率，Tf為磨削時(shí)所使用的磨削液的沸點(diǎn)溫度，T0為室溫，Ig為超硬磨料砂輪與工件相接觸部位的接觸弧長(zhǎng)；工件吸收熱量Qw通過(guò)如下步驟獲得步驟I. I、將工件表面的磨削弧區(qū)劃分為η個(gè)等距點(diǎn)，第j個(gè)等距點(diǎn)(\，0)的位置坐標(biāo)為(Xj，O)，對(duì)每個(gè)等距點(diǎn)進(jìn)行表面溫度測(cè)量，以得到磨削弧區(qū)的溫度分布ew(Xj，o)，每?jī)蓚€(gè)相鄰等距點(diǎn)間的等距微熱流元的熱流表達(dá)為qw(l)，I為磨削弧長(zhǎng)上等距微熱流元的位置變量，工件(4. 3)表面的熱流qwU)在第i個(gè)等距微熱流元內(nèi)可以近似看作常數(shù)qi(i
=1，...，11)，則第1個(gè)等距微熱流元對(duì)第」_個(gè)等距點(diǎn)(Xj，0)的作用以
權(quán)利要求
1.一種回轉(zhuǎn)體零件的高速磨削特性分析測(cè)試裝置，其特征在于，包括外圓磨削用的工件及其溫度測(cè)試裝置(IV)，包括工件心軸(4. I)、套裝在工件心軸 (4. I)外的工件(4. 3)及埋在工件被磨削表層的工件溫度測(cè)量裝置，由工件溫度測(cè)量裝置實(shí)時(shí)采集工件(4. 3)表面的磨削溫度；高速砂輪主軸系統(tǒng)(I)，包括電主軸(I. I)、由電主軸(I. I)帶動(dòng)高速旋轉(zhuǎn)的超硬磨料砂輪(I. 2)及埋在砂輪工作表層的砂輪溫度測(cè)量裝置，由超硬磨料砂輪(I. 2)對(duì)工件(4. 3) 進(jìn)行磨削，由砂輪溫度測(cè)量裝置實(shí)時(shí)采集砂輪表面溫度；工件主軸系統(tǒng)(II)，包括測(cè)力頂尖部件一(2.4)及驅(qū)動(dòng)部件，由驅(qū)動(dòng)部件驅(qū)動(dòng)工件心軸(4. I)旋轉(zhuǎn)；測(cè)力裝置(III)，包括測(cè)力頂尖部件二(3. I)及電荷放大器(3. 3)，由測(cè)力頂尖部件二 (3. I)配合測(cè)力頂尖部件一(2. 4)將工件心軸(4. I)定心定位并夾緊，在工件心軸(4. I)旋轉(zhuǎn)過(guò)程中，測(cè)力頂尖部件一(2. 4)及測(cè)力頂尖部件二(3. I)保持不動(dòng)，通過(guò)測(cè)力頂尖部件一 (2. 4)及測(cè)力頂尖部件二(3. I)獲取表示工件(4. 3)受力情況的電荷信號(hào)，由電荷放大器 (3. 3)對(duì)該電荷信號(hào)進(jìn)行放大；數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)(V)，捕獲工件磨削溫度、砂輪表面磨削溫度及放大后的電荷信號(hào)，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理。
2.如權(quán)利要求I所述的一種回轉(zhuǎn)體零件的高速磨削特性分析測(cè)試裝置，其特征在于 所述工件溫度測(cè)量裝置包括工件測(cè)溫?zé)犭娕?4. 3. 3)及集流環(huán)(4. 2);所述工件(4. 3)被剖分為至少兩部分，工件測(cè)溫?zé)犭娕?4. 3. 3)貼合在相鄰兩部分的接合面上；包裹工件測(cè)溫?zé)犭娕?4. 3. 3)絲的導(dǎo)線(4. 5)引致套裝在所述工件心軸(4. I)上的集流環(huán)(4. 2)，集流環(huán)(4. 2)連接所述數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)(V)。
3.如權(quán)利要求2所述的一種回轉(zhuǎn)體零件的高速磨削特性分析測(cè)試裝置，其特征在于 所述導(dǎo)線(4. 5)的厚度為O. 03-0. 04mm,寬度為1-1. 2mm。
4.如權(quán)利要求I所述的一種回轉(zhuǎn)體零件的高速磨削特性分析測(cè)試裝置，其特征在于所述超硬磨料砂輪(I. 2)包括砂輪基體(I. 2. 2)及粘接在砂輪基體(I. 2. 2)外的超硬磨料層(1.2.1);所述砂輪溫度測(cè)量裝置包括砂輪測(cè)溫?zé)犭娕?1.2.5)、信號(hào)調(diào)理器 (I. 2. 4)、無(wú)線發(fā)射裝置(1.2.3)及云母片(I. 2. 6)，砂輪測(cè)溫?zé)犭娕?1.2.5)嵌入超硬磨料層(I. 2. I)，由云母片(I. 2. 6)對(duì)砂輪測(cè)溫?zé)犭娕?I. 2. 5)進(jìn)行絕緣處理，砂輪測(cè)溫?zé)犭娕?I. 2. 5)連接信號(hào)調(diào)理器(I. 2. 4)，信號(hào)調(diào)理器(I. 2. 4)連接無(wú)線發(fā)射裝置(I. 2. 3)，由無(wú)線發(fā)射裝置(I. 2. 3)將砂輪表面磨削溫度信號(hào)發(fā)送給所述數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)(V)。
5.如權(quán)利要求I所述的一種回轉(zhuǎn)體零件的高速磨削特性分析測(cè)試裝置，其特征在于 所述驅(qū)動(dòng)部件包括工件電主軸(2. I)、對(duì)稱撥桿一(2. 2)、對(duì)稱撥桿二(2. 3)及雞心夾頭 (2. 5)，雞心夾頭(2. 5)用于夾持所述工件心軸(4. I)，工件電主軸(2. I)通過(guò)對(duì)稱撥桿一 (2. 2)及對(duì)稱撥桿二 (2. 3)驅(qū)動(dòng)雞心夾頭(2. 5)及工件(4. 3)。
6.如權(quán)利要求I所述的一種回轉(zhuǎn)體零件的高速磨削特性分析測(cè)試裝置，其特征在于 所述測(cè)力頂尖部件一(2.4)及所述測(cè)力頂尖部件二(3. I)的結(jié)構(gòu)相同，包括頂尖(A)、安裝在頂尖(A)上的固定式三向測(cè)力敏感元件(B)及與頂尖(A)固定連接的標(biāo)準(zhǔn)莫氏錐(C)，標(biāo)準(zhǔn)莫氏錐(C)位置固定，由三向測(cè)力敏感元件⑶分別獲得表示位于X軸方向分力的電荷信號(hào)、表不位于Y軸方向分力的電荷信號(hào)及表不位于Z軸方向分力的電荷信號(hào)；由所述電荷放大器(3. 3)分別對(duì)X軸分力的電荷信號(hào)、Y軸分力的電荷信號(hào)及 Z軸分力的電荷信號(hào)進(jìn)行放大。
7.一種回轉(zhuǎn)體零件的高速磨削特性分析測(cè)試方法，其特征在于，步驟為第一步、分別求解磨削弧區(qū)產(chǎn)生的總熱量Qt、切屑吸收熱量Q。、冷卻液吸收熱量Qf及工件吸收熱量Qw，其中
8.如權(quán)利要求7所述的一種回轉(zhuǎn)體零件的高速磨削特性分析測(cè)試方法，其特征在于采用所述工件吸收熱量Qw的求解方法與步驟，獲得砂輪吸收熱量Qs，將該結(jié)果與通過(guò)所述第二步得到的砂輪吸收熱量Qs進(jìn)行互證和比對(duì)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于分析回轉(zhuǎn)體零件高速磨削特性的測(cè)試方法及其裝置，其主要包括高速砂輪主軸系統(tǒng)、工件主軸系統(tǒng)、用于測(cè)試外圓磨削力的測(cè)力裝置、外圓磨削工件及其溫度測(cè)試裝置、用于分析研究磨削力、熱及其耦合效應(yīng)的計(jì)算方法及其軟件系統(tǒng)。同時(shí)采集回轉(zhuǎn)體零件高速磨削過(guò)程中的磨削力與磨削熱，以辨析高速磨削過(guò)程中的機(jī)械能和熱能對(duì)工件表面質(zhì)量、砂輪磨損機(jī)理等的作用；大大提高回轉(zhuǎn)件磨削力的測(cè)試精度和效率；通過(guò)反向熱流計(jì)算方法及其算法，獲得到進(jìn)入工件、砂輪等的熱流，以揭示高速磨削工藝對(duì)工件表面質(zhì)量、砂輪磨損機(jī)理的作用，并進(jìn)一步進(jìn)行磨削工藝參數(shù)等的優(yōu)化，由此，可以揭示不同工件材料的高速磨削特性，進(jìn)而，進(jìn)行高速磨削工藝及其主要配置的優(yōu)化設(shè)計(jì)。
文檔編號(hào)G01N19/06GK102928337SQ201210438918
公開日2013年2月13日 申請(qǐng)日期2012年11月6日 優(yōu)先權(quán)日2012年11月6日
發(fā)明者李蓓智, 倪嘉銘, 龐靜珠, 楊建國(guó), 吳重軍 申請(qǐng)人:東華大學(xué)