CN102430978A - 一种无心式内圆磨削磨削力在线测量装置及其测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无心式内圆磨削磨削力在线测量装置予以实现的技术方案是：包括磁盘、端面支承、前支承和后支承；前支承包括沿轴向依次设置的支承连接件，支承连接件的前端沿其轴向依次连接有传感器底座，单向测力传感器、定位件、球体和限位帽；后支承的结构与前支承的结构相同；所述球体和需要磨削加工的工件相切，该切点与所述球体球心之间的连线与所述单向测力传感器的测力方向一致；单向测力传感器将加工中的力学特征转化为电信号，经滤波后输出，并经放大处理器和A/D转换器将放大的电信号转化为数字信号输入到计算机中。本发明具有结构巧妙、简单合理，灵敏度高、线性度好、重复性强、测量精度高等特点，可方便安装于无心式内圆磨床。

Description

一种无心式内圆磨削磨削力在线测量装置及其测量方法

技术领域

本发明涉及一种内圆磨削磨削力在线测量装置及其测量方法，尤其涉及一种无心式内圆磨削磨削力在线测量装置及其测量方法。

背景技术

对轴承套圈和环形零件的磨削加工的装夹普遍使用电磁无心夹具，电磁无心夹具是将交流电整流为直流电，通过线圈产生电磁效应，使工件磁化并将工件端面吸紧，实现工件轴向定位。而工件的径向定位是靠调节两个支承，使安放在支承上的工件中心偏离工件轴中心。在无心磨削过程中，使用电磁无心夹具对提高产品的加工精度、生产效率、减轻劳动强度、降低加工费用，起着重要的作用。

目前，国内外已有不少关于平面磨削力和外圆磨削力的试验研究，但内圆磨削力的试验研究则很少。深入研究内圆磨削力的规律性是实现内圆控制力磨削的必要条件。磨削过程中的磨削力主要来源于工件与砂轮接触后引起的弹性变形、塑性变形、切屑形成以及磨料和结合剂与工件表面之间的摩擦作用。磨削加工中的摩擦力既是影响磨削工件质量的主要因素，又是磨床设计及技术改进的重要指标。工件的加工质量不仅关系到工件的耐磨性与使用寿命，更关系到工件组件功能的实现。因此，获取内圆磨削加工中磨削力动态信号，不但可用于内圆磨削加工机理的研究与加工工艺参数的优化，而且可以实现实时调整加工工艺参数。从而做到对加工中磨削力的实时控制，保证加工过程处于最佳状态，对提高工件表面质量与表面精度具有重要意义。内圆磨削磨削力在线测量装置的研制开发不仅可用于机械生产企业的加工过程监控与产品质量控制，更可应用于高等院校和科研机构的教学与研究，具有较高的实用价值和应用前景。

发明内容

针对上述现有技术，本发明提供一种无心式内圆磨削磨削力在线测量装置及其测量方法。本发明是针对内圆磨削加工过程中磨削力的检测要求，结合内圆磨加工机床上电磁无心夹具的结构特点以及磨削力分解的特点，利用电磁无心夹具的前支承和后支承在加工中对工件的支承作用，采用应变式或压电式磨削力在线测量。本发明在线测量装置是在传统支承的基础上，在工件和支承体之间安装一个单向测力传感器，组装成新的结构，实现对内圆磨削过程中工件对两支承作用力的动态检测，具有灵敏度高、线性度好、重复性强、测量精度高的特点，可方便安装于内圆磨机床。

为了解决上述技术问题，本发明一种无心式内圆磨削磨削力在线测量装置予以实现的技术方案是：包括磁盘、端面支承、前支承和后支承；所述前支承包括沿轴向依次设置的支承连接件，所述支承连接件的前端沿其轴向依次连接有传感器底座，单向测力传感器、定位件、球体和限位帽，其中，所述定位件的前端设有一锥形喇叭口，所述限位帽的前端部设有一通孔，所述通孔的直径小于所述球体的直径，所述通孔的内表面为圆弧面，所述圆弧面的曲率半径与所述球体的表面相吻合，所述球体设在所述锥形喇叭口与所述圆弧面之间；所述后支承的结构与所述前支承的结构相同；所述单向测力传感器的输出端依次通过一放大处理器和一A/D转换器后连接至一计算机；所述单向测力传感器将加工中的力学特征转化为电信号，经滤波后输出，并经放大处理器和A/D转换器将放大的电信号转化为数字信号输入到计算机中。

本发明一种无心式内圆磨削磨削力在线测量方法，包括以下步骤：

装置和工件的安装：通过磁盘和端面支承将工件进行轴向定位；将前支承和后支承通过支承连接件固联在磨床床体上，通过调整前支承和后支承的位置，使工件的外圆面均与所述前支承和后支承上的球体相切，所述切点与所述球体球心之间的连线与所述单向测力传感器的测力方向一致；

开启电源，进行磨削加工；与此同时，所述前支承和后支承中的单向测力传感器检测到磨削过程中前支承对工件沿法向的作用力F₁和后支承对工件沿法向的作用力F₂及空载时前支承对工件沿法向的作用力

和后支承对工件沿法向的作用力

两个单向测力传感器将上述测得的力学特征转化为电信号，经滤波后输出，经过放大处理器放大处理后由A/D转换器将放大的电信号转化为数字信号输入到计算机中，计算机按照下述公式和公式得出磨削过程中的砂轮磨削工件时的法向磨削力F_N和切向磨削力F_T：

         F_N＝ΔF₁(μsinγ+cosγ)+ΔF₂[sin(γ-α)-μcos(α-γ)]    (1)

         F_T＝ΔF₁(μcosγ-sinγ)+ΔF₂[cos(α-γ)-μsin(α-γ)]    (2)

公式(1)和公式(2)中：

F_N为砂轮磨削工件时的法向磨削力；

F_T为砂轮磨削工件时的切向磨削力；

α为后支承对工件反作用力与纵坐标轴之间的夹角，α在30°～60°范围内选择；

γ为上述法向磨削力F_N与横坐标轴之间的夹角，γ＝arcsinesinθ/d，其中，e为磁盘中心O与工件中心O′之间的偏心量，在0.15～0.35mm范围内选值；θ为偏心方向角在5°～15°范围内选值；d为工件中心与砂轮中心之间的距离；

μ为球材料与工件材料之间的摩擦系数；

ΔF₁为磨削过程中前支承对工件沿法向的作用力F₁与空载时前支承对工件沿法向的作用力

之间的差值，即： $\mathrm{\Δ}{F}_1=F_1-F_1^K;$

ΔF₂为磨削过程中后支承对工件沿法向的作用力F₂与空载时后支承对工件沿法向的作用力

之间的差值，即： $\mathrm{\Δ}{F}_2=F_2-F_2^K;$

计算机将上述磨削过程中的砂轮磨削工件时的法向磨削力F_N和切向磨削力F_T实时显示在计算机屏幕上。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明内圆磨削磨削力测量装置结构简单，安装维护方便，对现有技术中的电磁无心夹具改造小，测量精确，量程广，可以满足对不同直径工件的磨削过程中力的在线测量，同时满足在线检测与数据存储，可安装在普通磨床上使用。通过该装置，即可对加工中的磨削力进行实时监控，也可以将其存储为若干数据格式用于后续的分析研究。

附图说明

图1是本发明无心式内圆磨削磨削力在线测量装置的安装位置示意图；

图2是图2所示在线测量装置的装配剖视图；

图3是本发明无心式内圆磨削磨削力在线测量方法的原理示意图；

图4是图3所示测量方法的测量受力分析图；

图5-1是空载时和磨削过程中前支承上传感器采集的力的数据；

图5-2是空载时和磨削过程中后支承上传感器采集的力的数据；

图6是根据不同的砂轮进给速度测出的磨削力变化曲线图；

图7是根据不同的砂轮磨粒测出的磨削力变化曲线图；

图中：

1——磨床床体    2——磁盘       3——端面支承    4——件

5——后支承      6——砂轮       7——前支承      8——砂轮轴

9——球体        10——限位帽    11——定位件     12——单向测力传感器

13——支承连接件

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明作进一步详细地描述。

如图1和图2所示，本发明一种无心式内圆磨削磨削力在线测量装置，包括磁盘2、端面支承3、前支承7和后支承5。所述前支承7包括沿轴向依次设置的支承连接件13，所述支承连接件13的前端沿其轴向依次连接有传感器底座，单向测力传感器12、定位件11、球体9和限位帽10，其中，所述定位件11的前端设有一锥形喇叭口，所述限位帽10的前端部设有一通孔，所述通孔的直径小于所述球体9的直径，所述通孔的内表面为圆弧面，所述圆弧面的曲率半径与所述球体9的表面相吻合，所述球体9设在所述锥形喇叭口与所述圆弧面之间；本发明中所述的后支承的结构与所述前支承的结构相同。所述球体9和需要磨削加工的工件相切，该切点与所述球体9球心之间的连线与所述单向测力传感器12的测力方向一致。所述单向测力传感器12的输出端依次通过一放大处理器和一A/D转换器后连接至一计算机；所述单向测力传感器12将加工中的力学特征转化为电信号，经滤波后输出，并经放大处理器和A/D转换器将放大的电信号转化为数字信号输入到计算机中。

利用上述无心式内圆磨削磨削力在线测量装置进行测量包括以下步骤：

装置和工件的安装：通过磁盘2和端面支承3将工件4进行轴向定位；将前支承7和后支承5通过支承连接件13固联在磨床床体1上，通过调整前支承7和后支承5的位置，使工件4的外圆面均与所述前支承7和后支承5上的球体9相切，所述切点与所述球体9球心之间的连线与所述单向测力传感器12的测力方向一致；

开启电源，进行磨削加工；与此同时，所述前支承7和后支承5中的单向测力传感器12检测到磨削过程中前支承7对工件4沿法向的作用力F₁和后支承5对工件4沿法向的作用力F₂及空载时前支承7对工件4沿法向的作用力

和后支承5对工件4沿法向的作用力

两个单向测力传感器12将上述测得的力学特征转化为电信号，经滤波后输出，经过放大处理器放大处理后由A/D转换器将放大的电信号转化为数字信号输入到计算机中，计算机按照下述公式(1)和公式(2)得出磨削过程中的砂轮磨削工件时的法向磨削力F_N和切向磨削力F_T：

          F_N＝ΔF₁(μsinγ+cosγ)+ΔF₂[sin(γ-α)-μcos(α-γ)]    (1)

          F_T＝ΔF₁(μcosγ-sinγ)+ΔF₂[cos(α-γ)-μsin(α-γ)]    (2)

公式(1)和公式(2)中：

F_N为砂轮磨削工件时的法向磨削力；

F_T为砂轮磨削工件时的切向磨削力；

α为后支承对工件反作用力与纵坐标轴之间的夹角，α在30°～60°范围内选择，其优选为30°；

γ为上述法向磨削力F_N与横坐标轴之间的夹角，γ＝arcsinesinθ/d，其中，e为磁盘中心O与工件中心O′之间的偏心量，在0.15～0.35mm范围内选值，其优选为0.15；θ为偏心方向角在5°～15°范围内选值，其优选为15°；d为工件中心与砂轮中心之间的距离；

μ为球材料与工件材料之间的摩擦系数；

ΔF₁为磨削过程中前支承7对工件4沿法向的作用力F₁与空载时前支承7对工件4沿法向的作用力之间的差值，即： $\mathrm{\Δ}{F}_1=F_1-F_1^K;$

ΔF₂为磨削过程中后支承5对工件4沿法向的作用力F₂与空载时后支承5对工件4沿法向的作用力

之间的差值，即： $\mathrm{\Δ}{F}_2=F_2-F_2^K;$

计算机将上述磨削过程中的砂轮磨削工件时的法向磨削力F_N和切向磨削力F_T实时显示在计算机屏幕上。

图3和图4分别是本发明在线测量方法测量过程原理示意图和受力分析图。

图3和图4中，

ω₁为砂轮旋转角速度；

ω₂为磁盘旋转角速度；

O为磁盘中心；

O′为工件中心；

O″为砂轮中心；

G为工件重力；

F_N为砂轮磨削工件时的法向磨削力；

F_T为砂轮磨削工件时的切向磨削力；

F₁为磨削过程中前支承对工件沿法向的作用力；

F′₁为磨削过程中前支承对工件沿切向的作用力；

F₂为磨削过程中后支承对工件沿法向的作用力；

F′₂为磨削过程中后支承对工件沿切向的作用力；

F₁和F₂的大小可以由传感器测得；

F₃为径向夹持力；

M为磁盘对工件作用的力矩；

α为后支承对工件反作用力与纵坐标轴之间的夹角，α在30°～60°范围内选择；

γ为F_N与横坐标轴之间的夹角，γ＝arcsinesinθ/d，其中，e为磁盘中心O与工件中心O′之间的偏心量在0.15～0.35mm范围内选值；θ为偏心方向角在5°～15°范围内选值；d为工件中心与砂轮中心之间的距离；

β＝α；β为径向夹持力F₃与坐标Y轴负方向之间的夹角；

R₁、R₂分别为工件的内圆半径和外圆半径。

本发明的原理是：通过测力传感器检测磨削过程中两个方向的力，经过分析找出磨削过程中磨削力与所测力之间的关系，由公式(1)和公式(2)求出砂轮磨削工件时的法向磨削力FN和砂轮磨削工件时的切向磨削力F_T。

下面是一个测量实例，提供该实例是为了理解的方便，绝不是限制本发明。

有关参数取值为：工件材料选用轴承钢(GB:GCr15)；工件的外圆半径R₁为25mm；工件的内圆半径R₂为17mm；砂轮的半径为15mm；主轴的转速＝150RPM(即可换算出磁盘旋转角速度ω₂)。其工况条件如下：砂轮的转速＝15.7/s(即可换算出砂轮旋转角速度ω₁)；切削深度1um，α＝30°；e＝0.15mm；θ＝15°；d＝2.1mm。图5-1和图5-2是空载时和磨削过程中，支承所受到的沿该支承法向方向上力的实时采集数据，其中，图5-1是前支承7上传感器采集的力的数据；图5-2是后支承5上传感器采集的力的数据；该工况条件是砂轮磨粒为#280，进给速度是50mm/min。然后将采集的数据在平衡状态下求其均值，将均值代入文中所述的公式(1)和公式(2)中，求出磨削过程中的砂轮磨削工件时的法向磨削力F_N和切向磨削力F_T。下面涉及到的在不同参数下所得到的磨削力的求解方法与上面求解过程相同，在此不再赘述，当砂轮进给速度分别取值50mm/min、80mm/min、100mm/min、120mm/min、150mm/min，其求解得出的磨削力的变化曲线如图6所示；当砂轮磨粒分别为#280、W40、W10和W2.5，其求解得出的磨削力变化曲线如图7所示。

尽管上面结合图对本发明进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨的情况下，还可以作出很多变形，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (6)

1.一种无心式内圆磨削磨削力在线测量装置，包括磁盘(2)、端面支承(3)、前支承(7)和后支承(5)，其特征在于：

所述前支承(7)包括沿轴向依次设置的支承连接件(13)，所述支承连接件(13)的前端沿其轴向依次连接有传感器底座，单向测力传感器(12)、定位件(11)、球体(9)和限位帽(10)，其中，所述定位件(11)的前端设有一锥形喇叭口，所述限位帽(10)的前端部设有一通孔，所述通孔的直径小于所述球体(9)的直径，所述通孔的内表面为圆弧面，所述圆弧面的曲率半径与所述球体(9)的表面相吻合，所述球体(9)设在所述锥形喇叭口与所述圆弧面之间；

所述后支承的结构与所述前支承的结构相同；

所述单向测力传感器(12)的输出端依次通过一放大处理器和一A/D转换器后连接至一计算机；所述单向测力传感器(12)将加工中的力学特征转化为电信号，经滤波后输出，并经放大处理器和A/D转换器将放大的电信号转化为数字信号输入到计算机中。

2.根据权利要求1所述的无心式内圆磨削磨削力在线测量装置，其特征在于：所述单向测力传感器采用应变式或压电式。

3.根据权利要求1所述的无心式内圆磨削磨削力在线测量装置，其特征在于：所述球体(9)和需要磨削加工的工件相切，该切点与所述球体(9)球心之间的连线与所述单向测力传感器(12)的测力方向一致。

4.一种无心式内圆磨削磨削力在线测量方法，其特征在于，根据权利要求1或2所述的无心式内圆磨削磨削力在线测量装置进行测量包括以下步骤：

装置和工件的安装：通过磁盘(2)和端面支承(3)将工件(4)进行轴向定位；将前支承(7)和后支承(5)通过支承连接件(13)固联在磨床床体(1)上，通过调整前支承(7)和后支承(5)的位置，使工件(4)的外圆面均与所述前支承(7)和后支承(5)上的球体(9)相切，所述切点与所述球体(9)球心之间的连线与所述单向测力传感器(12)的测力方向一致；

开启电源，进行磨削加工；与此同时，所述前支承(7)和后支承(5)中的单向测力传感器(12)检测到磨削过程中前支承(7)对工件(4)沿法向的作用力F₁和后支承(5)对工件(4)沿法向的作用力F₂及空载时前支承(7)对工件(4)沿法向的作用力

和后支承(5)对工件(4)沿法向的作用力

两个单向测力传感器(12)将上述测得的力学特征转化为电信号，经滤波后输出，经过放大处理器放大处理后由A/D转换器将放大的电信号转化为数字信号输入到计算机中，计算机按照下述公式(1)和公式(2)得出磨削过程中的砂轮磨削工件时的法向磨削力F_N和切向磨削力F_T：

        F_N＝ΔF₁(μsinγ+cosγ)+ΔF₂[sin(γ-α)-μcos(α-γ)]    (1)

        F_T＝ΔF₁(μcosγ-sinγ)+ΔF₂[cos(α-γ)-μsin(α-γ)]    (2)

公式(1)和公式(2)中：

F_N为砂轮磨削工件时的法向磨削力；

F_T为砂轮磨削工件时的切向磨削力；

α为后支承对工件反作用力与纵坐标轴之间的夹角，α在30°～60°范围内选择；

γ为上述法向磨削力F_N与横坐标轴之间的夹角，γ＝arcsinesinθ/d，其中，e为磁盘中心O与工件中心O′之间的偏心量，在0.15～0.35mm范围内选值；θ为偏心方向角在5°～15°范围内选值；d为工件中心与砂轮中心之间的距离；

μ为球材料与工件材料之间的摩擦系数；

ΔF₁为磨削过程中前支承(7)对工件(4)沿法向的作用力F₁与空载时前支承(7)对工件(4)沿法向的作用力

之间的差值，即：

ΔF₂为磨削过程中后支承(5)对工件(4)沿法向的作用力F₂与空载时后支承(5)对工件(4)沿法向的作用力

之间的差值，即：

计算机将上述磨削过程中的砂轮磨削工件时的法向磨削力F_N和切向磨削力F_T实时显示在计算机屏幕上。

5.根据权利要求4所述的无心式内圆磨削磨削力在线测量方法，其特征在于，

α＝30°；e＝0.15；θ＝15°。

6.根据权利要求4或5所述的无心式内圆磨削磨削力在线测量方法，其特征在于，所述前支承(7)为水平放置，所述前支承(7)中的单向测力传感器(12)测量工件(4)对前支承(7)的作用力；所述后支承(5)的放置位置由所述后支承对工件反作用力与纵坐标轴之间的夹角α来确定，从而保证工件(4)在磨削过程处于稳定状态。

Images