CN102928337A - 一种回转体零件的高速磨削特性分析测试装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于分析回转体零件高速磨削特性的测试方法及其装置，其主要包括高速砂轮主轴系统、工件主轴系统、用于测试外圆磨削力的测力装置、外圆磨削工件及其温度测试装置、用于分析研究磨削力、热及其耦合效应的计算方法及其软件系统。同时采集回转体零件高速磨削过程中的磨削力与磨削热，以辨析高速磨削过程中的机械能和热能对工件表面质量、砂轮磨损机理等的作用；大大提高回转件磨削力的测试精度和效率；通过反向热流计算方法及其算法，获得到进入工件、砂轮等的热流，以揭示高速磨削工艺对工件表面质量、砂轮磨损机理的作用，并进一步进行磨削工艺参数等的优化，由此，可以揭示不同工件材料的高速磨削特性，进而，进行高速磨削工艺及其主要配置的优化设计。

Description

一种回转体零件的高速磨削特性分析测试装置及方法

技术领域

本发明涉及一种用于回转体零件高速磨削过程中磨削力、磨削热准确测试的传感装置及采用该装置的测试方法，属于磨削生产过程或高速磨削试验在线测试技术领域。

背景技术

在汽车、轴承和航空航天器制造领域中，高速高效磨削很大程度上提高了磨削生产的效率，同时也能兼顾加工精度和生产成本。为了更深入地理解磨削加工的机理，更及时准确地监控磨削过程，有效地提高磨削质量和磨削效率，迫切需要实现磨削温度和磨削力的同时在线测量。

平面磨削已实现磨削温度和磨削力的同时在线测量。其中使用的测力仪已有较为成熟的产品，例如Kistler公司生产的9257A、大连理工生产的YDX-39702；平面磨削温度的测量现已成功地采用夹式测温试件和顶式测温试件两种结构分别公开在《An experimental investigation of temperatures and energy partition ingrinding of cemented carbide with a brazed diamond wheel》(Y.J.Zhan and X.P.Xu，The International Journal of Advanced Manufacturing Technology，2012.61(1-4)：p.117-125)及《High Speed Grinding ofAdvanced Ceramics：A Review》(HuangH.，Key Engineering Materials，2009.P.404.)中。

但是，在外圆磨削中，工件在整个磨削过程始终处于绕轴线回转状态，这使得传感器的安装与引线变得十分困难。关于外圆磨削中磨削温度和磨削力的同时在线测量文献报道，一直处于空白。近有研究人员(Jiaming Ni，Beizhi Li，JingzhuPang，“A Practical Study on the Surface Integrity of High-Speed Cylindrical Grindingof SiC”Materials Science Forum Vol.723(2013)p.202-207)尝试过将瑞士Kistler公司产的9123C测力仪用于外圆磨削力的测量，但因该测力仪的敏感原件在测量过程中也要随工件转动，传感器的制作工艺十分复杂，技术要求严格，制作难度大，生产费用高，因此，此类传感器制成的测力仪成本也随之增高，难以实用。此外，在测量过程中，该测力仪的测量坐标始终相对于机床坐标回转。因此，实际测量的法向力和切向力呈周期性变化，必需经复杂的后续标定和数据处理，才能获得稳定的磨削力数据。

外圆磨削的磨削温度测量，同样因砂轮和工件的回转运动遇到挑战。当使用夹式测温试件和顶式测温试件时，砂轮和工件的回转运动使工件的定位和夹紧变得非常困难。热电偶检测信号的引出与数据采集技术迄今尚未突破。

发明内容

本发明的目的是提供一种实用性强，能同时进行外圆磨削力和砂轮、工件磨削表面温度测量的装置及采用该装置的方法。

为了达到上述目的，本发明的一个技术方案是提供了一种回转体零件的高速磨削特性分析测试装置，其特征在于，包括：

外圆磨削用的工件及其温度测试装置，包括工件心轴、套装在工件心轴外的工件及埋在工件被磨削表层的工件温度测量装置，由工件温度测量装置实时采集工件表面的磨削温度；

高速砂轮主轴系统，包括电主轴、由电主轴带动高速旋转的超硬磨料砂轮及埋在砂轮工作表层的砂轮温度测量装置，由超硬磨料砂轮对工件进行磨削，由砂轮温度测量装置实时采集砂轮表面温度；

工件主轴系统，包括测力顶尖部件一及驱动部件，由驱动部件驱动工件心轴旋转；

测力装置，包括测力顶尖部件二及电荷放大器，由测力顶尖部件二配合测力顶尖部件一将工件心轴夹紧并定心定位，在工件心轴旋转过程中，测力顶尖部件一及测力顶尖部件二保持不动，通过测力顶尖部件一及测力顶尖部件二获取表示工件受力情况的电荷信号，由电荷放大器对该电荷信号进行放大；

数据处理系统，捕获工件磨削温度、砂轮表面磨削温度及放大后的电荷信号，并对数据进行分析处理。

优选地，所述工件温度测量装置包括工件测温热电偶及集流环；所述工件被剖分为至少两部分，工件测温热电偶贴合在相邻两部分的接合面上；包裹工件测温热电偶丝的导线引致套装在所述工件心轴上的集流环，集流环连接所述数据处理系统。

优选地，所述导线的厚度为0.03-0.04mm，宽度为1-1.2mm。

优选地，所述超硬磨料砂轮包括砂轮基体及粘接在砂轮基体外的超硬磨料层；所述砂轮温度测量装置包括砂轮测温热电偶、信号调理器、无线发射装置及云母片，砂轮测温热电偶嵌入超硬磨料层，由云母片对砂轮测温热电偶进行绝缘处理，砂轮测温热电偶连接信号调理器，信号调理器连接无线发射装置，由无线发射装置将砂轮表面磨削温度信号发送给所述数据处理系统。

优选地，所述驱动部件包括工件电主轴、对称拨杆一、对称拨杆二及鸡心夹头，鸡心夹头用于夹持所述工件心轴，工件电主轴通过对称拨杆一及对称拨杆二驱动鸡心夹头及工件。

优选地，所述测力顶尖部件一及所述测力顶尖部件二的结构相同，包括顶尖、安装在顶尖上的固定式三向测力敏感元件及与顶尖固定连接的标准莫氏锥，标准莫氏锥位置固定，由三向测力敏感元件分别获得表示位于X轴方向分力的电荷信号、表示位于Y轴方向分力的电荷信号及表示位于Z轴方向分力的电荷信号；由所述电荷放大器分别对X轴分力的电荷信号、Y轴分力的电荷信号及Z轴分力的电荷信号进行放大。

本发明还提供了一种回转体零件的高速磨削特性分析测试方法，其特征在于，步骤为：

第一步、分别求解磨削弧区产生的总热量Q_t、切屑吸收热量Q_c、冷却液吸收热量Q_f及工件吸收热量Q_w，其中：

F_t＝F_ly+F_ry，F_ly为通过测力顶尖部件一获得的位于Y轴方向上的力，F_ry为通过测力顶尖部件二获得的位于Y轴方向上的力，v_s为超硬磨料砂轮的线速度，b为超硬磨料砂轮的宽度；

Q_c＝ρ_cc_pwT_ca_pv_w，ρ_c为制成工件的材料的密度，c_pw为制成工件的材料的比热，T_c为制成工件的材料的熔点温度，a_p为磨削深度，v_w为工件的线速度；

Q_f＝α_f(T_f-T₀)l_g，α_f为磨削时所使用的冷却液的热扩散率，T_f为磨削时所使用的磨削液的沸点温度，T₀为室温，l_g为超硬磨料砂轮与工件相接触部位的接触弧长；

工件吸收热量Q_w通过如下步骤获得：

步骤1.1、将工件表面的磨削弧区划分为n个等距点，第j个等距点(x_j，0)的位置坐标为(x_j，0)，对每个等距点进行表面温度测量，以得到磨削弧区的温度分布θ_w(x_j，0)，每两个相邻等距点间的等距微热流元的热流表达为q_w(ξ)，ξ为磨削弧长上等距微热流元的位置变量，工件(4.3)表面的热流q_w(ξ)在第i个等距微热流元内可以近似看作常数q_i(i＝1，...，n)，则第i个等距微热流元对第j个等距点(x_j，0)的作用以

表示，第j个等距点x_j所对应的热流区域在准静态条件下表面温度分布θ_w(x_j，0)为：

${\mathrm{\θ}}_w(x_j,0)=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{q}_i\·\underset{{\mathrm{\ξ}}_i}{\overset{{\mathrm{\ξ}}_{i+1}}{\∫}}{\mathrm{\ψ}}_{x_j,0}\left(\mathrm{\ξ}\right)\mathrm{d\ξ},$ ${\mathrm{\ψ}}_{x_j,0}\left(\mathrm{\ξ}\right)$ 定义为：

${\mathrm{\ψ}}_{x_j,0}\left(\mathrm{\ξ}\right)=\frac{1}{\mathrm{\πk}}\·e^{-v_w(x_j-\mathrm{\ξ})/2\mathrm{\α}}{K}_0\left\{\frac{v_w}{2\mathrm{\α}}\right|x_j-\mathrm{\ξ}\left|\right\},$ k为制成工件(4.3)的材料的导热系数，α为制成工件(4.3)的材料的热扩散率，K₀为第二类修正的零阶贝塞尔函数，ξ_i+1及ξ_i分别为第j个等距点x_j所对应的热流区域的第i个等距微热流元两端在X轴方向上的位置值；

步骤1.2、通过工件温度测量装置在每个等距点处获取n个温度值T_k，k＝1，2，......，n，将其代入每个等距点所对应的表面温度分布函数，得n个联立的方程，得对第j个等距点x_j而言，将n个温度值T_k代入表面温度分布θ_w(x_j，0)，

则有：

$\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{c}_{1i}{q}_i=T_1=c_{11}{q}_1+c_{12}{q}_2+...+c_{1i}{q}_i+...+c_{1n}{q}_n$

$\left\{\begin{array}{c}\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{c}_{2i}{q}_i=T_2=c_{21}{q}_1+c_{22}{q}_2+...+c_{2i}{q}_i+...+c_{2n}{q}_n\\ .\\ .\\ .\end{array}\right.$

$\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{c}_{\mathrm{ni}}{q}_i=T_n=c_{n1}{q}_1+c_{n2}{q}_2+...+c_{\mathrm{ni}}{q}_i+...+c_{\mathrm{nn}}{q}_n$

求解上述方程，即可求出磨削弧区热流密度分布q_w，其中，

$c_{\mathrm{ji}}=\frac{1}{\mathrm{\πk}}\·e^{-v_w(x_j-\mathrm{\ξ})/2\mathrm{\α}}{K}_0\left\{\frac{v_w}{2\mathrm{\α}}\right|x_j-\mathrm{\ξ}\left|\right\}\·\frac{X_a-X_b}{n},$ X_a及X_b为第j个等距点x_j所对应的热流区域两端在X轴方向上的位置值；

步骤1.3通过热流密度分布q_w对接触弧长l_g的积分得到整个接触弧长上工件工件吸收热量Q_w；

第二步，根据公式Q_t＝Q_w+Q_s+Q_f+Q_c，计算得到砂轮吸收热量Q_s。

优选地，采用所述工件吸收热量Q_w的求解方法与步骤，获得砂轮吸收热量Q_s，将该结果与通过所述第二步得到的砂轮吸收热量Q_s进行互证和比对。

本发明提供了一种结构简单，动态性能良好的外圆磨削力热耦合效应测试方法与装置。本发明提供的装置省去占一半成本的昂贵的压力传感器，所以成本大幅降低。在磨削过程中，通过材料塑性变形，实现热电偶丝的搭接，从而实现磨削温度的测量。本发明中所有磨削力与磨削温度信号，使用同一采集卡进行数据采集，保证了各信号通道之间的时间同步性，从而实现了测量力、热信号能够真实反应磨削过程中的力、热载荷变化，用于分析磨削过程的力热耦合效应。

附图说明

图1是本发明装置的基本构成示意图；

图2是本发明中的专用测力顶尖部件结构示意图；

图3是本发明中的外圆磨削工件及其温度测试装置示意图；

图4是本发明中的安装测温装置的工件结构框图；

图5是本发明中的安装测温装置的砂轮结构示意图。

具体实施方式

为使本发明更明显易懂，兹以优选实施例，并配合附图作详细说明如下。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

如图1所示，本发明由高速砂轮主轴系统I、工作主轴系统II、测力装置III、外圆磨削工件及其温度测试装置IV及数据处理系统V组成。

在高速砂轮主轴系统I中，由大功率电主轴1.1带动超硬磨料砂轮1.2高速旋转，提供磨削主运动。用于超硬磨料砂轮1.2表面磨削温度测量的装置如图5所示，超硬磨料烧结后粘结在砂轮基体1.2.2上形成超硬磨料层1.2.1，将砂轮测温热电偶1.2.5嵌入超硬磨料层1.2.1中，并且使用云母片1.2.6进行绝缘处理。砂轮测温热电偶1.2.5在磨削过程中发生塑性变形，从而搭接后产生热电动势。热电动势信号通过导线进入信号调理器1.2.4中，进行滤波和放大处理，之后通过无线发射装置1.2.3将信号无线传输到外部接收器中，实现砂轮表面磨削温度的实时测量与无线数据采集。

在工作主轴系统II中，由电主轴2.1通过对称拨杆一2.2和对称拨杆二2.3带动鸡心夹头2.5运动。鸡心夹头2.5与工件心轴4.1固定在一起。

结合图3，外圆磨削工件及其温度测试装置IV主要包括工件心轴4.1、集流环4.2、工件4.3、罩壳4.4及工件温度测量装置。集流环4.2固定在工件心轴4.1的左端，工件4.3套装工件心轴4.1外。使用时，如图4所示，首先将工件4.3直角剖分为部分一4.3.1和部分二4.3.2。工件温度测量装置的工件测温热电偶4.3.3贴合在分一4.3.1和部分二4.3.2的接合面上，并且通过预先加工的引导孔将包裹工件测温热电偶4.3.3丝的导线4.5引致集流环4.2上。导线4.5的厚度为0.03-0.04mm，宽度为1-1.2mm，较宽的宽度有利于防止工件测温热电偶4.3.3的两极在磨削过程中错位，而使搭接失败，同时极薄的厚度又有利于温度传导和工件测温热电偶4.3.3两极的搭接。磨削过程中，由超硬磨料砂轮1.2对工件4.3的划擦、耕犁和切削作用将形成很高的磨削温度，一般为500℃以上。工件测温热电偶4.3.3的测点搭接后，将形成热电动势。经过集流环4.2后，热电动势信号进入数据处理系统V的热电偶专用的数据采集卡5.1，通过放大、滤波后，热电动势信号转换为0-10V的电压信号，从而可以进入数据处理系统V的计算机5.2进行处理。使用罩壳4.4保护集流环4.2，避免电器线路因冷却液进入而造成短路。工件测温热电偶4.3.3及砂轮测温热电偶1.2.5具体结构参考公开号为CN102001041A的中国发明专利申请。

测力装置III主要包括前后测力顶尖部件一2.4、顶尖部件二3.1及电荷放大器3.3等。工件心轴4.3通过顶尖部件一2.4、顶尖部件二3.1实现定心定位和夹紧。其中，顶尖部件一2.4固定在电主轴2.1上，按照死顶尖方式配置，因此不与工件心轴4.3一同转动。结合图2，顶尖部件一2.4及顶尖部件二3.1均安装有三向测力敏感元件B，该三向测力敏感元件B采用Kistler公司生产的固定式三向测力敏感元件，并且通过标准莫氏锥C分别与电主轴2.1和尾架3.2固定连接，

由顶尖A形成对工件心轴4.3的定心定位和夹紧。在三向测力敏感元件B中包括三对压电石英晶体，可以同时测量在X轴方向的力F_x、在Y轴方向的力F_y及在Z轴方向的力F_z。因为外圆磨削中，磨削深度一般较小，因此可以认为F_x为法向磨削力F_n，F_y为切向磨削力F_t，F_z为轴向磨削力F_a。三对压电石英晶体形成的电荷信号通过导线进入三个电荷放大器3.3，从而实现电荷信号向电压信号的转换，便于后续数据采集和计算机处理。经电荷放大器3.3放大的电压信号，通过导线进入数据采集卡5.1滤波和模数转换后，由计算机5.2处理。

本发明还提供了一种回转体零件的高速磨削特性分析测试方法，其步骤为：

第一步、超硬磨料砂轮1.2对工件4.3的作用力的测量：

磨削过程中，超硬磨料砂轮1.2对工件4.3的作用力可以分解为法向磨削力F_n和切向磨削力F_t，以及切向磨削力F_t对工件回转中心所产生的扭矩M_Ft。其中，工件4.3承受的法向磨削力F_n和切向磨削力F_t分解到顶尖部件一2.4和顶尖部件二3.1上，分别为顶尖部件一2.4感应到的法向磨削力F_lx和切向磨削力F_ly，以及顶尖部件二3.1感应到的法向磨削力F_rx和切向磨削力F_ry，则：

F_n＝F_lx+F_rx；

F_t＝F_ly+F_ry；

由于法向磨削力F_n和切向磨削力F_t分别为三向测力敏感元件B在X轴方向和Y轴方向上感应到的力，因此在使用过程中，不需要针对工件上不同的磨削位置，对测力系统III进行标定，而只需将布置在左右的三向测力敏感元件B对应方向上的力相加即可。在本发明中所涉及的工作主轴系统II中，使用对称拨杆一2.2和对称拨杆二2.3驱动工件心轴4.1做回转运动，这样可以消除传统单一拨叉对测量敏感原件形成的周期性交变作用力，获得更加平稳的测量信号。在本发明中，使用双测力顶尖部件的优越性在于，可以避免传统单一测力顶尖繁琐的标定过程，即精确测量出力作用点距离测力敏感原件之间的距离，然后换算出作用力与实测力之间的比例关系。

第二步、热量的测量及计等：

在磨削过程中，磨削区内产生的热量通过工件4.3、磨削液、切屑和超硬磨料砂轮1.2传递出去，其中特别需要注意的是传递给工件4.3的热量。传统磨削研究认为大约60％-95％的热量被传入工件，仅有不到10％的热量被磨屑带走，这些传入工件的热量在磨削过程中通常来不及传入工件深处，而聚集在表面层里形成局部高温。因此，磨削过程的热量耗散可以用以下公式进行描述：

Q_t＝Q_w+Q_s+Q_f+Q_c

其中：Q_t为磨削弧区产生的总热量；Q_w为工件吸收热量；Q_s为砂轮吸收热量；Q_f为冷却液吸收热量；Q_c为切屑吸收热量。

一般认为，磨削功率几乎全部转化为热量，因此在进行磨削热分析时，需要计算出磨削功率消耗。磨削功率P可以表示为切向磨削力F_t与超硬磨料砂轮1.2转速v_s的乘积：

P＝F_t×v_s；

而去除单位宽度材料所消耗的磨削功率又可以表示为：

$Q_t=\frac{F_t\·v_s}{b};$

其中，b为超硬磨料砂轮1.2的宽度。

Q_c＝ρ_cc_pwT_ca_ev_w，ρ_c为制成工件4.3的材料的密度，c_pw为制成工件4.3的材料的比热，T_c为制成工件4.3的材料的熔点温度，a_e为磨削深度，v_w为工件4.3的转速；

Q_f＝α_f(T_f-T₀)l_g，α_f为磨削时所使用的冷却液的热扩散率，T_f为磨削时所使用的磨削液的沸点温度，T₀为室温，l_g为超硬磨料砂轮1.2与工件4.3相接触部位的接触弧长；

冷却液的热扩散率可以写成：

$a_f=N_u\frac{{\mathrm{\λ}}_f}{1_g};$

其中，N_u是努氏系数，λ_f为冷却液的导热系数。根据不同的冷却液流动条件，

努氏系数N_u可以写成：

层流： $N_u=0.644\sqrt{R_e}\sqrt[3]{P_r};$

紊流： $N_u=\frac{0.037R_e^{0.8}{P}_r}{1+2.443R_e^{-0.1}(P_r^{2/3}-1)};$

其中，R_e是雷诺数，P_r是普朗特常数。

而工件吸收热量Q_w可以通过以下的反向导热法计算，通过实测的工件4.3表面温度计算得出。在准静态条件下工件4.3表面的温度分布θ_w(x，0)可以通过Jaeger的移动热源理论获得：

${\mathrm{\θ}}_w(x,0)={\∫}_{x_b}^{x_a}{q}_w\left(\mathrm{\ξ}\right)\mathrm{\ψ}(x,0,\mathrm{\ξ})\mathrm{d\ξ};$

其中，q_w(ξ)为工件表面的热流分布，ξ为X轴方向上的位置坐标，X_a和X_b分别为热流区域的左端位置值和右端位置值，Ψ(x，0，ξ)定义为：

$\mathrm{\ψ}(x,0,\mathrm{\ξ})=\frac{1}{\mathrm{\πk}}\·e^{-v_w(x-\mathrm{\ξ})/2\mathrm{\α}}{K}_0\left\{\frac{v_w}{2\mathrm{\α}}\right|x-\mathrm{\ξ}\left|\right\};$

其中，k为工件材料的导热系数，α为热扩散率，v_w为工件速度，K₀为第二类修正的零阶贝塞尔函数。将热流区域划分为n个离散的等距微元，则热流q_w(ξ)在第i个区间内可以近似看作常数q_i。由此，上式可以写成：

${\mathrm{\θ}}_w(x,0)=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{q}_i\·{\∫}_{{\mathrm{\ξ}}_i}^{{\mathrm{\ξ}}_{i+1}}\mathrm{\ψ}(x,0,\mathrm{\ξ})\mathrm{d\ξ};$

因此，在距离工件表面的位置上进行温度测量，并且将工件表面划分为n个等距点x_j(j＝1，2，...，n)。应用前式，在亚表面获得每个等距点的n个温度计算方程，其中，等距点x_j的n个温度计算方程表示为：

${\mathrm{\θ}}_w(x_j,0)=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{q}_i\·{\∫}_{{\mathrm{\ξ}}_i}^{{\mathrm{\ξ}}_{i+1}}\mathrm{\ψ}(x_j,0,\mathrm{\ξ})\mathrm{d\ξ}$ j＝1，2，...，n；

其中，ξ_i+1及ξ_i分别为第j个等距点x_j所对应的热流区域的第i个等距微元两端在X轴方向上的位置值。

通过工件温度测量装置在每个等距点处获取n个温度值T_k，k＝1，2，......，n，将其代入每个等距点所对应的表面温度分布函数，得n个联立的方程，得对第j个等距点x_j而言，将n个温度值T_k代入表面温度分布θ_w(x_j，0)，则有：

$\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{c}_{1i}{q}_i=T_1=c_{11}{q}_1+c_{12}{q}_2+...+c_{1i}{q}_i+...+c_{1n}{q}_n$

$\begin{array}{c}\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{c}_{2i}{q}_i=T_2=c_{21}{q}_1+c_{22}{q}_2+...+c_{2i}{q}_i+...+c_{2n}{q}_n\\ .\\ .\\ .\end{array};$

$\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{c}_{\mathrm{ni}}{q}_i=T_n=c_{n1}{q}_1+c_{n2}{q}_2+...+c_{\mathrm{ni}}{q}_i+...+c_{\mathrm{nn}}{q}_n$

所以

$\left[\begin{array}{cccccccccc}{c}_{11}& c_{12}& .& .& .& c_{1i}& .& .& .& c_{1n}\\ c_{21}& c_{22}& .& .& .& c_{2i}& .& .& .& c_{2n}\\ .& .& .& .& .& .& .& .& .& .\\ .& .& .& .& .& .& .& .& .& .\\ .& .& .& .& .& .& .& .& .& .\\ c_{j1}& c_{j2}& .& .& .& c_{\mathrm{ji}}& .& .& .& c_{\mathrm{jn}}\\ .& .& .& .& .& .& .& .& .& .\\ .& .& .& .& .& .& .& .& .& .\\ .& .& .& .& .& .& .& .& .& .\\ c_{n1}& c_{n2}& .& .& .& c_{\mathrm{ni}}& .& .& .& c_{\mathrm{nn}}\end{array}\right]\·\left[\begin{array}{c}{q}_1\\ q_1\\ .\\ .\\ .\\ q_i\\ .\\ .\\ .\\ q_n\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}{T}_1\\ T_2\\ .\\ .\\ .\\ T_i\\ .\\ .\\ .\\ T_n\end{array}\right];$

其中，系数c_ji定义为：

$c_{\mathrm{ji}}=\frac{1}{\mathrm{\πk}}\·e^{-v_w(x_j-\mathrm{\ξ})/2\mathrm{\α}}{K}_0\left\{\frac{v_w}{2\mathrm{\α}}\right|x_j-\mathrm{\ξ}\left|\right\}\·\frac{X_a-X_b}{n}$

这样，即可求出磨削弧区热流密度分布q_w。再通过热流密度分布q_w对接触弧长l_g的积分，即可得到整个弧长上工件吸收热量Q_w。

通过将总热量Q_t减去切屑吸收热量Q_c、冷却液吸收热量Q_f和工件吸收热量Q_w后，最终可以求出砂轮吸收热量Q_s。从而可以精确分析磨削过程的机械载荷与热载荷分布的关系，同时验证所测量的磨削力和磨削温度的正确性。

还可以采用工件吸收热量Q_w的求解方法与步骤，获得砂轮吸收热量，将该结果与通过上述步骤得到的砂轮吸收热量Q_s进行互证和比对。

实施例

工件材料为Ti6Al4V钛合金，砂轮为陶瓷结合剂CBN砂轮，平均磨粒直径91μm。砂轮速度为60-120m/s。通过线切割将工件剖切后，将K型热电偶压成薄片状，厚度为80-100μm，并且使用云母片绝缘。磨削过程采用干磨削，忽略空气冷却所吸收的热量。砂轮经过测量点时，磨削温度和磨削力可以方便测出，如表1所示。

磨削过程中，控制砂轮和工件的速比q＝v_s/v_w＝1000。这样对于高速磨削，提高砂轮速度v_s的同时可以提高工件速度v_w。在材料去除率Q’_w＝2mm³/mms恒定的条件下，与砂轮同比例提高的工件速度将显著减小磨削深度a_p。从而减小了热载荷作用在工件表面的时间，降低了进入工件内部的热量Q_w以及其占总热生成量Q_t的百分比R_w。

本发明提供一种外圆磨削过程中同时对磨削温度和磨削力进行测量的方法和装置，设备简单，动态性能好，可靠性强，操作方便，成本相对低廉。并且成功验证了高速磨削能够显著降低进入工件的热量及其在总热生成量中的比例，为高效高质量磨削奠定了理论和测试方法的基础。

Claims (8)

1.一种回转体零件的高速磨削特性分析测试装置，其特征在于，包括： 

外圆磨削用的工件及其温度测试装置(IV)，包括工件心轴(4.1)、套装在工件心轴(4.1)外的工件(4.3)及埋在工件被磨削表层的工件温度测量装置，由工件温度测量装置实时采集工件(4.3)表面的磨削温度； 

高速砂轮主轴系统(I)，包括电主轴(1.1)、由电主轴(1.1)带动高速旋转的超硬磨料砂轮(1.2)及埋在砂轮工作表层的砂轮温度测量装置，由超硬磨料砂轮(1.2)对工件(4.3)进行磨削，由砂轮温度测量装置实时采集砂轮表面温度； 

工件主轴系统(II)，包括测力顶尖部件一(2.4)及驱动部件，由驱动部件驱动工件心轴(4.1)旋转； 

测力装置(III)，包括测力顶尖部件二(3.1)及电荷放大器(3.3)，由测力顶尖部件二(3.1)配合测力顶尖部件一(2.4)将工件心轴(4.1)定心定位并夹紧，在工件心轴(4.1)旋转过程中，测力顶尖部件一(2.4)及测力顶尖部件二(3.1)保持不动，通过测力顶尖部件一(2.4)及测力顶尖部件二(3.1)获取表示工件(4.3)受力情况的电荷信号，由电荷放大器(3.3)对该电荷信号进行放大； 

数据处理系统(V)，捕获工件磨削温度、砂轮表面磨削温度及放大后的电荷信号，并对数据进行分析处理。 

2.如权利要求1所述的一种回转体零件的高速磨削特性分析测试装置，其特征在于：所述工件温度测量装置包括工件测温热电偶(4.3.3)及集流环(4.2)；所述工件(4.3)被剖分为至少两部分，工件测温热电偶(4.3.3)贴合在相邻两部分的接合面上；包裹工件测温热电偶(4.3.3)丝的导线(4.5)引致套装在所述工件心轴(4.1)上的集流环(4.2)，集流环(4.2)连接所述数据处理系统(V)。 

3.如权利要求2所述的一种回转体零件的高速磨削特性分析测试装置，其特征在于：所述导线(4.5)的厚度为0.03-0.04mm，宽度为1-1.2mm。 

4.如权利要求1所述的一种回转体零件的高速磨削特性分析测试装置，其特征在于：所述超硬磨料砂轮(1.2)包括砂轮基体(1.2.2)及粘接在砂轮基体(1.2.2)外的超硬磨料层(1.2.1)；所述砂轮温度测量装置包括砂轮测温热电偶(1.2.5)、 信号调理器(1.2.4)、无线发射装置(1.2.3)及云母片(1.2.6)，砂轮测温热电偶(1.2.5)嵌入超硬磨料层(1.2.1)，由云母片(1.2.6)对砂轮测温热电偶(1.2.5)进行绝缘处理，砂轮测温热电偶(1.2.5)连接信号调理器(1.2.4)，信号调理器(1.2.4)连接无线发射装置(1.2.3)，由无线发射装置(1.2.3)将砂轮表面磨削温度信号发送给所述数据处理系统(V)。 

5.如权利要求1所述的一种回转体零件的高速磨削特性分析测试装置，其特征在于：所述驱动部件包括工件电主轴(2.1)、对称拨杆一(2.2)、对称拨杆二(2.3)及鸡心夹头(2.5)，鸡心夹头(2.5)用于夹持所述工件心轴(4.1)，工件电主轴(2.1)通过对称拨杆一(2.2)及对称拨杆二(2.3)驱动鸡心夹头(2.5)及工件(4.3)。 

6.如权利要求1所述的一种回转体零件的高速磨削特性分析测试装置，其特征在于：所述测力顶尖部件一(2.4)及所述测力顶尖部件二(3.1)的结构相同， 

包括顶尖(A)、安装在顶尖(A)上的固定式三向测力敏感元件(B)及与顶尖(A)固定连接的标准莫氏锥(C)，标准莫氏锥(C)位置固定，由三向测力敏感元件(B)分别获得表示位于X轴方向分力的电荷信号、表示位于Y轴方向分力的电荷信号及表示位于Z轴方向分力的电荷信号；由所述电荷放大器(3.3)分别对X轴分力的电荷信号、Y轴分力的电荷信号及Z轴分力的电荷信号进行放大。 

7.一种回转体零件的高速磨削特性分析测试方法，其特征在于，步骤为： 

第一步、分别求解磨削弧区产生的总热量Q_t、切屑吸收热量Q_c、冷却液吸收热量Q_f及工件吸收热量Q_w，其中： 

F_t＝F_ly+F_ry，F_ly为通过测力顶尖部件一(2.4)获得的位于Y轴方向上的分力，F_ry为通过测力顶尖部件二(3.1)获得的位于Y轴方向上的分力，v_s为超硬磨料砂轮(1.2)的线速度，b为超硬磨料砂轮(1.2)的宽度； 

Q_c＝ρ_cc_pwT_ca_pv_w，ρ_c为制成工件(4.3)的材料的密度，c_pw为制成工件(4.3)的材料的比热，T_c为制成工件(4.3)的材料的熔点温度，a_p为磨削深度，v_w为工件(4.3)的线速度； 

Q_f＝α_f(T_f-T₀)l_g，α_f为磨削时所使用的冷却液的热扩散率，T_f为磨削时所使用的磨削液的沸点温度，T₀为室温，l_g为超硬磨料砂轮(1.2)与工件(4.3)相接触部位的接触弧长； 

工件吸收热量Q_w通过如下步骤获得： 

步骤1.1、将工件(4.3)表面的磨削弧区划分为n个等距点，第j个等距点(x_j，0)的位置坐标为(x_j，0)，对每个等距点进行表面温度测量，以得到磨削弧区的温度分布θ_w(x_j，0)，每两个相邻等距点间的等距微热流元的热流表达为q_w(ξ)，ξ为磨削弧长上等距微热流元的位置变量，工件(4.3)表面的热流q_w(ξ)在第i个等距微热流元内可以近似看作常数q_i(i＝1，...，n)，则第i个等距微热流元对第j个等距点(x_j，0)的作用以

表示，第j个等距点x_j所对应的热流区域在准静态条件下表面温度分布θ_w(x_j，0)为： 

定义为： 

k为制成工件(4.3)的材料的导热系数，α为制成工件(4.3)的材料的热扩散率，K₀为第二类修正的零阶贝塞尔函数，ξ_i+1及ξ_i分别为第j个等距点x_j所对应的热流区域的第i个等距微热流元两端在X轴方向上的位置值； 

步骤1.2、通过工件温度测量装置在每个等距点处获取n个温度值T_k，k＝1，2，......，n，将其代入每个等距点所对应的表面温度分布函数，得n个联立的方程，得对第j个等距点x_j而言，将n个温度值T_k代入表面温度分布θ_w(x_j，0)，则有： 

求解上述方程，即可求出磨削弧区热流密度分布q_w，其中， 

X_a及X_b为第j个等距点x_j所对应的热流区域两端在X轴方向上的位置值； 

步骤1.3通过热流密度分布q_w对接触弧长l_g的积分得到整个接触弧长上工件(4.3)工件吸收热量Q_w； 

第二步，根据公式Q_t＝Q_w+Q_s+Q_f+Q_c，计算得到砂轮吸收热量Q_S。 

8.如权利要求7所述的一种回转体零件的高速磨削特性分析测试方法，其特征在于：采用所述工件吸收热量Q_w的求解方法与步骤，获得砂轮吸收热量Q_s，将该结果与通过所述第二步得到的砂轮吸收热量Q_s进行互证和比对。 

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