CN107633122B - 一种基于功率信号的磨削烧伤监控方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于功率信号的磨削烧伤监控方法，结合磨削功率模型与磨削去除率模型，确定对应的磨削功率边界，充分考虑粗磨、半精磨、精磨、光磨等各阶段的磨削功率信号大小，通过机床数控系统控制机床磨削进给速度，实现避免磨削加工过程烧伤现象。该方法易操作，有很强的实用性，对优化磨削工艺参数提高磨削加工质量有着重要意义。

Description

一种基于功率信号的磨削烧伤监控方法

技术领域

本发明涉及一种制造工艺技术，特别涉及一种基于功率信号的磨削烧伤监控方法。

背景技术

磨削过程对于的去除的单位体积金属有极高的能量输入，几乎所有的能量都集中在磨削区。产生的高温可引起磨削工件表面烧伤，对表面硬度和应力有很大影响，磨削生产率通常由于磨削温度过高引起磨削烧伤现象而受到限制。目前大多通常利用经验法或试验法来避免烧伤，难以实现磨削加工效率和加工质量的最优化。如何有效监控磨削烧伤提高磨削加工质量和效率，一直是生产加工企业的难题。

随着传感器技术和计算机技术发展，在线监控磨削功率同时对磨削过程进行热分析则为估计磨削温度和控制磨削烧伤提供了可行的手段。

发明内容

本发明是针对现在避免烧伤的方法无法提高磨削加工效率和加工质量的问题，提出了一种基于功率信号的磨削烧伤监控方法,在磨削功率模型和磨削去除率模型基础上，提出此监控方法，实现避免磨削加工过程烧伤现象。

本发明的技术方案为：一种基于功率信号的磨削烧伤监控方法，具体包括如下步骤：

1)将功率传感器安装于机床电气柜中，计算机通过数据采集卡对磨削功率信号进行采集；

2)设定磨削区的最大温升θ_m＝120℃，计算机根据下式进行边界功率计算，确定对应的磨削功率边界：

其中ω_w为工件角速度；b为磨削宽度；d_e为砂轮当量直径；v_w为工件线速度；

为磨削去除率；α为热扩散率；k为热导率；u₀为常数系数u₀，u₀＝0.45u_ch，u_ch为成屑比能；

3)计算机将步骤1)采集的实际磨削功率信号进行滤波处理后，与步骤2)计算所得磨削功率边界进行对比，通过机床数控系统根据对比值，控制机床磨削进给速度，使实际磨削功率信号始终低于θ_m对应的磨削功率边界的5％-15％，从而实现避免磨削加工过程烧伤现象。

所述磨削去除率

的表达式为：

式中，τ表示为时间常数，n表示进给阶段，磨削工序包括有：粗磨n＝1、半精磨n＝2、精磨n＝3和无火花光磨n＝4进给阶段，粗磨进给速度为

时，粗磨进给时间为t_rough＝t₁；半精磨进给速度为

时，半精磨进给时间t_semi＝t₂-t₁；精磨进给速度为

时，精磨进给时间t_finish＝t₃-t₂；光磨进给速度为

时，光磨时间t_spark＝t₄-t₃。

本发明的有益效果在于：本发明基于功率信号的磨削烧伤监控方法,结合磨削功率模型与磨削去除率模型，充分考虑粗磨、半精磨、精磨、光磨等各阶段的磨削功率信号大小，实现避免磨削加工过程烧伤现象。该方法易操作，有很强的实用性，对优化磨削工艺参数提高磨削加工质量有着重要意义。

附图说明

图1磨削加工示意图；

图2磨削区温度热模型示意图；

图3典型磨削加工进给过程曲线图；

图4本发明磨削烧伤监控曲线图；

图5本发明磨削烧伤监控系统图。

具体实施方式

一、磨削烧伤监控原理:

为了计算磨削区温升，根据切入磨削情况，如图1所示磨削加工示意图，磨削热流量q_w在其工件接触弧长l_c与磨削宽度b构成长方形的磨削区内释放。根据S.马尔金著的《磨削技术理论与应用》简化计算，设切削进入工件的磨削热流量q_w在磨削区内均与分布，把磨削加热区域看成沿半无限大实体(工件)以工件速度移动的带状热源，如图2所示磨削区温度热模型示意图，磨削区的最大温升θ_m可表示为：

式中，q_w为磨削热流量，α为热扩散率，a_e为磨削深度，k为热导率，v_w为工件线速度。

d_e为砂轮当量直径，表达式如下式(2)：

式中，d_w为工件直径，d_e为砂轮当量直径，d_s为砂轮直径。

对于磨削区的最大温升θ_m允许的磨削功率P，可表示为：

式中，b为磨削宽度，u₀为常数系数，B的表达式如下式(4)：

磨削深度a_e与磨削去除率

的表达式，如下：

式中，ω_w为工件角速度，磨削去除率

在任敬心等主编的《磨削原理》一书中进行了详细阐述了典型磨削加工进给过程，磨削常用磨削工序主要包括有：粗磨(n＝1)、半精磨(n＝2)、精磨(n＝3)和无火花光磨(n＝4)等进给阶段，如图3所示典型磨削加工进给过程曲线图。

对上述公式(5)进行求解计算，可获得磨削去除率

的表达式为：

式中，τ表示为时间常数，n表示进给阶段、粗磨进给速度为

粗磨进给时间为t_rough＝t₁、半精磨进给速度

半精磨进给时间t_semi＝t₂-t₁、精磨进给速度

精磨进给时间t_finish＝t₃-t₂、光磨时间t_spark＝t₄-t₃、光磨进给速度

等。

结合式(3)、式(5)和式(7)，可获得最大磨削区温度θ_m允许的磨削功率P与磨削去除率

的关系式，如下式(8)：

上式(8)，其中工件角速度ω_w、磨削宽度b、砂轮当量直径d_e，工件线速度v_w等参数可由机床磨削工艺参数直接获得；其中磨削去除率

的时间常数可由参考文献[1]方法获得；其中热扩散率α、热导率k、常数系数u₀(u₀＝0.45u_ch，u_ch为成屑比能)可由磨削工件材料特性获得。所以，当磨削区的最大温升θ_m设定后，磨削功率曲线也即可获得，如下图4所示，当θ_m＝120℃，所对应的磨削功率边界。在实际磨削加工过程中，以θ_m＝120℃对应的磨削功率边界为参考，控制实际磨削进给速度(粗磨进给速度为

半精磨进给速度

精磨进给速度

光磨进给速度

等)，使实际磨削功率信号始终低于θ_m对应的磨削功率边界的5％-15％，从而实现避免磨削加工过程烧伤现象。

参考文献[1]:CHI Yulun,LI Haolin.A General Material Removal Model forMulti-infeed Internal Plunge Grinding by Using Power Signal.Journal of theChinese Society of Mechanical Engineers,Vol.37,No.4,pp359～365(2016).

二、磨削烧伤监控方法及实施过程

本发明是基于功率信号对磨削烧伤进行监控，该监控方法结合磨削功率模型与磨削去除率模型，充分考虑粗磨、半精磨、精磨、光磨等各阶段的磨削功率信号大小，实现避免磨削加工过程烧伤现象。具体如下：

如下图5所示，首先将功率传感器安装于机床电气柜中，计算机通过数据采集卡对磨削功率信号进行采集。

然后，根据上述磨削烧伤监控原理，计算机对该功率模型进行计算，如式(8)，其中工件角速度ω_w、磨削宽度b、砂轮当量直径d_e，工件线速度等参数可由机床磨削工艺参数直接获得；其中磨削去除率

的时间常数可由参考文献[1]方法获得；其中热扩散率α、热导率k、常数系数u₀(u₀＝0.45u_ch，u_ch为成屑比能)可由磨削工件材料特性获得。所以，当磨削区的最大温升θ_m设定后，磨削功率曲线也即可获得，如下图4所示，当θ_m＝120℃，确定所对应的磨削功率边界。

最后，计算机对实际磨削功率信号滤波处理后对机床数控系统进行控制，通过机床数控系统控制机床磨削进给速度(粗磨进给速度为

半精磨进给速度

精磨进给速度

光磨进给速度

等)，使实际磨削功率信号始终低于θ_m对应的磨削功率边界的5％-15％，从而实现避免磨削加工过程烧伤现象。

Claims (1)

1.一种基于功率信号的磨削烧伤监控方法，其特征在于，具体包括如下步骤：

1)将功率传感器安装于机床电气柜中，计算机通过数据采集卡对磨削功率信号进行采集；

2)设定磨削区的最大温升θ_m＝120℃，计算机根据下式进行边界功率计算，确定对应的磨削功率边界：

其中ω_w为工件角速度；b为磨削宽度；d_e为砂轮当量直径；v_w为工件线速度；

为磨削去除率；α为热扩散率；k为热导率；u₀为常数系数，u₀＝0.45u_ch，u_ch为成屑比能；

3)计算机将步骤1)采集的实际磨削功率信号进行滤波处理后，与步骤2)计算所得磨削功率边界进行对比，通过机床数控系统根据对比值，控制机床磨削进给速度，使实际磨削功率信号始终低于θ_m对应的磨削功率边界的5％-15％，从而实现避免磨削加工过程烧伤现象；

所述磨削去除率

的表达式为：

式中，τ表示为时间常数，n表示进给阶段，磨削工序包括有：粗磨n＝1、半精磨n＝2、精磨n＝3和无火花光磨n＝4进给阶段，粗磨进给速度为

时，粗磨进给时间为t_rough＝t₁；半精磨进给速度为

时，半精磨进给时间t_semi＝t₂-t₁；精磨进给速度为

时，精磨进给时间t_finish＝t₃-t₂；光磨进给速度为

时，光磨时间t_spark＝t₄-t₃。

Images