CN110411634A - 圆锥滚子球基面磨削力测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种圆锥滚子球基面磨削力测量装置及方法，多个所述力传感器固定连接在左、右导轮盘之间，左、右导轮盘中一个为固定导轮盘，另一个为活动导轮盘，由力传感器测量活动导轮盘对固定导轮盘施加的力，左、右导轮盘的外侧外边缘处分别设有位移传感器，用于测量固定导轮盘受力后的变形量；功率传感器串联在电源输出端与砂轮主轴电机输入端之间，通过测量砂轮主轴电机的功率来间接测量切向磨削力的大小；位移传感器、力传感器、功率传感器分别通过数据采集卡连接电脑及测试程序，由电脑及测试程序对采集到的数据进行计算处理和保存。该方法可有效计算出圆锥滚子球基面径向磨削力和法向磨削力，可方便适用于圆锥滚子球基面磨削加工过程分析。

Description

圆锥滚子球基面磨削力测量装置及方法

技术领域

本发明涉及一种磨削力测量装置，尤其是一种圆锥滚子球基面磨削力测量装置及方法。

背景技术

圆锥滚子轴承具有能承受高径向载荷的能力，又能同时承受轴向载荷，滚子可实现纯滚动，摩擦系数低；这些优越的性能使得圆锥滚子轴承广泛用于机床、汽车、冶金、航空等行业。圆锥滚子轴承在工作时，圆锥滚子大端的球基面与内圈挡边锥面的接触状况，对润滑条件、接触应力、摩擦磨损、使用寿命等都有重要影响，必须严格控制圆锥滚子球基面的加工精度。圆锥滚子球基面磨削是一种连续成形的磨削方式，与常见的平面磨和外圆切入磨有较大差别，为更好研究圆锥滚子球基面的磨削过程和提高球基面的加工精度，需要测量圆锥滚子球基面磨削力。

圆锥滚子进行球基面磨削时，由于圆锥滚子运动情况的异常复杂性，成形磨削原理的特殊性，以及对球基面的磨削原理缺乏了解，目前没有一种有效的圆锥滚子球基面磨削力测量装置及方法。本发明专利基于圆锥滚子球基面磨削原理，提出了一种圆锥滚子球基面磨削力测量装置及方法，该方法充分考虑到圆锥滚子球基面磨削运动的复杂性，可有效测量出圆锥滚子球基面径向磨削力和法向磨削力，实用性强，可用于研究和分析球基面磨削过程。该圆锥滚子球基面磨削力测量装置及方法对圆锥滚子球基面磨削加工过程分析，优化磨削工艺参数，提高圆锥滚子磨削加工精度具有重要意义。

发明内容

本发明是基于圆锥滚子球基面磨削原理，提出了一种圆锥滚子球基面磨削力测量装置及方法，该方法充分考虑到圆锥滚子球基面磨削运动的复杂性，可有效测量出圆锥滚子球基面径向磨削力和法向磨削力，实用性强，可适用于圆锥滚子球基面磨削加工过程分析。该圆锥滚子球基面磨削力测量装置及方法对圆锥滚子球基面磨削加工过程分析，优化磨削工艺参数，提高圆锥滚子磨削加工精度具有重要意义。

本发明的技术方案是：一种圆锥滚子球基面磨削力测量装置，包括左、右导轮盘、砂轮主轴电机、位移传感器、力传感器、功率传感器，多个所述力传感器固定连接在左、右导轮盘之间，且多个所述力传感器夹分布在左、右导轮盘内侧近边缘处，左、右导轮盘中一个为固定导轮盘，另一个为活动导轮盘，由力传感器测量活动导轮盘对固定导轮盘施加的力，所述左、右导轮盘的外侧外边缘处分别设有位移传感器，用于测量固定导轮盘受力后的变形量；所述功率传感器串联在电源输出端与砂轮主轴电机输入端之间，通过测量砂轮主轴电机的功率来间接测量切向磨削力的大小；所述位移传感器、力传感器、功率传感器分别通过数据采集卡连接电脑及测试程序，由电脑及测试程序对采集到的数据进行计算处理和保存。

进一步，所述力传感器量程为5KN。

进一步，所述位移传感器是一个形状为圆柱体的非接触式电涡流传感器，测量电压范围为0-10伏，测量有效范围为1毫米，测量精度为0.1微米。

进一步，所述位移传感器的测头安装在磁性表座。

一种圆锥滚子球基面磨削力测量方法，采用圆锥滚子球基面磨削力测量装置，其步骤如下：

1)导轮盘刚度测量

首先，将左、右导轮盘中任一个作为固定导轮盘，另一个作为活动导轮盘，转动活动导轮盘手轮，使得活动导轮盘向固定导轮盘移动，向力传感器及固定导轮盘施加力，力的大小为ΔF，位移传感器测量的固定导轮盘的形变量为ΔX，刚度大小的计算公式如式(4)所示：

同理，将n个力传感器分别安装在左、右导轮盘之间n个不同位置上，然后重复上述步骤，分别测量力传感器放置在n个位置的力和位移的大小，测量得到固定导轮盘形变的位移值分别为ΔX₁、ΔX₂、…、ΔX_n；测量的力的值分别为ΔF₁、ΔF₂、…、ΔF_n，采用最小二乘法对测量数据进行数据处理，由式(7)，(8)得到：

式中n为测量次数，右导轮盘刚度大小为K_R，右导轮盘刚度大小为K_L；

2)法向磨削力测量

(1)测量有滚子空转左右导轮盘形变

圆锥滚子正常进出料，砂轮空转不进给，圆锥滚子球基面不磨削，测得左右导轮盘有滚子空转情况下的两个位移传感器的位移数据X_i1，X_i2；

(2)测量正常磨削时左右导轮盘形变

位移传感器位置不变，砂轮进给，球基面正常磨削，测得左右导轮盘正常磨削情况下的两个位移传感器的位移数据X_g1，X_g2；

(3)法向磨削力计算

圆锥滚子进入磨削时，砂轮对圆锥滚子有法向磨削力，使得滚子对两导轮盘有一个正压力F_N，导轮盘与圆锥滚子外圆接触面为一个锥面，锥面角度与滚子锥角相匹配，圆锥滚子对导轮盘就有一个沿导轮盘轴的轴向分力F_Ncosφ，根据静刚度测量结果、导轮盘轴向位移对比测量结果和式(9)可以得到滚子对左右导轮盘的正压力F_N的大小。

在计算出滚子对导轮盘的正压力F_N的大小后，根据式(3)可以计算得到法向磨削力F_n的大小，

F_n＝2F_Nsinφ+2μ₀F_Ncosφ (3)

式中φ为圆锥滚子的半锥角；μ₀为导轮盘与圆锥滚子间摩擦系数；

3)切向磨削力测量

在圆锥滚子球基面磨削时法向磨削力F_n与运动方向垂直，不做功，砂轮主轴电机的输出功率与切向磨削力F_τ的关系可以简化为正相关的；

功率P与切向磨削力F_τ之间的关系如式(10)所示：

式中K为功率系数，v_s为砂轮线速度；通过测量砂轮电机的功率P能较为直接的测量得到切向磨削力F_τ的大小。

本发明的有益效果是：

本发明基于圆锥滚子球基面磨削原理，提出一种圆锥滚子球基面磨削力的计算方法。该方法充分考虑到圆锥滚子的磨削运动轨迹和成形接触弧长，可有效计算出圆锥滚子球基面径向磨削力和法向磨削力，实用性更强，可方便适用于圆锥滚子球基面磨削加工过程分析。该圆锥滚子球基面磨削力计算方法对推动磨削工艺参数优化技术发展，提高圆锥滚子磨削加工精度具有重要意义。

附图说明

图1为圆锥滚子球基面加工原理示意图；

图2为圆锥滚子球基面磨床主要结构；

图3为磨削力示意图；

图4为圆锥滚子受力示意图；

图5为右导轮盘刚度测量示意图；

图6为力传感器安装位置示意图；

图7为左导轮盘刚度测量示意图；

图8为左右导轮盘回转位移测量示意图；

图9为砂轮电机功率测量示意图。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

一、球基面磨削运动原理

圆锥滚子球基面磨床采用连续成形原理磨削圆锥滚子的球基面。如图1和图2所示，圆锥滚子球基面的磨床主要由左导轮盘2、右导轮盘3、隔离盘5和砂轮1四个部分组成。左、右导轮盘2，3转向相反，且转速不同，右导轮盘3转速高于左导轮盘2转速，导轮盘之间的转速差，使得圆锥滚子4自转且公转，圆锥滚子4的公转带动隔离盘5顺时针自转，砂轮1与圆锥滚子4的自转转向相同。

如图1所示，圆锥滚子球基面磨床的凹球面成形砂轮1与水平面有一个30°的倾角，凹球面成形砂轮1的回转中心垂直于两导轮盘的回转中心。为使圆锥滚子4在磨削区域不被反复磨削，砂轮1轴线需向下倾斜一个角度，但砂轮1磨削曲面的曲率中心与隔离盘5回转中心重合。图1中，回转箭头A为隔离盘转向，回转箭头B为左导轮盘转向。

磨削加工过程中，由左、右导轮盘2，3工作锥面对圆锥滚子4锥面进行加紧定位，两导轮盘作反方向旋转运动，带动圆锥滚子4旋转，圆锥滚子4轴线不但通过两导轮盘工作锥面的角平分线，且通过导轮盘回转中心，同时又借助隔离盘5工作面定位，以纠正圆锥滚子4在运动中可能出现其轴线偏离导轮盘回转中心的误差。

假设圆锥滚子球基面磨削时，圆锥滚子4与两导轮盘为刚性接触，滚子圆锥滚子4与左、右导轮盘2，3没有滑动且自转速度稳定，隔离盘5的转速等于两导轮盘转速差的二分之一，圆锥滚子4自转线速度等于右导轮盘3线速度与隔离盘5线速度之差。

二、滚子球基面磨削受力分析

根据圆锥滚子球基面的加工原理，圆锥滚子球基面的磨削是用曲率半径相同的凹球面成形砂轮来磨削。如图3所示，圆锥滚子球基面4-1为半径在r₀与r_w间区域，圆锥滚子球基面4-1磨削时的磨削力可分解为互相垂直的两个分力，即沿砂轮磨削曲面切向的切向磨削力F_τ以及沿砂轮磨削曲面法向的法向磨削力F_n。

圆锥滚子球基面的磨削是在短时间内完成的，砂轮对圆锥滚子的法向磨削力F_n在圆锥滚子完全进入砂轮磨削区域后是瞬间减小的。圆锥滚子在运动到砂轮轴线位置之前，其法向磨削力F_n的大小已为零。

如图3和图4所示，圆锥滚子的主要受力有：砂轮对滚子的法向磨削力F_n和切向磨削力F_τ、圆锥滚子与两个导轮盘的摩擦力F_f和导轮盘对圆锥滚子的正压力F_N，即有一个受力平衡方程：

2F_Nsinφ+2F_fcosφ＝F_n (1)

F_f＝μ₀F_N (2)

由式(1)和式(2)可得：

F_n＝2F_Nsinφ+2μ₀F_Ncosφ (3)

式中φ为圆锥滚子的半锥角；μ₀为导轮盘与圆锥滚子间摩擦系数。

由式(3)知，法向磨削力F_n可由圆锥滚子对导轮盘的正压力F_N表示，只要知道圆锥滚子对导轮盘的正压力F_N就可以得到法向磨削力F_n。

三、导轮盘刚度测量装置及方法

3.1导轮盘刚度测量装置

(1)整套测试装置

法向磨削力测试系统主要包括三部分：位移传感器和力传感器、数据采集卡、电脑及测试程序。两个传感器将采集到的数据，经过数据采集卡，传输到电脑及测试程序，测试程序对采集到的数据进行计算处理和保存。程序的主要功能包括：数据采集及实时显示、数据保存、刚度计算、位移与力关系图绘制、历史数据查询及刚度计算。

(2)力传感器及其安装

力传感器为高为H，直径为D的圆柱体，在传感器上下两侧各有一个长方体法兰，长和宽为a，测量所用的力传感器量程为5KN。如图5所示，两导轮盘一端为固定端，通过相关部件锁死，一端为活动端，可以通过转动导轮盘机座上的手轮对导轮盘进行左右移动。将力传感器6安放在两导轮盘间，安装位置如图6所示，在两导轮盘内侧，半径为R的位置，通过移动活动端导轮盘，将力传感器6夹在两导轮盘间固定，力传感器6用于测量活动导轮盘对固定端导轮盘施加的力。在安装力传感器6时，是通过移动活动端导轮盘，使两导轮盘间距变小来固定力传感器6，此时力传感器6必然有一个初始力，为方便后面的计算和分析，需要使用力传感器6自带的信号归零功能。在安装好力传感器后，每次测量前，需要对力传感器信号进行标定归零处理。

(3)位移传感器及其安装

位移传感器是一个形状为圆柱体的非接触式电涡流传感器，测量所用的位移传感器测量电压范围为0-10伏，测量有效范围为1毫米，测量精度为0.1微米。位移传感器的安装需要一个磁性表座，将位移传感器的测头安装在磁性表座上，然后如图5所示，将位移传感器7测头安装在固定端导轮盘外侧外边缘，调整位移传感器测头，使位移传感器7与导轮盘间距在位移传感器测量范围内，用于测量固定端导轮盘受力后的变形量。

3.2导轮盘刚度测量方法

(1)左导轮盘移动，右导轮盘固定

如图5所示，转动左导轮盘2手轮，使得左导轮盘2向右移动，向力传感器6及右导轮盘3施加力，力的大小为ΔF_R1，位移传感器7测量的右导轮盘3的形变量为ΔX_R1，刚度大小的计算公式如式(4)所示。

根据公式(4)得到刚度的测量结果K_R1，大小如式(5)所示。

同理，将力传感器6安装在如图6所示的12个不同位置，然后重复上述步骤，分别测量力传感器放置在12个位置的力和位移的大小，测量得到右导轮盘3形变的位移值分别为ΔX_R1、ΔX_R2、…、ΔX_R12；测量的力的值分别为ΔF_R1、ΔF_R2、…、ΔF_R12。根据刚度计算公式(4)知，测量力的大小与形变大小应呈线性相关，右导轮盘刚度的大小为斜率，为减小误差，采用最小二乘法对测量数据进行数据处理，最小二乘法相关公式如式(6)所示，

根据式(6)得

式中n为测量次数，大小为12，根据式(7)求得右导轮盘刚度大小为K_R

(2)右导轮盘移动，左导轮盘固定

如图7所示，将左导轮盘2定为固定端，右导轮盘3作为活动端，将位移传感器7安装在左导轮盘2外侧外边缘，然乎重复上述步骤，完成左导轮盘2系统刚度测量。当右导轮盘3为活动端，左导轮盘2为固定端，测量得到左导轮盘形变的位移变化值分别为ΔX_L1、ΔX_L2、…、ΔX_L12；测量的力的值分别为ΔF_L1、ΔF_L2、…、ΔF_L12；根据式(6)可以得到左导轮盘刚度K_L大小，左导轮盘刚度K_L的大小如式(8)所示。

四、法向磨削力测量装置及方法

4.1法向磨削力测量装置

法向磨削力测量装置主要包括三部分：两个位移传感器、数据采集卡、电脑及测试程序。法向磨削力测量使用的位移传感器与导轮盘刚度测量使用的位移传感器相同。单个位移传感器的安装需要一个磁性表座，将位移传感器的测头安装在磁性表座上，如图8所示，将位移传感器一7-1和位移传感器二7-2分别安装在左导轮盘2左侧外边缘和右导轮盘3右侧外边缘。

4.2法向磨削力测量方法

(1)测量有滚子空转左右导轮盘形变

圆锥滚子正常进出料，砂轮空转不进给，圆锥滚子球基面不磨削，其它一切正常运行，测得左右导轮盘有滚子空转情况下的两个位移传感器的位移数据X_i1，X_i2；

(2)测量正常磨削时左右导轮盘形变

位移传感器位置不变，砂轮进给，球基面正常磨削，测得左右导轮盘正常磨削情况下的两个位移传感器的位移数据X_g1，X_g2。

(3)法向磨削力计算

根据圆锥滚子球基面的磨削原理及受力分析可知，圆锥滚子进入磨削时，砂轮对圆锥滚子有法向磨削力，使得滚子对两导轮盘有一个正压力F_N，导轮盘与圆锥滚子外圆接触面为一个锥面，锥面角度与滚子锥角相匹配，圆锥滚子对导轮盘就有一个沿导轮盘轴的轴向分力F_Ncosφ。根据静刚度测量结果、导轮盘轴向位移对比测量结果和式(9)可以得到滚子对左右导轮盘的正压力F_N的大小。

在计算出滚子对导轮盘的正压力F_N的大小后，根据式(3)可以计算得到法向磨削力F_n的大小。

五、切向磨削力测量装置及方法

5.1切向磨削力测量装置

切向磨削力测试系统主要包括三部分：功率传感器、数据采集卡、电脑及测试程序。功率传感器将采集到的数据，经过数据采集卡，传输到电脑及测试程序，测试程序对采集到的数据进行计算处理和保存。程序的主要功能包括：数据采集及实时显示、数据保存、功率转换计算、历史数据查询。如图9所示，功率传感器串联在电源输出端与砂轮电机输入端之间。

5.2切向磨削力测量测试方法

根据图9所示的功率测量原理，将功率传感器串联在电源输出端与砂轮电机输入端之间，通过测量砂轮主轴电机的功率来间接测量切向磨削力的大小。

根据图3所示，在圆锥滚子球基面磨削时法向磨削力F_n与运动方向垂直，不做功，砂轮主轴电机的输出功率与切向磨削力F_τ的关系可以简化为正相关的。

功率P与切向磨削力F_τ之间的关系如式(10)所示：

式中K为功率系数，其大小取决于磨削条件；v_s为砂轮线速度。

式中的K是一个定值，其大小可以根据磨削力模型的计算结果与相关测试实验来确定；v_s是磨削加工工艺参数，在加工中是一个确定的数值；因此通过测量砂轮电机的功率P能较为直接的测量得到切向磨削力F_τ的大小。

Claims (5)

1.一种圆锥滚子球基面磨削力测量装置，包括左、右导轮盘、砂轮主轴电机、位移传感器、力传感器、功率传感器，其特征在于：多个所述力传感器固定连接在左、右导轮盘之间，且多个所述力传感器夹分布在左、右导轮盘内侧近边缘处，左、右导轮盘中一个为固定导轮盘，另一个为活动导轮盘，由力传感器测量活动导轮盘对固定导轮盘施加的力，所述左、右导轮盘的外侧外边缘处分别设有位移传感器，用于测量固定导轮盘受力后的变形量；所述功率传感器串联在电源输出端与砂轮主轴电机输入端之间，通过测量砂轮主轴电机的功率来间接测量切向磨削力的大小；所述位移传感器、力传感器、功率传感器分别通过数据采集卡连接电脑及测试程序，由电脑及测试程序对采集到的数据进行计算处理和保存。

2.根据权利要求1所述的圆锥滚子球基面磨削力测量装置，其特征在于：所述力传感器量程为5KN。

3.根据权利要求1所述的圆锥滚子球基面磨削力测量装置，其特征在于：所述位移传感器是一个形状为圆柱体的非接触式电涡流传感器，测量电压范围为0-10伏，测量有效范围为1毫米，测量精度为0.1微米。

4.根据权利要求1所述的圆锥滚子球基面磨削力测量装置，其特征在于：所述位移传感器的测头安装在磁性表座。

5.一种圆锥滚子球基面磨削力测量方法，采用权利要求1-4任一所述的圆锥滚子球基面磨削力测量装置，其特征在于，其步骤如下：

1)导轮盘刚度测量

首先，将左、右导轮盘中任一个作为固定导轮盘，另一个作为活动导轮盘，转动活动导轮盘手轮，使得活动导轮盘向固定导轮盘移动，向力传感器及固定导轮盘施加力，力的大小为ΔF，位移传感器测量的固定导轮盘的形变量为ΔX，刚度大小的计算公式如式(4)所示：

同理，将n个力传感器分别安装在左、右导轮盘之间n个不同位置上，然后重复上述步骤，分别测量力传感器放置在n个位置的力和位移的大小，测量得到固定导轮盘形变的位移值分别为ΔX₁、ΔX₂、…、ΔX_n；测量的力的值分别为ΔF₁、ΔF₂、…、ΔF_n，采用最小二乘法对测量数据进行数据处理，由式(7)，(8)得到：

式中n为测量次数，右导轮盘刚度大小为K_R，右导轮盘刚度大小为K_L；

2)法向磨削力测量

(1)测量有滚子空转左右导轮盘形变

圆锥滚子正常进出料，砂轮空转不进给，圆锥滚子球基面不磨削，测得左右导轮盘有滚子空转情况下的两个位移传感器的位移数据X_i1，X_i2；

(2)测量正常磨削时左右导轮盘形变

位移传感器位置不变，砂轮进给，球基面正常磨削，测得左右导轮盘正常磨削情况下的两个位移传感器的位移数据X_g1，X_g2；

(3)法向磨削力计算

圆锥滚子进入磨削时，砂轮对圆锥滚子有法向磨削力，使得滚子对两导轮盘有一个正压力F_N，导轮盘与圆锥滚子外圆接触面为一个锥面，锥面角度与滚子锥角相匹配，圆锥滚子对导轮盘就有一个沿导轮盘轴的轴向分力F_Ncosφ，根据静刚度测量结果、导轮盘轴向位移对比测量结果和式(9)可以得到滚子对左右导轮盘的正压力F_N的大小。

在计算出滚子对导轮盘的正压力F_N的大小后，根据式(3)可以计算得到法向磨削力F_n的大小，

F_n＝2F_Nsinφ+2μ₀F_Ncosφ (3)

式中φ为圆锥滚子的半锥角；μ₀为导轮盘与圆锥滚子间摩擦系数；

3)切向磨削力测量

在圆锥滚子球基面磨削时法向磨削力F_n与运动方向垂直，不做功，砂轮主轴电机的输出功率与切向磨削力F_τ的关系可以简化为正相关的；

功率P与切向磨削力F_τ之间的关系如式(10)所示：

式中K为功率系数，v_s为砂轮线速度；通过测量砂轮电机的功率P能较为直接的测量得到切向磨削力F_τ的大小。