CN111222258B - 一种基于金刚石磨粒晶面方向性的砂轮磨削性能分类方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于金刚石磨粒晶面方向性的砂轮磨削性能分类方法，包括以下步骤：根据砂轮生产工艺，选取相应粒度、品种和形貌的金刚石磨粒待评价；进行三维数据采集工作，对所选的金刚石磨粒进行三维参数检测，构建仿真磨粒三维数据库；在虚拟空间内进行晶面方向性仿真，输入砂轮目标浓度，设定砂轮结块空间，调用仿真磨粒三维数据库，随机赋予每一颗磨粒（X，Y，Z，A，B，C）坐标，控制磨粒中心点在砂轮结块空间内，统计更新砂轮浓度变化，达到目标值后，仿真停止，输出空间分布仿真的砂轮结块；给定磨削深度，统计结块内磨粒的分布状态。本方法在不进行破坏性评价测试的同时，保证了对砂轮磨削性能的评价需求。
Description
技术领域
本发明涉及砂轮制造生产领域，具体涉及一种基于金刚石磨粒晶面方向性的砂轮磨削性能分类方法。
背景技术
在机械制造过程中，磨削是其中非常重要的一种加工方式，其可以加工制造出高精度、低表面粗糙度的工件，其可加工的材料包括但不限于硬脆性材料、金属等，应用场景多样。
而在磨削过程中，使用的工具主要为各种类型的砂轮，按照磨料类型有金刚石砂轮、CBN砂轮等，按照制造方式区分则有电镀砂轮、结合剂砂轮以及钎焊砂轮等，按照形状区分有平形砂轮、斜边砂轮、筒形砂轮、杯形砂轮、碟形砂轮等。其种类繁多，且应用量广泛，因此，对生产出的砂轮进行磨削性能评价是有必要的。
但是在实际过程中，砂轮的磨削性能评价往往被忽视，导致砂轮在使用过程中的性能变化无法预知。目前，部分研究生产人员逐渐意识到这个问题，开始尝试使用各种方法评价砂轮的磨削性能，但是现在的方法一般都基于已生产的某一个或某几个砂轮成品，不具有广泛代表性。另外，这些测试评价方法对砂轮本身还会有损耗，属于破坏性实验，导致不必要的浪费。
针对砂轮的磨削性能评价的问题，“钎焊金刚石磨料耐磨性能评价装置及测量方法”(专利号：CN200710191002.3，申请日期：2007.12.03)专利中公开了一种金刚石砂轮磨料性能评价的方法。该评价方法具有一个实体测试装置，包括步进电机、减速器、单座标工作台、金刚石磨料节块、工件及卧轴矩台平面磨床等。通过工件长时间的旋转运动，使得金刚石磨料磨损到一定的磨损高度，通过对比不同磨料的磨损时间，即可对比这两种磨料的磨削性能。然而，该专利的方法具有一定的破坏性，无法实际应用到每一个砂轮成品上，因此无法给与每个砂轮磨削性评价，不具有实际的工业应用价值。
发明内容
本发明的目的是针对现有的砂轮评价需求提出一种新思路，提供一种基于金刚石磨粒晶面方向性的砂轮磨削性能分类方法，该方法无需对砂轮成品进行破坏性试验，只需要在砂轮生产前统计金刚石磨粒的三维数据，建立三维数据库，即可通过AutoLisp编写的晶面方向性仿真方法，控制浓度、结块大小，赋予随机三维坐标，给出近乎实际情况的结块仿真结果。通过统计结块仿真结果的磨粒晶向、晶面偏角等特征参数，即可给出该砂轮的磨削性能评价结果。在不进行破坏性评价测试的同时，保证了对砂轮磨削性能的评价需求，在砂轮的生产选料过程中提供指导依据，具有工业应用价值。
为解决上述技术问题，本发明提出一种基于金刚石磨粒晶面方向性的砂轮磨削性能分类方法，包括磨粒挑选、三维数据采集、晶面方向性仿真、数据统计评价等步骤，具体如下：包括
磨粒挑选步骤，①根据砂轮的生产工艺需求，预先选取对应要求的粒度、品种和形貌的金刚石磨粒作为仿真磨粒；
数据采集步骤，②进行三维数据采集工作，采集仿真磨粒的三维数据，建立仿真磨粒的三维数据库；
晶面方向性仿真步骤，③在虚拟空间内进行晶面方向性仿真，根据砂轮的生产工艺需求，输入砂轮目标浓度，设定砂轮结块空间，调用仿真磨粒的三维数据库，随机赋予每一颗磨粒的(X，Y，Z，A，B，C)三维坐标，其中，X，Y，Z表示磨粒三维空间位置坐标，A，B，C分别表示磨粒分别绕X，Y，Z轴的旋转角度，通过程序控制磨粒中心点在砂轮结块空间内，实时统计更新砂轮浓度变化，当砂轮结块即时浓度大于或等于设定的砂轮目标浓度时，仿真停止，输出空间分布仿真的砂轮结块；
数据统计评价步骤，④给定磨削深度，统计砂轮结块内磨粒的分布状态，包括磨粒晶向、晶面偏角等参数，给出该砂轮的磨削性能评价结果。
进一步地，所述金刚石磨粒的粒度为#16～#400。所述金刚石磨粒的品级为RVD或MBD。
采用#16～#400的原因在于金刚石磨粒的磨削加工性能与磨粒大小相关，#16以下以及#400以上的金刚石不具有较好的磨削性能，因此不考虑这部分磨粒的晶面方向性仿真评价。
进一步地，在步骤②中所述的仿真磨粒的三维数据库，其具体三维数据由激光共聚焦空间形貌仪检测采集。
进一步地，在步骤③中所述的砂轮目标浓度为25％～200％。
进一步地，在步骤③中所述的砂轮结块空间的形状结构为一个长方体，原点在长方体的顶点上且位于坐标(0，0，0)处，其最小体积大于任意单颗金刚石磨粒的体积。
进一步地，在步骤③中所述的随机赋予每一颗磨粒的(X，Y，Z，A，B，C)三维坐标，其六个空间坐标值相互独立不受干扰，且X，Y，Z值均位于砂轮结块空间内部，A，B，C的取值范围为0°～360°。
进一步地，在步骤③中所述的仿真停止的条件为：
式中，Pt为实时更新的砂轮结块即时浓度，N为仿真磨粒的三维数据库中磨粒的种类数，n为整个仿真过程循环的次数，Vi为仿真磨粒三维数据库中第i颗磨粒的体积，V结块为砂轮结块空间的体积，P为设定的砂轮目标浓度。
进一步地，在步骤④中所述的统计砂轮结块内磨粒的分布状态，首先在仿真的砂轮结块上任意选取一个深度L1，此时该深度L1以上所有结合剂均被去除，其中砂轮结块中的金刚石磨粒有条件保留，其保留条件为：
Li/SRi≤0.5 i∈R (2)
式中，Li为第i颗金刚石磨粒质心到该深度L1的垂直距离，SRi为第i颗金刚石磨粒的粒径
在保留的金刚石磨粒中，给予任意磨削深度ap，统计此时有效磨粒数及其晶向、晶面偏角等参数，计算砂轮结块的磨削性能，其计算公式如下：
式中，Fx、Fy和Fz分别为金刚石磨粒受到的磨削方向和工件法线方向的力，可通过同类型磨粒的磨削实验测量，θx、θy和θz分别为Fx、fy和Fz与其延磨削方向在晶面投影的夹角，Ft为磨削过程中加载在金刚石磨粒上的正压力，Ff为金刚石磨粒前刀面在磨削过程中受到的摩擦力，μ(θG)为晶面摩擦力，其值需结合晶面偏角θG查询经验数据。
根据以下公式计算所有有效磨粒数的摩擦力之和，即可对比得出砂轮的磨削性能优劣，从而完成分类评价：
进一步地，仿真过程中，如果仿真磨粒的三维数据库内磨粒种类数为1，则最终评价的砂轮的磨削性能，同时也反映了该颗磨粒的磨削性能。
进一步地，所述分类方法在AutoCAD环境中实现，其中编程语言采用AutoLisp。
本发明与现有技术相比具有以下的有益效果：
1.在不对砂轮成品进行破坏性评价测试的同时，保证了对砂轮磨削性能的评价需求，在砂轮的生产选料过程中提供指导依据；
2.在砂轮成品生产完成后，可以立即将评价结果以标签形式贴于说明书上，且不干扰正常生产过程；
3.本发明不仅可以评价一个砂轮成品的磨削性能，在晶面方向性仿真磨粒的三维数据库中仅有一颗磨粒时，评价结果可作为该种磨粒的磨削性能参考。
附图说明
图1一种基于金刚石磨粒晶面方向性的砂轮磨削性能分类方法流程图。
图2a分类方法砂轮结块外部示意图；
图2b分类方法砂轮结块内部示意图。
图3a分类方法砂轮结块中磨粒保留前的示意图；
图3b分类方法砂轮结块中磨粒保留后的结果图。
图4a磨粒晶面偏角及摩擦力示意图；
图4b磨粒晶向角示意图。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
在金刚石磨粒砂轮生产过程中，根据不同的加工性能需求，会选择不同的粒度、品种和形貌的金刚石磨粒，该实施例的晶面方向性仿真过程考虑了金刚石磨粒粒度、品种和形貌多等因素，在磨粒选定后按照生产工艺要求，即可通过该方法实现对砂轮的磨削性能的评价。其基本流程图如图1所示。
图1所示为本发明提供的一种基于金刚石磨粒晶面方向性的砂轮磨削性能分类方法流程图。以下根据图1对该实施例的砂轮磨削性能评价方法对每个步骤作详细描述说明。
步骤S111，磨粒挑选，选取待评价的金刚石磨粒N颗作为仿真磨粒，这里N的取值为大于等于1的正整数。该步骤中挑选的N颗金刚石磨粒均不相同，因此N代表的既是金刚石磨粒的颗数也是金刚石磨粒的种类数。如果N＝1，则表明金刚石磨粒只有1种，仿真结果可以视为该种金刚石磨粒的性能。
一般来说，在金刚石砂轮的生产过程中，需要根据生产的工艺需求，挑选符合工艺要求的金刚石磨粒，所需要挑选的参数包括金刚石磨粒的粒度、品种和形貌，使磨粒在粒度、性能等方面尽可能一致。这种挑选方法是以线下的方式人工挑选。
步骤S112，数据采集，采集仿真磨粒的三维数据，建立仿真磨粒的三维数据库。
选择N颗金刚石磨粒后，需要进行三维实体到三维模型数据之间的转换，在该实施例中，这一步骤通过线下实验检测得到，其三维模型格式存储为*.DWG。
步骤S113，输入仿真空间坐标。
在该步骤中，需要在空间中设定一个结块区域，后续仿真过程将在此区域内进行，该区域必有一个边界点的坐标为(0，0，0)。在本实施例中，选择长方体空间为例，输入(500，500，500)，则在空间中形成一个以(0，0，0)和(500，500，500)为顶点的长方体结块空间，其单位为微米。
步骤S114，调用仿真磨粒的三维数据库。
在该步骤中，需要先在AutoCAD软件中以块的形式插入建立好的仿真磨粒三维数据库。
步骤S115，输入金刚石磨粒的粒径SR。
在该步骤中，因为金刚石磨粒的三维数据实验检测存在一定的检测误差，需要对金刚石磨粒的三维模型进行一定的修正缩放。例如，如若认为误差可以忽略，则粒径SR可以选择与检测值保持一致。
步骤S116，输入砂轮的目标浓度P。
在该步骤中，根据砂轮生产的工艺需求，在输入框中输入晶面方向性仿真的目标浓度，在砂轮工艺参数中，金刚石砂轮的浓度与金刚石磨粒的总体积在砂轮总体积中的占比相关，在本分类方法中，浓度的可选择范围为25％～200％。例如，本实施例选择50％。
步骤S117，启动仿真流程，仿真循环开始。
在本步骤中，首先在AutoCAD的命令框内输入仿真启动指令，回车启动，此时本方法的晶面方向性仿真程序正式启动，循环开始。
步骤S118，判断本仿真过程中金刚石磨粒的种类数N是否大于1。
在本步骤中，需要判断种类数N与1的关系，其中，N指的是前序步骤所采集的金刚石磨粒种类数。如果N等于1，表示前序步骤仅采集到一种金刚石磨粒，那么程序将进入S129运行，在晶面方向性仿真的基础上对该颗磨粒的磨削性能进行评价；若果N大于1，则表示前序步骤采集到了多种金刚石磨粒的三维信息，则程序进入S119运行，对这批金刚石磨粒所对应的砂轮成品进行磨削性评价。
步骤S119，选取第i颗金刚石磨粒，回车运行。
在本步骤中，进入循环，选择仿真磨粒的数据库中的第1颗磨粒，回车，程序给与其一个随机的空间位置与其分别绕X，Y，Z轴的旋转角度，进入下一步。
步骤S1110，判断i与磨粒种类数N的关系。
在本步骤中，如果i小于仿真磨粒的数据库中的磨粒的种类数N，表示仿真程序还没有对所有种类的磨粒进行仿真，程序回到S119运行，且i在自身基础上加1，循环直到i与N相等时，表示N种磨粒均在砂轮结块中存在，循环跳出，进入下一步。
步骤S1111，判断砂轮结块即时浓度。
在本步骤中，比对晶面方向性仿真得到的砂轮结块即时浓度Pt与设定的砂轮目标浓度P，如果Pt小于P，则仿真终止条件未达到，仿真跳回S119运行，且i重新赋值为1，仿真继续进行；如果Pt大于等于P，则晶面方向性仿真终止条件已达到，循环终止，进入下一步。仿真结果如图2a所示，图2b为结块内部示意图。
仿真终止条件为：
式中，Pt为实时更新的砂轮结块即时浓度，N为仿真磨粒的三维数据库中磨粒的种类数，n为整个仿真过程循环的次数，Vi为仿真磨粒三维数据库中第i颗磨粒的体积，V结块为砂轮结块空间的体积，P为设定的砂轮目标浓度。
步骤S1112，砂轮结块性能计算。
在本步骤中，首先给定一个深度L1，在该深度条件下，将其上层的结合剂完全剥离，其上层的磨粒有条件保留，保留条件为：
Li/SRi≤0.5 i∈R (2)
式中，Li为第i颗金刚石磨粒质心到该深度L1的垂直距离，SRi为第i颗金刚石磨粒的粒径。在保留的金刚石磨粒中，给予任意磨削深度ap，统计此时有效磨粒数及这些磨粒的磨粒晶向角θG、晶面偏角θx、θy和θz等特征参数。
步骤S1113，砂轮性能评价分类。
在本步骤中，对统计的参数进行计算，计算公式如下，给出砂轮磨削性能的评价值。
式中，Fx、Fy和Fz分别为金刚石磨粒受到的磨削方向和工件法线方向的力，可通过同类型磨粒的磨削实验测量，θx、θy和θz分别为Fx、Fy和Fz与其延磨削方向在晶面投影的夹角，Ft为磨削过程中加载在金刚石磨粒上的正压力，Ff为金刚石磨粒前刀面在磨削过程中受到的摩擦力，μ(θG)为晶面摩擦系数，其值需结合晶面偏角θG查询经验数据，该经验数据可参阅文献[袁哲俊.金刚石刀具最佳晶面的选择[J].机械工艺师.1993.1：10-11]中的图3。
根据以下公式计算所有有效磨粒数的摩擦力之和，即可对比得出砂轮的磨削性能优劣，从而完成分类评价：
如果在步骤S118中的判断结果为否，那么程序将进入S129运行。
步骤S129，该步骤中若金刚石磨粒数小于1时，则回到S111，若金刚石磨粒种类数为1，选取金刚石磨粒，回车运行，此时该步骤与步骤S119的具体过程基本相同。金刚石磨粒种类数为1时，最终评价的是砂轮的磨削性能，同时也反映了该颗磨粒的磨削性能。
步骤S129结束后进入步骤S1210。
步骤S1210，判断砂轮结块即时浓度。该步骤与步骤S1111基本相同。
步骤S1211，砂轮结块性能计算。该步骤与步骤S1112基本相同。
步骤S1212，磨粒性能评价。该步骤与步骤S1113基本相同，其唯一差异在于，本步骤所评价的砂轮结块中仅包含一种金刚石磨粒。
以上实施例的一种磨粒晶面空间分布仿真的砂轮磨削性能分类方法，整个评价过程中几乎全部在计算机程序运行中实现，无需对砂轮成品进行破坏式实验检测，同时，能够在砂轮成品出厂的同时对砂轮磨削性能进行定义。另外，整个过程大部分在计算机内自动完成，具有高效、准确、操作简单、适合于多产品同时计算的特点。经过实验验证，该方法在工业应用中具有实际的参考价值。
在不偏离本发明的精神和范围的情况下还可以构成许多有很大差别的实施例。应当理解，除了如所附的权利要求所限定的，本发明不限于在说明书中所述的具体实施例。
Claims (9)
1.一种基于金刚石磨粒晶面方向性的砂轮磨削性能分类方法，其特征在于，包括以下步骤：
①根据砂轮的生产工艺需求，预先选取对应要求的粒度、品种和形貌的金刚石磨粒作为仿真磨粒；
②进行三维数据采集工作，采集仿真磨粒的三维数据，建立仿真磨粒的三维数据库；
③在虚拟空间内进行晶面方向性仿真，根据砂轮的生产工艺需求，输入砂轮的目标浓度，设定砂轮结块空间，调用仿真磨粒的三维数据库，随机赋予每一颗磨粒的(X，Y，Z，A，B，C)三维坐标，其中，X，Y，Z表示磨粒三维空间位置坐标，A，B，C分别表示磨粒分别绕X，Y，Z轴的旋转角度，控制磨粒中心点坐标在砂轮结块空间坐标范围内，实时统计更新砂轮浓度变化，当砂轮结块即时浓度大于或等于设定的砂轮目标浓度时，仿真停止，输出空间分布仿真的砂轮结块；
④给定磨削深度，统计砂轮结块内磨粒的分布状态，包括磨粒晶向、晶面偏角参数，给出该砂轮的磨削性能评价结果；所述的统计砂轮结块内磨粒的分布状态，首先在仿真的砂轮结块上任意选取一个深度L1，此时该深度L1以上所有结合剂均被去除，其中砂轮结块中的金刚石磨粒有条件保留，其保留条件为：Li/SRi≤0.5i∈R(2)式中，Li为第i颗金刚石磨粒质心到该深度L1的垂直距离，SRi为第i颗金刚石磨粒的粒径；
在保留的金刚石磨粒中，给予任意磨削深度ap，统计此时有效磨粒数及其晶向、晶面偏角参数，计算砂轮结块的磨削性能，其计算公式如下：
式中，Fx、Fy和Fz分别为金刚石磨粒受到的磨削方向和工件法线方向的力，可通过同类型磨粒的磨削实验测量，θx、θy和θz分别为Fx、Fy和Fz与其延磨削方向在晶面投影的夹角，Ft为磨削过程中加载在金刚石磨粒上的正压力，Ff为金刚石磨粒前刀面在磨削过程中受到的摩擦力，μ(θG)为晶面摩擦系数，其值需结合晶面偏角θG查询经验数据；
根据以下公式计算所有有效磨粒数的摩擦力之和，即可对比得出砂轮的磨削性能优劣，从而完成分类评价：
2.根据权利要求1所述的一种基于金刚石磨粒晶面方向性的砂轮磨削性能分类方法，其特征在于：在步骤①中所述金刚石磨粒的粒度为#16～#400，所述金刚石磨粒的品级为RVD或MBD。
3.根据权利要求1所述的一种基于金刚石磨粒晶面方向性的砂轮磨削性能分类方法，其特征在于：在步骤②中所述的仿真磨粒的三维数据库，其具体三维数据由激光共聚焦空间形貌仪检测采集。
4.根据权利要求1所述的一种基于金刚石磨粒晶面方向性的砂轮磨削性能分类方法，其特征在于：在步骤③中所述的砂轮目标浓度为25％～200％。
5.根据权利要求1所述的一种基于金刚石磨粒晶面方向性的砂轮磨削性能分类方法，其特征在于：在步骤③中所述的砂轮结块空间的形状结构为一个长方体，原点在长方体的顶点上且位于坐标(0，0，0)处，其最小体积大于任意单颗金刚石磨粒的体积。
6.根据权利要求1所述的一种基于金刚石磨粒晶面方向性的砂轮磨削性能分类方法，其特征在于：在步骤③中所述的随机赋予每一颗磨粒的(X，Y，Z，A，B，C)三维坐标，其六个空间坐标值相互独立不受干扰，且X，Y，Z值均位于砂轮结块空间内部，A，B，C的取值范围为0°～360°。
7.根据权利要求1所述的一种基于金刚石磨粒晶面方向性的砂轮磨削性能分类方法，其特征在于：在步骤③中所述的仿真停止的条件为：
式中，Pt为实时更新的砂轮结块即时浓度，N为仿真磨粒的三维数据库中磨粒的种类数，n为整个仿真过程循环的次数，Vi为仿真磨粒三维数据库中第i颗磨粒的体积，V结块为砂轮结块空间的体积，P为设定的砂轮目标浓度。
8.根据权利要求1所述的一种基于金刚石磨粒晶面方向性的砂轮磨削性能分类方法，其特征在于：仿真过程中，如果仿真磨粒的三维数据库内磨粒种类数为1，则最终评价的砂轮的磨削性能，同时也反映了该颗磨粒的磨削性能。
9.根据权利要求1所述的一种基于金刚石磨粒晶面方向性的砂轮磨削性能分类方法，其特征在于：所述分类方法在AutoCAD环境中实现，其中编程语言采用AutoLisp。
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