基于磨削力模型的外圓切入磨削聲發(fā)射信號研究*

遲玉倫 李郝林 林獻坤

?

基于磨削力模型的外圓切入磨削聲發(fā)射信號研究*

遲玉倫 李郝林 林獻坤

（上海理工大學(xué)機械工程學(xué)院 上海 200093）

磨削過程中磨削力與聲發(fā)射信號均方根值有較強的對應(yīng)關(guān)系，對工件表面加工質(zhì)量有很大影響。為便于研究外圓切入磨削質(zhì)量和效率，在基于外圓切入磨削力的數(shù)學(xué)模型研究基礎(chǔ)上，建立了聲發(fā)射信號AERMS與徑向進給速度、砂輪線速度及工件線速度的關(guān)系模型。通過磨削實驗研究結(jié)果，驗證了上述方法的有效性和實用性。

外圓切入磨削 磨削力 聲發(fā)射信號 數(shù)學(xué)模型

磨削力與機床磨削系統(tǒng)的變形有很大關(guān)系，是磨削熱及磨削振動的重要原因，直接影響工件的最終表面加工質(zhì)量[1,3]。磨削力主要來自于磨削過程中工件材料發(fā)生彈性、塑性變形和切屑形成時所產(chǎn)生的阻力、磨粒與工件表面之間的摩擦力[4,5]。但實際磨削加工中的磨削力測量較為困難，特別是在內(nèi)圓磨削、外圓磨削和無心磨削等磨削過程，難以有效實現(xiàn)磨削力實時在線測量。隨著聲發(fā)射技術(shù)的快速發(fā)展，近幾年國內(nèi)外很多學(xué)者對磨削過程中聲發(fā)射信號與磨削力、工件表面質(zhì)量關(guān)系進行了大量研究工作。J.Webster等[6]對磨削過程中聲發(fā)射信號與工件質(zhì)量進行了實驗研究，并驗證了在不同磨削深度下聲發(fā)射信號與磨削法向力有一定的對應(yīng)關(guān)系。Tawakoli[7]對聲發(fā)射均方根值信號與力信號關(guān)系進行了大量磨削實驗研究，分別在不同磨削工藝參數(shù)下同時測試法向磨削力與聲發(fā)射信號的均方根值（AERMS）之間的對應(yīng)關(guān)系，如下圖1～圖3所示，并得出不同磨削工藝參數(shù)下聲發(fā)射信號AERMS值與法向磨削力n成一定比例關(guān)系。

圖1 法向磨削力Fn、聲發(fā)射信號AERMS與磨削深度αe曲線圖

圖2 法向磨削力Fn、聲發(fā)射信號AERMS與砂輪線速度vs曲線圖

圖3 法向磨削力Fn、聲發(fā)射信號AERMS與工件進給速度vf曲線圖

根據(jù)上述分析研究，磨削過程中的聲發(fā)射信號的RMS值與磨削力的變化幅度成線性比例關(guān)系，磨削力的變化幅度越小，AE信號的變化幅度也越小；反之，磨削力的變化幅度越大，AE信號的變化幅度也越大。為便于研究外圓切入磨削質(zhì)量和效率，基于外圓切入磨削力的數(shù)學(xué)模型，研究建立了聲發(fā)射信號AERMS與徑向進給速度、砂輪線速度及工件線速度的關(guān)系模型。最后，通過磨削實驗研究結(jié)果，驗證了上述方法的有效性和實用性。

1 聲發(fā)射AERMS數(shù)學(xué)模型

磨削力由切屑變形力和摩擦力構(gòu)成。G.Werner建立了作為主要磨削參數(shù)的磨削力數(shù)學(xué)模型[9]，其建立過程如下所示。

圖4 外圓磨削示意圖

靜態(tài)切削刃c1密度函數(shù)相對于砂輪接觸長度變量處的單位砂輪表面嚙合切削刃數(shù)dyn（）,如圖4所示，其式如下：

接觸區(qū)內(nèi)某一點處的單位接觸面積的法向磨削力可以表示為

2 實驗研究

2.1 實驗

如圖1所示，磨削實驗機床型號為Schleifring K-C33精密數(shù)控內(nèi)外圓磨床。磨床主軸轉(zhuǎn)速為1～1500 r/min，最小進給量為0.1 um；砂輪型號450×61×203.2A80L15V；實驗工件直徑為60 mm，長度為120 mm，工件材料為45鋼，通過雙頂尖將其固定；磨削液選用水溶性磨削油TY 101S，其濃度配比為9%，實驗?zāi)ハ骷庸み^程如下圖5所示。

圖5 磨削實驗圖

使用DITTEL AE6000聲發(fā)射傳感器，聲發(fā)射傳感器安裝在機床尾架的半頂尖上，采集板卡型號為Spectrum M1.3120，采集軟件使用DEWESoft（版本6.31SE），聲發(fā)射信號采樣頻率為10 kHz。

該實驗?zāi)康氖欠治鲅芯烤ルA段不同磨削深度、進給速度、砂輪線速度和工件線速度等工藝參數(shù)對聲發(fā)射信號AERMS值的影響，驗證上述聲發(fā)射模型式（6）的準(zhǔn)確性。實驗中所選用不同的磨削加工參數(shù)，使用單因素法對上述公式（6）模型進行實驗驗證，本試驗的磨削加工參數(shù)數(shù)據(jù)及AERMS測量結(jié)果，如下表1所示。

表1 磨削實驗數(shù)據(jù)表

2.2 分析與討論

在使用不同磨削加工工藝參數(shù)磨削時，經(jīng)上述最小二乘法式（6）計算求出聲發(fā)射數(shù)學(xué)模型（5）中各系數(shù)。將不同磨削工藝參數(shù)代入式（5）后計算出聲發(fā)射AERMS值，并將不同磨削工藝參數(shù)下的數(shù)學(xué)模型式（5）計算AERMS值與磨削實驗測量的聲發(fā)射AERMS值進行比較，如圖6、圖7和圖8所示。

根據(jù)上述不同磨削工藝參數(shù)下磨削實驗測量的聲發(fā)射AERMS值與模型式（6）計算的AERMS值比較，實驗測量結(jié)果與模型計算結(jié)果具有很強的對應(yīng)關(guān)系，驗證了上述模型式（6）的有效性。聲發(fā)射信號AERMS值隨著徑向進給速度的增大而顯著增大，而隨著砂輪轉(zhuǎn)速和工件轉(zhuǎn)速的增大則變化不大，這與磨削力變化規(guī)律基本一致。

圖6 實驗測量和模型計算AERMS值隨磨削深度變化圖

圖7 實驗測量和模型計算AERMS值隨砂輪速度變化圖

圖8 實驗測量和模型計算AERMS值隨工件速度變化圖

3 結(jié)語

在外圓切入磨削力模型基礎(chǔ)上，對磨削過程中的聲發(fā)射信號做了大量研究，其總結(jié)如下：

（1）研究了不同磨削加工工藝參數(shù)的磨削過程，發(fā)現(xiàn)磨削力值與聲發(fā)射信號AERMS值具有一定的線性對應(yīng)關(guān)系，并依據(jù)磨削力模型建立了聲發(fā)射信號AERMS模型公式。

（2）通過外圓切入磨削實驗，研究了磨削過程中不同徑向進給速度、砂輪線速度和工件線速度等加工工藝參數(shù)對聲發(fā)射信號AERMS值的影響，通過比較實驗測量的聲發(fā)射AERMS值與模型式（5）計算的AERMS值，驗證了上述模型式（5）的有效性。

（3）使用聲發(fā)射信號在線監(jiān)測磨削過程，其使用的設(shè)備和檢測儀器具有體積較小，安裝方便，測量靈敏度高，適用于各種磨床等優(yōu)點。因此，利用聲發(fā)射信號AERMS模型代替力模型研究外圓切入磨削的加工過程，將具有很大的實用性和經(jīng)濟性，也為今后這類研究提供了新的選擇。

[1] J.H.Zhang,P.Q.Ge and L.Zhang.Theory and Experiment Study on the Grinding Force[J], Advanced Material Research Vols.24-25(2007):217-222.

[2]U.S.Patnaik Durgumahanti,Vijayender Singh,P.Venkateswara Rao[J].International Journal of Machine Tools & Manufacture,International Journal of Machine Tools & Manufacture 50(2010): 231-240.

[3] Jinyuan Tang,Jin Du,Yongping Chen.Modelling and experimental study of grinding forces in surface grinding[J],Journal of Material Processing Technology 209(2009):2847-2854.

[4] Qiang Liu,Xun Chen,Yan Wang,Nabil Gindy.Empirical Modelling of grinding force based on multivariate analysis[J],Journal of Materials Processing Technology 203(2008):420-430.

[5] 王君明,項克舜,湯漾平,賓鴻贊.軸向進給周邊輪廓磨削切入階段磨削力模型[J]，華中科技大學(xué)學(xué)報，2012（38）：117-120.

[6] J.Webster,I.Marinescu,R.Bennett.Acoustic Emission for Process Control and Monitoring of Surface Integrity during Grinding[J],Annals of the CIRPVol.43/1/1994:299-304.

[7] Taghi Tawakoli.Developments in grinding process monitoring and evaluation of results, Int.J.Mechatronics and Manufacturing Systems,Vol.1,No.4,2008:307-320.

[8] Tawakoli, T., Rabiey, M. and Rasifard, A. (2008) Acustic Emission Analyse beim Schleifen und Abrichten. Abschlussbericht, 10. Sitzung des Arbeitkreises Schleiftechnologie, Hochschule Furtwangen, KSF.

[9] G.Werner.Influence of work material on Grinding Forces,CIRP,1978.

[10] 任敬心,華定安.磨削原理[M].電子工業(yè)出版史,2011.

[11] 鞏亞東,王宛山.磨削加工的聲發(fā)射信號分析[J],東北大學(xué)學(xué)報,1998:72-74.

*科技重大專項項目資助編號：2013ZX04008-01