基于砂輪徑向振動(dòng)主動(dòng)控制的ELID內(nèi)圓磨削

李秦峰　任成祖　張　斌　李德成　陳曉峰

1.首都航天機(jī)械公司,北京,100076　　2.天津大學(xué),天津,300072

基于砂輪徑向振動(dòng)主動(dòng)控制的ELID內(nèi)圓磨削

李秦峰1任成祖2張斌1李德成1陳曉峰1

1.首都航天機(jī)械公司,北京,1000762.天津大學(xué),天津,300072

在線電解修整(ELID)磨削過程中砂輪表面會(huì)生成一層具有一定厚度的氧化膜,其剛度遠(yuǎn)小于工件及砂輪結(jié)合劑的剛度,可以有效衰減磨削過程中的振動(dòng)。將ELID技術(shù)應(yīng)用到無心內(nèi)圓磨削中,通過調(diào)節(jié)電解參數(shù)來改變氧化膜的狀態(tài),進(jìn)而對(duì)砂輪徑向振動(dòng)進(jìn)行控制。通過試驗(yàn)研究了電解參數(shù)的改變對(duì)砂輪徑向振動(dòng)的影響規(guī)律,并基于此規(guī)律設(shè)計(jì)了控制器,對(duì)磨削過程中的砂輪徑向振動(dòng)進(jìn)行了主動(dòng)控制磨削試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明,該控制器可以將磨削過程中的砂輪徑向振動(dòng)控制在設(shè)定值附近，維持ELID磨削的穩(wěn)定。在實(shí)際的ELID內(nèi)圓磨削中,可以先將砂輪徑向振動(dòng)控制在較高值,以實(shí)現(xiàn)較大的材料去除率；一段時(shí)間后再將砂輪徑向振動(dòng)控制在較低值，以提高工件表面質(zhì)量。

在線電解修整(ELID);內(nèi)圓磨削;砂輪徑向振動(dòng);主動(dòng)控制

0　引言

內(nèi)圓磨削工序在整個(gè)制造工業(yè)中占有較大的比重,但它存在磨削線速度低、磨削力大且不易散熱、砂輪軸剛度低等局限性[1]，因而很難直接獲得精密的加工表面，終加工時(shí)仍然需要對(duì)重要表面進(jìn)行研磨和拋光處理，這將增加設(shè)備投資且延長加工時(shí)間。因此，引入一種高效精密的內(nèi)圓磨削方法顯得尤為重要。

在線電解修整(electrolytic in-process dressing,ELID)磨削技術(shù)是一種精密的加工技術(shù)，具有高效穩(wěn)定、磨削力較小等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代加工領(lǐng)域[2-3],并且被成功應(yīng)用到內(nèi)圓磨削加工中[3-4]。ELID磨削能夠?qū)崿F(xiàn)較高表面質(zhì)量的關(guān)鍵在于砂輪表面形成的氧化膜，這層低剛度且富有彈性的氧化膜將超細(xì)磨料顆粒包裹其中，以一種研磨與拋光相結(jié)合的復(fù)合方式進(jìn)行材料去除。磨削過程中理想的氧化膜狀態(tài)應(yīng)該是既能使磨粒始終保持一定的出刃高度進(jìn)行材料去除，同時(shí)又能夠在一定程度上對(duì)磨削過程中的振動(dòng)干擾進(jìn)行衰減[5-8]。Lim等[9]通過改變峰值電流、電壓等對(duì)氧化膜進(jìn)行控制。Yang等[6]通過對(duì)修整電流進(jìn)行控制并使氧化膜維持在設(shè)定的狀態(tài),取得了較好的磨削效果。但上述研究都忽略了實(shí)際精密磨削過程中,砂輪在徑向的振動(dòng)是直接影響磨削質(zhì)量和效率的關(guān)鍵因素[10-11],需要對(duì)其進(jìn)行一定的控制。因此，本文充分研究了砂輪徑向振動(dòng)的控制規(guī)律，并據(jù)此規(guī)律設(shè)計(jì)了砂輪徑向振動(dòng)的控制器，采用此控制器進(jìn)行了基于砂輪徑向振動(dòng)主動(dòng)控制的ELID內(nèi)圓磨削。

1　砂輪徑向振動(dòng)的控制規(guī)律

1.1砂輪徑向振動(dòng)的控制方法

本文采用的砂輪是粒度為W10的鑄鐵基砂輪，ELID磨削過程中砂輪表面形成的氧化膜厚度為幾十至一百微米[12-13],其彈性模量約在30～50 GPa之間,均遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于砂輪基體材料的彈性模量[12]。當(dāng)砂輪表面受到交變應(yīng)力作用時(shí)，這層主要由金屬氧化物、微細(xì)磨粒以及材料缺陷組成的氧化膜會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的內(nèi)摩擦，從而消耗振動(dòng)干擾能量。氧化膜整體較厚、致密性較高時(shí)，這種對(duì)砂輪徑向振動(dòng)能量的消耗作用就較強(qiáng)；當(dāng)氧化膜厚度較小、致密性較差時(shí)，這種對(duì)振動(dòng)能量的消耗作用就較弱[6-7]。因此可以通過調(diào)節(jié)氧化膜的狀態(tài)來對(duì)砂輪徑向振動(dòng)進(jìn)行控制。

ELID磨削過程中氧化膜的狀態(tài)直接由機(jī)械加工參數(shù)與電解參數(shù)決定，可以通過改變這些磨削參數(shù)來對(duì)氧化膜進(jìn)行調(diào)整，進(jìn)而控制砂輪徑向振動(dòng)。在實(shí)際的磨削過程中一般盡量避免改變直接決定磨削效率和質(zhì)量的機(jī)械加工參數(shù)，同時(shí)在本文的試驗(yàn)中也不能直接改變電解參數(shù)，因?yàn)檫@樣會(huì)改變磨削過程中電解電流的大小，而電解電流在本文中用來表征氧化膜狀態(tài)[6，14]。這樣就會(huì)出現(xiàn)不確定情況：電解電流的減小(增大)究竟是由于氧化膜變厚致密性變好(變薄變差)造成的，還是因?yàn)殡娊鈪?shù)減小(增大)造成的。因此本文采用下述方法對(duì)電解參數(shù)進(jìn)行調(diào)整。

利用2個(gè)脈沖卡生成2個(gè)脈沖信號(hào)，其中一個(gè)脈沖的占空比不變，其周期設(shè)為微秒級(jí)，此脈沖即為實(shí)際電解修整脈沖，本文稱其為小脈沖；另一個(gè)脈沖信號(hào)的占空比可變，其周期設(shè)為毫秒級(jí)，此脈沖為電解電源的控制信號(hào)，本文稱其為大脈沖。將兩路脈沖進(jìn)行疊加即產(chǎn)生控制脈沖,如圖1所示。

圖1　控制脈沖示意圖

當(dāng)控制信號(hào)的大脈沖為零時(shí)，此時(shí)無電解修整作用；當(dāng)控制信號(hào)的大脈沖不為零時(shí)，電解電源輸出波形的占空比與控制脈沖中的小脈沖一致,此時(shí)處于在線電解修整狀態(tài)。增大大脈沖的占空比，則電解強(qiáng)度提高，導(dǎo)致氧化膜的厚度變厚、致密性變好，進(jìn)而抑制振動(dòng)的能力增強(qiáng)；減小大脈沖的占空比，則電解強(qiáng)度降低，導(dǎo)致氧化膜厚度變薄、致密性降低，進(jìn)而抑制振動(dòng)的能力減弱。在整個(gè)電解修整過程中，脈沖電源輸出的電壓幅值以及控制脈沖中的小脈沖是保持不變的，同時(shí)磨削過程中僅當(dāng)大脈沖處于高電平時(shí)(電解作用開啟時(shí))才進(jìn)行電解電流的采集，從而保證了在調(diào)整電解參數(shù)(大脈沖占空比)時(shí)不直接改變電解電流，這樣就解決了上述不確定性問題。因此，在實(shí)際ELID磨削過程中，可以通過調(diào)整大脈沖占空比來控制砂輪的徑向振動(dòng)。

1.2砂輪徑向振動(dòng)控制規(guī)律的研究

在ELID磨削過程中可以通過改變大脈沖占空比來對(duì)砂輪徑向振動(dòng)進(jìn)行控制，因此，有必要研究調(diào)節(jié)大脈沖占空比對(duì)磨削過程中砂輪徑向振動(dòng)的影響規(guī)律。但是，不同狀態(tài)(電解電流)下的氧化膜由于其阻尼、厚度等不同，導(dǎo)致相同的脈沖調(diào)節(jié)量也可能對(duì)砂輪徑向振動(dòng)產(chǎn)生不同的影響,因此,本文為了獲得不同氧化膜狀態(tài)下對(duì)砂輪徑向振動(dòng)的主動(dòng)控制策略，進(jìn)行以下試驗(yàn)研究。

本試驗(yàn)建立在數(shù)控改造后進(jìn)給精度為1μm的磨床上，系統(tǒng)原理如圖2所示。連接ELID脈沖電源正極的鑄鐵基CBN砂輪安裝在機(jī)床的水平軸上。工件由電磁無心夾具吸緊，依靠端面支撐及兩個(gè)徑向的絕緣支撐定位，其中工件通過端面支撐與脈沖電源的負(fù)極相連。磨削過程中的振動(dòng)信號(hào)由固定在絕緣支撐上的振動(dòng)傳感器拾取，輸出范圍為±5V的電壓信號(hào)，修整電流由霍爾電流傳感器測(cè)量得到。上述兩個(gè)實(shí)時(shí)信號(hào)均通過采集卡采集并實(shí)時(shí)地在工控機(jī)中顯示和記錄。詳細(xì)試驗(yàn)設(shè)備及試驗(yàn)條件見表1。

圖2　試驗(yàn)系統(tǒng)原理圖

磨床3MZ1410自動(dòng)軸承外圈溝磨床砂輪W10鑄鐵基CBN砂輪(外徑30mm)工件軸承套圈(內(nèi)徑40mm)砂輪主軸轉(zhuǎn)速30000r/min工件轉(zhuǎn)速120r/min砂輪軸向進(jìn)給速度100mm/min磨削深度2μm電源TJCP-Ⅱ型高頻直流脈沖電源磨削液TJMX-V型ELID磨削液電解電壓60V測(cè)量?jī)x器TaylorHobson輪廓儀LanceLC0108振動(dòng)傳感器LA-28霍爾電流傳感器

根據(jù)氧化膜的主動(dòng)控制法[6]將ELID磨削過程中的氧化膜狀態(tài)(電解電流)分別維持在0.2A、0.4A、0.6A、0.8A、1.0A、1.2A以及1.4A附近,待其穩(wěn)定在設(shè)定值后停止主動(dòng)控制器，對(duì)大脈沖占空比分別進(jìn)行調(diào)節(jié)量為10%、8%、6%、4%、2%、-2%、-4%、-6%、-8%、-10%的調(diào)節(jié)，并記錄調(diào)節(jié)后的振動(dòng)信號(hào)峰峰值A(chǔ)。為了保證試驗(yàn)精度，相同的占空比調(diào)節(jié)量試驗(yàn)重復(fù)三次,取平均值，并且每一次占空比調(diào)節(jié)試驗(yàn)后都必須啟動(dòng)控制器使氧化膜重新達(dá)到設(shè)定狀態(tài)(電解電流)才能進(jìn)行下次試驗(yàn)。

圖3所示為不同氧化膜狀態(tài)(電解電流)下，對(duì)大脈沖占空比進(jìn)行不同調(diào)節(jié)量所得到的砂輪徑向振動(dòng)峰峰值A(chǔ)。由試驗(yàn)結(jié)果可以看出,不論氧化膜處于哪種狀態(tài)，砂輪徑向振動(dòng)總體上均隨著占空比調(diào)節(jié)量的減小而不斷增大，并且，氧化膜越薄、致密性越差(電解電流越大)時(shí)，振動(dòng)的增大趨勢(shì)越來越大。上述規(guī)律意味著：ELID磨削是一個(gè)氧化膜生成與損耗的動(dòng)態(tài)平衡過程，當(dāng)氧化膜處于較薄、致密性較差的狀態(tài)(電解電流較大)時(shí)，改變大脈沖占空比很可能會(huì)在較大程度上打破這個(gè)動(dòng)態(tài)平衡，從而造成磨削過程中的振動(dòng)產(chǎn)生較大幅度的改變；當(dāng)氧化膜處于較厚、致密性較好的狀態(tài)(電解電流較小)時(shí)，改變大脈沖占空比是不會(huì)對(duì)振動(dòng)產(chǎn)生太大的影響的。

圖3　不同占空比調(diào)節(jié)量下的砂輪徑向振動(dòng)信號(hào)峰峰值(不同氧化膜狀態(tài))

1.3砂輪徑向振動(dòng)的主動(dòng)控制策略

ELID磨削過程中氧化膜的阻尼以及砂輪徑向振動(dòng)均是復(fù)雜的、非線性的控制對(duì)象，很難通過精確的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行建模。因此，本文根據(jù)前文試驗(yàn)得到的不同氧化膜狀態(tài)(電解電流)下砂輪徑向振動(dòng)隨占空比變化的規(guī)律，采用模糊控制算法設(shè)計(jì)出相應(yīng)的控制器，其輸入?yún)?shù)包括砂輪徑向振動(dòng)峰峰值的設(shè)定值與實(shí)際值的誤差e以及誤差的變化率ec，輸出參數(shù)為大脈沖占空比的調(diào)節(jié)量。因此，在磨削過程中需要根據(jù)氧化膜所處的狀態(tài)(電解電流)，實(shí)時(shí)選擇對(duì)應(yīng)不同控制規(guī)律的控制器。圖4所示為砂輪徑向振動(dòng)的主動(dòng)控制策略原理。同時(shí)，為了加快控制器的響應(yīng)時(shí)間，根據(jù)誤差e和誤差變化率ec的大小實(shí)時(shí)調(diào)整控制器輸出整定參數(shù)K，e和ec均不斷增大時(shí)模糊控制器采用一個(gè)較大的K值使得誤差盡快減小，反之則減小K值使磨削過程處于穩(wěn)定狀態(tài)。

圖4　主動(dòng)控制策略原理圖

2　砂輪徑向振動(dòng)的主動(dòng)控制試驗(yàn)

為了驗(yàn)證主動(dòng)控制方案的可行性，本文在無心內(nèi)圓磨床上進(jìn)行了有主動(dòng)控制與無主動(dòng)控制的ELID內(nèi)圓磨削試驗(yàn)。試驗(yàn)系統(tǒng)如圖2所示，詳細(xì)試驗(yàn)設(shè)備和條件如表1所示。本試驗(yàn)進(jìn)行了無主動(dòng)控制和兩種有主動(dòng)控制的ELID內(nèi)圓磨削，并且有主動(dòng)控制的ELID內(nèi)圓磨削的砂輪徑向振動(dòng)峰峰值A(chǔ)分別設(shè)為2.6g和2.4g。上述三組ELID磨削均持續(xù)10 min。

圖5所示分別為無主動(dòng)控制以及兩種有主動(dòng)控制下砂輪徑向振動(dòng)峰峰值A(chǔ)的變化曲線,可以看出，無主動(dòng)控制下砂輪徑向振動(dòng)略微有所增大但不明顯，總體穩(wěn)定在一定的范圍內(nèi)；而在有主動(dòng)控制下設(shè)定值為2.6g的ELID磨削中，砂輪徑向振動(dòng)在剛開始磨削的2 min內(nèi)有所增大，隨后穩(wěn)定在設(shè)定值附近；有主動(dòng)控制下設(shè)定值為2.4g的ELID磨削中,砂輪徑向振動(dòng)逐漸減小并最終穩(wěn)定在設(shè)定值附近。表2顯示了三種不同磨削方式下得到的粗糙度、波紋度以及材料去除量，可以看出，試驗(yàn)1和試驗(yàn)3的粗糙度接近且均優(yōu)于試驗(yàn)2；試驗(yàn)3的波紋度最小，試驗(yàn)2的波紋度最大;試驗(yàn)2的材料去除量最大,試驗(yàn)3的材料去除量最小。

在ELID磨削過程中通過對(duì)砂輪徑向振動(dòng)進(jìn)行主動(dòng)控制將其維持在設(shè)定值附近，可以保證磨削的穩(wěn)定進(jìn)行。當(dāng)砂輪徑向振動(dòng)設(shè)定值較高時(shí)，氧化膜較薄、阻尼較小,此時(shí)砂輪的主要材料去除方式是以超硬磨料的微量磨削進(jìn)行的，因此最終得到較差的表面質(zhì)量和較高的材料去除率；當(dāng)砂輪徑向振動(dòng)設(shè)定值較低時(shí)，氧化膜較厚、阻尼較大,參與磨削的磨粒大部分甚至完全處于氧化膜的包裹之中，此時(shí)ELID磨削的材料去除主要是以微細(xì)超硬的磨粒對(duì)工件表面研磨拋光的方式進(jìn)行的，從而獲得較高的表面質(zhì)量和較低的材料去除率。因此,在實(shí)際的ELID磨削過程中可以先將砂輪徑向振動(dòng)維持在較高值,實(shí)現(xiàn)較大的材料去除率，以消除上道工序中的加工痕跡和變質(zhì)層，再將砂輪徑向振動(dòng)維持在較低值，以提高工件的表面質(zhì)量。

(a)無主動(dòng)控制下

(b)設(shè)定值為2.6 g的主動(dòng)控制下

(c)設(shè)定值為2.4 g的主動(dòng)控制下圖5　不同控制方式下的振動(dòng)信號(hào)峰峰值

試驗(yàn)編號(hào)砂輪徑向振動(dòng)設(shè)定值(g)粗糙度Ra(μm)波紋度Wa(μm)材料去除量(μm)1無0.03820.0510422.60.04250.0667832.40.03980.04163

3　結(jié)論

(1)砂輪徑向振動(dòng)可以通過調(diào)節(jié)氧化膜狀態(tài)來進(jìn)行控制。

(2)在相同的氧化膜狀態(tài)下，增加大脈沖的占空比可以減小磨削過程中的砂輪徑向振動(dòng)；在相同的大脈沖占空比調(diào)節(jié)量下,氧化膜越薄致密性越差(電解電流越大)，則砂輪徑向振動(dòng)的改變量越大。

(3)可以根據(jù)磨削過程的實(shí)際需要,將砂輪徑向振動(dòng)維持在不同的設(shè)定值附近,設(shè)定值較高時(shí)可以實(shí)現(xiàn)較大的材料去除率,設(shè)定值較低時(shí)可以提高加工表面質(zhì)量。

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(編輯蘇衛(wèi)國)

Internal ELID Grinding Based on Active Control of Wheel Radial Chatter

Li Qinfeng1Ren Chengzu2Zhang Bin1Li Decheng1Chen Xiaofeng1

1.Capital Aerospace Machinery Company,Beijing,100076 2.Tianjin University,Tianjin,300072

The stiffness of oxide layer formed on wheel surface was much lower than that of workpiece and wheel bond in ELID grinding,so that the oxide layer can absorb and damp the wheel radial chatter.In order to avoid negative effects of the chatter on grinding efficiency and quality,the ELID was applied in centerless internal grinding.The wheel radial chatter was controlled by adjusting electrical parameters,and the law of this control was studied by experiments.Based on the above analyses,a series of fuzzy controllers were designed to stabilize the chatter within a certain range in ELID internal ceterless grinding.The grinding performance was studied under the active control experiments used different chatter set-points.The results show that,comparison with the ELID grinding without control,good surface quality and low material removal rate can be obtained with smaller chatter set-point;poor surface quality and high material removal rate can be obtained with larger chatter set-point.

electrolytic in-process dressing(ELID);internal grinding;wheel radial chatter;active control

2013-11-14

TG662;TG580.613DOI：10.3969/j.issn.1004-132X.2015.09.009

李秦峰,男,1987年生。首都航天機(jī)械公司總裝事業(yè)部工程師。研究方向?yàn)榫苤圃炫c裝配。任成祖,男,1962年生。天津大學(xué)天津市先進(jìn)制造技術(shù)與裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室教授、博士研究生導(dǎo)師。張斌,男，1984年生。首都航天機(jī)械公司總裝事業(yè)部工程師。李德成,男,1973年生。首都航天機(jī)械公司總裝事業(yè)部高級(jí)工程師。陳曉峰,男,1977年生。首都航天機(jī)械公司總裝事業(yè)部高級(jí)工程師。