一種砂輪磨損及g比率的測(cè)量裝置與方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及磨削加工領(lǐng)域的實(shí)驗(yàn)裝置及其磨削溫度和磨削力測(cè)量裝置，具體的為 一種砂輪磨損及G比率的測(cè)量裝置與方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 磨削加工實(shí)質(zhì)上是一種由大量無(wú)規(guī)則的離散分布在砂輪工作面上的磨粒所完成 的劃擦、耕犁和切削作用的隨機(jī)綜合。借助砂輪表面的大量磨粒切削刃去除材料的一種加 工方法，作為一種獲得高精度、低粗糙的加工表面以及對(duì)高硬度表面進(jìn)行精加工的工藝方 法，在制造加工技術(shù)領(lǐng)域占有十分重要的地位。隨著現(xiàn)代化制造技術(shù)的發(fā)展，磨削加工在切 削加工中的比重越來(lái)越大，成為現(xiàn)代制造技術(shù)的關(guān)鍵。提高磨削加工效率、加工精度和減 少砂輪磨損一直是磨削領(lǐng)域研究的重要內(nèi)容。砂輪磨損機(jī)理一直是國(guó)內(nèi)外致力于探討的問(wèn) 題，其中砂輪磨損可分為磨耗磨損、破碎磨損和堵塞粘附，磨耗磨損時(shí)由砂粒和工件之間摩 擦而引起的；破碎磨損是砂粒的破碎或結(jié)合劑的破碎，它取決于磨削力的大小和結(jié)合劑的 強(qiáng)度。磨削過(guò)程中隨著被磨材料體積的增加，砂輪磨損逐漸增大，對(duì)砂輪的磨損與金屬材料 磨除體積之間的關(guān)系，有關(guān)學(xué)者把砂輪的磨損過(guò)程分為三個(gè)磨損期，當(dāng)砂輪修整之后，初期 磨損階段主要是磨粒的破碎和整體脫落，其原因是修整后的砂輪工作表面上磨粒受修整工 具沖擊而產(chǎn)生裂紋。在磨削力作用下，產(chǎn)生裂紋的磨粒會(huì)出現(xiàn)大塊碎裂，而松動(dòng)的磨粒則會(huì) 整體脫落，表現(xiàn)曲線上升較陡。第二期磨損階段，即正常磨損階段，因在力的作用下，仍會(huì)有 一些磨粒破碎，但主要是磨粒經(jīng)歷長(zhǎng)時(shí)間的切削鈍化，為磨耗磨損。由于該階段磨粒切削刃 較穩(wěn)定的切削，使砂輪的磨損曲線變得比較平坦。第三期磨損階段，由于磨粒切削刃進(jìn)一 步鈍化，使作用在磨粒上的力急劇增大，導(dǎo)致磨粒產(chǎn)生大塊碎裂、結(jié)合劑破碎及整個(gè)磨粒脫 落。此時(shí)曲線上升很陡，砂輪不能正常工作。
[0003] 所謂聲發(fā)射現(xiàn)象是固體材料由于結(jié)構(gòu)變化引起應(yīng)變能的快速釋放而產(chǎn)生的彈性 波，簡(jiǎn)稱(chēng)AE。在外力作用下，材料中的缺陷或微觀不均勻處于應(yīng)力集中狀態(tài)，這種狀態(tài)是一 種極不穩(wěn)定的高能狀態(tài)，必然要過(guò)渡到低能狀態(tài)，如果這種過(guò)渡是在瞬間快速進(jìn)行的，則多 余能量的一部分將以彈性波的形式放出，從而產(chǎn)生聲發(fā)射現(xiàn)象，它可用固定在固體表面的 AE傳感器檢測(cè)出來(lái)。磨削過(guò)程是一個(gè)很復(fù)雜的過(guò)程，磨削區(qū)具有相當(dāng)高的變形率和摩擦磨 損以及金屬相變、沖擊、砂粒的崩碎、切削液的沖擊等現(xiàn)象，這些都是強(qiáng)裂的聲發(fā)射源。Hunt W等學(xué)者研究了磨削過(guò)程中產(chǎn)生的各種聲發(fā)射源，指出當(dāng)砂輪與工件彈性接觸、砂輪粘結(jié)劑 破裂、砂輪磨粒崩碎、砂輪磨粒與工件摩擦、工件表面裂紋等均可發(fā)射出彈性波。這些因素 和工件材料、磨削條件、砂輪表面的狀態(tài)等因素都有著密切的關(guān)系；這些因素的改變必然會(huì) 引起聲發(fā)射信號(hào)的幅值、頻譜等方面發(fā)生變化，這就使得我們可以通過(guò)檢測(cè)聲發(fā)射信號(hào)的 變化來(lái)對(duì)磨削狀態(tài)進(jìn)行判別。影響磨削過(guò)程的因素特別多，如磨削過(guò)程中砂輪的磨損、對(duì)刀 精度等，僅靠操作者來(lái)獲得較好的磨削效果難度較大，迫切需要找到一種對(duì)磨削加丁進(jìn)行 在線監(jiān)測(cè)的方法。1984年以來(lái)，聲發(fā)射技術(shù)被引入磨削研究領(lǐng)域，利用它來(lái)監(jiān)測(cè)磨削質(zhì)量 (主要包括磨削裂紋和磨削燒傷）、磨削過(guò)程（包括砂輪磨損、砂輪與工件接觸等）以及砂 輪參數(shù)的測(cè)定（砂輪修整質(zhì)量參數(shù)和砂輪硬度等），并取得了令了滿意的效果。
[0004] 磨削力是磨削過(guò)程中的重要物理量。磨削力來(lái)源于工件與砂輪接觸后引起的彈性 變形、塑性變形、切削形成以及磨粒和結(jié)合劑與工件表面之間的摩擦作用。磨削力與砂輪的 耐用度、磨削表面粗糙度、G比率等均有直接關(guān)系。磨削過(guò)程中所切下的磨肩雖然很小，每 顆磨粒上承受的磨削力也很小，但大量同時(shí)進(jìn)行切削的細(xì)小磨粒上所受到的力的總和就可 以產(chǎn)生較大的磨削力。當(dāng)切出的磨削斷面積愈大、數(shù)量愈多、被加工材料的強(qiáng)度愈大時(shí)，磨 削力就愈大；而砂輪的工作表面愈鋒利，則磨削力就愈小。磨削過(guò)程中的磨削溫度測(cè)量也是 十分必要的，因?yàn)槟ハ鬟^(guò)程中磨削能較其他切削方法大很多倍，這些能量絕大部分轉(zhuǎn)化為 熱能，而這些熱能的分配與其他切削方式也有很大的不同，其中絕大部分約80%的磨削熱 傳入工件（車(chē)削約3%~9% )，切肩帶走約4%~8%，砂輪帶走約10%~16%，另有少部 分以傳導(dǎo)和輻射形式散出。由于磨削速度高，熱量來(lái)不及傳入工件深處而瞬時(shí)集聚在很薄 的表層，形成表層中極大的溫度梯度。進(jìn)入工件的熱量將引起工件表層溫度的顯著升高，造 成局部高溫和過(guò)大的溫度梯度，從而產(chǎn)生工件尺寸形狀偏差，表面變質(zhì)層，以及表面燒傷和 裂紋等加工缺陷。磨削產(chǎn)生的高溫對(duì)砂輪磨粒的切削性能也有很大的影響，會(huì)降低砂輪的 使用壽命。
[0005] 目前，砂輪磨損的檢測(cè)方法很多，按是否直接對(duì)砂輪進(jìn)行測(cè)量分為直接測(cè)量和間 接測(cè)量；按檢測(cè)時(shí)是否接觸，可分為接觸式和非接觸式檢測(cè)。檢測(cè)方法主要有滾動(dòng)復(fù)印法， 觸針測(cè)量法，基于CCD相機(jī)的計(jì)算機(jī)圖像處理法，激光功率譜法和聲發(fā)射監(jiān)測(cè)法。也有研究 人員對(duì)砂輪的磨損量測(cè)量提出針對(duì)性的測(cè)量方法，如采用氣動(dòng)磨損測(cè)量?jī)x對(duì)砂輪進(jìn)行在線 測(cè)量；砂輪磨損量測(cè)量還有其他的辦法，比如直接采用卡尺對(duì)砂輪進(jìn)行測(cè)量，通過(guò)多次測(cè)量 求取砂輪磨損前后的平均值進(jìn)行對(duì)比；也可參與激光測(cè)距法對(duì)砂輪的表面形貌進(jìn)行測(cè)量， 該測(cè)量方法既可以測(cè)的砂輪的宏觀特性數(shù)據(jù)，也可以測(cè)得砂輪的微觀特性參數(shù)。
[0006] G比率（是指同一磨削條件下去除工件材料的體積與砂輪磨損體積之比），它也是 表征可磨削性的重要參數(shù)，是選擇砂輪及磨削用量的主要依據(jù)，G比率的大小是表示砂輪使 用經(jīng)濟(jì)性的一個(gè)重要指標(biāo)，當(dāng)G值越大時(shí)，表示消耗單位體積砂輪可以磨去更多的被加工 材料，砂輪的經(jīng)濟(jì)性能就越好。
[0007] 經(jīng)檢索，已有專(zhuān)利號(hào)為ZL201310334856. 8的基于聲發(fā)射信號(hào)的銑削加工表面粗 糙度在線預(yù)測(cè)方法，在被銑削加工零件上安裝一個(gè)聲發(fā)射傳感器，利用聲發(fā)射傳感器對(duì)銑 削加工時(shí)被銑削加工零件材料變形所釋放出的聲發(fā)射信號(hào)進(jìn)行監(jiān)測(cè)；根據(jù)銑削加工理論中 銑肩厚度的變化反映銑削加工表面粗糙度的理論，利用聲發(fā)射信號(hào)對(duì)實(shí)際加工中銑肩厚度 變化的敏感反應(yīng)，對(duì)所探測(cè)到的被加工零件在加工時(shí)所釋放出來(lái)的聲發(fā)射信號(hào)進(jìn)行分析和 處理來(lái)預(yù)測(cè)銑削加工表面粗糙度的大小。該發(fā)明只實(shí)現(xiàn)了銑削加工時(shí)在線預(yù)測(cè)銑削加工表 面粗糙度的大小，并不能實(shí)現(xiàn)砂輪磨損量的測(cè)量，值得的改進(jìn)。
[0008] 經(jīng)檢索，已有專(zhuān)利號(hào)為ZL200520047712. 5的一種砂輪磨損測(cè)量及加工誤差補(bǔ)償 裝置，它包括砂輪架，金剛筆，數(shù)控系統(tǒng)，聲發(fā)射傳感器，聲發(fā)射信號(hào)處理裝置。金剛石筆作 砂輪定位的基準(zhǔn)，安裝固定在磨床床身上砂輪架前面，砂輪架側(cè)面上固定安裝聲發(fā)射傳感 器，聲發(fā)射傳感器的輸出信號(hào)經(jīng)聲發(fā)射信號(hào)處理裝置的濾波和閾值計(jì)算后輸入至機(jī)床數(shù)控 系統(tǒng)，用于砂輪磨損量的測(cè)量并通過(guò)數(shù)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)磨損量的自動(dòng)補(bǔ)償。但該裝置只是使用 聲發(fā)射技術(shù)定性檢測(cè)砂輪的磨損情況，并不能進(jìn)一步定量測(cè)量出砂輪的磨損量，該裝置有 值得改進(jìn)之處。
[0009] 經(jīng)檢索，已有專(zhuān)利號(hào)為ZL201110294068. 1的利用砂輪氣流場(chǎng)在線檢測(cè)砂輪磨損 的方法和裝置，該裝置采用采用壓力傳感器實(shí)時(shí)在線檢測(cè)砂輪表面氣流場(chǎng)的動(dòng)壓力；通過(guò) 氣流場(chǎng)動(dòng)壓力的變化分析計(jì)算得到磨削過(guò)程中砂輪的磨損量，進(jìn)而得到砂輪的補(bǔ)償進(jìn)給 量，然后通過(guò)數(shù)控機(jī)床系統(tǒng)發(fā)出補(bǔ)償進(jìn)給指令，完成砂輪的補(bǔ)償進(jìn)給；利用微調(diào)機(jī)構(gòu)在砂 輪補(bǔ)償進(jìn)給后對(duì)傳感器的位置進(jìn)行微調(diào)，保證氣流場(chǎng)壓力的檢測(cè)的靈敏性與精確度。它適 用范圍比較廣，避免了使用磨削液濕磨加工中，磨削液對(duì)信號(hào)采集造成的不利影響；采用差 動(dòng)螺旋機(jī)構(gòu)作為微調(diào)機(jī)構(gòu)，在砂輪補(bǔ)償進(jìn)給后可以調(diào)整壓力傳感器與砂輪之間的間隙，保 證了所要采集的動(dòng)壓力信號(hào)的強(qiáng)度，進(jìn)而保證了計(jì)算得到的砂輪磨損量的準(zhǔn)確性。但是該 裝置只是最終測(cè)量出砂輪工作前后直徑大小的差值，而實(shí)際砂輪磨損主要是磨粒的磨損， 此方法存在很大的誤差。該裝置也沒(méi)有磨削溫度和磨削力的檢測(cè)裝置來(lái)側(cè)面反映砂輪的磨 損情況。
[0010] 經(jīng)檢索，專(zhuān)利號(hào)為ZL201210490401. 0的納米粒子射流微量潤(rùn)滑磨削表面粗糙度 預(yù)測(cè)方法和裝置，它包括一個(gè)傳感器杠桿，所述傳感器杠桿左端設(shè)有觸針，觸針與砂輪表面 接觸，傳感器杠桿右端與電感式位移傳感器連接，傳感器杠桿的支點(diǎn)處與測(cè)量裝置機(jī)體鉸 接；電感式位移傳感器與交流電源連接；電感式位移傳感器數(shù)據(jù)輸出端則與濾波放大器連 接，濾波放大器分別與計(jì)算器和示波器連接，計(jì)算器還與存儲(chǔ)器連接。它用矩陣表征砂輪形 貌，再根據(jù)磨削加工工件表面形貌創(chuàng)成機(jī)理，來(lái)推導(dǎo)工件的表面形貌。該裝置雖然測(cè)出了砂 輪表面磨粒形貌，但并不能計(jì)算砂輪的磨損量。因此，該裝置尚有值得改進(jìn)之處。
[0011] 在公開(kāi)的專(zhuān)利中檢測(cè)砂輪的磨損量，大都是通過(guò)某種方法來(lái)測(cè)量出砂輪工作前后 的直徑變化來(lái)計(jì)算砂輪的磨損量，但對(duì)于實(shí)際的工況中，普通砂輪表面磨粒的分布是隨機(jī) 的，并沒(méi)有一定的規(guī)律可言，所以用常規(guī)方法測(cè)量砂輪磨損量是存在很大的誤差。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0012] 本發(fā)明為了解決上述問(wèn)題，提出