本發(fā)明涉及金屬加工技術(shù)領(lǐng)域，具體說(shuō)是涉及金屬預(yù)應(yīng)力磨削淬硬技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

磨削是一種重要的機(jī)械加工方法，磨削加工是利用磨料去除材料的加工方法，是現(xiàn)代機(jī)械加工中應(yīng)用廣泛且重要的加工工藝。磨削淬硬(grindinghardening,gh)是利用磨削中產(chǎn)生的熱量，使工件表面溫度迅速升高到奧氏體化溫度，然后快速冷卻到馬氏體相變溫度，工件表層材料發(fā)生馬氏體相變，實(shí)現(xiàn)工件的表面淬火處理。gh工藝將表面淬火與粗磨集于一體，利用磨削產(chǎn)生的熱對(duì)表面進(jìn)行淬火處理，符合綠色制造和清潔化生產(chǎn)模式。預(yù)應(yīng)力磨削(pre-stressedgrinding,psg)是在傳統(tǒng)的磨削工藝基礎(chǔ)上，預(yù)先給工件施加應(yīng)力，是對(duì)傳統(tǒng)磨削工藝的一種改良。psg集磨削加工與殘余應(yīng)力控制于一體，該工藝加工后不需要對(duì)零件進(jìn)行殘余應(yīng)力控制與調(diào)節(jié)，即可獲得理想的應(yīng)力狀態(tài)，提高零件的抗疲勞強(qiáng)度，延長(zhǎng)使用壽命。上述兩項(xiàng)技術(shù)都有各自的突出特點(diǎn)，但也存在著不足。gh技術(shù)雖然在磨削的同時(shí)對(duì)表面進(jìn)行了淬火處理，但在加工過(guò)程中沒(méi)有考慮零件的抗疲勞性能，對(duì)加工后零件的表面殘余應(yīng)力狀態(tài)沒(méi)有加以控制。psg技術(shù)雖然在加工中考慮了對(duì)殘余應(yīng)力的控制，但無(wú)法直接獲得淬火表面，磨削熱沒(méi)有得到利用，工藝綠色度不高。

預(yù)應(yīng)力磨削淬硬(pshg)是將預(yù)應(yīng)力加工和磨削淬硬集于一體的復(fù)合工藝，但為了能精確的研究預(yù)應(yīng)力與加工后材料表面強(qiáng)化效果的關(guān)系，就需要對(duì)工件施加精確的預(yù)應(yīng)力。

從綠色制造和抗疲勞制造的觀念出發(fā)，以gh技術(shù)為基礎(chǔ)，融合psg技術(shù)原理，提出預(yù)應(yīng)力淬硬磨削(pre-stressedhardeninggrinding,pshg)復(fù)合加工方法。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)工件施加精確的預(yù)應(yīng)力，需要設(shè)計(jì)一套具備負(fù)反饋的自動(dòng)預(yù)應(yīng)力精確加載系統(tǒng)的夾具。

現(xiàn)有的預(yù)應(yīng)力夾具大多以手動(dòng)加載方式，如螺旋副提供預(yù)應(yīng)力，則使用扭力扳手為夾具提供預(yù)應(yīng)力。上述現(xiàn)有的夾具存在較多缺點(diǎn)。第一，在磨削過(guò)程中需要持續(xù)的拉力的存在，因此螺紋需要自鎖，但是正是因?yàn)檫@種自鎖的特性，導(dǎo)致了在加載力時(shí)，需要一次加載到位，不然每次加載的力矩將疊加在一起施加給試件。在實(shí)際實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，僅靠扭力扳手是很難做到一次加載到位的，因此所加載的力也就存在很大的偏差。第二點(diǎn)，在于螺紋傳遞力難以計(jì)算其摩擦所帶來(lái)的損耗。扭力扳手施加給螺栓力時(shí)，通過(guò)螺栓牙與螺紋牙的滑動(dòng)摩擦，在平行于螺紋導(dǎo)程方向移動(dòng)產(chǎn)生拉力，但是這種滑動(dòng)摩擦，也會(huì)引起預(yù)載力的誤差。第三點(diǎn)，t型槽夾緊裝置導(dǎo)致了磨削表面所受的力不均勻且存在力矩，工件頂端面中心受力大于其他部位。t型槽與工件接觸位置并不在工件兩端面的中心，因此會(huì)在工件中心產(chǎn)生一定彎矩。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的主要目的是提供一種預(yù)應(yīng)力淬硬磨削時(shí)可以為工件表面提供精確預(yù)應(yīng)力的加載方法及裝置，第一，在加載過(guò)程中，持續(xù)保持預(yù)應(yīng)力不變；第二杜絕由于螺旋副摩擦在傳遞預(yù)應(yīng)力時(shí)的應(yīng)力損耗；第三，提供可以確定的工件表面預(yù)應(yīng)力的數(shù)值。具體技術(shù)方案如下：

一種預(yù)應(yīng)力磨削淬硬加載方法，采用預(yù)應(yīng)力淬硬磨削方法加工時(shí)，在工件表面和夾具表面分別貼應(yīng)變片，通過(guò)計(jì)算夾具表面應(yīng)變與工件表面應(yīng)變關(guān)系的方式，測(cè)得工件表面應(yīng)變計(jì)算公式；再將這個(gè)應(yīng)變計(jì)算公式代入到plc的程序中去，實(shí)現(xiàn)以測(cè)量夾具表面應(yīng)變代替測(cè)量工件表面應(yīng)變；步進(jìn)電機(jī)收到plc的脈沖信號(hào)，通過(guò)螺旋副為工件提供預(yù)應(yīng)力，在夾具表面的應(yīng)變片開(kāi)始讀取工件表面的應(yīng)變值，當(dāng)達(dá)到預(yù)定的應(yīng)變條件時(shí)，plc對(duì)步進(jìn)電機(jī)發(fā)出信號(hào)，步進(jìn)電機(jī)停止工作；當(dāng)螺桿出現(xiàn)滑動(dòng)時(shí)，應(yīng)變片將出現(xiàn)應(yīng)變值的變化，plc讀取到變化后，對(duì)步進(jìn)電機(jī)發(fā)出正或反轉(zhuǎn)的指令，從而實(shí)現(xiàn)持續(xù)的為工件提供精確預(yù)應(yīng)力。

通過(guò)加載裝置對(duì)夾具的螺桿施加扭矩，貼在工件和夾具表面的應(yīng)變片測(cè)量得到了兩組應(yīng)變數(shù)據(jù)，通過(guò)對(duì)兩組應(yīng)變數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)分析和擬合計(jì)算，得到了夾具表面應(yīng)變與工件表面應(yīng)變的應(yīng)變計(jì)算公式。

應(yīng)變計(jì)算公式為y＝1.6331x+0.6284，式中，x為夾具應(yīng)變數(shù)值，y為工件表面應(yīng)變數(shù)值。

本發(fā)明進(jìn)一個(gè)公開(kāi)了一種實(shí)現(xiàn)所述方法的裝置，包括步進(jìn)電機(jī)，所述步進(jìn)電機(jī)與減速器連接，減速器的輸出軸通過(guò)聯(lián)軸器與矩形絲杠連接，所述矩形絲杠通過(guò)聯(lián)軸器與t型卡鉗連接，工件設(shè)置在t型卡鉗的兩個(gè)t型槽間；所述步進(jìn)電機(jī)與plc連接，plc還與上位機(jī)、顯示器及應(yīng)變片連接。

本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是：

本發(fā)明使用了步進(jìn)電機(jī)，因其具有可控制速度，位置精度準(zhǔn)確，可以將電壓信號(hào)轉(zhuǎn)化轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速信號(hào)以驅(qū)動(dòng)控制對(duì)象，因此可提供的動(dòng)力相比手動(dòng)的扭力扳手更加精確；采用帶有負(fù)反饋的加載控制系統(tǒng)，可以為工件表面提供精確且持續(xù)的預(yù)應(yīng)力；由于加工時(shí)，工件表面的應(yīng)變片已經(jīng)拆除，本發(fā)明采用以測(cè)量夾具表面應(yīng)變代替測(cè)量工件應(yīng)變的方法，可以實(shí)時(shí)測(cè)量工件表面的應(yīng)變值，進(jìn)而可根據(jù)該應(yīng)變值的變化實(shí)時(shí)控制工件表面的預(yù)應(yīng)力。

附圖說(shuō)明

圖1為預(yù)應(yīng)力夾具及其加載裝置的設(shè)計(jì)簡(jiǎn)圖；

圖2為夾具的設(shè)計(jì)三維圖；

圖3為加載裝置的控制系統(tǒng)簡(jiǎn)圖；

圖4為夾具和靜態(tài)應(yīng)變測(cè)試儀照片；

圖5線(xiàn)性擬合曲線(xiàn)。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖具體說(shuō)明本發(fā)明，如圖1所示，本發(fā)明的裝置，包括步進(jìn)電機(jī)1，所述步進(jìn)電機(jī)1與減速器連接2，減速器2的輸出軸通過(guò)聯(lián)軸器3與矩形絲杠5連接，所述矩形絲杠5通過(guò)聯(lián)軸器3與t型卡鉗6連接，工件7設(shè)置在t型卡鉗6的兩個(gè)t型槽間；絲杠螺母4用于固定矩形絲杠；所述步進(jìn)電機(jī)1與plc連接，plc還與上位機(jī)、顯示器及應(yīng)變片連接。

如圖2所示，在工件表面貼應(yīng)變片二8，在夾具表面貼應(yīng)變片一9。

通過(guò)加載裝置對(duì)夾具的螺桿施加扭矩，貼在工件和夾具表面的應(yīng)變片測(cè)量得到了兩組應(yīng)變數(shù)據(jù)，通過(guò)對(duì)兩組應(yīng)變數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)分析和擬合計(jì)算，得到了夾具表面應(yīng)變與工件表面應(yīng)變的關(guān)系。再將這個(gè)計(jì)算公式代入到plc的程序中去，就可以實(shí)現(xiàn)以測(cè)量夾具表面應(yīng)變代替的測(cè)量工件表面應(yīng)變。擬合曲線(xiàn)如圖5，計(jì)算公式如下。

y＝1.6331x+0.6284

試驗(yàn)時(shí)，測(cè)量得到11組數(shù)據(jù)，采用前9組數(shù)據(jù)做擬合，后兩組數(shù)據(jù)做檢驗(yàn)。計(jì)算得出，全部11組數(shù)據(jù)擬合后的均方差為0.6968。式中，x為夾具應(yīng)變數(shù)值，y為工件表面應(yīng)變數(shù)值。

加載方法流程步驟如下：

s1，將應(yīng)變片一、二分別貼在如圖2所示的工件和夾具的對(duì)應(yīng)位置，方向?yàn)檠芈輻U的軸向，鏈接靜態(tài)應(yīng)變采集儀，開(kāi)機(jī)預(yù)熱；

s2，在螺桿的自由端施加扭矩值1，通過(guò)靜態(tài)應(yīng)變采集儀獲得工件表面和夾具t型卡端的應(yīng)變值；

s3，改變扭矩值的大??；

s4，重復(fù)s2～s3，獲得大于10組的數(shù)據(jù)；

s5，對(duì)所得的兩組應(yīng)變數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，得到工件表面應(yīng)變和夾具表面應(yīng)變的表達(dá)式；

s6，將s5中所得的表達(dá)式代入到plc程序中，完成以測(cè)量夾具表面應(yīng)變值代替測(cè)量工件表面應(yīng)變值的加載方式。

本發(fā)明采用預(yù)應(yīng)力淬硬磨削方法加工時(shí)，在工件表面和夾具表面分別貼應(yīng)變片，通過(guò)計(jì)算夾具表面應(yīng)變與工件表面應(yīng)變關(guān)系的方式，測(cè)得工件表面應(yīng)變計(jì)算公式；再將這個(gè)應(yīng)變計(jì)算公式代入到plc的程序中去，實(shí)現(xiàn)以測(cè)量夾具表面應(yīng)變代替的測(cè)量工件表面應(yīng)變；步進(jìn)電機(jī)收到plc的脈沖信號(hào)，通過(guò)螺旋副為工件提供預(yù)應(yīng)力，在夾具表面的應(yīng)變片開(kāi)始讀取工件表面的應(yīng)變值，當(dāng)達(dá)到預(yù)定的應(yīng)變條件時(shí)，plc對(duì)步進(jìn)電機(jī)發(fā)出信號(hào)，步進(jìn)電機(jī)停止工作；當(dāng)螺桿出現(xiàn)滑動(dòng)時(shí)，應(yīng)變片將出現(xiàn)應(yīng)變值的變化，plc讀取到變化后，對(duì)步進(jìn)電機(jī)發(fā)出正或反轉(zhuǎn)的指令，從而實(shí)現(xiàn)持續(xù)的為工件提供精確預(yù)應(yīng)力。

本發(fā)明的關(guān)鍵點(diǎn)一在于加載系統(tǒng)的控制方法設(shè)計(jì)；關(guān)鍵點(diǎn)二在于通過(guò)測(cè)量夾具應(yīng)變代替工件應(yīng)變的試驗(yàn)方法、擬合計(jì)算方法以及應(yīng)用于控制系統(tǒng)中的方法,三者集于一體的間接測(cè)量方法；關(guān)鍵點(diǎn)三在于對(duì)整體夾具和加載裝置的設(shè)計(jì)方案。

本發(fā)明采用以步進(jìn)電機(jī)，減速器，螺旋副機(jī)構(gòu)作為動(dòng)力和傳力方式，采用帶有負(fù)反饋的控制系統(tǒng)作為控制動(dòng)力源和持續(xù)提供動(dòng)力的保障，可以為工件提供精確且持續(xù)的預(yù)應(yīng)力支持。而原技術(shù)手段采用手動(dòng)加載方式，難以保證為工件提供精確的預(yù)應(yīng)力，并且可能由于相對(duì)滑動(dòng)導(dǎo)致螺旋副的回退，使得工件表面應(yīng)力減小。同時(shí)，相對(duì)于原有技術(shù)，新的預(yù)應(yīng)力加載裝置可以節(jié)省人力成本。