本發(fā)明屬于超聲振動(dòng)輔助磨削加工
技術(shù)領(lǐng)域：
，特別涉及一種超聲振動(dòng)輔助磨削脆性材料磨削溫度的預(yù)測(cè)方法。
背景技術(shù)：
：脆性材料具有良好的物理性能，但同時(shí)該類材料硬度高、斷裂韌性低，導(dǎo)致其加工困難。因此，迫切需要一種新型的加工技術(shù)用于解決傳統(tǒng)加工方法所存在的問題。現(xiàn)有研究顯示，超聲振動(dòng)輔助磨削技術(shù)是解決這一問題的理想途徑。超聲振動(dòng)輔助磨削加工脆性材料過程中，磨削溫度直接影響了工件的表面質(zhì)量，因此需要對(duì)磨削溫度進(jìn)行預(yù)測(cè)。宋慧東利用bp神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)良好的非線性映射功能，以磨削用量(砂輪線速度、工作太速度和磨削深度)為輸入，以磨削溫度為輸出，達(dá)到預(yù)測(cè)磨削溫度的的效果(宋慧東.基于bp神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的磨削溫度預(yù)測(cè)[j].機(jī)械管理開發(fā),2013(1):145-146.)。馬占龍等采用有限元和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合的方法對(duì)磨削溫度進(jìn)行仿真預(yù)測(cè)(馬占龍,王高文,張健,等.基于有限元及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的磨削溫度仿真預(yù)測(cè)[j].電子測(cè)量與儀器學(xué)報(bào),2013,27(11):1080-1085.)這兩種方法都沒有將超聲考慮在內(nèi)而且這些方法都需要進(jìn)行大量的數(shù)據(jù)采集與處理，樣本量要求較大，計(jì)算量大，實(shí)際應(yīng)用效果不太好。技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：本發(fā)明所解決的技術(shù)問題在于提供一種超聲振動(dòng)輔助磨削脆性材料磨削溫度的預(yù)測(cè)方法，以解決現(xiàn)有磨削溫度計(jì)算方法中未考慮超聲振動(dòng)參數(shù)的影響，不能反映真實(shí)加工狀況的問題，而本發(fā)明能夠?qū)崿F(xiàn)脆性材料超聲振動(dòng)輔助磨削過程中磨削溫度的準(zhǔn)確預(yù)測(cè)。實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)解決方案為：一種超聲振動(dòng)輔助磨削脆性材料磨削溫度的預(yù)測(cè)方法，包括以下步驟：步驟1、建立磨削過程中磨削力f的數(shù)學(xué)模型：根據(jù)材料的理論去除體積與實(shí)際去除體積之間的關(guān)系，計(jì)算出超聲振動(dòng)輔助磨削脆性材料的磨削力數(shù)學(xué)模型；步驟2、確定熱源強(qiáng)度q：根據(jù)磨粒分布建立計(jì)算磨粒線速度，再根據(jù)幾何關(guān)系計(jì)算磨粒磨削速度，根據(jù)熱能方程，獲得熱源強(qiáng)度q的計(jì)算公式；步驟3、確定溫升時(shí)間t：根據(jù)實(shí)驗(yàn)測(cè)量的溫度變化曲線獲得單組溫升時(shí)間，根據(jù)多組溫升時(shí)間求得平均值最為溫升時(shí)間t；步驟4、確定磨削溫度θ的預(yù)測(cè)公式：將步驟1的磨削力式和步驟2求得的熱源強(qiáng)度式代入到平面磨削時(shí)磨削區(qū)域表面的溫度表達(dá)式中，求得磨削溫度理論模型的預(yù)測(cè)公式；步驟5、確定修正系數(shù)k：綜合考慮主軸轉(zhuǎn)速n，進(jìn)給速度vf，磨削深度ap，建立指數(shù)預(yù)測(cè)模型，利用最小二乘估計(jì)算法求得最終的修正系數(shù)k；步驟6、確定平面磨削溫度θ的最終預(yù)測(cè)公式，并對(duì)不同參數(shù)下的磨削溫度進(jìn)行預(yù)測(cè)：將步驟5獲得的修正系數(shù)k的公式代入步驟4磨削溫度θ的預(yù)測(cè)公式公式得到最終的預(yù)測(cè)公式；依據(jù)得到的最終預(yù)測(cè)公式，對(duì)不同磨削加工參數(shù)下的磨削溫度進(jìn)行預(yù)測(cè)。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，其顯著優(yōu)點(diǎn)：(1)本方法將超聲振動(dòng)參數(shù)考慮到磨削溫度模型中，更加貼合實(shí)際；(2)綜合考慮磨粒的進(jìn)給速度，主軸轉(zhuǎn)速以及磨削深度對(duì)磨削溫度的影響，引入了修正系數(shù)k表征此類因素對(duì)磨削溫度的影響；通過以上考慮，使得計(jì)算過程更加符合脆性材料的實(shí)際加工狀況，提高了脆性材料超聲振動(dòng)磨削過程中磨削溫度的預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確度。下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)描述。附圖說明圖1為本發(fā)明磨削溫度預(yù)測(cè)方法的流程圖。圖2超聲振動(dòng)輔助磨削溫度實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)圖。圖3磨削溫度變化曲線圖。圖4為刀具結(jié)構(gòu)示意圖。圖5單顆磨粒結(jié)構(gòu)示意圖。圖6為不同磨粒線速度與磨頭半徑關(guān)系示意圖。具體實(shí)施方式為了說明本發(fā)明的技術(shù)方案及技術(shù)目的，下面結(jié)合附圖及具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步的介紹。結(jié)合圖1，本發(fā)明的一種超聲振動(dòng)輔助磨削脆性材料磨削溫度的預(yù)測(cè)方法，具體步驟如下：步驟1、建立磨削過程中磨削力f的數(shù)學(xué)模型；根據(jù)材料的理論去除體積與實(shí)際去除體積之間的關(guān)系，計(jì)算出超聲振動(dòng)輔助磨削脆性材料的磨削力數(shù)學(xué)模型為：式中，k為修正系數(shù)；k0為無量綱常數(shù)；hv是工件的維氏硬度；kic工件的斷裂韌性；c0為無量綱的常量；hv是工件的維氏硬度；ca為磨粒的濃度；b為磨粒的棱長(zhǎng)(如圖5所示)；r0與r1分別為刀具的外半徑和內(nèi)半徑(刀具為圖4空心刀具)；d是刀具的外直徑；ap為磨削深度；vf是磨粒的進(jìn)給速度，單位mm/s；e為工件材料的彈性模量；υ為泊松比；c為無量綱的常量；a是超聲振幅，單位μm；α為磨粒的半頂角；a為超聲振幅，單位μm；n為主軸轉(zhuǎn)速；進(jìn)一步的，k0＝14.6；c0＝0.033；c＝0.226；α＝45°；上述建立磨削力f的數(shù)學(xué)模型為現(xiàn)有技術(shù)，推導(dǎo)過程可參考文獻(xiàn)xiaox,zhengk,liaow.theoreticalmodelforcuttingforceinrotaryultrasonicmillingofdentalzirconiaceramics[j].theinternationaljournalofadvancedmanufacturingtechnology,2014,75(9):1263-1277.步驟2、確定熱源強(qiáng)度q；根據(jù)磨粒分布建立計(jì)算磨粒線速度，再根據(jù)幾何關(guān)系計(jì)算磨粒磨削速度，根據(jù)熱能方程，獲得熱源強(qiáng)度的計(jì)算公式；步驟2-1、根據(jù)磨粒分布計(jì)算磨粒的線速度：由于刀具底面的磨粒分布在磨頭不同的半徑上，結(jié)合圖6磨粒線速度與刀具半徑的大小成正比，為了便于計(jì)算，將磨粒的平均線速度作為在磨削過程中的線速度，即為：步驟2-2、根據(jù)幾何關(guān)系計(jì)算磨粒磨削速度：由于在磨削過程中，磨粒的周向速度垂直于磨削力的方向，因此超聲振動(dòng)輔助磨削時(shí)刀具底面磨粒的磨削速度為：步驟2-3：磨削過程熱量產(chǎn)生的功率為：w＝f·v步驟2-4：在磨削溫度分析過程中，熱源強(qiáng)度的計(jì)算公式如下：式中：f為加工過程中刀具底面磨粒的磨削力；v為刀具底面磨粒的磨削速度；η為熱量傳入工件的比值；s為熱源面積；j為熱功當(dāng)量；本實(shí)施例中，涉及的溫度為磨削區(qū)域的最高溫度，為了方便計(jì)算，假設(shè)傳入工件和刀具的熱量分配與工件材料及刀具的導(dǎo)熱系數(shù)成正比；因此，其中，λ1為工件的導(dǎo)熱系數(shù)；λ2為刀具的導(dǎo)熱系數(shù)；由于刀具只有很薄的一層金剛石磨粒，導(dǎo)熱系數(shù)與45號(hào)鋼的導(dǎo)熱系數(shù)相似，因此選擇45鋼的導(dǎo)熱系數(shù)為刀具的導(dǎo)熱系數(shù)為，λ2＝0.127cal/(cm·s·k)；由于為平面磨削，磨削的接觸面積即為熱源面積，s＝π(r02-r12)/100；j＝4.1840j/cal。步驟3、確定溫升時(shí)間t；根據(jù)實(shí)驗(yàn)測(cè)量的溫度變化曲線獲得單組溫升時(shí)間，根據(jù)多組溫升時(shí)間求得平均值最為溫升時(shí)間t；結(jié)合圖2，工件與熱電偶固定在一起，通過熱電偶測(cè)量工件的溫度，獲得溫度的變化曲線。結(jié)合圖3，本實(shí)施例中，溫升時(shí)間t為從開始磨削到溫度達(dá)到最大值時(shí)所用的時(shí)間，溫升時(shí)間基本上無變化，可以作為一個(gè)常量。優(yōu)選的，測(cè)試5組以上溫升時(shí)間求得平均值；步驟4、確定磨削溫度θ的預(yù)測(cè)公式；將步驟1的磨削力式(1)和步驟2求得的熱源強(qiáng)度式(4)代入到平面磨削時(shí)磨削區(qū)域表面的溫度表達(dá)式中，求得磨削溫度理論模型的預(yù)測(cè)公式；具體步驟如下：步驟4-1：建立平面磨削時(shí)磨削區(qū)域表面溫度θ的表達(dá)式:式中：β為工件導(dǎo)溫系數(shù)，β＝λ1/cρ，其中c為工件比熱容，ρ為工件密度；步驟4-1的表達(dá)式為現(xiàn)有方法。步驟4-2：建立超聲振動(dòng)輔助磨削脆性磨削溫度理論模型的預(yù)測(cè)公式：聯(lián)立公式(1)、(2)、(3)、(4)、(5)得到磨削溫度預(yù)測(cè)公式如下：步驟5、確定修正系數(shù)k；綜合考慮主軸轉(zhuǎn)速n，進(jìn)給速度vf，磨削深度ap，建立指數(shù)預(yù)測(cè)模型，利用最小二乘估計(jì)算法求得最終的修正系數(shù)k；5.1、綜合考慮主軸轉(zhuǎn)速n，進(jìn)給速度vf，磨削深度ap，建立修正系數(shù)k的指數(shù)模型為：式中：b為材料性能、刀具以及機(jī)床本身等對(duì)修正系數(shù)的綜合影響因子，a1、a2、a3為待定系數(shù)。5.2、結(jié)合最小二乘估計(jì)算法求得綜合影響因子b，待定系數(shù)a1、a2、a3；對(duì)公式(7)兩邊求對(duì)數(shù)得：lgk＝lgb+a1lgn+a2lgvf+a3lgap令y＝lgf,a0＝lgb,x1＝lgn，x2＝lgvf,x3＝lgap(8)則y＝a0+a1x1+a2x2+a3x3建立多元線性回歸方程為：y1＝a0+a1x11+a2x12+a3x13+ε1y2＝a0+a1x21+a2x22+a3x23+ε2…y15＝a0+a1x151+a2x152+a3x153+ε15(9)建立矩陣：通過最小二乘法的矩陣算法知，m＝(xtx)-1xty，引入待定系數(shù)ω，具體過程由matlab計(jì)算。b＝10ω5.3、計(jì)算修正系數(shù)k；根據(jù)公式(7)得：步驟6、確定磨削溫度θ的預(yù)測(cè)公式：并對(duì)不同參數(shù)下的磨削溫度進(jìn)行預(yù)測(cè)，將步驟5獲得的修正系數(shù)k的公式(11)代入步驟4磨削溫度θ的預(yù)測(cè)公式公式(6)得到最終的預(yù)測(cè)公式：依據(jù)上述得到的最終表達(dá)式，對(duì)不同磨削加工參數(shù)下的磨削溫度進(jìn)行預(yù)測(cè)；下面結(jié)合氧化鋯陶瓷進(jìn)行具體說明：本實(shí)例在超聲振動(dòng)裝置輸出的頻率約為15～50khz的高頻電信號(hào)進(jìn)行，經(jīng)換能器轉(zhuǎn)換為機(jī)械振動(dòng)，在通過變幅桿將機(jī)械振動(dòng)擴(kuò)大至3～20μm，最后傳給高速旋轉(zhuǎn)中的金剛石刀具，從而的實(shí)現(xiàn)超聲振動(dòng)輔助磨削加工。本實(shí)施例中所使用的刀具為日本住友電工公司提供的電鍍金剛石刀具，型號(hào)為w12060，外徑為6mm，內(nèi)徑為3mm，磨粒大小為d120，磨粒濃度為ca＝100；工件為秦皇島愛迪特高技術(shù)陶瓷有限公司提供的完全燒結(jié)牙科氧化鋯陶瓷，工件尺寸為20mm×10mm×5mm，其材料組成與主要物理性能見表1和表2。表1完全燒結(jié)氧化鋯組成表2完全燒結(jié)氧化鋯陶瓷的物理性能屬性數(shù)值抗彎強(qiáng)度/mpa800-1000斷裂強(qiáng)度/mpa1200斷裂韌性kic/mpa·m1/26維氏硬度hv/mpa12彈性模量e/mpa210密度ρ/g·cm-36.05導(dǎo)熱系數(shù)λ1/cal/(cm·s·k)0.0047泊松比υ0.32導(dǎo)溫系數(shù)β/cm2/s0.00712比熱容c/cal·(g·k)-10.11顯然，這些參數(shù)是由刀具、氧化鈷陶瓷等決定的，上述表中的參數(shù)僅做實(shí)施例中更好的實(shí)驗(yàn)說明，并非是對(duì)本發(fā)明的限制。在實(shí)驗(yàn)開始前，首先檢測(cè)了金剛石刀具與超聲設(shè)備的諧振頻率，選定本次超聲振動(dòng)輔助磨削實(shí)驗(yàn)的超聲頻率約為20khz。在超聲裝置工作時(shí)，超聲電流與振幅成正比，并對(duì)其進(jìn)行了多次標(biāo)定實(shí)驗(yàn)，測(cè)得了如表3所示的關(guān)系。表3超聲電流與振幅之間的關(guān)系超聲電流(ma)50100150200超聲振幅(μm)46810熱電偶與工件固定在一起，將熱電偶的兩極分別連接到電荷放大器上，再經(jīng)補(bǔ)償導(dǎo)線連接在數(shù)據(jù)采集卡上。最后通過pc上的信號(hào)采集軟件對(duì)磨削溫度信號(hào)進(jìn)行動(dòng)態(tài)采集，實(shí)驗(yàn)總體方案示系統(tǒng)如圖2所示。這樣就可以將溫度采集下來了。實(shí)驗(yàn)采用干磨的方式對(duì)磨削溫度進(jìn)行測(cè)量。具體實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)置如表4所示，按照表4中參數(shù)一共進(jìn)行15組實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)得到的數(shù)據(jù)如表5所示。表4獲取修正系數(shù)k的實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)置表5實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)1、通過初步實(shí)驗(yàn)獲得溫升時(shí)間t和修正系數(shù)k，具體過程如下：1)溫升時(shí)間t的確定可以根據(jù)實(shí)驗(yàn)測(cè)量的溫度變化曲線得到。經(jīng)過分析每組實(shí)驗(yàn)測(cè)量曲線，根據(jù)各組溫升時(shí)間求得平均值最為溫升時(shí)間t約為2.98s。2)確定修正系數(shù)k，由公式(10)與表5中的數(shù)據(jù)由matlab計(jì)算可得：由公式(11)可得k＝89.22×n-0.3286·vf-0.4397·ap-0.5901。2、將修正系數(shù)k、實(shí)驗(yàn)參數(shù)和氧化鋯陶瓷的熱力學(xué)參數(shù)代入公式(6)(公式(6)的計(jì)算過程如上述，此處不再贅述)，可得到超聲振動(dòng)輔助磨削溫度理論模型的最終表達(dá)如下：實(shí)驗(yàn)測(cè)得的磨削溫度值、理論值結(jié)果如表6所示；如前所述，可利用該最終的預(yù)測(cè)公式，對(duì)不同的磨削加工參數(shù)下的磨削溫度進(jìn)行預(yù)測(cè)。從表6可知，本文建立的超聲振動(dòng)輔助磨削溫度理論模型有著較好得精度，其最大相對(duì)誤差為18.09％，而最小誤差僅為3.96％，平均誤差為9.43％。表6.各參數(shù)條件下測(cè)得的磨削溫度值與理論值雖然本發(fā)明已以較佳實(shí)施例揭露如上，然其并非用以限定本發(fā)明。本發(fā)明所屬
技術(shù)領(lǐng)域：
中具有通常知識(shí)者，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，當(dāng)可作各種的更動(dòng)與潤(rùn)飾。因此，本發(fā)明的保護(hù)范圍當(dāng)視權(quán)利要求書所界定者為準(zhǔn)。當(dāng)前第1頁(yè)12