基于磨削温度经验模型的可控快速往返点进给磨削系统及磨削方法

摘要

本发明涉及基于磨削温度经验模型的可控快速往返点进给磨削系统，该磨削系统包括高速砂轮主轴系统(1)、主轴功率信号实时采集与处理系统(2)、专家数据库系统(3)、CNC控制系统(4)与快速往返点进给工作台(5)；一方面，由于砂轮及时后退，避开过高磨削温度的产生，抑制了工件表面烧伤和亚表面损伤的形成，改善了工件表面加工质量；另一方面，砂轮后退所产生的间隙，使磨削液可直接进入磨削区域使其得到有效冷却和润滑，减少了砂轮堵塞和钝化，并保证了磨削过程持续进行；更重要的是，基于磨削主轴功率信号的实时反馈，实现了智能可控的最佳化磨削过程在保证加工质量的同时，大大提高了加工效率。

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于磨削温度经验模型的可控式快速往返点进给磨削方法，该磨削方法针对高效深切磨削及成型磨削设计，具体涉及钛合金、镍基合金等难加工材料的高效深切以及大型齿轮的成型磨削，属于机械磨削加工技术领域。

背景技术

钛合金和镍合金由于其优异的性能(高温下的高强度，耐腐蚀和高的强度重量比(钛合金))被广泛应用于制造航空航天工业中的重要部件，例如喷气发动机的涡轮机叶片和制动盘。这些合金的优异性能也使得它们很难进行机械加工，在保证高的加工效率和表面质量前提下，把这些材料加工成所需的形状是一个很有挑战的工作。超硬磨粒砂轮磨削是加工钛合金和镍合金的常用方法。由于钛合金和镍合金的低热传导率，热量很难快速的传递到材料基体，磨削过程中产生的热量都集中在材料表面，这通常会在很薄的表面层内产生高的温度和高的热梯度，从而在磨削表面产生严重的热损伤。在磨削过程中只能通过降低材料去除率来控制磨削温度，这样又降低了加工效率，增加了加工成本。

不论是钛合金、镍基合金磨削还是大型齿轮的成型磨削，磨削过程中的另一个问题是，磨削液很难注入到磨削区。这是因为由于磨削接触弧长长、接触面大，在砂轮高速旋转的时候，砂轮周围存在气障，磨削液很难穿过气障进入磨削区。在磨削区由于冷却液供给不足、局部温度很高、润滑状况恶劣容易造成砂轮粘附，砂轮的粘附进一步增大了磨削温度、造成砂轮非正常磨削，从而影响了磨削质量，降低了砂轮使用寿命。

同时可知，对大型重载齿轮的磨削加工也是目前工程实践中重要的技术难点，大型重载齿轮是大型风力发电机组、船舶动力系统、海洋平台姿态保持系统、高速列车动力系统以及核电站循环水系统齿轮传动装置中的关键零件。随着我国风电、海洋工程、高速列车、核电以及石油化工、冶金矿山等行业的快速发展，对大型、精密齿轮的需求进一步加大，对其强度和可靠性提出了更高的要求。大型齿轮由于整体尺寸大，成型磨削过程中，磨削热在短时间内难于向齿轮内部均匀传递，磨削过程中齿面温度梯度极大，造成齿面软化、二次淬火硬化以及磨削裂纹等缺陷，严重影响齿轮的强度、使用寿命和可靠性。公开号为CN202292434U，名称为一种轴承套圈内置磨削冷却装置的专利公开了有一个特殊喷嘴在磁极内部，增加了一组磨削液冷却通道，达到冲走磨削热的目的，在磨削质量要求不变的前提下，如何调大冷却液流量、选择合适的冷却位置成为关键所在，该发明取得积极的技术效果，但难以拓展其使用范围，成本也随之增加。同时，公开号为CN101066579A，发明名称为“一种钛合金材料的高效精密磨削方法”的专利申请采用常规工装设备对钛合金工件实施磨削，主要采用超高速树脂结合剂金刚石砂轮或陶瓷结合剂CBN砂轮，同采用砂轮动平衡系统对砂轮进行实时动平衡，应该该方法可以提高钛合金材料的加工效率，降低其加工成本，改善钛合金零件表面质量，减少表面烧伤和裂纹，大幅度提高零件的可靠性。

CN103639895A公开了一种基于传热反问题的磨削温度测量方法，该方法提供了一种温度测量手段，但未涉及任何可以实际应用的消磨系统和具体的消磨方法；

然而以上文件都并未公开如何解决在磨削区由于冷却液供给不足导致的磨削表面产生严重的热损伤，从而影响了磨削质量和降低了砂轮使用寿命的技术问题。

发明内容

针对以上技术问题，本发明通过控制工件的进给运动，避免钛合金、镍基合金高效深切磨削热损伤和大型齿轮成型磨削热损伤。

本发明的技术方案是：一种基于磨削温度经验模型的可控快速往返点进给磨削系统，该磨削系统包括高速砂轮主轴系统、主轴功率信号实时采集与处理系统、专家数据库系统、CNC控制系统与快速往返点进给工作台；

磨削时，由高速砂轮主轴系统带动砂轮高速回转，对工件进行磨削；同时，主轴功率信号实时采集与处理系统采集工件磨削时功率信号，并将其实时处理后输入至专家数据库系统；

通过CNC控制系统内的磨削温度经验模型计算出实时磨削温度；

根据磨削温度经验模型计算出实时磨削温度与存在于预先设定的临界烧伤温度阈值相比较；

若已加工面温度低于临界烧伤温度，发出指令给CNC控制系统，使其控制快速往返点进给工作台继续进给；

若达到或超过临界烧伤温度，则发出指令给CNC控制系统，使其控制快速往返点进给工作台按设定的退回距离和暂停时间的退回和暂停，同时使磨削液直接进入磨削区进行冷却降温，随后工作台继续进给，依次循环往复，实现加工余量的去除。

本发明的有益效果：

钛合金及镍基高温合金高效磨削及成型磨削时，采用本发明的磨削方式，一方面，由于砂轮及时后退，避开过高磨削温度的产生，抑制了工件表面烧伤和亚表面损伤的形成，改善了工件表面加工质量；另一方面，砂轮后退所产生的间隙，使磨削液可直接进入磨削区域使其得到有效冷却和润滑，减少了砂轮堵塞和钝化，并保证了磨削过程持续进行；更重要的是，基于磨削主轴功率信号的实时反馈，实现了智能可控的最佳化磨削过程在保证加工质量的同时，大大提高了加工效率。

附图说明

现在将描述如本发明的优选但非限制性的实施例，本发明的这些和其他特征、方面和优点在参考附图阅读如下详细描述时将变得显而易见，其中：

图1为本发明的磨削系统构成示意图；

图2为本发明的加工控制流程图；

图3(a)为在传统磨削进给方式的磨削过程中所采集到的磨削温度原始信号；

图3(b)为本发明的磨削过程中所采集到的磨削温度原始信号：

图4(a)为传统磨削进给方式下的加工表面微观形貌对比示意图；

图4(b)为本发明的加工表面微观形貌对比示意图。

其中：1-高速砂轮主轴系统；2-主轴功率信号实时采集与处理系统；3-专家数据库系统；4-CNC控制系统；5-快速往返点进给工作台；

具体实施方式

以下结合具体实施例对本发明做进一步详细说明。

以下的说明本质上仅仅是示例性的而并不是为了限制本公开、应用或用途。应当理解的是，在全部附图中，对应的附图标记表示相同或对应的部件和特征。

如图1所示，本发明提供了基于磨削温度经验模型的可控快速往返点进给磨削系统，该磨削系统包括高速砂轮主轴系统1、主轴功率信号实时采集与处理系统2、专家数据库系统3、CNC控制系统4与快速往返点进给工作台5。

磨削时，由高速砂轮主轴系统1带动砂轮高速回转，对工件进行磨削；同时，主轴功率信号实时采集与处理系统2采集工件磨削时功率信号，并将其实时处理后输入至专家数据库系统3；在专家数据库系统3内，由处理后的磨削时功率信号得出实时磨削功率P，并通过内置的磨削温度经验模型计算出实时磨削温度T，将其与临界烧伤温度阈值T_s相比较，若已加工面温度低于临界烧伤温度，发出指令给CNC控制系统4，使其控制快速往返点进给工作台5继续进给；若达到或超过临界烧伤温度，则发出指令给CNC控制系统4，使其控制快速往返点进给工作台5按专家数据库系统3设定的退回距离和暂停时间的退回和暂停，同时使磨削液直接进入磨削区进行冷却降温，随后工作台继续进给，依次循环往复，实现加工余量的去除。

其中，专家数据库系统3的构建尤为重要:

首先，针对某一待加工材料及特定加工条件(包括机床、砂轮、磨削液)，开展大量传统连续进给磨削工艺试验，试验过程中同时采集磨削主轴功率信号与磨削温度信号；

接着，按时间轴将每次磨削的这两类信号值一一对应的存储至专家数据库系统3内，并经分析排除其中的干扰值；同时，将磨削温度与工件表面磨削质量相对应，得出临界烧伤温度T_s，并存储于专家数据库系统3内；

最后，基于上述大量的工艺试验得到的经验数据，采用回归法构建磨削温度T与工艺参数、磨削主轴功率P之间的经验模型，见式(1)：

T＝f(v_s，v_w，a_p，P)    (1)

其中v_s、v_w、a_p、P分别表示砂轮线速度、工件速度、磨削深度和磨削功率，并将其内置于专家数据库系统3内。

此外，该专家数据库系统3是个学习的专家系统，可通过后续的工艺试验乃至生产实践不断修正经验模型，以确保加工效率与加工质量的有效统一。

在这种独特的智能磨削方式下，可以使切削深度多达10-20mm，所以对于一些特定的工件的表面，例如涡轮叶片根部、大型重载齿轮，可以进行一次性去除。这是由于大量充足的磨削液能在设定的时间步长中，直接供给到磨削区域，对工件表面进行冷却的同时清洗砂轮表面。

如图2所示，本发明还提供过了一种基于磨削温度经验模型的可控快速往返点进给磨削系统的磨削方法，具体包括以下步骤：

步骤1、针对各类待加工材料，通过大量工艺试验，建立专家数据库系统，其中内置磨削温度经验模型(T＝f(P))、临界烧伤温度T_s、退回距离和暂停时间；

其中，温度经验模型具体如公式(1)所示。

步骤2、基于直线电机驱动，设计快进快退能力的快速往返点进给工作台；

步骤3、在专家数据库系统内，针对某一磨削条件下，以磨削主轴功率信号的实时反馈为输入量，基于本发明所建立的磨削温度经验模型计算出实时磨削温度；

步骤4、将其与预先设定的临界烧伤温度阈值相比较：若已加工面温度低于临界烧伤温度，工作台继续进给；若达到或超过临界烧伤温度，工作台按设定的退回距离和暂停时间的快速退回并暂停，使磨削液可以直接进入磨削区进行冷却降温；

步骤5、随后工作台继续进给，依次循环往复，实现加工余量的去除。

加工出现异常，对应存储在专家数据库系统内的实时磨削功率值与加工表面质量，及时修正磨削温度经验模型。

以下将以具体的实例对本发明所述的基于磨削温度经验模型的可控式快速往返点进给磨削方法进行说明。

本实例提供了基于磨削温度经验模型的可控式快速往返点进给磨削方法在钛合金Ti-6Al-4V磨削加工中的应用。为了验证本发明所述磨削方法的磨削效果，该实施例中还对比了传统连续进给磨削和可控快速往返点进给磨削方法的磨削结果。具体加工条件如下：

砂轮：TYROLIT 100#树脂结合剂金刚石砂轮；

修整器：制动式滚轮修整器+氧化铝滚轮；修整深度：1mm；

磨削液：浓度为4％的HOCUT 795乳化液，供液压力8Mpa。

对于钛合金Ti-6Al-4V，磨削烧伤温度应为400℃左右，以避免表皮氧化层中的氧元素向材料内部扩散形成α相造成表面脆化。为保证磨削效果，可控快速进给磨削方式下设定临界烧伤温度Ts为300℃。基于大量钛合金Ti-6Al-4V磨削工艺试验后，构建的该材料的磨削温度T与工艺参数、磨削主轴功率P之间的经验模型为：

T＝e^-0.84426v_s^0.01028v_w^-0.93075a_p^0.021029P^0.95767

对于本对比试验中的磨削加工参数为：砂轮线速度v_s＝120m/s，磨削深度a_p＝0.2mm，工作台速度v_w＝3000mm/min；回退距离S＝10mm，停留时间t₀＝0.6秒。

磨削过程中用夹式K型人工热电偶测量磨削温度，并用基恩士3D超景深显微系统观察磨削后的工件表面微观形貌。两种磨削方法均采用如上磨削条件，在采用可控式快速点进给磨削方法时，设定其工件退出速度为机床伺服系统最高速度10000mm/min。

图3为磨削过程中所采集到的磨削温度原始信号。由图3a可知，在传统磨削进给方式下，尽管采用了高压磨削液进行冷却，在工件与砂轮接触区内的磨削温度依然急剧上升，达到800℃以上；而在相同磨削条件下，采用快速往返点进给方式磨削，磨削温度原始信号呈脉冲间隔分布，且脉冲的峰值显著降低，基本在设定的临界温度(即300℃)以下。

图4为采用两种磨削方式所获得工件表面微观形貌。由图4a可知，采用传统磨削进给方式时，工件所磨表面出现暗黑条纹，且局部区域存在剥落现象，这表明磨削时，由于磨削温度过高，工件表面出现烧伤与粘附现象。由图4b可知，采用专利所述的可控式快速往返点进给方式磨削时，工件表面磨削条纹细致均匀分布，且未出现任何烧伤迹象，这表明磨削时，工件冷却充分，磨削温度始终处于材料烧伤温度以下。