[发明专利]基于磨削去除率模型的切入磨削工艺参数优化方法

摘要

本发明涉及一种基于磨削去除率模型的切入磨削工艺参数优化方法，具体步骤为：1、建立切入磨削去除率理论模型，2、建立磨削工艺参数优化目标函数，3、建立磨削工艺参数优化约束条件；4、基于上述磨削工艺优化目标函数和约束条件，可对切入磨削过程的粗磨、半精磨、精磨和光磨四个磨削阶段的加工参数进行优化；使用优化后工艺参数的磨削加工过程，满足上述各约束条件，保证磨削各进给阶段的加工稳定性，实现磨削加工时间最少、效率最大化。

主权项

1.一种基于磨削去除率模型的切入磨削工艺参数优化方法，其特征在于，具体步骤为：一、建立切入磨削去除率理论模型切入磨削进给过程中，由于法向磨削力Fn产生的弹性变形δ可表示为：式中，Fn为磨削砂轮与工件接触点的法向磨削力，δ为弹性变形，ke为系统等效刚度；切入磨削中法向磨削力F_n与实际进给速度服从一定的线性关系，其表达式为：式中，a_e为工件每转下的进给深度，k_c为磨削力系数，为工件半径增大速度，n_w为工件转速；当忽略砂轮磨损磨削系统中，砂轮的指令进给速度和实际进给速度之间的磨削差值δ可表示为：联立式(1)、(2)和(3)可得磨削系统控制公式：经变换整理得：式中，τ为磨削系统时间常数，可表示为：对上述公式(5)进行求解计算，可获得磨削去除率模型的表达式为：式中，n表示进给阶段、粗磨进给速度为粗磨进给时间为t_rough＝t₁、半精磨进给速度半精磨进给时间t_semi＝t₂‑t₁、精磨进给速度精磨进给时间t_finish＝t₃‑t₂、光磨时间t_park＝t₄‑t₃、光磨进给速度则磨削主轴的功率可表示为：式中，P为磨削砂轮主轴的功率；kp为功率系数，其大小取决于磨削条件；knt为法向磨削力与切向磨削力的比例系数；由上式(2)、式(7)和式(8)联立，可得切入式磨削各进给阶段的功率信号模型为：典型零件切入磨削加工去除量一个周期的变化过程，程序设定第n个阶段的磨削进给量an，可表示为：第n个阶段的程序设定磨削进给量a_n与实际磨削进给量之差为δ_n，可表示为：由式(7)可知，当每个进给阶段的磨削时间足够长时，即满足理想的磨削功率信号为式：第n个阶段的理想磨削功率信号Plim‑n与预测磨削功率信号P之差为en，可表示为：en＝P‑Plim‑n      (13)式中，en为功率信号差值，当进给阶段磨削时间足够长时，功率信号差值en→0；根据式(11)和式(13)，可实现磨削各进给阶段的磨削进给量差值δn和磨削功率差值en的定量描述，为后续建立切入磨削工艺参数优化目标函数和约束条件提供理论基础；二、建立磨削工艺参数优化目标函数切入磨削工艺参数优化目标为：在满足磨削各种加工要求及磨削质量指标条件下，实现磨削加工时间最少，提高磨削加工产品的效率；基于切入磨削过程分析，以提高磨削加工效率为目标，即磨削工艺参数优化目标函数Φ，可表示为：Φ＝trough+tsemi+tfinish+tpark       (14)由式(14)与切入磨削加工原理可知，磨削优化目标函数Φ取决于粗磨进给时间t_rough、粗磨进给速度半精磨进给时间t_semi、半精磨进给速度精磨进给时间t_finish、精磨进给速度光磨时间t_park；三、建立磨削工艺参数优化约束条件为有效优化切入磨削加工工艺参数，分别建立功率信号差值、最大磨削功率、磨削烧伤层厚度、磨削烧伤临界热流密度、磨削表面粗糙度、磨削工件圆度、磨削工件尺寸误差约束条件，具体如下：1)功率信号差值en为保证整个磨削加工系统的稳定性，通过约束每个磨削进给阶段的功率信号差值en实现；由式(13)可知，功率信号差值en，可具体表示为：设定每个进给阶段结束后的最大允许功率信号差值为elim‑n，为实现磨削进给稳定性，磨削功率信号差值en应小于设定值elim‑n，即en≤elim‑n      (16)通过式(16)实现对磨削每个进给阶段弹性变形量进行约束，保证切入磨削加工产品质量；2)磨削消耗最大功率Plim由于粗磨削加工阶段的磨削功率最大，所以，通过调整粗磨进给速度控制实际磨削功率大小，磨削消耗功率Pgrind与粗磨进给速度的关系模型，如下式：对磨削消耗最大功率Plim进行约束，其表达式如下：式中，Plim为设定最大磨削消耗功率值，通过对粗磨阶段最大功率Plim约束，可保证该进给阶段的稳定性；3)磨削烧伤层厚度z设定磨削烧伤层厚度为z，且随着磨削进给速度增大而增大；切入磨削加工过程中，半精磨阶段、精磨阶段和光磨阶段的去除量总和，如下所示：rh＝r(trough+tsemi+tfinish+tpark)‑r(trough)      (19)根据式(19)调整磨削工艺参数，保证粗磨阶段烧伤层厚度z在后续磨削进给阶段被完全去除，应满足下式(20)，即半精磨阶段、精磨阶段和光磨阶段的总去除量rh大于粗磨烧伤层厚度z；rh‑z>0     (20)4)磨削烧伤临界热流密度qlim根据热流密度q与磨削功率的表达式：式中，J为磨削热量的做功当量；b为磨削砂轮宽度；Rw为磨削热量流入工件磨削表面比例；Ft为切削磨削力，调整磨削工艺参数约束平均热流密度大小，避免磨削工件二次烧伤现象，半精磨阶段的热流密度q应小于磨削烧伤临界热流密度qlim；qlim‑q>0     (22)5)磨削工件圆度Rn切入磨削加工的工件圆度理论上等于进给速度与工件转速度之比即砂轮瞬时切削工件厚度，磨削工件圆度除了包括上述理论圆度外，还有各种因素导致的额外附加值，即R_m，实际磨削加工圆度R_n，可表示为：实际磨削加工中，由于精磨阶段的进给速度对工件圆度影响大，应控制精磨阶段进给速度满足以下条件：式中，Rnmax为磨削工件圆度Rn的最大设定值；6)磨削工件表面粗糙度Ra磨削工件表面粗糙度是评价磨削加工质量的重要指标，磨削加工表面粗糙度Ra与磨削去除率关系表达式为：式中，R∞与磨削砂轮表面状况有直接关系，建立磨削加工表面粗糙度与设定最大粗糙度值Rlim的关系，如下式：Ra≤Rlim    (26)由于切入磨削中光磨阶段的进给速度为零，可延长光磨时间满足式(26)约束条件，即最小光磨时间tspark‑rough；7)磨削工件尺寸误差detT光磨阶段的磨削尺寸误差detT，可表示为：联立式(27)和式(10)，可建立约束条件，如下式：根据式(28)最大磨削尺寸误差detT约束，可计算满足该尺寸误差的最小磨削时间tspark‑size，提高磨削加工效率；四、切入磨削工艺参数优化方法基于上述磨削工艺优化目标函数和约束条件，可对切入磨削过程的粗磨、半精磨、精磨和光磨四个磨削阶段的加工参数进行优化；首先对粗磨工艺参数进行优化，建立满足粗磨阶段各约束条件的工艺参数；然后，依次对其他半精磨、精磨和光磨阶段的工艺参数进行优化，在对半精磨、精磨和光磨工艺参数分别优化时，应反复调整前面粗磨进给阶段工艺参数，满足相关约束条件；最后，使用优化后工艺参数的磨削加工过程，满足上述各约束条件，保证磨削各进给阶段的加工稳定性，实现磨削加工时间最少、效率最大化。