超聲振動輔助磨削脆性材料沿進給方向切削力預測方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及超聲震動輔助磨削加工技術，特別是一種針對脆性材料超聲振動輔助 磨削過程中的進給方向切削力預測方法。
【背景技術】
[0002] 脆性材料，如氧化鋯陶瓷、玻璃等，具有耐高溫、耐磨損、高硬度、高強度比、抗腐蝕 等優異的物理性能，因此在許多領域得到廣泛應用，例如牙齒修復、航空航天、軍工、能源、 機械、電子、石化和汽車等領域。但是其脆性大、斷裂韌性低、導熱率低、彈性極限和強度極 限非常接近等特點，傳統的加工方法很難對脆性材料進行加工。因此，可將旋轉超聲加工技 術引入到脆性材料的加工中，從而提高加工效率和質量。
[0003] 旋轉超聲加工技術中常采用的技術手段是超聲振動輔助磨削脆性材料，切削力是 重要的輸出量之一，它對切削加工過程中的穩定性以及工件的表面質量有著直接的影響， 因此對加工過程中切削力進行預測非常重要。目前已有的基于理論分析的進給方向切削力 預測，未能將超聲振動的兩個重要參數：振幅和頻率考慮參在內。現有的實際加工過程中， 未考慮到振動參數對去磨粒運動軌跡與去除量的影響，從而側面磨粒的切削過程與普通磨 削相同，導致預測精度欠佳。
【發明內容】
[0004] 本發明目的在于提供一種考慮超聲振動振幅和頻率的磨削脆性材料的進給方向 的切削力預測方法，該方法區分側面磨粒的切削過程和普通磨削，使計算過程更加符合實 際加工狀況，提高了超聲振動輔助磨削脆性材料過程中進給方向切削力預測的精度。
[0005] -種磨削脆性材料的進給方向的切削力預測方法，切削力由沿進給方向的超聲振 動輔助提供，包括以下步驟：
[0006] 步驟1，確定單顆磨粒實際參與切削加工的有效切削時間；
[0007] 步驟2,建立單顆磨粒在不同位置時所受徑向力與最大徑向力之間的關系；
[0008] 步驟3,建立有效切削時間內單顆磨粒振動周期數、主軸轉速和超聲振動頻率之間 的關系；
[0009] 步驟4,獲得單顆磨粒的材料去除體積；
[0010] 步驟5,獲得參與切削加工的有效磨粒數目；
[0011] 步驟6，建立有效切削時間內材料總的理論去除體積和有效切削時間內材料的實 際去除體積之間的關系；
[0012] 步驟7,獲得磨粒在切削過程中所受最大徑向力；
[0013] 步驟8，獲得進給方向切削力。
[0014] 本發明與現有技術相比，具有以下優點：（1)本方法將超聲振動參數考慮到進給 方向切削力模型中，更加貼合實際；(2)考慮了側面磨粒運動軌跡對有效磨粒數量的影響， 改進了參與切削加工的側面有效磨粒數目計算方法；（3)通過對單顆側面磨粒的運動特征 以及脆性材料去除機理進行分析，提出了更加符合實際加工過程的有效切削時間內側面單 顆磨粒的材料去除體積的計算方法；(4)對側面磨粒進行了受力分析，考慮了磨粒在不同 位置時切入深度和所受徑向力的變化，得出磨粒在不同位置時所受徑向力與最大徑向力的 關系，更加符合實際加工過程。
[0015] 下面結合說明書附圖對本發明做進一步描述。
【附圖說明】
[0016] 圖1是本發明的方法流程圖。
[0017] 圖2是脆性材料超聲振動輔助磨削加工過程示意圖。
[0018] 圖3是單顆側面磨粒在加工表面的軌跡圖。
[0019] 圖4是脆性材料去除機理裂紋產生的示意圖。
[0020] 圖5是單顆磨粒的材料去除體積示意圖。
[0021] 圖6是單顆磨粒的材料去除體積計算模型圖。
[0022] 圖7是刀具側面磨粒分布示意圖。
[0023] 圖8側面磨粒在切削過程中不同位置的受力分析圖。
【具體實施方式】
[0024] 結合圖1，一種磨削脆性材料的進給方向的切削力預測方法，切削力由沿進給方向 的超聲振動輔助提供，包括以下步驟：
[0025] 步驟1，有效切削時間t的確定，即通過對單顆磨粒的運動軌跡進行分析，確定單 顆磨粒實際參與切削加工的時間，即有效切削時間t ;
[0026] 步驟2,單顆磨粒在不同位置時所受徑向力Fi與最大徑向力Fr的關系的建立，即 綜合考慮磨粒在不同位置時切深的變化規律，建立所側面磨粒受徑向力F i與最大徑向力Fr 的關系，其中i為不同位置的索引值；
[0027] 步驟3,有效切削時間內單顆磨粒振動周期數N、主軸轉速n、超聲振動頻率f的關 系的建立，即根據有效切削時間內，超聲的總振動時間與有效切削時間相等的原則，建立了 單顆磨粒振動周期數N與主軸轉速n，超聲振動頻率的關系；
[0028] 步驟4,單顆磨粒的材料去除體積V計算，即根據單顆磨粒在有效切削時間內的運 動軌跡表達式，求出單顆磨粒的總切削路程S u。其次根據磨粒在切削過程中切入深度的變 化規律，即，所受徑向力Fi的變化規律以及脆性材料的脆性去除特性計算出單顆磨粒的材 料去除體積V ;
[0029] 步驟5,參與切削加工的有效磨粒數目Na的計算，即通過分析加工過程中相鄰磨粒 之間材料在脆性去除的過程中產生的橫向裂紋之間的相互作用，以及主軸轉速、超聲振動 參數對磨粒運動軌跡的影響，從而確定有效切削時間內，實際參與切削加工的有效磨粒數 目Na;
[0030] 步驟6,理論去除體積V'與實際去除體積Va，即根據有效磨粒數目Na和單顆磨粒 的材料去除體積V求出有效切削時間內總的理論體積V'。再根據切削加工參數求得有效時 間內材料的實際去除體積V a，并借助比例參數K建立V'與Va之間的關系；
[0031] 步驟7,磨粒在切削過程中所受最大徑向力^預測公式的獲得。首先分析磨粒的 運動軌跡，找出磨粒所受徑向力^為最大時所在的位置。根據V'與￥3之間的關系，建立最 大徑向力F1?與比例參數K、刀具參