一種砂輪磨損及g比率的測量裝置的制造方法
【技術領域】
[0001] 本實用新型涉及磨削加工領域的實驗裝置及其磨削溫度和磨削力測量裝置，具體 的為一種砂輪磨損及G比率的測量裝置。
【背景技術】
[0002] 磨削加工實質上是一種由大量無規則的離散分布在砂輪工作面上的磨粒所完成 的劃擦、耕犁和切削作用的隨機綜合。借助砂輪表面的大量磨粒切削刃去除材料的一種加 工方法，作為一種獲得高精度、低粗糙的加工表面以及對高硬度表面進行精加工的工藝方 法，在制造加工技術領域占有十分重要的地位。隨著現代化制造技術的發展，磨削加工在切 削加工中的比重越來越大，成為現代制造技術的關鍵。提高磨削加工效率、加工精度和減 少砂輪磨損一直是磨削領域研宄的重要內容。砂輪磨損機理一直是國內外致力于探討的問 題，其中砂輪磨損可分為磨耗磨損、破碎磨損和堵塞粘附，磨耗磨損時由砂粒和工件之間摩 擦而引起的；破碎磨損是砂粒的破碎或結合劑的破碎，它取決于磨削力的大小和結合劑的 強度。磨削過程中隨著被磨材料體積的增加，砂輪磨損逐漸增大，對砂輪的磨損與金屬材料 磨除體積之間的關系，有關學者把砂輪的磨損過程分為三個磨損期，當砂輪修整之后，初期 磨損階段主要是磨粒的破碎和整體脫落，其原因是修整后的砂輪工作表面上磨粒受修整工 具沖擊而產生裂紋。在磨削力作用下，產生裂紋的磨粒會出現大塊碎裂，而松動的磨粒則會 整體脫落，表現曲線上升較陡。第二期磨損階段，即正常磨損階段，因在力的作用下，仍會有 一些磨粒破碎，但主要是磨粒經歷長時間的切削鈍化，為磨耗磨損。由于該階段磨粒切削刃 較穩定的切削，使砂輪的磨損曲線變得比較平坦。第三期磨損階段，由于磨粒切削刃進一 步鈍化，使作用在磨粒上的力急劇增大，導致磨粒產生大塊碎裂、結合劑破碎及整個磨粒脫 落。此時曲線上升很陡，砂輪不能正常工作。
[0003] 所謂聲發射現象是固體材料由于結構變化引起應變能的快速釋放而產生的彈性 波，簡稱AE。在外力作用下，材料中的缺陷或微觀不均勻處于應力集中狀態，這種狀態是一 種極不穩定的高能狀態，必然要過渡到低能狀態，如果這種過渡是在瞬間快速進行的，則多 余能量的一部分將以彈忡波的形式放出，從而產生聲發射現象，它可用固定在固體表面的 AE傳感器檢測出來。磨削過程是一個很復雜的過程，磨削區具有相當高的變形率和摩擦磨 損以及金屬相變、沖擊、砂粒的崩碎、切削液的沖擊等現象，這些都是強裂的聲發射源。Hunt W等學者研宄了磨削過程中產生的各種聲發射源，指出當砂輪與工件彈性接觸、砂輪粘結劑 破裂、砂輪磨粒崩碎、砂輪磨粒與工件摩擦、工件表面裂紋等均可發射出彈性波。這些因素 和工件材料、磨削條件、砂輪表面的狀態等因素都有著密切的關系；這些因素的改變必然會 引起聲發射信號的幅值、頻譜等方面發生變化，這就使得我們可以通過檢測聲發射信號的 變化來對磨削狀態進行判別。影響磨削過程的因素特別多，如磨削過程中砂輪的磨損、對刀 精度等，僅靠操作者來獲得較好的磨削效果難度較大，迫切需要找到一種對磨削加丁進行 在線監測的方法。1984年以來，聲發射技術被引入磨削研宄領域，利用它來監測磨削質量 (主要包括磨削裂紋和磨削燒傷）、磨削過程（包括砂輪磨損、砂輪與工件接觸等）以及砂 輪參數的測定（砂輪修整質量參數和砂輪硬度等），并取得了令了滿意的效果。
[0004] 磨削力是磨削過程中的重要物理量。磨削力來源于工件與砂輪接觸后引起的彈性 變形、塑性變形、切削形成以及磨粒和結合劑與工件表面之間的摩擦作用。磨削力與砂輪的 耐用度、磨削表面粗糙度、G比率等均有直接關系。磨削過程中所切下的磨肩雖然很小，每 顆磨粒上承受的磨削力也很小，但大量同時進行切削的細小磨粒上所受到的力的總和就可 以產生較大的磨削力。當切出的磨削斷面積愈大、數量愈多、被加工材料的強度愈大時，磨 削力就愈大；而砂輪的工作表面愈鋒利，則磨削力就愈小。磨削過程中的磨削溫度測量也是 十分必要的，因為磨削過程中磨削能較其他切削方法大很多倍，這些能量絕大部分轉化為 熱能，而這些熱能的分配與其他切削方式也有很大的不同，其中絕大部分約80 %的磨削熱 傳入工件（車削約3 %~9 % )，切肩帶走約4%~8 %，砂輪帶走約10 %~16 %，另有少部 分以傳導和輻射形式散出。由于磨削速度高，熱量來不及傳入工件深處而瞬時集聚在很薄 的表層，形成表層中極大的溫度梯度。進入工件的熱量將引起工件表層溫度的顯著升高，造 成局部高溫和過大的溫度梯度，從而產生工件尺寸形狀偏差，表面變質層，以及表面燒傷和 裂紋等加工缺陷。磨削產生的高溫對砂輪磨粒的切削性能也有很大的影響，會降低砂輪的 使用壽命。
[0005] 目前，砂輪磨損的檢測方法很多，按是否直接對砂輪進行測量分為直接測量和間 接測量；按檢測時是否接觸，可分為接觸式和非接觸式檢測。檢測方法主要有滾動復印法， 觸針測量法，基于CCD相機的計算機圖像處理法，激光功率譜法和聲發射監測法。也有研宄 人員對砂輪的磨損量測量提出針對性的測量方法，如采用氣動磨損測量儀對砂輪進行在線 測量；砂輪磨損量測量還有其他的辦法，比如直接采用卡尺對砂輪進行測量，通過多次測量 求取砂輪磨損前后的平均值進行對比；也可參與激光測距法對砂輪的表面形貌進行測量， 該測量方法既可以測的砂輪的宏觀特性數據，也可以測得砂輪的微觀特性參數。
[0006] G比率（是指同一磨削條件下去除工件材料的體積與砂輪磨損體積之比），它也是 表征可磨削性的重要參數，是選擇砂輪及磨削用量的主要依據，G比率的大小是表示砂輪使 用經濟性的一個重要指標，當G值越大時，表示消耗單位體積砂輪可以磨去更多的被加工 材料，砂輪的經濟性能就越好。
[0007] 經檢索，已有專利號為ZL201310334856. 8的基于聲發射信號的銑削加工表面粗 糙度在線預測方法，在被銑削加工零件上安裝一個聲發射傳感器，利用聲發射傳感器對銑 削加工時被銑削加工零件材料變形所釋放出的聲發射信號進行監測；根據銑削加工理論中 銑肩厚度的變化反映銑削加工表面粗糙度的理論，利用聲發射信號對實際加工中銑肩厚度 變化的敏感反應，對所探測到的被加工零件在加工時所釋放出來的聲發射信號進行分析和 處理來預測銑削加工表面粗糙度的大小。該實用新型只實現了銑削加工時在線預測銑削加 工表面粗糙度的大小，并不能實現砂輪磨損量的測量，值得的改進。
[0008] 經檢索，已有專利號為ZL200520047712. 5的一種砂輪磨損測量及加工誤差補償 裝置，它包括砂輪架，金剛筆，數控系統，聲發射傳感器，聲發射信號處理裝置。金剛石筆作 砂輪定位的基準，安裝固定在磨床床身上砂輪架前面，砂輪架側面上固定安裝聲發射傳感 器，聲發射傳感器的輸出信號經聲發射信號處理裝置的濾波和閾值計算后輸入至機床數控 系統，用于砂輪磨損量的測量并通過數控系統實現磨損量的自動補償。但該裝置只是使用 聲發射技術定性檢測砂輪的磨損情況，并不能進一步定量測量出砂輪的磨損量，該裝置有 值得改進之處。
[0009] 經檢索，已有專利號為ZL201110294068. 1的利用砂輪氣流場在線檢測砂輪磨損 的方法和裝置，該裝置采用采用壓力傳感器實時在線檢測砂輪表面氣流場的動壓力；通過 氣流場動壓力的變化分析計算得到磨削過程中砂輪的磨損量，進而得到砂輪的補償進給 量，然后通過數控機床系統發出補償進給指令，完成砂輪的補償進給；利用微調機構在砂 輪補償進給后對傳感器的位置進行微調，保證氣流場壓力的檢測的靈敏性與精確度。它適 用范圍比較廣，避免了使用磨削液濕磨加工中，磨削液對信號采集造成的不利影響；采用差 動螺旋機構作為微調機構，在砂輪補償進給后可以調整壓力傳感器與砂輪之間的間隙，保 證了所要采集的動壓力信號的強度，進而保證了計算得到的砂輪磨損量的準確性。但是該 裝置只是最終測量出砂輪工作前后直徑大小的差值，而實際砂輪磨損主要是磨粒的磨損， 此方法存在很大的誤差。該裝置也沒有磨削溫度和磨削力的檢測裝置來側面反映砂輪的磨 損情況。
[0010] 經檢索，專利號為ZL201210490401. 0的納米粒子射流微量潤滑磨削表面粗糙度 預測方法和裝置，它包括一個傳感器杠桿，所述傳感器杠桿左端設有觸針，觸針與砂輪