一種預應力磨削淬硬加載方法及裝置與流程

本發明涉及金屬加工技術領域，具體說是涉及金屬預應力磨削淬硬技術領域。

背景技術：

磨削是一種重要的機械加工方法，磨削加工是利用磨料去除材料的加工方法，是現代機械加工中應用廣泛且重要的加工工藝。磨削淬硬(grindinghardening,gh)是利用磨削中產生的熱量，使工件表面溫度迅速升高到奧氏體化溫度，然后快速冷卻到馬氏體相變溫度，工件表層材料發生馬氏體相變，實現工件的表面淬火處理。gh工藝將表面淬火與粗磨集于一體，利用磨削產生的熱對表面進行淬火處理，符合綠色制造和清潔化生產模式。預應力磨削(pre-stressedgrinding,psg)是在傳統的磨削工藝基礎上，預先給工件施加應力，是對傳統磨削工藝的一種改良。psg集磨削加工與殘余應力控制于一體，該工藝加工后不需要對零件進行殘余應力控制與調節，即可獲得理想的應力狀態，提高零件的抗疲勞強度，延長使用壽命。上述兩項技術都有各自的突出特點，但也存在著不足。gh技術雖然在磨削的同時對表面進行了淬火處理，但在加工過程中沒有考慮零件的抗疲勞性能，對加工后零件的表面殘余應力狀態沒有加以控制。psg技術雖然在加工中考慮了對殘余應力的控制，但無法直接獲得淬火表面，磨削熱沒有得到利用，工藝綠色度不高。

預應力磨削淬硬(pshg)是將預應力加工和磨削淬硬集于一體的復合工藝，但為了能精確的研究預應力與加工后材料表面強化效果的關系，就需要對工件施加精確的預應力。

從綠色制造和抗疲勞制造的觀念出發，以gh技術為基礎，融合psg技術原理，提出預應力淬硬磨削(pre-stressedhardeninggrinding,pshg)復合加工方法。為了實現對工件施加精確的預應力，需要設計一套具備負反饋的自動預應力精確加載系統的夾具。

現有的預應力夾具大多以手動加載方式，如螺旋副提供預應力，則使用扭力扳手為夾具提供預應力。上述現有的夾具存在較多缺點。第一，在磨削過程中需要持續的拉力的存在，因此螺紋需要自鎖，但是正是因為這種自鎖的特性，導致了在加載力時，需要一次加載到位，不然每次加載的力矩將疊加在一起施加給試件。在實際實驗過程中，僅靠扭力扳手是很難做到一次加載到位的，因此所加載的力也就存在很大的偏差。第二點，在于螺紋傳遞力難以計算其摩擦所帶來的損耗。扭力扳手施加給螺栓力時，通過螺栓牙與螺紋牙的滑動摩擦，在平行于螺紋導程方向移動產生拉力，但是這種滑動摩擦，也會引起預載力的誤差。第三點，t型槽夾緊裝置導致了磨削表面所受的力不均勻且存在力矩，工件頂端面中心受力大于其他部位。t型槽與工件接觸位置并不在工件兩端面的中心，因此會在工件中心產生一定彎矩。

技術實現要素：

本發明的主要目的是提供一種預應力淬硬磨削時可以為工件表面提供精確預應力的加載方法及裝置，第一，在加載過程中，持續保持預應力不變；第二杜絕由于螺旋副摩擦在傳遞預應力時的應力損耗；第三，提供可以確定的工件表面預應力的數值。具體技術方案如下：

一種預應力磨削淬硬加載方法，采用預應力淬硬磨削方法加工時，在工件表面和夾具表面分別貼應變片，通過計算夾具表面應變與工件表面應變關系的方式，測得工件表面應變計算公式；再將這個應變計算公式代入到plc的程序中去，實現以測量夾具表面應變代替測量工件表面應變；步進電機收到plc的脈沖信號，通過螺旋副為工件提供預應力，在夾具表面的應變片開始讀取工件表面的應變值，當達到預定的應變條件時，plc對步進電機發出信號，步進電機停止工作；當螺桿出現滑動時，應變片將出現應變值的變化，plc讀取到變化后，對步進電機發出正或反轉的指令，從而實現持續的為工件提供精確預應力。

通過加載裝置對夾具的螺桿施加扭矩，貼在工件和夾具表面的應變片測量得到了兩組應變數據，通過對兩組應變數據進行比對分析和擬合計算，得到了夾具表面應變與工件表面應變的應變計算公式。

應變計算公式為y＝1.6331x+0.6284，式中，x為夾具應變數值，y為工件表面應變數值。

本發明進一個公開了一種實現所述方法的裝置，包括步進電機，所述步進電機與減速器連接，減速器的輸出軸通過聯軸器與矩形絲杠連接，所述矩形絲杠通過聯軸器與t型卡鉗連接，工件設置在t型卡鉗的兩個t型槽間；所述步進電機與plc連接，plc還與上位機、顯示器及應變片連接。

本發明的優點是：

本發明使用了步進電機，因其具有可控制速度，位置精度準確，可以將電壓信號轉化轉矩和轉速信號以驅動控制對象，因此可提供的動力相比手動的扭力扳手更加精確；采用帶有負反饋的加載控制系統，可以為工件表面提供精確且持續的預應力；由于加工時，工件表面的應變片已經拆除，本發明采用以測量夾具表面應變代替測量工件應變的方法，可以實時測量工件表面的應變值，進而可根據該應變值的變化實時控制工件表面的預應力。

附圖說明

圖1為預應力夾具及其加載裝置的設計簡圖；

圖2為夾具的設計三維圖；

圖3為加載裝置的控制系統簡圖；

圖4為夾具和靜態應變測試儀照片；

圖5線性擬合曲線。

具體實施方式

下面結合附圖具體說明本發明，如圖1所示，本發明的裝置，包括步進電機1，所述步進電機1與減速器連接2，減速器2的輸出軸通過聯軸器3與矩形絲杠5連接，所述矩形絲杠5通過聯軸器3與t型卡鉗6連接，工件7設置在t型卡鉗6的兩個t型槽間；絲杠螺母4用于固定矩形絲杠；所述步進電機1與plc連接，plc還與上位機、顯示器及應變片連接。

如圖2所示，在工件表面貼應變片二8，在夾具表面貼應變片一9。

通過加載裝置對夾具的螺桿施加扭矩，貼在工件和夾具表面的應變片測量得到了兩組應變數據，通過對兩組應變數據進行比對分析和擬合計算，得到了夾具表面應變與工件表面應變的關系。再將這個計算公式代入到plc的程序中去，就可以實現以測量夾具表面應變代替的測量工件表面應變。擬合曲線如圖5，計算公式如下。

y＝1.6331x+0.6284

試驗時，測量得到11組數據，采用前9組數據做擬合，后兩組數據做檢驗。計算得出，全部11組數據擬合后的均方差為0.6968。式中，x為夾具應變數值，y為工件表面應變數值。

加載方法流程步驟如下：

s1，將應變片一、二分別貼在如圖2所示的工件和夾具的對應位置，方向為沿螺桿的軸向，鏈接靜態應變采集儀，開機預熱；

s2，在螺桿的自由端施加扭矩值1，通過靜態應變采集儀獲得工件表面和夾具t型卡端的應變值；

s3，改變扭矩值的大小；

s4，重復s2～s3，獲得大于10組的數據；

s5，對所得的兩組應變數據進行擬合，得到工件表面應變和夾具表面應變的表達式；

s6，將s5中所得的表達式代入到plc程序中，完成以測量夾具表面應變值代替測量工件表面應變值的加載方式。

本發明采用預應力淬硬磨削方法加工時，在工件表面和夾具表面分別貼應變片，通過計算夾具表面應變與工件表面應變關系的方式，測得工件表面應變計算公式；再將這個應變計算公式代入到plc的程序中去，實現以測量夾具表面應變代替的測量工件表面應變；步進電機收到plc的脈沖信號，通過螺旋副為工件提供預應力，在夾具表面的應變片開始讀取工件表面的應變值，當達到預定的應變條件時，plc對步進電機發出信號，步進電機停止工作；當螺桿出現滑動時，應變片將出現應變值的變化，plc讀取到變化后，對步進電機發出正或反轉的指令，從而實現持續的為工件提供精確預應力。

本發明的關鍵點一在于加載系統的控制方法設計；關鍵點二在于通過測量夾具應變代替工件應變的試驗方法、擬合計算方法以及應用于控制系統中的方法,三者集于一體的間接測量方法；關鍵點三在于對整體夾具和加載裝置的設計方案。

本發明采用以步進電機，減速器，螺旋副機構作為動力和傳力方式，采用帶有負反饋的控制系統作為控制動力源和持續提供動力的保障，可以為工件提供精確且持續的預應力支持。而原技術手段采用手動加載方式，難以保證為工件提供精確的預應力，并且可能由于相對滑動導致螺旋副的回退，使得工件表面應力減小。同時，相對于原有技術，新的預應力加載裝置可以節省人力成本。