结合微细磨削效应的磨削力计算方法、系统、介质及机器人

1.本发明属于微细磨削技术领域，尤其涉及一种结合微细磨削效应的磨削力 计算方法、系统、介质及机器人。


背景技术：

2.目前，除具有常规磨削所呈现的力热耦合效应外，微细磨削由于切深微小 还存在着非常明显的耕犁效应，其最集中的体现是耕犁作用突出，耕犁力占比 加大甚至占据主导地位。但以往的研究在分析单颗磨粒耕犁接触作用下材料的 塑性变形行为时，大都是用布氏压痕硬度测试时球形压痕下材料的塑性变形来 描述，并根据压痕力来计算耕犁力。由于布氏压痕硬度测试时球形压头运动学 和动力学特征和磨削时磨粒的运动学和动力学特征相差甚远，且没有反映出工 件材料在切削过程中的高应变率和温升下的流动特性对耕犁力的影响，使得常 规建立在布氏压痕实验基础上的耕犁力模型存在不足。
3.同时，由于微细磨削砂轮直径小且加工对象的壁厚极薄，工艺系统的弱刚 性对磨削力不容忽略。由此可见微细磨削工况下的磨削力受到多种因素的共同 作用，其综合效应突出。如何考虑综合效应，对微细磨削工况下的磨削力进行 有效计算，成为研究微细磨削工况下磨削力的关键所在。
4.通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：现有的磨削力计算技术误 差大，不能应用于微细磨削工况下进行磨削力计算的场景中；同时现有的模拟 模型不能真实反应工件受到的影响。
5.解决以上问题及缺陷的难度为：
6.(1)微细磨削过程中，在磨削温度的作用下被加工材料发生软化，使材料 的流动特性改变，进而对磨削力产生影响，可见磨削过程是典型的力热耦合过 程，必须通过在单颗磨粒接触力计算模型中加入流动应力以考虑力热耦合效应。
7.(2)微细磨削由于切深微小还存在着非常明显的耕犁效应，即微细磨削的 单颗磨粒耕犁力要远大于常规磨削，要获得准确的耕犁力，必须摒弃传统上用 布氏压痕硬度测试时球形压痕下材料的塑性变形来描述单颗磨粒耕犁接触并根 据压痕力来计算耕犁力的方法，构建基于真实物理接触行为的耕犁力模型，从 而充分考虑耕犁力的尺寸效应。
8.(3)微细磨削砂轮直径小且加工对象的壁厚极薄，相较于传统磨削，工艺 系统的弱刚性对磨削力的影响不容忽略。
9.由此可见微细磨削工况下的磨削力受到多种因素的共同作用，其综合效应 突出，必须综合考虑微细磨削工况下的力热耦合效应、耕犁力尺寸效应和工艺 系统弱刚性效应以实现对微细磨削工况下磨削力的可靠计算。
10.解决以上问题及缺陷的意义为：
11.通过提出一种结合微细磨削效应的磨削力计算方法，可实现对微细磨削工 况下磨削力的有效计算，可以为微细磨削工况下磨削力工艺优化控制和残余应 力的计算提供基础，能够真实反应工件受到的影响，能够应用于进行磨削的优 化控制。


技术实现要素：

12.针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种结合微细磨削效应的磨削力 计算方法、系统、介质及机器人。
13.本发明是这样实现的，一种结合微细磨削效应的磨削力计算方法，所述结 合微细磨削效应的磨削力计算方法包括：
14.步骤一，计算单颗磨粒的成屑力、耕犁力和滑擦力；
15.步骤二，计算综合结合工件材料弹性效应和工艺系统弱刚性效应的微细磨 削接触弧长；
16.步骤三，基于所述单颗磨粒的成屑力、耕犁力和滑擦力计算结合以及微细 磨削接触弧长计算结果计算磨削力。
17.进一步，步骤一中，所述计算单颗磨粒的成屑力、耕犁力和滑擦力包括：
18.对于流动应力影响，基于真实物理接触行为计算单颗磨粒耕犁力，公式如 下：
[0019][0020]
其中，σ
p
表示工件材料的流动应力；rg表示磨粒半径；α表示磨粒接触前角； θ表示磨粒接触角，且-π/2≤θ≤π/2；d表示积分区域。
[0021]
进一步，所述综合结合工件材料弹性效应和工艺系统弱刚性效应的微细磨 削接触弧长计算公式如下：
[0022]
lc＝lg+l
elastic-l
flexible
；
[0023]
其中，lg表示磨削接触弧长的几何弧长项，l
elastic
表示磨削接触弧 长的弹性效应项，l
elastic
＝f
le
(f
′
,de,ks,kw)；l
flexibility
表示磨削接触弧长的弱刚性效应 项，l
flexible
＝f
lf
(f
′
,ds,ls,tw,ms,mw)；f'表示单位接触长度上作用的磨削力；ls表示砂 轮的悬伸长度；tw表示壁厚；ms表示砂轮基材的材料参数；mw表示工件材料参 数。
[0024]
进一步，步骤三中，所述磨削力计算公式如下：
[0025][0026]
其中，f
tg
和f
ng
分别表示考虑微细磨削效应的切向磨削力和法向磨削力，cd、 w、f
tg
和f
ng
分别表示动态磨粒密度、磨削宽度，单颗磨粒的切向磨削力和单颗 磨粒的法向磨削力。
[0027]
本发明的另一目的在于提供一种实施所述结合微细磨削效应的磨削力计算 方法的结合微细磨削效应的磨削力计算系统，所述结合微细磨削效应的磨削力 计算系统包括：
[0028]
单颗磨粒参数计算模块，用于计算单颗磨粒的成屑力、耕犁力和滑擦力参 数；
[0029]
效应分析模块，用于计算综合考虑工件材料弹性效应和工艺系统弱刚性效 应的微细磨削接触弧长；
[0030]
磨削力计算模块，用于基于所述单颗磨粒的成屑力、耕犁力和滑擦力计算 结合以及微细磨削接触弧长计算结果计算磨削力。
[0031]
本发明的另一目的在于提供一种基于所述结合微细磨削效应的磨削力计算 方法的微细磨削工况残余应力预测系统。
[0032]
本发明的另一目的在于提供一种基于所述结合微细磨削效应的磨削力计算 方法的微细磨削工况磨削系统。
[0033]
本发明的另一目的在于提供一种基于所述结合微细磨削效应的磨削力计算 方法的微细磨削工况磨削控制机器人。
[0034]
本发明的另一目的在于提供一种接收用户输入程序存储介质，所存储的计 算机程序使电子设备执行所述结合微细磨削效应的磨削力计算方法，包括下列 步骤：
[0035]
步骤一，计算单颗磨粒的成屑力、耕犁力和滑擦力；
[0036]
步骤二，计算综合考虑工件材料弹性效应和工艺系统弱刚性效应的微细磨 削接触弧长；
[0037]
步骤三，基于所述单颗磨粒的成屑力、耕犁力和滑擦力计算结合以及微细 磨削接触弧长计算结果计算磨削力。
[0038]
本发明的另一目的在于提供一种信息数据处理终端，所述信息数据处理终 端包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述计算机程序被所 述处理器执行时，使得所述处理器执行所述结合微细磨削效应的磨削力计算方 法。
[0039]
结合上述的所有技术方案，本发明所具备的优点及积极效果为：本发明提 供了一种结合微细磨削效应的磨削力计算方法，可实现对微细磨削工况下磨削 力的有效计算，可以为微细磨削工况下磨削力工艺优化控制和残余应力的计算 提供基础。本发明能够真实反应工件受到的影响，计算结果真实准确，能够应 用于进行磨削的优化控制。
附图说明
[0040]
图1是本发明实施例提供的结合微细磨削效应的磨削力计算方法流程图。
[0041]
图2是本发明实施例提供的结合微细磨削效应的磨削力计算系统结构示意 图；
[0042]
图中：1、单颗磨粒参数计算模块；2、效应分析模块；3、磨削力计算模块。
[0043]
图3是本发明实施例提供的单颗磨粒和工件的接触示意图。
[0044]
图4是本发明实施例提供的磨粒和工件耕犁接触示意图。
具体实施方式
[0045]
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例， 对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以 解释本发明，并不用于限定本发明。
[0046]
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种结合微细磨削效应的磨削力 计算方法，下面结合附图对本发明作详细的描述。
[0047]
如图1所示，本发明实施例提供的结合微细磨削效应的磨削力计算方法包 括：
[0048]
s101，计算单颗磨粒的成屑力、耕犁力和滑擦力；
[0049]
s102，计算综合考虑工件材料弹性效应和工艺系统弱刚性效应的微细磨削 接触弧长；
[0050]
s103，基于所述单颗磨粒的成屑力、耕犁力和滑擦力计算结合以及微细磨 削接触
弧长计算结果计算磨削力。
[0051]
本发明实施例提供的计算单颗磨粒的成屑力、耕犁力和滑擦力包括：
[0052]
对于流动应力影响，基于真实物理接触行为计算单颗磨粒耕犁力，公式如 下：
[0053][0054]
其中，σ
p
表示工件材料的流动应力；rg表示磨粒半径；α表示磨粒接触前角； θ表示磨粒接触角，且-π/2≤θ≤π/2；d表示积分区域。
[0055]
本发明实施例提供的综合考虑工件材料弹性效应和工艺系统弱刚性效应的 微细磨削接触弧长计算公式如下：
[0056]
lc＝lg+l
elastic-l
flexible
；
[0057]
其中，lg表示磨削接触弧长的几何弧长项，l
elastic
表示磨削接触弧 长的弹性效应项，l
elastic
＝f
le
(f
′
,de,ks,kw)；l
flexibility
表示磨削接触弧长的弱刚性效应 项，l
flexible
＝f
lf
(f
′
,ds,ls,tw,ms,mw)；f'表示单位接触长度上作用的磨削力；ls表示砂 轮的悬伸长度；tw表示壁厚；ms表示砂轮基材的材料参数；mw表示工件材料参 数。
[0058]
本发明实施例提供的磨削力计算公式如下：
[0059][0060]
其中，f
tg
和f
ng
分别表示考虑微细磨削效应的切向磨削力和法向磨削力，cd、 w、f
tg
和f
ng
分别表示动态磨粒密度、磨削宽度，单颗磨粒的切向磨削力和单颗 磨粒的法向磨削力。
[0061]
如图2所示，本发明实施例提供的结合微细磨削效应的磨削力计算系统包 括：
[0062]
单颗磨粒参数计算模块1，用于计算单颗磨粒的成屑力、耕犁力和滑擦力参 数；
[0063]
效应分析模块2，用于计算综合考虑工件材料弹性效应和工艺系统弱刚性效 应的微细磨削接触弧长；
[0064]
磨削力计算模块3，用于基于所述单颗磨粒的成屑力、耕犁力和滑擦力计算 结合以及微细磨削接触弧长计算结果计算磨削力。
[0065]
下面结合具体实施例对本发明的技术方案做进一步说明。
[0066]
实施例：
[0067]
磨削过程是砂轮上众多随机分布磨粒微刃参与工件表面的成形过程，因此， 首先计算微细磨削工况下单颗磨粒的成屑力、耕犁力和滑擦力，然后计算综合 考虑工件材料弹性效应和工艺系统弱刚性效应的微细磨削接触弧长，最后在上 述基础上计算磨削力。
[0068]
本发明考虑微细磨削综合效应的磨削力具体计算方法为：
[0069]
对于参与切削的单颗磨粒，如图3所示，其和工件接触过程涉及滑擦、耕 犁和成屑三个阶段，通过分析上述三个不同阶段，计算单颗磨粒成屑力、耕犁 力和滑擦力。
[0070]
s1，计算单颗磨粒的成屑力、耕犁力和滑擦力；
[0071]
(1)计算单颗磨粒的成屑力
[0072]
磨削过程中，大于临界未变形切屑厚度的材料发生剪切变形而形成切屑， 产生成屑力。如图3，当未变形切屑厚度h大于临界未变形切屑厚度h
cr
时，单颗 磨粒切向成屑力f
tg,chiping
和法向成屑力f
ng,chiping
为：
[0073][0074]
式中：α0—磨粒有效前角，且α＝sin-1
((r
g-h)/rg)；
[0075]
α
cr,chipping
—磨粒临界成屑前角
[0076]
h—单颗磨粒的未变形切屑厚度(mm)；
[0077]
rg—磨粒半径(mm)。
[0078]
τs—工件材料的流动剪切应力；
[0079]
β—摩擦角，且β＝tan-1
μ；
[0080]
—剪切角。
[0081]
(2)计算单颗磨粒的耕犁力
[0082]
图4中单颗磨粒耕犁接触区域的任一面积微元da上的法向耕犁力df
ng,ploughing
和切向耕犁力df
tg,ploughing
可表示为：
[0083][0084]
式中：σ
p
—工件材料的流动应力；
[0085]
τs—工件材料剪切强度(最大剪切应力)；
[0086]
θ—磨粒-工件接触角，且-π/2≤θ≤π/2
[0087]
da—耕犁区域面积微元，且da＝r
g2
cosαdαdθ
[0088]
对式(2)积分，可得到单颗磨粒耕犁力为：
[0089][0090]
式(3)中积分区域d表示为：
[0091]
d＝{(α,θ)|α
cr,chipping
≤α≤α
cr,ploughing
,-π/2≤θ≤π/2} (4)
[0092]
式(4)中临界耕犁前角α
cr,ploughing
＝arccos(rw/rg)，式中rw为磨粒底部磨损平面半 径。
[0093]
(3)计算单颗磨粒的滑擦力
[0094]
磨削过程中，工件表面与磨粒底部的磨损平面(wear flat)发生接触而变形， 从而产生滑擦力，弹性接触的法向应力分布p
rubbing
(x)和切向应力分布q
rubbing
(x)， 可表示为：
[0095]
p
rubbing
(x)＝σ0((2r
w-x)/2rw)
2 for:0＜x＜2r
w (5)
[0096][0097]
式(5)和式(6)中，σ0和τ0分别为材料的正应力和剪应力，可由waldorf滑移 线理论求出。
[0098][0099]
则单颗磨粒的法向滑擦力f
ng,rubbing
和切向滑擦力f
ng,rubbing
可表示为：
[0100][0101]
s2，计算综合考虑工件材料弹性效应和工艺系统弱刚性效应的微细磨削接 触弧长；
[0102]
综合考虑工件材料弹性效应和工艺系统弱刚性效应时，微细磨削接触弧长 可表示为：
[0103]
lc＝lg+l
elastic-l
flexible (9)
[0104]
式(9)中lg、l
elastic
和l
flexibility
分别为磨削接触弧长的几何弧长项、弹性效应项和弱 刚性效应项，且有：
[0105][0106]
l
elastic
＝f
le
(f
′
,de,ks,kw) (11)
[0107]
l
flexible
＝f
lf
(f
′
,ds,ls,tw,ms,mw) (12)
[0108]
式中：f'—单位接触长度上作用的磨削力；
[0109]
ls—砂轮的悬伸长度；
[0110]
tw—壁厚；
[0111]ms
—砂轮基材的材料参数；
[0112]mw
—工件材料参数；
[0113]
将式(10)、(11)和(12)代入到(9)，可得到考虑工件材料弹性效应和工艺系统 弱刚性效应的微细磨削接触弧长，如式(13)所示。
[0114][0115]
针对具体的微细磨削工况，微细磨削接触弧长计算公式中的弹性效应项和 弱刚性响应项中除单位磨削力f'会随着工艺参数变化外，其它为不变因素，可 看作常数项。
[0116]
因此，针对具体的磨削工况，综合考虑工件材料弹性效应和工艺系统弱刚 性效应的微细磨削接触弧长还可简化表示为：
[0117][0118]
式(14)中为微细磨削接触弧长综合效应系数，其数学模型可用表 示为：
[0119][0120]
式中g为常数项，是代表微细磨削接触弧长计算的弹性效应项 和弱刚性响应项中工件材料特性、砂轮基材的材料特性、砂轮直径、 工件结构和壁厚等不变因素的综合影响因子，代表单位磨 削力f'这一可变因素对接触弧长的影响效应，a1,a2,a3分别为砂轮速 度、工件速度和磨削切深的敏感因子。
[0121]
对式(15)左右两边取对数可得：
[0122]
lnλ
l
＝lng+a1lnvs+a2lnvw+a3lna
p (16)
[0123]
若令y＝h
cr
,a0＝lng,x1＝lnvs,x2＝lnvw,x3＝lna
p
，则式(16)可表示为线性方程的形 式：
[0124]
y＝a0+a1x1+a2x2+a3x
3 (17)
[0125]
通过对方程式(17)做线性回归分析，可得到微细磨削接触弧长综合效应系数。
[0126]
将实验得到的不同工艺参数下的磨削力和磨削温度，在相同工艺条件下对 比匹配磨削力和温度计算结果，反向推导出相应的微细磨削接触弧长综合效应 系数，如表1所示。
[0127]
表1微细磨削接触弧长综合效应系数
[0128][0129]
由表1中推导出的微细磨削接触弧长综合效应系数λ
l
，结合式(15)，通过回 归拟合，最终得到λ
l
的计算公式为：
[0130][0131]
假设未变形切屑厚度为h时的单颗磨粒切向和法向磨削力分别为f
tg
(h)和 f
ng
(h)，则砂轮和工件接触弧区内单颗磨粒的平均切向磨削力f
tg
和平均法向磨削 力f
ng
为：
[0132][0133]
式(19)中f(h)为未变形切屑厚度概率密度分布函数，可表示为：
[0134][0135]
因此，可得到微细磨削工况下的磨削力为：
[0136][0137]
下面结合具体实验数据对本发明的积极效果作进一步描述。
[0138]
采用三组微细磨削工艺参数，以法向磨削力为例，如表2所示，通过对比 可以发现，结合微细磨削效应的磨削力计算方法的计算结果和微细磨削实验结 果接近，实现了微细磨削工况下磨削力的准确计算。
[0139]
表2结果对比
[0140][0141]
应当注意，本发明的实施方式可以通过硬件、软件或者软件和硬件的结合 来实现。硬件部分可以利用专用逻辑来实现；软件部分可以存储在存储器中， 由适当的指令执行系统，例如微处理器或者专用设计硬件来执行。本领域的普 通技术人员可以理解上述的设备和方法可以使用计算机可执行指令和/或包含在 处理器控制代码中来实现，例如在诸如磁盘、cd或dvd-rom的载体介质、诸 如只读存储器(固件)的可编程的存储器或者诸如光学或电子信号载体的数据载 体上提供了这样的代码。本发明的设备及其模块可以由诸如超大规模集成电路 或门阵列、诸如逻辑芯片、晶体管等的半导体、或者诸如现场可编程门阵列、 可编程逻辑设备等的可编程硬件设备的硬件电路实现，也可以用由各种类型的 处理器执行的软件实现，也可以由上述硬件电路和软件的结合例如固件来实现。
[0142]
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于 此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，凡在本发明 的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，都应涵盖在本发明的 保护范围之内。

技术特征：
1.一种结合微细磨削效应的磨削力计算方法，其特征在于，所述结合微细磨削效应的磨削力计算方法包括：步骤一，计算单颗磨粒的成屑力、耕犁力和滑擦力；步骤二，计算结合工件材料弹性效应和工艺系统弱刚性效应的微细磨削接触弧长；步骤三，基于所述单颗磨粒的成屑力、耕犁力和滑擦力计算结合以及微细磨削接触弧长计算结果计算磨削力。2.如权利要求1所述结合微细磨削效应的磨削力计算方法，其特征在于，步骤一中，所述计算单颗磨粒的成屑力、耕犁力和滑擦力包括：对于流动应力的影响，基于真实物理接触行为计算单颗磨粒耕犁力，公式如下：其中，σ
p
表示工件材料的流动应力；r
g
表示磨粒半径；α表示磨粒接触前角；θ表示磨粒接触角，且-π/2≤θ≤π/2；d表示积分区域。3.如权利要求1所述结合微细磨削效应的磨削力计算方法，其特征在于，所述结合工件材料弹性效应和工艺系统弱刚性效应的微细磨削接触弧长计算公式如下：l
c
＝l
g
+l
elastic-l
flexible
；其中，l
g
表示磨削接触弧长的几何弧长项，l
elastic
表示磨削接触弧长的弹性效应项，l
elastic
＝f
le
(f
′
,d
e
,k
s
,k
w
)；l
flexibility
表示磨削接触弧长的弱刚性效应项，l
flexible
＝f
lf
(f
′
,d
s
,l
s
,t
w
,m
s
,m
w
)；f'表示单位接触长度上作用的磨削力；l
s
表示砂轮的悬伸长度；t
w
表示壁厚；m
s
表示砂轮基材的材料参数；m
w
表示工件材料参数。4.如权利要求1所述结合微细磨削效应的磨削力计算方法，其特征在于，步骤三中，所述磨削力计算公式如下：其中，f
tg
和f
ng
分别表示考虑微细磨削效应的切向磨削力和法向磨削力，c
d
、w、f
tg
和f
ng
分别表示动态磨粒密度、磨削宽度，单颗磨粒的切向磨削力和单颗磨粒的法向磨削力。5.一种实施如权利要求1-4任意一项所述结合微细磨削效应的磨削力计算方法的结合微细磨削效应的磨削力计算系统，其特征在于，所述结合微细磨削效应的磨削力计算系统包括：单颗磨粒参数计算模块，用于计算单颗磨粒的成屑力、耕犁力和滑擦力参数；效应分析模块，用于计算综合考虑工件材料弹性效应和工艺系统弱刚性效应的微细磨削接触弧长；磨削力计算模块，用于基于所述单颗磨粒的成屑力、耕犁力和滑擦力计算结合以及微细磨削接触弧长计算结果计算磨削力。6.一种基于如权利要求1-4任意一项所述结合微细磨削效应的磨削力计算方法的微细
磨削工况磨削系统。7.一种基于如权利要求1-4任意一项所述结合微细磨削效应的磨削力计算方法的微细磨削工况磨削控制机器人。8.一种接收用户输入程序存储介质，所存储的计算机程序使电子设备执行如权利要求1-4任意一项所述结合微细磨削效应的磨削力计算方法，包括下列步骤：步骤一，计算单颗磨粒的成屑力、耕犁力和滑擦力；步骤二，计算综合考虑工件材料弹性效应和工艺系统弱刚性效应的微细磨削接触弧长；步骤三，基于所述单颗磨粒的成屑力、耕犁力和滑擦力计算结合以及微细磨削接触弧长计算结果计算磨削力。9.一种信息数据处理终端，其特征在于，所述信息数据处理终端包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时，使得所述处理器执行权利要求1-4任意一项所述结合微细磨削效应的磨削力计算方法。

技术总结
本发明属于微细磨削技术领域，公开了一种结合微细磨削效应的磨削力计算方法、系统、介质及机器人，结合微细磨削效应的磨削力计算方法包括：计算单颗磨粒的成屑力、耕犁力和滑擦力；计算综合考虑工件材料弹性效应和工艺系统弱刚性效应的微细磨削接触弧长；基于单颗磨粒的成屑力、耕犁力和滑擦力计算结合以及微细磨削接触弧长计算结果计算磨削力。本发明提供了一种结合微细磨削效应的磨削力计算方法，可实现对微细磨削工况下磨削力的有效计算，可以为微细磨削工况下磨削力工艺优化控制和残余应力的计算提供基础。本发明能够真实反应工件受到的影响，计算结果真实准确，能够应用于进行磨削的优化控制。磨削的优化控制。磨削的优化控制。


技术研发人员：李蓓智 杨建国 沈守国
受保护的技术使用者：东华大学
技术研发日：2021.11.23
技术公布日：2022/3/7