阅读说明：本技术 一种高速内螺纹磨削力的测量及验证方法 (Method for measuring and verifying high-speed internal thread grinding force ) 是由 张兆晶 侍威 豆永强 郑继贵 黄玉平 于 2020-05-20 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种高速内螺纹磨削力的测量及验证方法,属于磨削力测量技术领域；步骤一、建立磨削切向力测量系统；步骤二、对内螺纹磨削切向力进行测量,获得测量内螺纹磨削切向力；步骤三、建立磨削径向力测量系统；步骤四、对内螺纹磨削径向力进行测量,获得测量内螺纹磨削径向力；步骤五、计算平面磨削的干涉体积、外螺纹磨削的干涉体积和内螺纹磨削的干涉体积；步骤六、分别对步骤二中的内螺纹磨削切向力测量值和步骤四中的内螺纹磨削径向力测量值进行验证；本发明有效提高精度及准确性,减少数据处理难度,对研究高速内螺纹磨削的磨削机理提供数据支撑。(The invention relates to a method for measuring and verifying high-speed internal thread grinding force, belonging to the technical field of grinding force measurement; step one, establishing a grinding tangential force measuring system; step two, measuring the grinding tangential force of the internal thread to obtain the grinding tangential force of the measured internal thread; step three, establishing a grinding radial force measuring system; measuring the grinding radial force of the internal thread to obtain the grinding radial force of the measured internal thread; step five, calculating the interference volume of plane grinding, the interference volume of external thread grinding and the interference volume of internal thread grinding; step six, verifying the measured value of the internal thread grinding tangential force in the step two and the measured value of the internal thread grinding radial force in the step four respectively; the invention effectively improves the precision and the accuracy, reduces the data processing difficulty and provides data support for researching the grinding mechanism of high-speed internal thread grinding.)

一种高速内螺纹磨削力的测量及验证方法

技术领域

本发明属于磨削力测量技术领域，涉及一种高速内螺纹磨削力的测量及验证方法。

背景技术

现有的测量方式主要针对平磨或外圆磨削：将工件、三分量测力仪及机床连接固定，根据三分量测力仪自身坐标系将磨削力分解，从而实现对切向力和径向力的测量。然而在高速内螺纹磨削过程中，工件需要相对机床做螺旋运动，三分量测力仪自身坐标系与磨削力不能保持相对静止，因此切向力与径向力的方向不定，增加了数据处理的难度。同时，由于内螺纹磨削力通常较小，数据处理时信噪比低，导致误差干扰较大。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提出一种高速内螺纹磨削力的测量及验证方法，有效提高精度及准确性，减少数据处理难度，对研究高速内螺纹磨削的磨削机理提供数据支撑

本发明解决技术的方案是：

一种高速内螺纹磨削力的测量及验证方法，包括如下步骤：

步骤一、建立磨削切向力测量系统，包括基座、扭矩传感器、切向力试验工件、过渡轴和卡盘；

步骤二、对内螺纹磨削切向力进行测量，测量内螺纹磨削切向力；

步骤三、建立磨削径向力测量系统，包括径向力试验工装、拉压传感器和试验平板；

步骤四、对内螺纹磨削径向力进行测量，测量内螺纹磨削径向力；

步骤五、计算平面磨削的干涉体积V_P、外螺纹磨削的干涉体积V_g和内螺纹磨削的干涉体积V_n；

步骤六、分别对步骤二中的内螺纹磨削切向力测量值和步骤四中的内螺纹磨削径向力测量值进行验证。

在上述的一种高速内螺纹磨削力的测量及验证方法，所述步骤一中，磨削切向力测量系统的建立方法为：基座为水平放置的工字型结构；扭矩传感器通过螺钉固定安装在基座的顶部；切向力试验工件设置在扭矩传感器的轴向一端；且切向力试验工件与扭矩传感器通过键固定连接；过渡轴同轴设置在扭矩传感器的轴向另一端；过渡轴的轴向一端与扭矩传感器通过键固定连接；过渡轴的轴向另一端被卡盘卡紧；磨削切向力测量系统实现切向力试验工件的径向跳动不大于0.002mm。

在上述的一种高速内螺纹磨削力的测量及验证方法，所述步骤二中，对内螺纹磨削切向力进行测量的方法为：

S1、调整机床砂轮位置，实现砂轮对准切向力试验工件，且砂轮的转动轴线与切向力试验工件轴线平行；

S2、沿径向缓慢进给砂轮，对切向力试验工件的侧壁进行磨削；同时卡盘通过过渡轴带动切向力试验工件转动；

S3、通过扭矩传感器测量切向力试验工件与机床砂轮的扭矩，通过扭矩除以切向力试验工件半径，即为内螺纹磨削切向力。

在上述的一种高速内螺纹磨削力的测量及验证方法，所述步骤二的S2中，砂轮磨削线速度为80m/s；进给速度为1转/min；卡盘带动切向力试验工件反向转动；转动速度1转/min。

在上述的一种高速内螺纹磨削力的测量及验证方法，所述步骤三中，磨削径向力测量系统的建立方法为：

径向力试验工装固定安装在机床平面上；拉压传感器固定安装在径向力试验工装的顶部；试验平板固定安装在拉压传感器的顶部；磨削径向力测量系统实现试验平板相对于机床平面基准的平行度不大于0.03mm。

在上述的一种高速内螺纹磨削力的测量及验证方法，所述步骤四中，对内螺纹磨削径向力进行测量的方法为：

S1、调整机床砂轮位置，实现砂轮位于试验平板；

S2、竖直向下缓慢进给砂轮，对试验平板的上表面进行磨削；同时砂轮沿试验平板的长边方向水平移动；

S3、通过拉压传感器实现对试验平板沿竖直方向受力的直接测量，即为内螺纹磨削的径向力。

在上述的一种高速内螺纹磨削力的测量及验证方法，所述步骤四的S2中，砂轮向下的进给速度为2μm/min；砂轮线速度为80m/s；砂轮的水平移动速度为10mm/min。

在上述的一种高速内螺纹磨削力的测量及验证方法，所述步骤五中，平面磨削的干涉体积V_P的计算方法为：

式中，k为磨削宽度；

r为砂轮半径；

a_p为磨削深度；

外螺纹磨削的砂轮干涉体积Vw为：

式中，a＝r₂-r₁+ap；

t为积分变量；

r₁为砂轮最大半径；

r₂为工件半径；

θ为砂轮截面的牙型半角；

内螺纹磨削干涉体积V_n的计算方法为：

式中，a'＝r₂-r₁+ap；

r₁为砂轮最大半径；

r₂为工件半径；

θ为砂轮截面的牙型半角；

t为积分变量。

在上述的一种高速内螺纹磨削力的测量及验证方法，所述步骤六中，对内螺纹磨削切向力测量值进行验证的方法为：

将计算得到的内螺纹磨削干涉体积V_n代入外螺纹磨削的砂轮干涉体积Vw的计算公式中，反求出外螺纹磨削的砂轮干涉体积公式中的r，记为第一当量半径

将第一当量半径

代入磨削力理论计算模型，计算出第一理论内螺纹磨削切向力；将第一理论内螺纹磨削切向力与测量内螺纹磨削切向力比较，完成验证。

在上述的一种高速内螺纹磨削力的测量及验证方法，所述步骤六中，对内螺纹磨削径向力测量值进行验证的方法为：

将计算得到的内螺纹磨削干涉体积V_n代入平面磨削的干涉体积V_P的计算公式中，反求出平面磨削的干涉体积公式中的r，记为第二当量半径将第二当量半径代入磨削力理论计算模型，计算出第二理论内螺纹磨削径向力；将第二理论内螺纹磨削径向力与测量内螺纹磨削径向力比较，完成验证。

本发明与现有技术相比的有益效果是：

(1)本发明对高速内螺纹磨削进行建模，相对现有模型更具有针对性，体现了高速内螺纹磨削的特点；

(2)本发明基于拉压传感器测量径向力，在保证测量准确的同时简化了试验操作；

(3)本发明采用扭矩传感器测量切向力，避免了因坐标系转换等数据处理手段而引入的误差。

附图说明

图1为本发明磨削力测量及验证流程图；

图2为本发明磨削切向力测量系统示意图；

图3为本发明磨削径向力测量系统示意图；

图4为平面磨削、内螺纹磨削和外螺纹磨削的原理对比图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步阐述。

本发明提供一种高速内螺纹磨削力的测量及验证方法利用压力传感器，通过等效替代实验，测量高速内螺纹磨削的径向力；利用扭矩传感器，测量高速内螺纹磨削的切向力。有效提高精度及准确性，减少数据处理难度，对研究高速内螺纹磨削的磨削机理提供数据支撑。

如图1所示，高速内螺纹磨削力的测量及验证方法，具体包括如下步骤：

步骤一、建立磨削切向力测量系统，如图2所示，包括基座1、扭矩传感器2、切向力试验工件3、过渡轴4和卡盘5；磨削切向力测量系统的建立方法为：基座1为水平放置的工字型结构；扭矩传感器2通过螺钉固定安装在基座1的顶部；切向力试验工件3设置在扭矩传感器2的轴向一端；且切向力试验工件3与扭矩传感器2通过键固定连接；过渡轴4同轴设置在扭矩传感器2的轴向另一端；过渡轴4的轴向一端与扭矩传感器2通过键固定连接；过渡轴4的轴向另一端被卡盘5卡紧；磨削切向力测量系统实现切向力试验工件3的径向跳动不大于0.002mm。测量试验开始前，按照图2安装各个部件：试验工件与扭矩传感器通过键连接，同时在轴向通过螺栓固定；扭矩传感器与基座通过螺钉固定在试验机床上，过渡轴与扭矩传感器通过键连接，过渡轴被机床上的卡盘卡紧。安装过程中，需要保证试验工件的径向跳动不大于0.002mm。试验开始后，机床砂轮转动轴线与试验工件平行，同时在径向方向缓慢进给，对试验工件的侧面进行磨削。机床卡盘按照高速内螺纹磨削的要求，带动试验工件进行轴向转动。砂轮按照高速内螺纹磨削的工艺要求，保持一定线速度，试验工件与砂轮的相互作用力通过键连接传递至传感器轴心处，其轴心所受到的扭矩作为直接测量量。将扭矩除以试验工件的半径，即为磨削切向力。由于磨削力幅值较小，为了保证直接测量值的准确性，试验工件的半径应尽量大。

步骤二、对内螺纹磨削切向力进行测量，测量内螺纹磨削切向力；对内螺纹磨削切向力进行测量的方法为：

S1、调整机床砂轮位置，实现砂轮对准切向力试验工件3，且砂轮的转动轴线与切向力试验工件3轴线平行。

S2、沿径向缓慢进给砂轮，对切向力试验工件3的侧壁进行磨削；同时卡盘5通过过渡轴4带动切向力试验工件3转动；砂轮磨削线速度为80m/s；进给速度为1转/min；卡盘5带动切向力试验工件3反向转动；转动速度1转/min。

S3、通过扭矩传感器2测量切向力试验工件3与机床砂轮的扭矩，通过扭矩除以切向力试验工件3半径，即为内螺纹磨削切向力。

步骤三、建立磨削径向力测量系统，如图3所示，包括径向力试验工装6、拉压传感器7和试验平板8；磨削径向力测量系统的建立方法为：

径向力试验工装6固定安装在机床平面上；拉压传感器7固定安装在径向力试验工装6的顶部；试验平板8固定安装在拉压传感器7的顶部；磨削径向力测量系统实现试验平板8相对于机床平面基准的平行度不大于0.03mm。测量试验开始前，按照图3安装各个部件：将径向力试验工装通过螺钉与机床固定连接，拉压传感器与工装固定连接，在传感器上固定连接试验平板。安装过程中，需要保证试验平板对机床平面基准的平行度不大于0.03mm。试验开始后，砂轮按照高速内螺纹磨削的工艺要求，保持一定线速度及竖直方向的进给量，沿试验平板的长边进行移动，试验工件与砂轮在竖直方向的相互作用力直接传递至拉压传感器，作为直接测量量。

步骤四、对内螺纹磨削径向力进行测量，测量内螺纹磨削径向力；对内螺纹磨削径向力进行测量的方法为：

S1、调整机床砂轮位置，实现砂轮位于试验平板8；

S2、竖直向下缓慢进给砂轮，对试验平板8的上表面进行磨削；同时砂轮沿试验平板8的长边方向水平移动；砂轮向下的进给速度为2μm/min；砂轮线速度为80m/s；砂轮的水平移动速度为10mm/min。

S3、通过拉压传感器7实现对试验平板8沿竖直方向受力的直接测量，即为内螺纹磨削的径向力。

步骤五、为了与平面磨削进行对比，需要对直接测量量进行相应转换，如图4所示为平面磨削、内螺纹磨削和外螺纹磨削的对比图。由磨削原理可知，磨削力与砂轮转速、工件与砂轮的相对速度、磨削深度、工件直径及砂轮直径有关，试验时，给定砂轮转速、工件与砂轮的相对速度和磨削深度，则磨削力的对比转化为针对砂轮直径的对比。计算平面磨削的干涉体积V_P、外螺纹磨削的干涉体积V_g和内螺纹磨削的干涉体积V_n；平面磨削的干涉体积V_P的计算方法为：

式中，k为磨削宽度；

r为砂轮半径；

a_p为磨削深度；

外螺纹磨削的砂轮干涉体积Vw为：

式中，a＝r₂-r₁+ap；

t为积分变量；

r₁为砂轮最大半径；

r₂为工件半径；

θ为砂轮截面的牙型半角；

内螺纹磨削干涉体积V_n的计算方法为：

式中，a'＝r₂-r₁+ap；

r₁为砂轮最大半径；

r₂为工件半径；

θ为砂轮截面的牙型半角；

t为积分变量。

步骤六、分别对步骤二中的内螺纹磨削切向力测量值和步骤四中的内螺纹磨削径向力测量值进行验证。

对内螺纹磨削切向力测量值进行验证的方法为：

将计算得到的内螺纹磨削干涉体积V_n代入外螺纹磨削的砂轮干涉体积Vw的计算公式中，反求出外螺纹磨削的砂轮干涉体积公式中的r，记为第一当量半径

将第一当量半径代入磨削力理论计算模型，计算出第一理论内螺纹磨削切向力；将第一理论内螺纹磨削切向力与测量内螺纹磨削切向力比较，完成验证。

对内螺纹磨削径向力测量值进行验证的方法为：

将计算得到的内螺纹磨削干涉体积V_n代入平面磨削的干涉体积V_P的计算公式中，反求出平面磨削的干涉体积公式中的r，记为第二当量半径

将第二当量半径代入磨削力理论计算模型，计算出第二理论内螺纹磨削径向力；将第二理论内螺纹磨削径向力与测量内螺纹磨削径向力比较，完成验证。

本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。