一种轴承套圈外圆磨削的磨削力测量方法
阅读说明：本技术 一种轴承套圈外圆磨削的磨削力测量方法 (Grinding force measuring method for cylindrical grinding of bearing ring ) 是由 张明柱 谢要宾 段成龙 李治伟 王东峰 韩建刚 于 2020-12-16 设计创作，主要内容包括：一种轴承套圈外圆磨削的磨削力测量方法,针对磨削轴承套圈的电磁无心夹具,在前后两个支撑点上分别安装测力传感器,当轴承套圈被磨削加工时,测力传感器精确测量轴承套圈所受支撑力,通过对轴承套圈在与砂轮未接触前及接触磨削后两种平衡状态下支撑力分别测量,计算出磨削时轴承套圈所受的法向磨削力和切向磨削力。本方案通过间接测量配合理论计算,方式简单,计算准确。通过精确测量砂轮的法向磨削力和切向磨削力,及时掌控砂轮的磨损程度,控制砂轮的磨削用量和修整时间,提高轴承套圈外圆的磨削质量和效率。(A grinding force measuring method for cylindrical grinding of a bearing ring is characterized in that force sensors are respectively installed on a front supporting point and a rear supporting point of an electromagnetic centerless clamp for grinding the bearing ring, the force sensors accurately measure supporting force borne by the bearing ring when the bearing ring is ground, and normal grinding force and tangential grinding force borne by the bearing ring during grinding are calculated by respectively measuring supporting forces of the bearing ring in two balanced states before the bearing ring is not contacted with a grinding wheel and after the bearing ring is contacted with the grinding wheel. The scheme is simple and accurate in calculation by matching indirect measurement with theoretical calculation. The abrasion degree of the grinding wheel is controlled in time by accurately measuring the normal grinding force and the tangential grinding force of the grinding wheel, the grinding amount and the dressing time of the grinding wheel are controlled, and the grinding quality and the grinding efficiency of the excircle of the bearing ring are improved.)
技术领域
本发明涉及轴承套圈外圆磨削加工技术领域，具体为一种轴承套圈外圆磨削的磨削力测量方法。
背景技术
众所周知，轴承套圈在磨削加工时，对于套圈所受磨削力，需要进行准确的掌握，控制切削用量以避免磨削烧伤现象发生，同时还要控制砂轮的磨损状况，确定砂轮的修整时间。但是，在工件进行磨削加工过程中对其所受法向磨削力和切向磨削力进行测量时，在实际生产装备中，不易直接在砂轮主轴上安装测力传感器，实现直接测量。传统的做法是引入电磁吸力的近似计算公式，由磁力间接求得砂轮的磨削力。但是螺管式线圈结构的磁路有间隙，这样计算出的磁力大小存在一定的误差，而电磁无心夹具又对轴承套圈有磁吸力、摩擦力、径向支点支撑力，轴承套圈的受力比较复杂，进而求解出的轴承套圈所受的法向磨削力及切向磨削力会存在更大的误差。因此急需要一种可实现准确的测量磨削加工过程中工件所受法向磨削力和切向磨削力的方法。
发明内容
本发明的目的是为了解决上述技术问题的不足，提出一种比较方便且准确的测量磨削加工过程中工件所受法向磨削力和切向磨削力的方法，通过该方法获取的磨削力数据，可确定砂轮的磨损程度，控制砂轮磨削用量和修整，保证磨削质量和效率提供更多依据。
本发明采用的技术方案是：一种轴承套圈外圆磨削的磨削力测量方法，步骤如下：
S1、针对磨削轴承套圈的电磁无心夹具，在前后两个支撑上分别安装测力传感器，用于测量对应支撑点的支撑力；
S2、将轴承套圈安装在电磁无心夹具端面，通过磁极吸附住轴承套圈的端面，并通过前后两个支撑定位轴承套圈，启动主轴旋转；
S3、在砂轮尚未接触到轴承套圈情况下，轴承套圈不受砂轮磨削力，待轴承套圈转动达到稳定状态，记录此时前后支撑上测力传感器的测力数据，通过方程计算出电磁无心夹具对轴承套圈端面作用的围绕套圈中心旋转的和力矩；
S4、在砂轮接触轴承套圈磨削情况下，套圈承受砂轮的法向磨削力和切向磨削力，待轴承套圈和砂轮转动达到稳定状态时，记录此时前后支撑上测力传感器的测力数据，结合两次测量的数据，通过方程计算出磨削时套圈承受的砂轮法向磨削力和切向磨削力。
进一步优化，在S1和S2步骤中，所述的前后两个支撑，可通过调整机构控制其位置和倾斜角度的变化。
进一步优化，在S4步骤中，所述的轴承套圈和砂轮转动达到稳定状态，具体过程为：
轴承套圈在主轴转动带动下围绕其轴心旋转时，由于偏心量的存在以及前后支撑的阻碍作用，轴承套圈和磁极端面之间会发生相对滑动，滑动过程中，轴承套圈受到的摩擦合力迫使轴承套圈紧贴在前后支撑上，摩擦力矩则使轴承套圈围绕自身中心旋转。
进一步优化，在S3和S4步骤中，根据测量传感器获得数据，通过平面内两正交方向的受力平衡方程以及回转扭矩平衡方程，计算出电磁夹具对套圈端面作用的围绕套圈中心旋转的和力矩。
进一步优化，在S4步骤中，根据获得数据，通过平面内两正交方向的受力平衡方程以及回转扭矩平衡方程，计算出磨削时套圈承受的砂轮法向磨削力和切向磨削力。
本发明的有益效果是：
本发明提供一种磨削轴承套圈外圆时通过测量和计算获取砂轮磨削力的方法，间接测量配合理论计算，方式简单，计算准确。通过精确测量砂轮的法向磨削力和切向磨削力，及时掌控砂轮的磨损程度，控制砂轮的磨削用量和修整时间，提高轴承套圈外圆的磨削质量和效率。
附图说明
图1为无砂轮接触时轴承套圈的受力图；
图2为砂轮接触磨削时轴承套圈的受力图。
图中：1、主轴电磁夹具磁极端面，2、轴承套圈，3、偏心量，4、前支撑，5、后支撑，6、测力传感器，7、砂轮。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护范围。
本发明的测量原理为：在电磁无心夹具原有前后支撑的基础上安装两个测力传感器，传感器可以实时测量前后支撑点的支撑力。由于电磁吸力和前后支撑的作用，轴承套圈被吸附在机床主轴磁极端面上。当磁极在主轴转动带动下，围绕其轴心旋转时，由于偏心量3的存在以及前后支撑的阻碍作用，轴承套圈和磁极端面之间会发生相对滑动，滑动过程中，轴承套圈受到磁极端面对它的一个摩擦力矩以及一个通过轴承套圈中心且垂直于轴承套圈中心与磁极中心所在直线的摩擦合力，摩擦合力迫使轴承套圈紧贴在前后支撑上，摩擦力矩则使轴承套圈围绕自身中心旋转，从而使得在磨削加工时轴承套圈和砂轮的位置处于相对稳定的状态。在砂轮未接触轴承套圈和砂轮接触轴承套圈磨削加工两种状态下，分别对轴承套圈进行受力测量和计算，通过磁极端面旋转时产生的合力矩这个枢纽，将两种状态下受力结合起来，进而计算出磨削过程中轴承套圈所受法向磨削力和切向磨削力。
下面结合附图对本方案进行详细说明：测量步骤如下：
步骤一、针对磨削轴承套圈的电磁无心夹具，在前支撑4和后支撑5上分别安装测力传感器6，用于测量对应支撑点的支撑力；
步骤二、将轴承套圈2安装在主轴电磁夹具磁极端面1上，通过磁极吸附住轴承套圈2的端面，并通过前后两个支撑定位轴承套圈，启动主轴旋转；
步骤三、在砂轮7尚未接触轴承套圈情况下，套圈不受砂轮磨削力，待轴承套圈达到稳定转动状态，记录此时前后支撑上测力传感器所测量的支撑力F2、F3，此时轴承套圈的受力如图1所示，除了自身重力外，轴承套圈还受到磁极端面对它产生的一个摩擦力矩M0和一个通过轴承套圈端面中心O1且垂直于O1O2(O2为磨床主轴的回转中心)的摩擦力F1(方向与磁极旋转方向相同)，同时还受到前后支撑对它产生的支撑力和摩擦力；
计算过程为：以轴承套圈端面中心为原点，水平方向为x轴，竖直方向为y轴，建立平面直角坐标系；
建立平面任意力系的平衡方程为
-f31cos(α+β)+F1sinθ+μ1f21sinα＝f21cosα+μ2f31sin(α+β) (3)
f21sinα+f31sin(α+β)-μ2f31cos(α+β)＝F1cosθ+μ1f21cosα+mg (4)
M0+F1·e-μ1f21·R-μ2f31·R＝0 (5)
由(1)-(5)式得：
步骤四、在砂轮接触轴承套圈磨削情况下，套圈承受砂轮的法向磨削力和切向磨削力，待轴承套圈和砂轮达到稳定转动状态，记录此时前后支撑上测力传感器所测量的支撑力F21、F31，轴承套圈受力如图2所示；除图1情况下所受力外，轴承套圈还受到砂轮对它的法向磨削力Fn和切向磨削力Ft；
计算过程为：以轴承套圈端面中心为原点，水平方向为x轴，竖直方向为y轴，建立平面直角坐标系，O1、O2分别为轴承套圈和主轴的回转中心。
建立平面任意力系的平衡方程为
-f32cos(α+β)+F11sinθ+μ1f22sinα+Fn＝f22cosα+μ2f32sin(α+β) (9)
f22sinα+f32sin(α+β)-μ2f32cos(α+β)＝F11cosθ+μ1f22cosα+mg+Ft (10)
M0+F11·e+Ft·R-μ1f22·R-μ2f32·R＝0 (11)由(7)-(11)式得：
切向磨削力
法向磨削力
式中，M0见式(6)；
F1为砂轮未接触套圈时磁极端面对轴承套圈产生的摩擦合力；
F11为砂轮接触套圈时磁极端面对轴承套圈产生的摩擦合力；
F21、F31分别为砂轮未接触套圈时前后支撑上传感器所测支撑力；
F22、F32分别为砂轮接触套圈时前后支撑上传感器所测支撑力；
f21、f31分别为砂轮未接触套圈时前后支撑上法向支撑力；
f22、f32分别为砂轮接触套圈时前后支撑上法向支撑力；
μ1、μ2分别为前后支撑的摩擦因数；
Fn为法向磨削力，Ft为切向磨削力；
M0为磁极端面绕中心顺时针方向的合力矩；
α为前撑与水平方向的夹角；
β为前后支撑间的夹角；
θ为偏心距与水平方向的夹角；
e为偏心距；
R为工件外圆半径；
m为轴承套圈的质量；
g为重力加速度；
本方案中，所述的前后两个支撑，可通过调整机构控制其位置和倾斜角度的变化。
本方案中，上文所述的轴承套圈和砂轮转动达到稳定状态，具体过程为：轴承套圈在主轴转动带动下围绕其轴心旋转时，由于偏心量的存在以及前后支撑的阻碍作用，轴承套圈和磁极端面之间会发生相对滑动，滑动过程中，轴承套圈受到的摩擦合力迫使轴承套圈紧贴在前后支撑上，摩擦力矩则使轴承套圈围绕自身中心旋转，此时传感器数据不在发生变化，可以理解：主轴-套圈-砂轮系统经历一个稳定-发生变化-稳定的过程。
应当指出，虽然通过上述实施方式对本发明进行了描述，然而本发明还可以有其他的多种实施方式。在不脱离本发明精神和范围的前提下，熟悉本领域的技术人员显然可以对本发明做出各种相应的改变和变形，但这些改变和变形都应当属于本发明所附权利要求及其等效物所保护的范围内。
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