超声振动辅助磨削脆性材料沿进给方向切削力预测方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及超声震动辅助磨削加工技术，特别是一种针对脆性材料超声振动辅助 磨削过程中的进给方向切削力预测方法。
【背景技术】
[0002] 脆性材料，如氧化锆陶瓷、玻璃等，具有耐高温、耐磨损、高硬度、高强度比、抗腐蚀 等优异的物理性能，因此在许多领域得到广泛应用，例如牙齿修复、航空航天、军工、能源、 机械、电子、石化和汽车等领域。但是其脆性大、断裂韧性低、导热率低、弹性极限和强度极 限非常接近等特点，传统的加工方法很难对脆性材料进行加工。因此，可将旋转超声加工技 术引入到脆性材料的加工中，从而提高加工效率和质量。
[0003] 旋转超声加工技术中常采用的技术手段是超声振动辅助磨削脆性材料，切削力是 重要的输出量之一，它对切削加工过程中的稳定性以及工件的表面质量有着直接的影响， 因此对加工过程中切削力进行预测非常重要。目前已有的基于理论分析的进给方向切削力 预测，未能将超声振动的两个重要参数：振幅和频率考虑参在内。现有的实际加工过程中， 未考虑到振动参数对去磨粒运动轨迹与去除量的影响，从而侧面磨粒的切削过程与普通磨 削相同，导致预测精度欠佳。
【发明内容】
[0004] 本发明目的在于提供一种考虑超声振动振幅和频率的磨削脆性材料的进给方向 的切削力预测方法，该方法区分侧面磨粒的切削过程和普通磨削，使计算过程更加符合实 际加工状况，提高了超声振动辅助磨削脆性材料过程中进给方向切削力预测的精度。
[0005] -种磨削脆性材料的进给方向的切削力预测方法，切削力由沿进给方向的超声振 动辅助提供，包括以下步骤：
[0006] 步骤1，确定单颗磨粒实际参与切削加工的有效切削时间；
[0007] 步骤2,建立单颗磨粒在不同位置时所受径向力与最大径向力之间的关系；
[0008] 步骤3,建立有效切削时间内单颗磨粒振动周期数、主轴转速和超声振动频率之间 的关系；
[0009] 步骤4,获得单颗磨粒的材料去除体积；
[0010] 步骤5,获得参与切削加工的有效磨粒数目；
[0011] 步骤6，建立有效切削时间内材料总的理论去除体积和有效切削时间内材料的实 际去除体积之间的关系；
[0012] 步骤7,获得磨粒在切削过程中所受最大径向力；
[0013] 步骤8，获得进给方向切削力。
[0014] 本发明与现有技术相比，具有以下优点：（1)本方法将超声振动参数考虑到进给 方向切削力模型中，更加贴合实际；(2)考虑了侧面磨粒运动轨迹对有效磨粒数量的影响， 改进了参与切削加工的侧面有效磨粒数目计算方法；（3)通过对单颗侧面磨粒的运动特征 以及脆性材料去除机理进行分析，提出了更加符合实际加工过程的有效切削时间内侧面单 颗磨粒的材料去除体积的计算方法；(4)对侧面磨粒进行了受力分析，考虑了磨粒在不同 位置时切入深度和所受径向力的变化，得出磨粒在不同位置时所受径向力与最大径向力的 关系，更加符合实际加工过程。
[0015] 下面结合说明书附图对本发明做进一步描述。
【附图说明】
[0016] 图1是本发明的方法流程图。
[0017] 图2是脆性材料超声振动辅助磨削加工过程示意图。
[0018] 图3是单颗侧面磨粒在加工表面的轨迹图。
[0019] 图4是脆性材料去除机理裂纹产生的示意图。
[0020] 图5是单颗磨粒的材料去除体积示意图。
[0021] 图6是单颗磨粒的材料去除体积计算模型图。
[0022] 图7是刀具侧面磨粒分布示意图。
[0023] 图8侧面磨粒在切削过程中不同位置的受力分析图。
【具体实施方式】
[0024] 结合图1，一种磨削脆性材料的进给方向的切削力预测方法，切削力由沿进给方向 的超声振动辅助提供，包括以下步骤：
[0025] 步骤1，有效切削时间t的确定，即通过对单颗磨粒的运动轨迹进行分析，确定单 颗磨粒实际参与切削加工的时间，即有效切削时间t ;
[0026] 步骤2,单颗磨粒在不同位置时所受径向力Fi与最大径向力Fr的关系的建立，即 综合考虑磨粒在不同位置时切深的变化规律，建立所侧面磨粒受径向力F i与最大径向力Fr 的关系，其中i为不同位置的索引值；
[0027] 步骤3,有效切削时间内单颗磨粒振动周期数N、主轴转速n、超声振动频率f的关 系的建立，即根据有效切削时间内，超声的总振动时间与有效切削时间相等的原则，建立了 单颗磨粒振动周期数N与主轴转速n，超声振动频率的关系；
[0028] 步骤4,单颗磨粒的材料去除体积V计算，即根据单颗磨粒在有效切削时间内的运 动轨迹表达式，求出单颗磨粒的总切削路程S u。其次根据磨粒在切削过程中切入深度的变 化规律，即，所受径向力Fi的变化规律以及脆性材料的脆性去除特性计算出单颗磨粒的材 料去除体积V ;
[0029] 步骤5,参与切削加工的有效磨粒数目Na的计算，即通过分析加工过程中相邻磨粒 之间材料在脆性去除的过程中产生的横向裂纹之间的相互作用，以及主轴转速、超声振动 参数对磨粒运动轨迹的影响，从而确定有效切削时间内，实际参与切削加工的有效磨粒数 目Na;
[0030] 步骤6,理论去除体积V'与实际去除体积Va，即根据有效磨粒数目Na和单颗磨粒 的材料去除体积V求出有效切削时间内总的理论体积V'。再根据切削加工参数求得有效时 间内材料的实际去除体积V a，并借助比例参数K建立V'与Va之间的关系；
[0031] 步骤7,磨粒在切削过程中所受最大径向力^预测公式的获得。首先分析磨粒的 运动轨迹，找出磨粒所受径向力^为最大时所在的位置。根据V'与￥3之间的关系，建立最 大径向力F1?与比例参数K、刀具参