一种砂轮磨损及g比率的测量装置的制造方法
【技术领域】
[0001] 本实用新型涉及磨削加工领域的实验装置及其磨削温度和磨削力测量装置，具体 的为一种砂轮磨损及G比率的测量装置。
【背景技术】
[0002] 磨削加工实质上是一种由大量无规则的离散分布在砂轮工作面上的磨粒所完成 的划擦、耕犁和切削作用的随机综合。借助砂轮表面的大量磨粒切削刃去除材料的一种加 工方法，作为一种获得高精度、低粗糙的加工表面以及对高硬度表面进行精加工的工艺方 法，在制造加工技术领域占有十分重要的地位。随着现代化制造技术的发展，磨削加工在切 削加工中的比重越来越大，成为现代制造技术的关键。提高磨削加工效率、加工精度和减 少砂轮磨损一直是磨削领域研宄的重要内容。砂轮磨损机理一直是国内外致力于探讨的问 题，其中砂轮磨损可分为磨耗磨损、破碎磨损和堵塞粘附，磨耗磨损时由砂粒和工件之间摩 擦而引起的；破碎磨损是砂粒的破碎或结合剂的破碎，它取决于磨削力的大小和结合剂的 强度。磨削过程中随着被磨材料体积的增加，砂轮磨损逐渐增大，对砂轮的磨损与金属材料 磨除体积之间的关系，有关学者把砂轮的磨损过程分为三个磨损期，当砂轮修整之后，初期 磨损阶段主要是磨粒的破碎和整体脱落，其原因是修整后的砂轮工作表面上磨粒受修整工 具冲击而产生裂纹。在磨削力作用下，产生裂纹的磨粒会出现大块碎裂，而松动的磨粒则会 整体脱落，表现曲线上升较陡。第二期磨损阶段，即正常磨损阶段，因在力的作用下，仍会有 一些磨粒破碎，但主要是磨粒经历长时间的切削钝化，为磨耗磨损。由于该阶段磨粒切削刃 较稳定的切削，使砂轮的磨损曲线变得比较平坦。第三期磨损阶段，由于磨粒切削刃进一 步钝化，使作用在磨粒上的力急剧增大，导致磨粒产生大块碎裂、结合剂破碎及整个磨粒脱 落。此时曲线上升很陡，砂轮不能正常工作。
[0003] 所谓声发射现象是固体材料由于结构变化引起应变能的快速释放而产生的弹性 波，简称AE。在外力作用下，材料中的缺陷或微观不均匀处于应力集中状态，这种状态是一 种极不稳定的高能状态，必然要过渡到低能状态，如果这种过渡是在瞬间快速进行的，则多 余能量的一部分将以弹忡波的形式放出，从而产生声发射现象，它可用固定在固体表面的 AE传感器检测出来。磨削过程是一个很复杂的过程，磨削区具有相当高的变形率和摩擦磨 损以及金属相变、冲击、砂粒的崩碎、切削液的冲击等现象，这些都是强裂的声发射源。Hunt W等学者研宄了磨削过程中产生的各种声发射源，指出当砂轮与工件弹性接触、砂轮粘结剂 破裂、砂轮磨粒崩碎、砂轮磨粒与工件摩擦、工件表面裂纹等均可发射出弹性波。这些因素 和工件材料、磨削条件、砂轮表面的状态等因素都有着密切的关系；这些因素的改变必然会 引起声发射信号的幅值、频谱等方面发生变化，这就使得我们可以通过检测声发射信号的 变化来对磨削状态进行判别。影响磨削过程的因素特别多，如磨削过程中砂轮的磨损、对刀 精度等，仅靠操作者来获得较好的磨削效果难度较大，迫切需要找到一种对磨削加丁进行 在线监测的方法。1984年以来，声发射技术被引入磨削研宄领域，利用它来监测磨削质量 (主要包括磨削裂纹和磨削烧伤）、磨削过程（包括砂轮磨损、砂轮与工件接触等）以及砂 轮参数的测定（砂轮修整质量参数和砂轮硬度等），并取得了令了满意的效果。
[0004] 磨削力是磨削过程中的重要物理量。磨削力来源于工件与砂轮接触后引起的弹性 变形、塑性变形、切削形成以及磨粒和结合剂与工件表面之间的摩擦作用。磨削力与砂轮的 耐用度、磨削表面粗糙度、G比率等均有直接关系。磨削过程中所切下的磨肩虽然很小，每 颗磨粒上承受的磨削力也很小，但大量同时进行切削的细小磨粒上所受到的力的总和就可 以产生较大的磨削力。当切出的磨削断面积愈大、数量愈多、被加工材料的强度愈大时，磨 削力就愈大；而砂轮的工作表面愈锋利，则磨削力就愈小。磨削过程中的磨削温度测量也是 十分必要的，因为磨削过程中磨削能较其他切削方法大很多倍，这些能量绝大部分转化为 热能，而这些热能的分配与其他切削方式也有很大的不同，其中绝大部分约80 %的磨削热 传入工件（车削约3 %~9 % )，切肩带走约4%~8 %，砂轮带走约10 %~16 %，另有少部 分以传导和辐射形式散出。由于磨削速度高，热量来不及传入工件深处而瞬时集聚在很薄 的表层，形成表层中极大的温度梯度。进入工件的热量将引起工件表层温度的显著升高，造 成局部高温和过大的温度梯度，从而产生工件尺寸形状偏差，表面变质层，以及表面烧伤和 裂纹等加工缺陷。磨削产生的高温对砂轮磨粒的切削性能也有很大的影响，会降低砂轮的 使用寿命。
[0005] 目前，砂轮磨损的检测方法很多，按是否直接对砂轮进行测量分为直接测量和间 接测量；按检测时是否接触，可分为接触式和非接触式检测。检测方法主要有滚动复印法， 触针测量法，基于CCD相机的计算机图像处理法，激光功率谱法和声发射监测法。也有研宄 人员对砂轮的磨损量测量提出针对性的测量方法，如采用气动磨损测量仪对砂轮进行在线 测量；砂轮磨损量测量还有其他的办法，比如直接采用卡尺对砂轮进行测量，通过多次测量 求取砂轮磨损前后的平均值进行对比；也可参与激光测距法对砂轮的表面形貌进行测量， 该测量方法既可以测的砂轮的宏观特性数据，也可以测得砂轮的微观特性参数。
[0006] G比率（是指同一磨削条件下去除工件材料的体积与砂轮磨损体积之比），它也是 表征可磨削性的重要参数，是选择砂轮及磨削用量的主要依据，G比率的大小是表示砂轮使 用经济性的一个重要指标，当G值越大时，表示消耗单位体积砂轮可以磨去更多的被加工 材料，砂轮的经济性能就越好。
[0007] 经检索，已有专利号为ZL201310334856. 8的基于声发射信号的铣削加工表面粗 糙度在线预测方法，在被铣削加工零件上安装一个声发射传感器，利用声发射传感器对铣 削加工时被铣削加工零件材料变形所释放出的声发射信号进行监测；根据铣削加工理论中 铣肩厚度的变化反映铣削加工表面粗糙度的理论，利用声发射信号对实际加工中铣肩厚度 变化的敏感反应，对所探测到的被加工零件在加工时所释放出来的声发射信号进行分析和 处理来预测铣削加工表面粗糙度的大小。该实用新型只实现了铣削加工时在线预测铣削加 工表面粗糙度的大小，并不能实现砂轮磨损量的测量，值得的改进。
[0008] 经检索，已有专利号为ZL200520047712. 5的一种砂轮磨损测量及加工误差补偿 装置，它包括砂轮架，金刚笔，数控系统，声发射传感器，声发射信号处理装置。金刚石笔作 砂轮定位的基准，安装固定在磨床床身上砂轮架前面，砂轮架侧面上固定安装声发射传感 器，声发射传感器的输出信号经声发射信号处理装置的滤波和阈值计算后输入至机床数控 系统，用于砂轮磨损量的测量并通过数控系统实现磨损量的自动补偿。但该装置只是使用 声发射技术定性检测砂轮的磨损情况，并不能进一步定量测量出砂轮的磨损量，该装置有 值得改进之处。
[0009] 经检索，已有专利号为ZL201110294068. 1的利用砂轮气流场在线检测砂轮磨损 的方法和装置，该装置采用采用压力传感器实时在线检测砂轮表面气流场的动压力；通过 气流场动压力的变化分析计算得到磨削过程中砂轮的磨损量，进而得到砂轮的补偿进给 量，然后通过数控机床系统发出补偿进给指令，完成砂轮的补偿进给；利用微调机构在砂 轮补偿进给后对传感器的位置进行微调，保证气流场压力的检测的灵敏性与精确度。它适 用范围比较广，避免了使用磨削液湿磨加工中，磨削液对信号采集造成的不利影响；采用差 动螺旋机构作为微调机构，在砂轮补偿进给后可以调整压力传感器与砂轮之间的间隙，保 证了所要采集的动压力信号的强度，进而保证了计算得到的砂轮磨损量的准确性。但是该 装置只是最终测量出砂轮工作前后直径大小的差值，而实际砂轮磨损主要是磨粒的磨损， 此方法存在很大的误差。该装置也没有磨削温度和磨削力的检测装置来侧面反映砂轮的磨 损情况。
[0010] 经检索，专利号为ZL201210490401. 0的纳米粒子射流微量润滑磨削表面粗糙度 预测方法和装置，它包括一个传感器杠杆，所述传感器杠杆左端设有触针，触针与砂轮