一种预应力磨削淬硬加载方法及装置与流程

本发明涉及金属加工技术领域，具体说是涉及金属预应力磨削淬硬技术领域。

背景技术：

磨削是一种重要的机械加工方法，磨削加工是利用磨料去除材料的加工方法，是现代机械加工中应用广泛且重要的加工工艺。磨削淬硬(grindinghardening,gh)是利用磨削中产生的热量，使工件表面温度迅速升高到奥氏体化温度，然后快速冷却到马氏体相变温度，工件表层材料发生马氏体相变，实现工件的表面淬火处理。gh工艺将表面淬火与粗磨集于一体，利用磨削产生的热对表面进行淬火处理，符合绿色制造和清洁化生产模式。预应力磨削(pre-stressedgrinding,psg)是在传统的磨削工艺基础上，预先给工件施加应力，是对传统磨削工艺的一种改良。psg集磨削加工与残余应力控制于一体，该工艺加工后不需要对零件进行残余应力控制与调节，即可获得理想的应力状态，提高零件的抗疲劳强度，延长使用寿命。上述两项技术都有各自的突出特点，但也存在着不足。gh技术虽然在磨削的同时对表面进行了淬火处理，但在加工过程中没有考虑零件的抗疲劳性能，对加工后零件的表面残余应力状态没有加以控制。psg技术虽然在加工中考虑了对残余应力的控制，但无法直接获得淬火表面，磨削热没有得到利用，工艺绿色度不高。

预应力磨削淬硬(pshg)是将预应力加工和磨削淬硬集于一体的复合工艺，但为了能精确的研究预应力与加工后材料表面强化效果的关系，就需要对工件施加精确的预应力。

从绿色制造和抗疲劳制造的观念出发，以gh技术为基础，融合psg技术原理，提出预应力淬硬磨削(pre-stressedhardeninggrinding,pshg)复合加工方法。为了实现对工件施加精确的预应力，需要设计一套具备负反馈的自动预应力精确加载系统的夹具。

现有的预应力夹具大多以手动加载方式，如螺旋副提供预应力，则使用扭力扳手为夹具提供预应力。上述现有的夹具存在较多缺点。第一，在磨削过程中需要持续的拉力的存在，因此螺纹需要自锁，但是正是因为这种自锁的特性，导致了在加载力时，需要一次加载到位，不然每次加载的力矩将叠加在一起施加给试件。在实际实验过程中，仅靠扭力扳手是很难做到一次加载到位的，因此所加载的力也就存在很大的偏差。第二点，在于螺纹传递力难以计算其摩擦所带来的损耗。扭力扳手施加给螺栓力时，通过螺栓牙与螺纹牙的滑动摩擦，在平行于螺纹导程方向移动产生拉力，但是这种滑动摩擦，也会引起预载力的误差。第三点，t型槽夹紧装置导致了磨削表面所受的力不均匀且存在力矩，工件顶端面中心受力大于其他部位。t型槽与工件接触位置并不在工件两端面的中心，因此会在工件中心产生一定弯矩。

技术实现要素：

本发明的主要目的是提供一种预应力淬硬磨削时可以为工件表面提供精确预应力的加载方法及装置，第一，在加载过程中，持续保持预应力不变；第二杜绝由于螺旋副摩擦在传递预应力时的应力损耗；第三，提供可以确定的工件表面预应力的数值。具体技术方案如下：

一种预应力磨削淬硬加载方法，采用预应力淬硬磨削方法加工时，在工件表面和夹具表面分别贴应变片，通过计算夹具表面应变与工件表面应变关系的方式，测得工件表面应变计算公式；再将这个应变计算公式代入到plc的程序中去，实现以测量夹具表面应变代替测量工件表面应变；步进电机收到plc的脉冲信号，通过螺旋副为工件提供预应力，在夹具表面的应变片开始读取工件表面的应变值，当达到预定的应变条件时，plc对步进电机发出信号，步进电机停止工作；当螺杆出现滑动时，应变片将出现应变值的变化，plc读取到变化后，对步进电机发出正或反转的指令，从而实现持续的为工件提供精确预应力。

通过加载装置对夹具的螺杆施加扭矩，贴在工件和夹具表面的应变片测量得到了两组应变数据，通过对两组应变数据进行比对分析和拟合计算，得到了夹具表面应变与工件表面应变的应变计算公式。

应变计算公式为y＝1.6331x+0.6284，式中，x为夹具应变数值，y为工件表面应变数值。

本发明进一个公开了一种实现所述方法的装置，包括步进电机，所述步进电机与减速器连接，减速器的输出轴通过联轴器与矩形丝杠连接，所述矩形丝杠通过联轴器与t型卡钳连接，工件设置在t型卡钳的两个t型槽间；所述步进电机与plc连接，plc还与上位机、显示器及应变片连接。

本发明的优点是：

本发明使用了步进电机，因其具有可控制速度，位置精度准确，可以将电压信号转化转矩和转速信号以驱动控制对象，因此可提供的动力相比手动的扭力扳手更加精确；采用带有负反馈的加载控制系统，可以为工件表面提供精确且持续的预应力；由于加工时，工件表面的应变片已经拆除，本发明采用以测量夹具表面应变代替测量工件应变的方法，可以实时测量工件表面的应变值，进而可根据该应变值的变化实时控制工件表面的预应力。

附图说明

图1为预应力夹具及其加载装置的设计简图；

图2为夹具的设计三维图；

图3为加载装置的控制系统简图；

图4为夹具和静态应变测试仪照片；

图5线性拟合曲线。

具体实施方式

下面结合附图具体说明本发明，如图1所示，本发明的装置，包括步进电机1，所述步进电机1与减速器连接2，减速器2的输出轴通过联轴器3与矩形丝杠5连接，所述矩形丝杠5通过联轴器3与t型卡钳6连接，工件7设置在t型卡钳6的两个t型槽间；丝杠螺母4用于固定矩形丝杠；所述步进电机1与plc连接，plc还与上位机、显示器及应变片连接。

如图2所示，在工件表面贴应变片二8，在夹具表面贴应变片一9。

通过加载装置对夹具的螺杆施加扭矩，贴在工件和夹具表面的应变片测量得到了两组应变数据，通过对两组应变数据进行比对分析和拟合计算，得到了夹具表面应变与工件表面应变的关系。再将这个计算公式代入到plc的程序中去，就可以实现以测量夹具表面应变代替的测量工件表面应变。拟合曲线如图5，计算公式如下。

y＝1.6331x+0.6284

试验时，测量得到11组数据，采用前9组数据做拟合，后两组数据做检验。计算得出，全部11组数据拟合后的均方差为0.6968。式中，x为夹具应变数值，y为工件表面应变数值。

加载方法流程步骤如下：

s1，将应变片一、二分别贴在如图2所示的工件和夹具的对应位置，方向为沿螺杆的轴向，链接静态应变采集仪，开机预热；

s2，在螺杆的自由端施加扭矩值1，通过静态应变采集仪获得工件表面和夹具t型卡端的应变值；

s3，改变扭矩值的大小；

s4，重复s2～s3，获得大于10组的数据；

s5，对所得的两组应变数据进行拟合，得到工件表面应变和夹具表面应变的表达式；

s6，将s5中所得的表达式代入到plc程序中，完成以测量夹具表面应变值代替测量工件表面应变值的加载方式。

本发明采用预应力淬硬磨削方法加工时，在工件表面和夹具表面分别贴应变片，通过计算夹具表面应变与工件表面应变关系的方式，测得工件表面应变计算公式；再将这个应变计算公式代入到plc的程序中去，实现以测量夹具表面应变代替的测量工件表面应变；步进电机收到plc的脉冲信号，通过螺旋副为工件提供预应力，在夹具表面的应变片开始读取工件表面的应变值，当达到预定的应变条件时，plc对步进电机发出信号，步进电机停止工作；当螺杆出现滑动时，应变片将出现应变值的变化，plc读取到变化后，对步进电机发出正或反转的指令，从而实现持续的为工件提供精确预应力。

本发明的关键点一在于加载系统的控制方法设计；关键点二在于通过测量夹具应变代替工件应变的试验方法、拟合计算方法以及应用于控制系统中的方法,三者集于一体的间接测量方法；关键点三在于对整体夹具和加载装置的设计方案。

本发明采用以步进电机，减速器，螺旋副机构作为动力和传力方式，采用带有负反馈的控制系统作为控制动力源和持续提供动力的保障，可以为工件提供精确且持续的预应力支持。而原技术手段采用手动加载方式，难以保证为工件提供精确的预应力，并且可能由于相对滑动导致螺旋副的回退，使得工件表面应力减小。同时，相对于原有技术，新的预应力加载装置可以节省人力成本。