CN111906693B - 一种磨削弧区热力集成测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种磨削弧区热力集成测量装置及方法，具有导电性的第一固定件、第二固定件和应力件，还包括夹紧件、数据采集***和计算机，所述的夹紧件用于使第一固定件和第二固定件相对固定，所述的第一固定件和第二固定件接触面构成用于放置应力件的空腔，且应力件的底部与第一固定件和第二固定件三者绝缘紧配合。本发明采用与磨削工件相同材质的金属T型悬臂梁与砂轮配合，在其悬臂梁上设置测力应变片，并在其弹性形变行程上设置测温热电偶，通过砂轮磨削力驱使T型悬臂梁向固定件处弯曲变形，与固定件处的热电偶搭接形成测温回路，从而实现了磨削弧区的磨削力和磨削温度的同步与集成测量，本发明测量结构简单，制作成本低、具有推广前景。

Description

一种磨削弧区热力集成测量装置及方法

技术领域

本发明涉及磨削加工技术领域，尤其涉及一种磨削弧区热力集成测量装置及方法。

背景技术

目前，磨削作为精密加工的重要加工手段，对提高机械产品的精度、可靠性和寿命等起着至关重要的作用。磨削过程中单位体积材料去除的能耗高，且这些能量作为热量耗散于磨削弧区，导致弧区温度高达200~1500℃，进而造成工件的热损伤，如烧伤、相变、软化、残余拉应力、裂纹、疲劳强度降低。磨削力容易引起材料表面/亚表面的损伤，并且对能量消耗和磨削温度起着决定性作用，是分析磨削热特性的重要参数。另外，磨削力还对磨削电主轴***的机电耦合特性，砂轮的磨损和工艺***的变形等产生影响，最终影响到磨削***的稳定性和零件加工质量。

在磨削加工领域，磨削温度和磨削力是磨削加工中两个最重要的研究参数，在探究材料的磨削加工性、磨削过程机理以及提高加工精度和表面质量时，都需要大量的磨削温度和磨削力测量数据。平面磨削传统的测温和测力方式是“上测温、下测力”，即温度传感器置于试件中，测力仪置于试件下的方式；外圆磨削的传统测温和测力方式是“中测温、侧测力”，即温度传感器置于轴类试件中，侧边（顶尖处）设置测力仪。然而，以上的测量方式存在如下弊端：

首先，两种测量仪器分开使用，未集成到磨削弧区，在测量时磨削温度和磨削力数据往往存在一定的时间滞后，而非绝对的“同步”测量，这就会对后续研究热力耦合效应带来一定影响；其次，由于测量时磨削力数据是连续的，磨削温度数据是间歇性的，所以难以从连续的磨削力数据中寻找对应磨削温度的力，进而增加了分析磨削弧区热力耦合效应的难度；再次，由于在磨削***中增加了测力仪，降低了磨削***的刚性，进而影响试件的磨削表面质量。最后，在磨削力测量过程中常用的测力仪价格昂贵，难以被企业接受。为了更深入地理解磨削弧区的热力耦合效应，更及时准确地监控磨削过程，有效地提高磨削质量和磨削效率，降低磨削温度和磨削力测量成本，迫切需要廉价实用的磨削弧区热/力集成测量装置及方法。

发明内容

本发明的目的是提供一种磨削弧区热力集成测量装置及方法，不仅能够同步、准确地测量出磨削弧区内的磨削温度和磨削力，而且还可以将测温和测力集成到一起，降低设备造价成本。

本发明采用的技术方案为：

一种磨削弧区热力集成测量装置，包括具有导电性的第一固定件、第二固定件和应力件，还包括夹紧件、数据采集***和计算机，所述的夹紧件用于使第一固定件和第二固定件相对固定，所述的第一固定件和第二固定件接触面构成用于放置应力件的空腔，且应力件的底部与第一固定件和第二固定件三者绝缘紧配合，应力件的上部与第一固定件和第二固定件均间隙设置，且三者装配完毕后，应力件的上端部不低于第一固定件和第二固定件的顶部；所述第一固定件和第二固定件相对应力件的位置垂直方向上分别对应开设有直槽，直槽内依次设置有绝缘层和热电偶，

所述的应力件包括弹性件和应变片，应变片采用惠斯顿电桥电路粘贴设置在应变片上，且应变片和热电偶均分别通过外导线与数据采集***的输入端连接，输出采集***的输出端与计算机连接，弹性件与第一、第二固定件材质相同。

所述的弹性件的上部与第一固定件和第二固定件的间隙均为0.01~0.1mm。

所述的绝缘层为云母片。

所述的第一固定件与第二固定件之间空腔的截面为倒T型。

所述弹性件为带有悬臂梁的倒T型弹性件。

所述悬梁臂的厚度H为1~10mm。

一种基于磨削弧区热力集成测量装置的测量方法，所述的磨削弧区热/力集成测量装置包括具有导电性的第一固定件、第二固定件和应力件，还包括夹紧件、数据采集***和计算机，所述的夹紧件用于使第一固定件和第二固定件相对固定，所述的第一固定件和第二固定件接触面构成用于放置应力件的空腔，且应力件的底部与第一固定件和第二固定件三者绝缘紧配合，应力件的上部与第一固定件和第二固定件均间隙设置，且三者装配完毕后，应力件的上端部不低于第一固定件和第二固定件的顶部，应力件的底部设置导线；所述第一固定件和第二固定件相对应力件的位置垂直方向上分别对应开设有直槽，直槽内依次设置有绝缘层和热电偶；

所述的应力件包括弹性件和应变片，应变片采用惠斯顿电桥电路粘贴设置在应变片上，且应变片和热电偶均分别通过外导线与数据采集***的输入端连接，输出采集***的输出端与计算机连接；包括如下步骤：

步骤A：首先通过加紧件对第一固定件、第二固定件和应力件三者在工作台上进行固定，使三者底部绝缘紧配合，应变片和热电偶分别通过数据线与连接数据采集***和计算机；

步骤B：启动设备，进行磨削作业，当砂轮开始磨削到应力件的悬臂梁71时，悬臂梁71发生弯曲和压缩，当弯曲到一定程度时，就会与第一固定件或第二固定件上设置的热电偶搭接，形成热电偶节T1或T2，进而形成热电势回路，数据采集***采集热电势数据发送到计算机，同时悬臂梁上设置的应变片8输出此时的应变量到数据采集***，数据采集***将其发送到计算机；

步骤C：计算机将接收到的热电势数据和应变量经过温度标定和应变校准后，即可输出磨削弧区内的温度和力。

本发明采用与磨削工件相同材质的金属T型弹性件和设置在其两侧的固定件与砂轮配合，在T型弹性件的悬臂梁上设置测力应变片，并在其弹性形变行程上设置测温热电偶，通过砂轮磨削力驱使悬臂梁向固定件处弯曲变形，与固定件上的热电偶搭接形成测温回路，从而实现了磨削弧区的磨削力和磨削温度的同步与集成测量，应力件解决了传统的“上测温、下测力”或“中测温、侧测力”等分开测量难题，为更深入地理解磨削弧区的热力耦合效应，更及时准确地监控磨削过程，降低磨削温度和磨削力测量成。本发明提供了一套原理简单，制作成本低、值得推广的装置及方法。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明工作台向右移动时磨削状态示意图；

图3为本发明工作台向左移动时磨削状态示意图；

图4为本发明所述第一固定件或第二固定件的结构示意；

图5为本发明所述应变片的安装位置示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，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付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1、2、3和4所示，本发明包括具有导电性的第一固定件3、第二固定件11和应力件，还包括夹紧件2、数据采集***9和计算机10，所述的夹紧件用于使第一固定件3和第二固定件11相对固定，所述的第一固定件3和第二固定件11接触面构成用于放置应力件的空腔，且应力件的底部与第一固定件3和第二固定件11三者绝缘紧配合，实际使用中采用绝缘垫13对三者进行绝缘设置；应力件的上部与第一固定件3和第二固定件11均间隙设置，且三者装配完毕后，应力件的上端部不低于第一固定件3和第二固定件11的顶部，应力件的底部设置导线12；所述第一固定件3和第二固定件11相对应力件的位置垂直方向上分别对应开设有直槽31，直槽31内依次设置有绝缘层4和热电偶5；第一固定件3、第二固定件11为结构大小相同的特定试件，使用时二者相对设置。

所述的应力件包括弹性件7和应变片8，应变片8按照惠斯顿电桥电路粘贴设置在弹性件7的悬臂梁71上，导线12设置于弹性件的底端，一端与弹性件7连接，另一端与数据采集***的输入端连接，且应变片8和热电偶5均分别通过外导线与数据采集***9的输入端连接，数据采集***9的输出端与计算机10连接，所述弹性件7的材质与第一、第二固定件相同，保证测试的数据准确性。

本发明通过设置第一固定件3和第二固定件11底部夹紧固定应力件，顶部保留一定的间隙设置热电偶5和应变片8，则可满足磨削时能够实现同步和集成测量。当砂轮6磨削到应力件时会对应力件产生旋转方向的推力和压力，即磨削切向力和磨削法向力，从而使应力件自身发生倾斜和压缩，此时通过在应力件上设置应变片8可以实时测量力变化，继而获得砂轮6的磨削切向力和法向力，与此同时，由于应力件倾斜到一定程度（跟间隙大小以及磨削力大小有关，可以根据实际需求进行设定）应变片会与第一固定件3或第二固定件11内设置的热电偶5接触，使第一固定件3或第二固定件11处的热电偶5与应力件构成热电偶节，形成测温回路，进而实现磨削弧区磨削温度的测量，这样既可以保证温度和力的同步测量，而且还可以集成到磨削弧区，大大降低了测量成本的同时，提高了测量的精度，克服了现有测量设备“先后”与“分开”的问题。

所述的弹性件7上部与第一固定件3和第二固定件11的间隙均为0.01~0.1mm，可根据磨削力或弹性件7的弹性强度调整间隙大小。

所述的绝缘层4为云母片。为了使热电偶5设置到第一或第二固定件的同时又能够与其进行绝缘所述的第一固定件3与第二固定件11之间空腔的截面为T型。所述弹性件7为倒T型结构，具有悬臂梁71，悬梁臂71的厚度H为1~10mm，可根据磨削力大小调整悬臂梁的厚度。悬臂梁71可以满足底部稳固的同时实现力的测量，能满足上述需求的其他结构的部件也可以根据需求进行使用，在此不再一一赘述。

一种基于磨削弧区热/力集成测量装置的测量方法，所述的磨削弧区热/力集成测量装置如上所述，具体测量过程包括如下步骤：

步骤A：首先通过夹紧件对第一固定件、第二固定件和应力件三者在工作台1上进行固定，使三者底部绝缘紧配合，应变片和热电偶分别通过数据线与连接数据采集***和计算机；具体的，将0.01mm~0.02mm厚的云母片4粘贴到固定件的直槽31内，再将康铜丝5贴紧云母片4。T型弹性件7的悬臂梁71厚度H取1~10mm，再将应变片8按惠斯顿电桥电路粘贴到弹性件7的腰部（如图5所示），粘贴好应变片8的弹性件7置于第一固定件和第二固定件之间，并通过夹具2加紧，保证弹性件7与热电偶5之间有0.01~0.1mm的间隙，热电偶线5与应变片8引出，并通过外导线与数采***9和计算机10连接，

步骤B：启动设备，进行磨削作业，如图2，当工作台向右移动时，砂轮6磨削到应力件的悬臂梁71时，悬臂梁71发生弯曲和压缩，当弯曲和压缩到一定程度时，就会与第一固定件上设置的热电偶搭接，形成热电偶节T1，进而形成热电势回路，数据采集***采集热电势数据发送到计算机，同时悬臂梁上设置的应变片8输出此时的应变量到数据采集***，数据采集***将其发送到计算机；实际应用中，上述的弹性件7与第一和第二固定件的材质相同，且均为金属试件。如图3所示，当工作台向左移动时，砂轮6磨削到弹性件7的悬臂梁71时，悬臂梁71发生弯曲和压缩，当弯曲到一定程度时，就会与第二固定件上设置的热电偶搭接，形成热电偶节T2，进而形成热电势回路，同时应变片8输出此时的应变，经过温度标定和应变校准后，获得磨削弧区内的温度和力。当砂轮6离开温度和力集成测试区域时，弹性件7的悬臂梁71不再受力，进而生产回弹至原位，如图1所示。

步骤C：计算机将接收到的热电势数据和应变量经过温度标定和应变校准后，即可输出磨削弧区内的温度和力。

本发明该装置和方法巧妙利用弹性件悬臂梁的弹性变形原理，实现了磨削弧区的温度和力集成测量解决了传统的 “上测温、下测力”或“中测温、侧测力”等分开测量难题，为深入研究磨削弧区的热力耦合效应，及时准确地监控磨削过程，有效地提高磨削质量和磨削效率，降低磨削温度和磨削力测量成本，提供了一种低廉而又实用的磨削弧区热/力集成测量装置及方法。在本发明的描述中，需要说明的是，对于方位词，如有术语“ 中心”，“横向”、“ 纵向”、“ 长度”、“ 宽度”、“ 厚度”、“ 上”、“ 下”、“ 前”、“ 后”、“ 左”、“ 右”、 竖直”、“ 水平”、“ 顶”、“ 底”、“ 内”、“ 外”、“ 顺时针”、“ 逆时针”等指示方位和位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于叙述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定方位构造和操作，不能理解为限制本发明的具体保护范围。

需要说明的是，本申请的说明书和权利要求书中的术语“ 第一”、“ 第二”等是用于

区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请的实施例。此外，术语“ 包括”和“ 具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、***、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

注意，上述仅为本发明的较佳实施例及运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行较详细的说明，但本发明不限于这里所述的特定实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等有效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (7)

1.一种磨削弧区热力集成测量装置，其特征在于：包括具有导电性的第一固定件、第二固定件和应力件，还包括夹紧件、数据采集***和计算机，所述的夹紧件用于使第一固定件和第二固定件相对固定，所述的第一固定件和第二固定件接触面构成用于放置应力件的空腔，且应力件的底部与第一固定件和第二固定件三者绝缘紧配合，应力件的上部与第一固定件和第二固定件均间隙设置，且三者装配完毕后，应力件的上端部不低于第一固定件和第二固定件的顶部；所述第一固定件和第二固定件相对应力件的位置垂直方向上分别对应开设有直槽，直槽内依次设置有绝缘层和热电偶；

所述的应力件包括弹性件和应变片，应变片采用惠斯顿电桥电路粘贴设置在弹性件上，且应变片和热电偶均分别通过外导线与数据采集***的输入端连接，数据采集***的输出端与计算机连接，所述弹性件的材质与第一、第二固定件的材质相同。

2.根据权利要求1所述的磨削弧区热力集成测量装置，其特征在于：所述的弹性件的上部与第一固定件和第二固定件的间隙均为0.01~0.1mm。

3.根据权利要求1所述的磨削弧区热力集成测量装置，其特征在于：所述第一固定件和第二固定件为磨削工件。

4.根据权利要求1所述的磨削弧区热力集成测量装置，其特征在于：所述的第一固定件与第二固定件之间空腔的截面为倒T型。

5.根据权利要求1所述的磨削弧区热力集成测量装置，其特征在于：所述弹性件为带有悬臂梁的倒T型弹性件。

6.根据权利要求5所述的磨削弧区热力集成测量装置，其特征在于：所述悬臂梁的厚度H为1~10mm。

7.一种基于磨削弧区热力集成测量装置的测量方法，所述的磨削弧区热力集成测量装置包括具有导电性的第一固定件、第二固定件和应力件，还包括夹紧件、数据采集***和计算机，所述的夹紧件用于使第一固定件和第二固定件相对固定，所述的第一固定件和第二固定件接触面构成用于放置应力件的空腔，且应力件的底部与第一固定件和第二固定件三者紧配合，应力件的上部与第一固定件和第二固定件均间隙设置，且三者装配完毕后，应力件的上端部不低于第一固定件和第二固定件的顶部；所述第一固定件和第二固定件相对应力件的位置垂直方向上分别对应开设有直槽，直槽内依次设置有绝缘层和热电偶；

所述的应力件包括弹性件和应变片，应变片采用惠斯顿电桥电路粘贴设置在弹性件上，且应变片和热电偶均分别通过外导线与数据采集***的输入端连接，数据采集***的输出端与计算机连接；其特征在于：包括如下步骤：

步骤A：首先通过夹紧件对第一固定件、第二固定件和应力件三者在工作台上进行固定，使三者底部紧配合，应变片和热电偶分别通过数据线与数据采集***和计算机连接；

步骤B：启动设备，进行磨削作业，当砂轮开始磨削到应力件的悬臂梁时，悬臂梁发生弯曲和压缩，当弯曲到一定程度时，就会与第一固定件或第二固定件上设置的热电偶搭接，从而形成热电偶节，进而形成热电势回路，数据采集***采集热电势数据发送到计算机，同时悬臂梁上设置的应变片（8）输出此时的应变量到数据采集***，数据采集***将其发送到计算机；

步骤C：计算机将接收到的热电势数据和应变量经过温度标定和应变校准后，即可输出磨削弧区内的温度和力。

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