基于9123C測力儀的高速外圓磨削力測量實驗研究*

龐靜珠 李蓓智 楊建國 張 強

（東華大學機械工程學院，上海 201620）

磨削加工過程中，磨削力是反映磨削過程基本特 征的重要參數，與磨削區內砂輪與工件的相互作用，磨削過程中材料的去除機理、工件的磨削質量以及砂輪的磨損都有著密不可分的關系。磨削力產生的原因在于磨削過程中的彈性變形、塑性變形、切屑形成以及磨粒和結合劑與工件表面之間的摩擦作用，是磨削過程中的切削、摩擦及粘附等現象綜合作用的結果［1］。磨削力可分為相互垂直的3個分力，即沿砂輪切向磨削力Ft、沿砂輪徑向的法向磨削力Fn以及沿砂輪軸向磨削力Fa。砂輪具有較大的負前角，因此法向磨削力Fn大于切向磨削力Ft，通常將N=Fn/Ft稱為磨削力比。磨削力比是重要的磨削要素，它可以間接地說明砂輪工作表面磨粒的鋒利程度［2］。

1 磨削力的研究方法

磨削力的研究方法通常有理論計算、仿真、實驗等手段。多年來研究者一直希望通過建立理論模型，找出通用準確的計算公式來解決工程中的問題。而通過工程實驗可以最為直觀地得到磨削過程中的磨削力，而且對磨削加工過程最好的監控方法就是對磨削力的測量。為了實現磨削力的直接測量，在磨床上安裝集成的壓電力傳感器或者應變傳感器（DMS）可以取得理想的效果。平面磨削力的采集可以借助安裝在機床工作臺上的力測量平臺來實現，外圓和內圓磨削可以將集成的力傳感器安裝在砂輪架下方、工件頭架［3］或者安裝在工件頂尖上［4－5］。用于測量磨削力的傳感器有多種，如電阻應變片式、壓電晶體等，由于壓電力傳感器具有高剛性、良好的熱穩定性、簡單易用等特點，特別適用于磨削過程的監控，常將其并聯安裝在生產型機床中。

2 高速外圓磨削力測試方法與實驗平臺構建

為了研究外圓磨削力測試方法及其對高速磨削特性的作用機制，搭建了高速磨削及其磨削力實驗平臺，為驗證仿真研究結果在高速磨削條件下的加工提供參考依據。該實驗平臺主要由超高速數控外圓磨床MGKS1332/1000－H（上海機床廠）和Kistler公司旋轉式三向動態壓電晶體測力儀組成。9123C測力儀經過改造，連接有頂尖并安裝于工件主軸處。磨削用工件采用頂尖方式裝夾。磨床使用陶瓷結合劑CBN砂輪，其直徑為600 mm，主軸最高轉速為8 000 r/min，電動機功率28 kW。采集及處理軟件為DynoWare，測試原理如圖1所示，9123C及工件的安裝如圖2所示。

3 磨削力的標定

9123C測力儀利用壓電晶體的壓電效應，使試件在外力作用下產生的機械變形轉換為電荷輸出。經電荷放大器放大并通過A/D轉換，輸入到電腦進行計算和分析，得到在x、y、z三個坐標方向上的磨削力Fx、Fy、Fz，以及主軸扭矩Mz。其中由于磨削方式為切入磨，軸向力Fa較小，本文暫不考慮Fa。測得的磨削力最終轉換為切向力Ft及法向力Fn，其轉換公式為

式中:Mz為主軸扭矩;Fx、Fy為x、y方向磨削力;rw為工件半徑。

由于經改造后的測力儀安裝于磨床工件主軸，作為前頂尖與磨床后頂尖一起支承工件，砂輪磨削位置與測力儀的距離將導致傳感器對于實際磨削力的不同反應，故需要標定。如圖1所示，L為砂輪磨削位置與測力儀前頂尖的距離。

圖3為對Fy進行動態標定時由測力儀測得的力，標定工件離頂尖的不同位置L:62、76、90、104及118 mm。標定時在工件上加載分別為60、90、120、150 N四個力，每個力加載時長為10 s左右，得到如圖3所示測量結果。圖4為在離頂尖為118 mm時，加載60、90、120、150 N四個力時的實時Fy測試結果。

表1 相同的比磨除率、不同砂輪線速度下的磨削力

由上述測量結果，近似地推導出實際磨削力Fx、Fy與傳感器測量值F'x、F'y的關系公式為

4 實驗及其結果

為了考察不同砂輪線速度對磨削力的影響，采用的實驗條件和工藝參數主要如下:砂輪參數為φ600 mm×38 mm（寬度）、126#、125%;采用切入式磨削、逆磨;工件40Cr、直徑為160 mm，鈦合金TC4、直徑為80 mm。每組工藝參數進行3次實驗，采集相關實驗數據后取平均值。表1給出了40Cr和TC4鈦合金兩種材料在比磨除率為2.00 mm3/s·mm時，不同砂輪線速度下所測得的切向磨削力Ft、法向磨削力Fn、單位磨削寬度切向力F't、單位磨削寬度法向力F'n以及磨削力比N。

在其他磨削參數不變的情況下，磨削力隨著砂輪線速度的升高而呈現減小的趨勢。因為在比磨除率為常數的情況下，砂輪速度的提高意味著增加單位時間內通過磨削區的磨粒數，這將導致每顆磨粒的切深減小，切屑減薄，切屑橫斷面積隨之減少。因此，每顆有效磨粒承受的磨削力隨之減小，因而磨削力減小。實際上，在小切深時，提高砂輪線速度，磨削力減小的幅度很有限。而在大切深時，磨削力隨著砂輪線速度的提高而減小的幅度加大，這說明在高速超高速磨削條件下，可以大幅度提高加工效率。

在相同的比磨除率下，隨著砂輪線速度的提高，磨削力比N顯著增大，即Ft/FN顯著減小。隨著砂輪線速度的提高，工件與砂輪的摩擦系數減小，即高速磨削可以有效地提高材料的去除能力或改善磨削工件的表面質量。

5 結語

（1）本文在對Kistler 9123C測力儀進行相應改造的基礎上，通過標定，測得高速外圓磨削的切向力Ft及法向力Fn。

（2）在其他磨削參數不變的情況下，Ft/FN的比值呈現顯著減小趨勢。這表明，隨著砂輪線速度的提高，工件與砂輪的摩擦系數減少，砂輪對工作材料的去除能力得到了提升。

［1］李伯民，趙波.現代磨削技術［M］.北京:機械工業出版社，2004.

［2］李蓓智.高速高質量磨削理論、工藝、裝備與應用［M］.上海:上海科學技術出版社，2012.

［3］Couey Jeremiah A，Marsh Eric R，Knapp Byron R，et al.Monitoring force in precision cylindrical grinding［J］.Precision Engineering，2005，29（3）:307－314.

［4］Li Z C，Lin B，Xu Y S，et al.Experimental studies on grinding forces and force ratio of the unsteady－state grinding technique［J］.Journal of Material Processing Technology，2002，129（1－2）:76－80.

［5］穆存遠.測量外圓磨削力用彈性頂尖［J］.現代制造工程，2005（6）:78－79.