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官方微信摘要 作者：StéphaneAgnard,ZhaohengLiu,BruceHazel摘要：在水輪機(jī)制備和維修中，高彎曲率表面如角焊縫的磨削加工很難通過機(jī)器操作實現(xiàn)，必須借助手工磨削。在...
作者：Stéphane Agnard, Zhaoheng Liu, Bruce Hazel摘要：在水輪機(jī)制備和維修中，高彎曲率表面如角焊縫的磨削加工很難通過機(jī)器操作實現(xiàn)，必須借助手工磨削。在磨削工藝中，砂輪在工件表面來回移動，砂輪保持其輪廓并實現(xiàn)對材料去除率的較好控制。為實現(xiàn)該工藝的自動化，需要對材料去除率和砂輪磨損進(jìn)行建模并在特定參數(shù)條件下進(jìn)行試驗驗證。本論文對自動砂輪整形的預(yù)測模型進(jìn)行研究。
關(guān)鍵詞：自動磨削,砂輪整形,材料去除率,砂輪磨損模型,材料去除模型
1、引言
SCOMPI是魁北克水電研究院（IREQ）研發(fā)的一款用于水輪機(jī)制備和維修的手提式自動機(jī)械，可實現(xiàn)焊接、磨削、拋光等多進(jìn)程加工工藝。但對于曲面率較高的表面，就必須借助手動磨削工藝。用于這種手工磨削設(shè)備的砂輪磨損快，設(shè)備方向和位置不易控制。在手工磨削過程中，操作者需要憑直覺在工件表面上來回移動工具，保持砂輪輪廓并實現(xiàn)磨粒自銳，提高工件表面的材料去除率。砂輪整形對實現(xiàn)高彎曲率表面的自動磨削至關(guān)重要，為改善SCOMPI設(shè)備的性能，本論文在特定的砂輪整形參數(shù)條件下對材料去除和砂輪磨損進(jìn)行建模并研究，確定了顯著改善預(yù)測模型的變量。
圖1：裝配有定制砂輪機(jī)和半球形砂輪的SCOMPI設(shè)備
砂輪整形主要是砂輪在工件表面反復(fù)磨削以實現(xiàn)對砂輪磨損的控制和對材料去除率的控制。樹脂結(jié)合劑砂輪常用于手動或自動磨削設(shè)備。與傳統(tǒng)磨削工藝中所用陶瓷結(jié)合劑砂輪不同，樹脂結(jié)合劑砂輪有一定彈力，抗沖擊性較好。正確使用樹脂結(jié)合劑砂輪可以實現(xiàn)無鈍化、無需修整的正常砂輪磨損。在整形過程中，由于接觸區(qū)未切削碎屑在砂輪輪廓表面移動，因此需要考慮有效磨削半徑的變化。改變磨削功率、進(jìn)給速度、前角和旋轉(zhuǎn)速度等磨削參數(shù)并進(jìn)行試驗。磨削前后對材料去除和砂輪磨損進(jìn)行測量。利用接觸點上切向速度和當(dāng)量剖面半徑進(jìn)行建模并驗證模型。
3、材料去除模型實驗結(jié)果顯示法向力和磨削功率相結(jié)合要比單獨使用磨削功率的線性回歸能提高關(guān)聯(lián)性22%（圖2）。
圖2：變量功率試驗：材料去除率作為法向力和功率的函數(shù)關(guān)系
圖3為變量功率試驗中由變量進(jìn)給速度和旋轉(zhuǎn)速度求得的數(shù)據(jù)。圖3a顯示，當(dāng)進(jìn)給速度和旋轉(zhuǎn)速度變化時，材料去除率無明顯變化。圖3b顯示，當(dāng)進(jìn)給速度較低且切割深度較大，或者進(jìn)給速度較高且切割深度較低時，材料去除率保持穩(wěn)定。此外，當(dāng)旋轉(zhuǎn)速度由18000rpm變化至16000rpm時切割深度保持穩(wěn)定。
圖3：變量進(jìn)給速度和變量旋轉(zhuǎn)速度對（a）材料去除率和（b）切割深度的影響
Hahn和Lindsay（公式1）、Kurfess等人（公式2）建立的材料去除率模型以及一系列經(jīng)驗?zāi)Ｐ停ü?、4、5）進(jìn)行試驗。基于Tönshoff等人的經(jīng)驗公式的模型忽略了接觸點上相對于工件的砂輪速度。由于自動磨削和傳統(tǒng)磨削的切割動力學(xué)有所不同，試驗對經(jīng)驗?zāi)Ｐ椭薪佑|點上的切向速度和砂輪進(jìn)給速度分別進(jìn)行表示。
表1為所有試驗的材料去除率模型求得的經(jīng)過調(diào)整的相關(guān)系數(shù)。利用該方法可以測得不同條件下的模型魯棒性。所有試驗都可以即時分析（在磨削循環(huán)的整個過程中測量）或者求平均值分析（每循環(huán)的參數(shù)平均值）。
表1為所有試驗的材料去除率模型求得的經(jīng)過調(diào)整的相關(guān)系數(shù)。利用該方法可以測得不同條件下的模型魯棒性。所有試驗都可以即時分析（在磨削循環(huán)的整個過程中測量）或者求平均值分析（每循環(huán)的參數(shù)平均值）。
表1：材料去除率模型求得的相關(guān)系數(shù)
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