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作者：Stéphane Agnard, Zhaoheng Liu, Bruce Hazel摘要：在水輪機制備和維修中，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行建模并在特定參數(shù)條件下進行試驗驗證。本論文對自動砂輪整形的預測模型進行研究。
關鍵詞：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)的一款用于水輪機制備和維修的手提式自動機械，可實現(xiàn)焊接、磨削、拋光等多進程加工工藝。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備的砂輪磨損快，設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重要，為改善SCOMPI設備的性能，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行建模并研究，確定了顯著改善預測模型的變量。
圖1：裝配有定制砂輪機和半球形砂輪的SCOMPI設備
砂輪整形主要是砂輪在工件表面反復磨削以實現(xiàn)對砂輪磨損的控制和對材料去除率的控制。樹脂結合劑砂輪常用于手動或自動磨削設備。與傳統(tǒng)磨削工藝中所用陶瓷結合劑砂輪不同，樹脂結合劑砂輪有一定彈力，抗沖擊性較好。正確使用樹脂結合劑砂輪可以實現(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、進給速度、前角和旋轉速度等磨削參數(shù)并進行試驗。磨削前后對材料去除和砂輪磨損進行測量。利用接觸點上切向速度和當量剖面半徑進行建模并驗證模型。
3、材料去除模型實驗結果顯示法向力和磨削功率相結合要比單獨使用磨削功率的線性回歸能提高關聯(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)關系
圖3為變量功率試驗中由變量進給速度和旋轉速度求得的數(shù)據(jù)。圖3a顯示，當進給速度和旋轉速度變化時，材料去除率無明顯變化。圖3b顯示，當進給速度較低且切割深度較大，或者進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，當旋轉速度由18000rpm變化至16000rpm時切割深度保持穩(wěn)定。
圖3：變量進給速度和變量旋轉速度對（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)驗模型（公式3、4、5）進行試驗?；赥önshoff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)磨削的切割動力學有所不同，試驗對經(jīng)驗模型中接觸點上的切向速度和砂輪進給速度分別進行表示。
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系數(shù)
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