CN 41-1243/TG ISSN 1006-852X

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基于加工形貌数据聚类的单点金刚石磨削稳定性及工艺调控

徐鑫宇 贺先送 陈钊杰 张竞颖 杨林丰 谢晋

徐鑫宇, 贺先送, 陈钊杰, 张竞颖, 杨林丰, 谢晋. 基于加工形貌数据聚类的单点金刚石磨削稳定性及工艺调控[J]. 金刚石与磨料磨具工程, 2025, 45(1): 1-11. doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2024.0013
引用本文: 徐鑫宇, 贺先送, 陈钊杰, 张竞颖, 杨林丰, 谢晋. 基于加工形貌数据聚类的单点金刚石磨削稳定性及工艺调控[J]. 金刚石与磨料磨具工程, 2025, 45(1): 1-11. doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2024.0013
XU Xinyu, HE Xiansong, CHEN Zhaojie, ZHANG Jingying, YANG Linfeng, XIE Jin. Stability and process control of single-diamond grinding based on clustering of processing morphology data[J]. Diamond & Abrasives Engineering, 2025, 45(1): 1-11. doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2024.0013
Citation: XU Xinyu, HE Xiansong, CHEN Zhaojie, ZHANG Jingying, YANG Linfeng, XIE Jin. Stability and process control of single-diamond grinding based on clustering of processing morphology data[J]. Diamond & Abrasives Engineering, 2025, 45(1): 1-11. doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2024.0013

基于加工形貌数据聚类的单点金刚石磨削稳定性及工艺调控

doi: 10.13394/j.cnki.jgszz.2024.0013
基金项目: 国家自然科学基金(52375493); 广东省基础与应用基础研究基金(2022A1515220053)。
详细信息
    作者简介:

    谢晋,男,1963生,博士、教授、博士生导师。主要研究方向:微细磨削技

    通讯作者:

    杨林丰,男,1981年生,博士、高级实验师。主要研究方向:数字化加工技术。E-mail:yanglf@scut.edu.cn

  • 中图分类号: TQ164; TG58; TG156

Stability and process control of single-diamond grinding based on clustering of processing morphology data

  • 摘要: 硬质模具钢磨削过程中,加工深度的变化会引起磨削力变化,导致其加工状态不稳定。采用大颗粒单点金刚石磨削硬质模具钢,基于其加工表面的形貌特征分析磨削过程的动态特性及稳定性,探究工艺参数对加工效率和表面质量的影响,以实现其高效率高质量的磨削加工。首先,对单点金刚石磨削系统进行动力学建模,采用加速度传感器测量磨削振动信号并进行工作模态分析,求解磨削系统的固有频率和阻尼比。然后,基于不同加工工况的表面波纹度和表面粗糙度数据,关联进给深度和砂轮转速与稳定工况时的数据聚类,且与磨削稳定时的叶瓣图区域匹配,拟合出磨削系统刚度和磨削力系数,构建稳定磨削过程中的进给深度和砂轮转速实时调控区域。最后,通过模具钢的磨削实验验证及分析其加工效率和质量。结果表明:磨削过程的模态分析与加工表面形貌特征的聚类匹配能够映射磨削稳定域的加工工艺参数;在磨削稳定域内,采用更大的材料去除率可将模具钢的平均表面波纹度从1.203 μm降低到0.635 μm,平均表面粗糙度从0.267 μm降低到0.143 μm;且在相同的材料去除量下,磨削稳定域加工的模具钢表面粗糙度平均下降74%。因此,在加工过程中依据加工表面特征化的磨削稳定域实时调整进给深度和砂轮转速,可同时提高工件的加工质量和效率。

     

  • 图  1  单点金刚石磨削表面形成图

    Figure  1.  Surface formation diagram of single-diamond grinding

    图  2  单点金刚石磨削稳定性模型图

    Figure  2.  Single-diamond grinding stability model diagram

    图  3  单点金刚石磨削实验平台

    Figure  3.  Single-diamond grinding experimental platform

    图  4  单点金刚石磨削加工示意图

    Figure  4.  Schematic diagram of single-diamond grinding

    图  5  振动加速度功率谱密度

    Figure  5.  Vibration acceleration power spectral density

    图  6  单点金刚石加工表面的波纹度轮廓曲线

    Figure  6.  Waviness profile curve of single-diamond machining surface

    图  7  单点金刚石加工表面的表面粗糙度曲线

    Figure  7.  Surface roughness curve of single-diamond grinding surface

    图  8  表面波纹度与表面粗糙度的聚类分析

    Figure  8.  Cluster analysis of surface waviness and surface roughness

    图  9  模具钢表面SEM形貌

    Figure  9.  SEM morphology of mold steel surface

    图  10  单点金刚石磨削的稳定性叶瓣图

    Figure  10.  Grinding stability lobe diagram of single-diamond grinding

    图  11  验证实验中工件表面的SEM形貌

    Figure  11.  SEM morphology of workpiece surface in verification experiment

    图  12  验证实验中工件表面的表面波纹度曲线

    Figure  12.  Surface waviness curves of workpiece surface in verification experiment

    图  13  验证实验中工件表面的表面粗糙度曲线

    Figure  13.  Surface roughness curves of workpiece surface in verification experiment

    图  14  材料去除量与表面质量关系图

    Figure  14.  Diagram of relationship between material removal amount and surface quality

    表  1  D-star工件材料参数

    Table  1.   Parameter of D-star workpiece material

    参数数值
    密度 ρ / (g·cm−3)7.75
    弹性模量 E / GPa200
    热导率 K / [W·(m·K)−1]24.7
    硬度 / HRC52~55
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    表  2  磨削加工实验条件

    Table  2.   Experimental conditions for grinding processing

    实验条件规格或取值
    金刚石粒度代号16/18
    砂轮直径 D / mm150
    砂轮转速 N / (r·min−1)1 800, 2 100, 2 400, 2 700
    进给速度 vf / (mm·min−1)50
    进给深度 h / μm4, 6
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    表  3  磨削稳定性叶瓣图参数

    Table  3.   Grinding stability lobe diagram parameters

    参数 数值
    固有频率 fn / Hz 363
    阻尼比 ξ 0.027
    刚度系数 k / (N·m−1) 7 × 106
    磨削力系数 $ {k}'_{{\mathrm{m}}} $ / (N·m−3) 3 × 1015
    磨粒宽度 b / m 2.8 × 10−5
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    表  4  磨削加工实验条件

    Table  4.   Experimental conditions for grinding processing

    参数 取值
    砂轮转速 N / (r·min−1) 2 100, 2 700
    进给深度 h / μm 5, 7
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    表  5  磨削稳定性实验验证结果

    Table  5.   Experimental verification results of grinding stability

    参数 加工状态
    N = 2 100 r/min, h = 5 μm 稳定
    N = 2 100 r/min, h = 7 μm 稳定
    N = 2 700 r/min, h = 5 μm 不稳定
    N = 2 700 r/min, h = 7 μm 不稳定
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出版历程
  • 收稿日期:  2024-01-16
  • 修回日期:  2024-03-29
  • 录用日期:  2024-04-01
  • 网络出版日期:  2024-04-10
  • 刊出日期:  2025-02-20

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