改善氧化膜質(zhì)量的超聲elid復(fù)合平面磨削系統(tǒng)及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及硬脆材料的高效精密加工技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及改善氧化膜質(zhì)量的超聲ELID復(fù)合平面磨削系統(tǒng)及方法。
【背景技術(shù)】
[0002]目前，隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步和生產(chǎn)力的發(fā)展，材料技術(shù)和傳感器技術(shù)的不斷改進(jìn)，陶瓷材料以其優(yōu)異的綜合性能，成為最有發(fā)展前途的硬脆材料之一。然而，由于陶瓷材料的結(jié)合鍵類型通常為離子鍵或共價(jià)鍵，結(jié)合鍵的鍵能較高并具有方向性，并且由于工程陶瓷材料的晶體結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在常溫下很難發(fā)生滑移、位錯及塑性變形，使成形后加工成為技術(shù)難題和研究熱點(diǎn)。目前針對納米復(fù)相陶瓷材料加工，超聲振動磨削技術(shù)和在線電解修整技術(shù)應(yīng)用相對比較廣泛，但將兩者加工方式結(jié)合在一起，共同加工納米復(fù)相陶瓷材料的研究較少。
[0003]目前針對超聲振動磨削的研究，大多局限于一維、二維超聲振動磨削，并且一維超聲振動主要集中在對工具頭施加軸向或縱向振動，二維超聲振動主要集中在對工件施加橢圓振動。將工具振動與工件振動相結(jié)合的多維振動形式甚少。
[0004]在線電解修整參與的磨削中，金屬結(jié)合劑砂輪表面的氧化膜的狀態(tài)非常重要，直接影響了被加工表面的表面質(zhì)量，若氧化膜生成速率過慢，氧化膜質(zhì)地較厚且緊實(shí)，動態(tài)磨削時磨鈍的金剛石顆粒不能及時地從金屬基體脫離，會造成單顆磨粒磨削力增大，從而導(dǎo)致局部過熱，對被加工表面造成熱損傷。若氧化膜生成速率過快，氧化膜質(zhì)地較厚且松軟，氧化膜對磨粒的把持力減弱，動態(tài)磨削時在磨削力作用下較容易從砂輪剝落，給砂輪表面造成較大凹坑和裂紋，引起磨削力的變化，磨削過程不穩(wěn)定，降低了被加工表面的表面質(zhì)量，剝落的磨粒和氧化膜會隨磨削液進(jìn)入磨削區(qū)，造成被加工表面的污染，故合理地控制氧化膜狀態(tài)對復(fù)合磨削加工有重要意義。
[0005]極間間隙一定范圍內(nèi)(0.5mm-1.5mm)的調(diào)整對氧化膜狀態(tài)變化影響較顯著，故控制極間間隙大小作為一種控制氧化膜狀態(tài)的高效控制策略。
[0006]多傳感器信息融合指協(xié)同使用多種傳感器并將各種傳感信息有效結(jié)合為一體，形成高性能感知系統(tǒng)來獲取對環(huán)境的一致性描述的過程。任何一種傳感器都有其優(yōu)越性和局限性。但通過采集各種傳感器傳遞的信號，實(shí)現(xiàn)狀態(tài)識別、判斷及控制。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明的目的是提供改善氧化膜質(zhì)量的超聲ELID復(fù)合平面磨削系統(tǒng)及方法，能夠?qū)⒊曊駝幽ハ髋cELID磨削優(yōu)勢互補(bǔ)，實(shí)現(xiàn)硬脆材料的高效、鏡面加工。
[0008]本發(fā)明采用的技術(shù)方案為:
改善氧化膜質(zhì)量的超聲ELID復(fù)合平面磨削系統(tǒng)，包括設(shè)置在機(jī)床工作臺(10)上的機(jī)床主軸系統(tǒng)(I)、設(shè)置在機(jī)床主軸(1-1)兩側(cè)的用于實(shí)現(xiàn)在線電解修整砂輪的在線修整裝置
(4)、用于保證砂輪表面形狀精度的砂輪整形裝置(9)和用于實(shí)現(xiàn)被加工工件橢圓振動的二維超聲振動系統(tǒng)(3);還包括有設(shè)置在機(jī)床主軸(1-1)上的超聲縱扭復(fù)合振動系統(tǒng)(3)和設(shè)置在線修整裝置(4)末端的間隙調(diào)整裝置(5)和用于實(shí)時控制氧化膜狀態(tài)的系統(tǒng)閉環(huán)控制系統(tǒng)(6);超聲縱扭復(fù)合振動系統(tǒng)(2)包括縱向振動超聲振動換能器(1-7)，縱扭超聲振動變幅器(1-8)及鑄鐵結(jié)合劑金剛石砂輪(1-9)，所述縱扭超聲振動變幅器小端設(shè)置有斜槽(1-10)，且斜槽(1-1 O )沿圓周均勻分布，斜槽與主軸軸線夾角為45° ;
所述機(jī)床主軸系統(tǒng)(I)包括套設(shè)在機(jī)床主軸(1-1)下端外面的工具頭固定架(1-4)，機(jī)床主軸(1-1)的下端部同軸連接有刀柄(1-2)，刀柄(1-2)下端與工具頭固定架(1-4)連接；工具頭固定架(1-4)外圓周套設(shè)有通過緊固螺釘連接的上感應(yīng)盤(1-5)和下感應(yīng)盤(1-
6)，上感應(yīng)盤(1-5)通過正負(fù)極導(dǎo)線與多通道超聲波發(fā)生器(8)相連，上感應(yīng)盤(1-5)外圓周設(shè)有通過緊固螺釘連接的上感應(yīng)盤支撐架(1-3)，上感應(yīng)盤支架(1-3)通過緊固螺釘與在線修整裝置(4)連接；
下感應(yīng)盤(1-6)下依次設(shè)置有縱向振動超聲振動換能器(1-7)，縱扭超聲振動變幅器(1-8)及鑄鐵結(jié)合劑金剛石砂輪(1-9);所述的縱向振動超聲振動換能器(1-7)與縱扭超聲振動變幅器(1-8)通過雙頭螺柱連接上下連接，縱扭超聲振動變幅器(1-8)下端螺紋連接鑄鐵結(jié)合劑金剛石砂輪(1-9);
所述二維超聲振動系統(tǒng)(3)包括固定支板(2-1)，固定支板(2-1)上設(shè)置有直角載物板(2-5)，直角載物板(2-5)兩個端部分別固定設(shè)置有一個縱向超聲振動變幅器(2-7)，一個變幅器保持架(2-3)，一個縱向超聲振動換能器(2-4);變幅器保持架(2-3)通過緊固螺釘垂直固定于固定支板(2-1)，縱向超聲振動變幅器(2-7)通過法蘭盤及螺釘固定在變幅器保持架(2-3)上，直角載物板(2-5)與縱向超聲振動變幅器(2-7)以雙頭螺柱同軸向連接，縱向超聲振動變幅器(2-7)與縱向超聲振動換能器(2-4)通過雙頭螺柱相連接；
所述的間隙調(diào)整裝置(5)包括通過緊固螺釘水平固定設(shè)置在陰極支撐架(4-4)末端絕緣板(4-5)兩側(cè)的高分辨率混合式步進(jìn)電機(jī)(5-1)和滑動摩擦矩形導(dǎo)軌(5-2)，高分辨率混合式步進(jìn)電機(jī)(5-1)放置在遠(yuǎn)離鑄鐵結(jié)合劑金剛石砂輪(1-9)的一側(cè)，滑動摩擦矩形導(dǎo)軌(5-2)放置在靠近鑄鐵結(jié)合劑金剛石砂輪(1-9) 一側(cè);滑動摩擦矩形導(dǎo)軌(5-2)上滑動設(shè)置有塑膠滑臺(5-3)，所述的塑膠滑臺(5-3)上固定設(shè)置有螺母(5-6)，高分辨率混合式步進(jìn)電機(jī)(5-1)的輸出軸固定設(shè)置有與螺母(5-6)滑動配合的滾珠絲杠(5-7)，激光位移傳感器位于銅電極(5-4)幾何中心且位置正對加工中心主軸(1-1)中心線處設(shè)置的孔洞中；
所述塑膠滑臺(5-3)末端通過緊固螺釘固定塑膠半套(5-5)和銅電極(5-4)，保證銅電極(5-4)母線與鑄鐵結(jié)合劑金剛石砂輪(1-9)軸線的平行度，所述的銅電極(5-4)幾何形狀為三分之一環(huán)形截面的柱體。所述的銅電極(5-4)幾何中心且位置正對加工中心主軸(1-1)中心線處設(shè)置有孔洞，孔洞用于放置激光位移傳感器和可視傳感器；
所述的閉環(huán)控制系統(tǒng)(6)包括分別用于搜集動態(tài)磨削過程中回路中電流和電壓實(shí)時變化值的霍爾電流傳感器、霍爾電壓傳感器，用于測量動態(tài)磨削過程中三向磨削力實(shí)時變化的Kislter三向測力儀(12)，用于測量鑄鐵結(jié)合劑金剛石砂輪(1-9)與銅電極(5-4)間距的激光位移傳感器，用于采集氧化膜表面實(shí)時形貌特征的可視傳感器”，A/D模數(shù)轉(zhuǎn)化器，基于PLC的模糊控制器和D/A數(shù)模轉(zhuǎn)化器;所述的霍爾電流傳感器、霍爾電壓傳感器，Ki s I ter三向測力儀(12)，激光位移傳感器和可視傳感器的輸出端通過A/D模數(shù)轉(zhuǎn)化器與基于PLC的模糊控制器輸入端連接，所述的基于PLC的模糊控制器的輸出端通過D/A數(shù)模轉(zhuǎn)化器連接高分辨率混合式步進(jìn)電機(jī)的控制輸入端。
[0009]所述在線修整裝置(4)包括用銷釘連接的固定套筒(4-2)和支承軸(4-3)，固定套筒(4-2)頂部連接固定式不銹鋼直角彎頭(4-1)，陽極固定板(4-6)—端通過兩個設(shè)置有內(nèi)螺紋的絕緣夾(4-7)板固定在支承軸(4-3)上，陽極固定板(4-6)另一端設(shè)有與ELID專用脈沖電源(7)正極連接的陽極碳刷(4-8)，在進(jìn)行在線修整時陽極碳刷(4-8)與機(jī)床主軸(1-1)上的導(dǎo)電體壓接，使鑄鐵結(jié)合劑金剛石砂輪(1-9)帶正電；支承軸(4-3)末端通過可動卡套螺紋連接陰極支承架(4-4)。
[0010]所述直角載物板(2-5)的直角處設(shè)計(jì)為圓角，且將膠粘被加工陶瓷片(2-6)的平面銑出有階梯臺(2-8)。
[0011]改善氧化膜質(zhì)量的超聲ELID復(fù)合平面磨削控制方法，包括有如下步驟:
A:首先設(shè)置極間間隙值的初始值為N;
然后分別利用Kistler測力儀(12)測得的三向磨削力變化值、霍爾電流電壓傳感器測得的回路電流電壓變化值、可視傳感器測得到生成的氧化膜表面裂紋平均長度與孔洞個數(shù)和初始的極間間隙值N作為輸入量經(jīng)A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換器送至基于PLC的模糊控制器；
B:將數(shù)字信號導(dǎo)入基于PLC的模糊控制器，依次經(jīng)過模糊化處理、模糊推理決策、去模糊化處理，然后，判斷此刻是否達(dá)到氧化膜成膜效果，若到達(dá)成膜標(biāo)準(zhǔn)，則繼續(xù)進(jìn)行磨削；結(jié)束控制調(diào)整；
若未達(dá)到成膜標(biāo)準(zhǔn)，則得到極間間隙的理論值NI，Nl-N即可得到極間間隙調(diào)整量ΛΝ;C:將得到極間間隙調(diào)整量ΛΝ發(fā)送到混合式步進(jìn)電機(jī)，混合式步進(jìn)電機(jī)作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)對極間間隙微調(diào)；
調(diào)整后，由激光位移傳感器測得的砂輪與銅電極間距極間間隙值N2，并通過數(shù)模轉(zhuǎn)換器反饋至PLC的模糊控制器；
D: PLC的模糊控制器結(jié)合接收到的砂輪與銅電極間距極間間隙值N2做為新的初始值，重復(fù)步驟A-B，直到達(dá)到成膜標(biāo)準(zhǔn)，繼續(xù)進(jìn)行磨削;從而完成閉環(huán)控制，即實(shí)現(xiàn)氧化膜質(zhì)量的實(shí)時監(jiān)測及有效改善的目標(biāo)。
[0012]所述的加工中心主軸方向設(shè)有超聲縱扭復(fù)合振動系統(tǒng)(2)，即通過在圓環(huán)傳振桿上加開沿軸向均布斜槽(1-10)的方法來實(shí)現(xiàn)縱-扭復(fù)合振動振動實(shí)施于鑄鐵結(jié)合劑金剛石砂輪(1-9)。
[0013]工作臺方向設(shè)有二維超聲振動系統(tǒng)(3)，振動實(shí)施于工件納米復(fù)相陶瓷片(2-6)。
[0014]所述二維超聲振動系統(tǒng)(3)包括固定支板(2-1)，固定支板(2-1)上設(shè)置有直角載物板(2-5)，直角載物板(2-5)兩個端部分別固定設(shè)置有一個縱向超聲振動換能器(2