(19)中华 人民共和国 国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202111675195.6 (22)申请日 2021.12.31 (71)申请人 华侨大学 地址 362000 福建省泉州市丰泽区城东城 华北路269号 (72)发明人 张涛　徐西鹏　姜峰　江安娜　 黄国钦　 (74)专利代理 机构 厦门市首创君 合专利事务所 有限公司 3 5204 代理人 张松亭 (51)Int.Cl. G06F 30/17(2020.01) G06F 30/20(2020.01) G06F 119/08(2020.01) G06F 119/14(2020.01) (54)发明名称 切入式磨削理论模型仿真预测方法 (57)摘要 本发明公开了切入式磨削理论模型仿真预 测方法， 包括： 步骤1： 测量砂轮地貌并对有效磨 粒半径、 出露高度以及磨粒密度进行统计学分 析； 步骤2： 基于步骤1的砂轮地貌统计学分析的 特征生成砂轮的数字模型进而建立起砂轮地貌 模型； 步骤3： 基于步骤2的砂轮地貌模型， 依据砂 轮地貌模型、 工件材料本构 模型以及工件和磨粒 材料热物理属性建立起切入式磨削模 型。 它具有 如下优点： 将建立基于砂轮地貌和工件 材料属性 的切入式磨削理论模型， 可准确预测划痕的回弹 量。 权利要求书3页 说明书9页 附图8页 CN 114239188 A 2022.03.25 CN 114239188 A 1.切入式磨削理论模型仿真预测方法， 其特 征在于： 包括： 步骤1： 测量砂轮地貌并对有效磨粒半径、 出露高度以及磨粒密度进行统计学分析； 步骤2： 基于步骤1的砂轮地貌统计学分析的特征生成砂轮的数字模型进而建立起砂轮 地貌模型； 步骤3： 基于步骤2的砂轮地貌模型， 依据砂轮地貌模型、 工件材料本构模型以及工件和 磨粒材料热物理属性建立 起切入式磨削模型。 2.根据权利要求1所述的切入式磨削理论模型仿真预测方法， 其特 征在于： 步骤1包括： 步骤(1)： 在 砂轮修整后， 采用激光共聚焦显微镜对砂轮地貌进行测量； 步骤(2)： 假定一个虚拟基面， 虚拟基面距离测量区域 内出露最 高的磨粒顶部12 ‑18 μm， 磨粒的出 露高度为磨粒顶部相对于此虚拟基面的距离， 将磨粒出 露高度的分布图表达为高 斯分布的一部分， 得 出磨粒出露高度的取值范围； 步骤(3)： 在统计磨粒密度 时仅考虑出露高度高于所述步骤(2)的虚拟基面的磨粒， 对 出露高度高于所述步骤(2)的虚拟 基面的磨粒个数进 行统计， 并对磨粒密度进 行计算， 得到 基于步骤(2)的虚拟基面的磨粒密度； 步骤(4)： 将与工件接触部分的磨粒外轮廓用圆去拟合， 所得到的半径为有效磨粒半 径， 对有效磨粒半径进行测量， 并对其进行统计分析， 有效磨粒半径遵循高斯分布。 3.根据权利要求1所述的切入式磨削理论模型仿真预测方法， 其特 征在于： 步骤2包括： 步骤(1)： 将砂轮表面展开成一长度为L宽度为W的矩形空间， 根据磨粒密度计算总磨粒 数ntotal， 令i＝1； 步骤(2)： 随机生成并排布第i个磨粒Gi； 步骤(3)： 判断所生成和排布的磨粒Gi是否满足边界条件， 以及Gi与之前排布的磨粒Gk (k<i)是否产生干涉； 上述判断依据如下： Ri＜Xi＜L‑Ri               式(1) Ri＜Yi＜W‑Ri               式(2) 步骤(4)： 如磨粒Gi满足边界条件和干涉条件， 则进行磨粒Gi+1的生成和排布， 如不满足 条件， 则重新投放磨粒Gi， 直至其满足条件； 步骤(5)： 判断磨粒是否生成和投放完毕， 若为生成和完毕， 继续生成和排布磨粒； 若所 有磨粒均生成和排布， 则输出矩阵Γ， 矩阵包 含所有磨粒的空间位置信息和磨粒半径信息 。 4.根据权利要求3所述的切入式磨削理论模型仿真预测方法， 其特征在于： 步骤(2)包 括： 用一个矩阵储存磨粒的空间位置信息和半径信息， 其中第i个磨粒Gi的位置信息用其球 心坐标Xi,Yi,Zi表示， 半径信息用Ri表示， Ri为满足步骤1的步骤(4)的有效磨粒半径分布的 随机数， Xj、 Yj、 Zi， 分别由下列三个式子计算所 得； Xi＝L×rand                   式(4) Yi＝W×rand                   式(5) Zi＝hi‑Ri                     式(6) 其中hi为磨粒出露 高度， 其数值为满足步骤1的步骤(2)的磨粒出露 高度分布的随机 数，权　利　要　求　书 1/3 页 2 CN 114239188 A 2rand为生成随机数函数， 其取值范围为(0， 1)。 5.根据权利要求1所述的切入式磨削理论模型仿真预测方法， 其特 征在于： 步骤3包括： 步骤(1)： 首先对工件进行数字化描述， 生成工件的初始数字化模型W， 对磨粒进行编 号， 令j＝1； 步骤(2)： 计算磨粒Gj与工件W的干涉情况， 得到未变形切削厚度hmean； 步骤(3)： 计算 等单颗磨粒等效划擦深度ht,j； 步骤(4)： 通过将Rj、 ht,j、 VS进行热力 耦合迭代计算， 平衡迭代后输出作用在磨粒Gj上的 法向力Fn,j和切向力Ft,j， 划擦温度Tj， 以及划痕的回弹比率 ηj,max； 步骤(5)： 计算磨粒Gj划擦过工件表面后新的工件数字模型W； 步骤(6)： 判断所有磨粒是否计算完毕， 若未计算完毕， 则重复步骤3的步骤(1)到步骤 (5)计算下一颗磨粒与工件相互作用过程； 若计算完 毕则输出计算结果矩阵Λ； 矩阵Λ包含 每颗磨粒的未变形切削厚度hmean、 作用在每颗磨粒上的力Fn,j和Ft,j、 每颗磨粒的划擦温度Tj 以及磨粒Gj划擦过工件表面后的工件数字模型W。 6.根据权利要求5所述的切入式磨削理论模型仿真预测方法， 其特征在于： 步骤(1)包 括： 将三维切入式磨削工件转化为二维工件， 然后将工件离散成m条间距为ΔY的竖直线， 其位置用下标v表 示， 间距ΔY越小， 仿 真精度越高， 计算量越大； 每条竖直线的上部端点的Z 向坐标值用zv表示， Y向坐标为(v ‑1)ΔY， 用一个一维矩阵W储存所有竖直线的zv， 建立了工 件数字模型； 对于 工件初始数字模型而言， 所有竖直线的zv值均为‑ΔH； 步骤2所生成的数字化砂轮中的磨粒按照其X坐标的大小依次排序， 分别命名为G1， G2，…， Gj，…， Gtotal， ΔH取前100个磨粒出露高度的平均值。 7.根据权利要求5所述的切入式磨削理论模型仿真预测方法， 其特征在于： 步骤(2)包 括： 砂轮上磨粒Gj的球心坐标表示为X0,j,Y0,j,Z0,j表示， 根据磨粒几何运动学， t时刻Gj的球 心坐标的三个坐标分量分别如式(7) ‑(9)所示； Xj＝X0,j‑VSt           式(7) Yj＝Y0,j＝costant             式(8) 式中l为杯型砂轮的展开长度， f为磨削过程单圈进给量； 球形磨粒的外轮廓任意一点 坐标满足式(10)； 当磨粒Gj的球心的X向坐标为零时， 磨粒Gj与二维工件相干涉； 令Xj等于 零， y等于第v个竖直线的Y向坐标(v ‑1)ΔY； 将式(8)及式(9)带入式(10)， 若方程无解说明 磨粒Gj与竖直线v无交点； 若方程有解且其解为zv’， 将zv’与矩阵W中储存的zv相比较， 当zv’ ≥zv时， 说明磨粒Gj与竖直线v不干涉； 若zv’<zv时， 说明磨粒Gj与竖直线v相互干涉， 此时竖 直线v与磨粒 Gj相干涉部分线段长度hv可由式(11)计 算； 重复上述步骤， 分别令y等于所有竖 直线的Y向坐标， 可以得到组成工件的所有竖直线与磨粒Gj干涉部分线段长度， 由于Gj与不 同竖直线相干涉所形成的干涉线段长度不同， 定义磨粒Gj的未变形切削厚度hmean如式(12) 所示， hmean为所有干涉线段的平均值； (y‑Yj)2+(z‑Zj)2＝Rj2         式(10)权　利　要　求　书 2/3 页 3 CN 114239188 A 3