基于PVDF的高精密轴承滚动体冷墩成型质量在线检测机理研究

Cold items cold heading machine for cold heading steel ball overloaded craft , high-impact dynamic real-time measurement requirements, through the mechanism analysis, mathematical modeling, numerical simulation and experimental validation method of combining reveal extreme conditions overloading, under strong shock mechanical behavior upsetting and dynamic response of the law to clarify the force.sensor under extreme conditions - electric conversion rule. Around the cold heading machine cold upsetting force method involves real-time monitoring of key technologies Institute depth theoretical analysis and experimental research in the mold of cold heading machine interaction model , cold heading machine dynamics simulation technology and cold upsetting force detection technology, and piezoelectric basic and applied research status and development trend sensing technology conclude and summarize , we propose a piezoelectric effect of cold.heading steel ball cold heading machine dynamic monitoring method based on force , to be characteristic of the piezoelectric sensor , anti-electromagnetic interference, repeatability, zero drift resistant properties are analyzed and tested in order to study the principles of smart piezoelectric materials as the sensing element for dynamic strain measurement , and establish a corresponding strain monitoring system, piezo dimensional weight based on piezoelectric effect carrier force sensor design and finite element simulation of the sensor structure analysis and optimization design, build heavy-duty multi-dimensional data acquisition piezoelectric force sensor , processing, analysis and display of test.systems. The research content for defect detection of steel ball cold heading after forming, improve the quality and level of cold heading process has important theoretical significance.

本项目针对钢球冷镦机冷镦工艺重载、强冲击力动态实时测量要求，通过机理分析、数学建模、数值仿真与实验验证相结合的方法，揭示重载、强冲击等极端条件下冷镦机的力学行为与动态响应规律，阐明极端条件下传感器力-电变换的规律。围绕冷镦机冷镦力实时监测方法研究所涉及关键技术进行深入的理论分析和试验研究，在对冷镦机模具相互作用模型、冷镦机动力学仿真技术和冷镦力检测技术、以及压电传感技术的应用研究现状与发展趋势进行归纳和总结的基础上，提出一种基于压电效应的钢球冷镦机冷镦力动态监测方法，研究以智能压电材料PVDF作为传感元件进行多维动态应力测量的原理，并建立相应的监测系统，实现基于PVDF的压电薄膜三维力传感器结构设计，并通过有限元对传感器结构进行仿真分析和优化设计，建立压电薄膜三维力传感器的数据采集、处理、分析及显示的测试系统。研究内容对于钢球冷镦成形后的缺陷检测，提高冷镦质量和工艺水平有很重要的理论意义。

轴承滚动体是轴承的重要组成部分，其精度和性能直接决定了最终产品的性能和使用寿命。冷镦作为钢球加工的第一道工序，在整个钢球生产过程中处于极其重要的地位。冷镦过程缺陷检测能力的缺乏已成为制约钢球坯工业发展的瓶颈。目前所使用的测力传感器存在只能实现单向重载测量的局限性，不能完全满足冷镦力测量中对三维力测量的要求。PVDF压电薄膜传感器具有灵敏度高、固有频率高、动态响应特性好等优点，是目前最适合冲击力动态测量的传感器之一。如何基于压电薄膜实现三维力动态测量是钢球冷镦成型质量实时监测研究的技术难题。本课题首先建立了钢球冷镦机上模的运动规律数学模型，利用DEFORM仿真软件对钢球冷镦过程进行计算和分析，获得了冷镦成型过程中冷镦机底模的实时载荷信号，发现了底模载荷的内在变化规律，证明了通过提取底模载荷信号来监测钢球冷镦成型质量的可行性；其次采用PVDF压电薄膜作为传感器力敏元件，结合压电薄膜三维力测量原理、传感器并联分载原理和面域分割原理，设计了钢球冷镦成型用支撑式PVDF三维力传感器；接着，建立了传感器的力学模型，对传感器进行了仿真分析，得出了各结构参数对传感器力学性能的影响规律，确定了传感器各结构参数；最后，基于负阶跃响应原理设计并制造传感器动态标定装置，完成压电薄膜三维力传感器制造，基于虚拟仪器技术，完成了集数据采集、记录和分析于一体的动态测试系统，通过静态标定实验得出传感器的灵敏度为和非线性度，通过冲击实验得到传感器的重复性，通过动态标定实验得到传感器的固有频率。传感器的X向电荷灵敏度为5543pC/kN，Y向电荷灵敏度为7152pC/kN，Z向电荷灵敏度为5572pC/kN，非线性度均小于1%。传感器的响应时间小于0.1s，固有频率为6.4kHz。优化后的传感器各项性能指标满足了设计要求，完成了研制的压电薄膜三维力传感器工程应用实验，实验结果表明，压电薄膜三维力传感器具有优越的性能，较高的重复性和良好的信号跟随性，压电薄膜三维力传感器可用于监控钢球的成型质量。