一种单颗磨粒高速连续划擦试验机及其应用

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一种单颗磨粒高速连续划擦试验机及其应用\n技术领域\n[0001] 本发明属于机械加工中的材料测试及精密与超精密加工领域，具体涉及一种单颗磨粒高速连续划擦试验机及其应用。\n背景技术\n[0002] 磨削过程可以看做是磨具表面大量排列参差不齐，分布不规则的形状各异的磨粒共同完成的切削过程。在科学研究中，常把复杂现象抽象成一种简化的模式，来探讨一些最本质的问题。构成砂轮的细小磨粒的切削作用是磨削加工的基础，单颗磨粒切削作为磨削加工的基本模式，成为认识复杂磨削作用的一种重要手段。Ohbuchi Y.与Matsuo T.最早进行了单颗磨粒划擦实验。随后众多学者在单颗磨粒划擦实验上做了大量的工作，为研究单颗磨粒划擦提供了有力的指导。但现有的实验设备仍然存在着一些不足之处，例如现有的划擦设备中的单摆式划擦(工具头随转动、工件不动)只能达到磨削速度100m/s，而一般的平面划擦方式(工具头不动，工件转动)由于转速低、不容易动平衡，实际划擦速度只有磨削速度的1/10，造成测试时单颗磨粒划擦速度远低于实际磨削过程中的速度，得到的测试结果并不能够准确反映实际的磨削过程。\n发明内容\n[0003] 本发明的目的在于克服现有技术的不足之处，提供了一种单颗磨粒高速连续划擦试验机及其应用，可以在高速条件下准确测得磨削力，测试精度较高，测试结果可以用于磨削加工机理的深入研究，从而优化磨削加工参数，提高产品质量。\n[0004] 本发明解决其技术问题所采用的技术方案之一是：\n[0005] 一种单颗磨粒连续划擦试验机，包括：\n[0006] 固定座；\n[0007] 水平布置的工作台，固接在固定座顶部；\n[0008] 垂直布置的电主轴，固接在固定座，且电主轴向上穿出工作台；\n[0009] 试件，固接在电主轴顶部且与电主轴同轴，通过电主轴带动试件旋转；\n[0010] X向进给装置，装接在工作台，且进给方向垂直于电主轴回转轴线并沿试件径向进给；\n[0011] 夹紧装置，装接在X向进给装置；\n[0012] 工具头，可装拆地装接在夹紧装置；工具头顶端固接有磨粒；\n[0013] 用于使工具头沿平行于电主轴回转轴线方向进给的微分头，固接在夹紧装置；\n[0014] 用于对试件表面进行修盘的修盘装置，可装拆地装接在夹紧装置；\n[0015] 用于采集划擦过程数据的测量系统，与工具头相连；\n[0016] 对刀仪，固接在工作台，该对刀仪上设有用于调节对刀仪的Z轴设定器；\n[0017] 通过修盘装置对试件表面修盘后，电主轴带动试件旋转，通过微分头和X向进给装置带动工具头以一定切深沿试件径向进给，磨粒在试件表面划擦形成螺旋形划痕，测量系统在此过程中采集数据。\n[0018] 一实施例中：所述固定座包括上下固接的床身与底座；所述工作台固接在床身顶部；所述电主轴固接在床身；\n[0019] 所述工作台与固定座之间设有一能调平和支撑工作台的调整装置；\n[0020] 所述工作台上固接有支撑架，该支撑架包括对称设置的长度不等的两个支撑臂，较短的支撑臂与工作台之间设有一能调整较短支撑臂高度的微调装置；所述X向进给装置固定在该两个支撑臂顶部；通过微调装置调整较短支撑臂高度以调节X向进给装置进给方向；所述微调装置的最小位移分辨率优于10nm。\n[0021] 一实施例中：所述电主轴旋转的端面跳动量和径向跳动量均小于1μm，且其最大转速不低于5000rpm。\n[0022] 一实施例中：所述试件为有色金属、黑色金属或脆硬材料制成的圆盘状结构；试件通过试件夹具固接在电主轴顶部；所述试件夹具为真空吸盘、磁吸盘或机械式夹具；电主轴、试件夹具与试件三者同轴；\n[0023] 所述磨粒为金刚石，CBN，氧化物陶瓷或氮化物陶瓷；磨粒的形状为球形、锥形；该磨粒通过压头、钎焊、电镀固接在工具头顶端。\n[0024] 一实施例中：X向进给装置的进位精度优于0.1μm；微分头的最小分度值不大于0.5μm；Z轴设定器的定位精度优于0.1μm。\n[0025] 一实施例中：所述测量系统为测力仪与声发射系统，包括相互信号连接的测力仪、声发射系统、数据采集卡和信号放大器；所述工具头与测力仪和声发射系统相连接；所述测力仪的固有频率高于4KHz，测力精度优于0.01N；所述数据采集卡的采样速度高于2M/s。\n[0026] 一实施例中：所述夹紧装置包括上夹具体、下夹具体和刀杆；上夹具体与下夹具体上下装接在一起，且二者内设有上下贯通且相互连通的圆孔，该圆孔下部开口处向内缩口形成台阶结构；刀杆适配滑动装接在圆孔内且可在圆孔内上下移动，刀杆上部具有凸环结构，凸环结构外回转面与下夹具体内圆孔侧壁形成间隙配合；刀杆下部伸出下夹具体；所述工具头可装拆地螺接在刀杆下部；\n[0027] 所述微分头装接在上夹具体，微分头的心轴向下伸入圆孔内且可分离地顶抵在刀杆上；通过微分头旋转且心轴向下顶抵刀杆以使刀杆向下移动；凸环结构与台阶结构之间还设有用于使刀杆向上复位的弹性件。\n[0028] 一实施例中：所述修盘装置与工具头及刀杆替换装接在夹紧装置，包括装接在一起的修盘刀具和修盘刀杆，修盘刀杆适配滑动装接在夹紧装置之圆孔内且可在圆孔内上下移动；修盘刀具固接在修盘刀杆下端；\n[0029] 或，\n[0030] 所述修盘装置包括装接在一起的动力头和单点磨头。\n[0031] 一实施例中：所述修盘刀具为金刚石车刀、CBN车刀。\n[0032] 本发明解决其技术问题所采用的技术方案之二是：\n[0033] 上述的单颗磨粒连续划擦试验机的试验方法，包括：\n[0034] 1)将试件固定在电主轴上，试件可通过电主轴旋转；对该试件进行在线动平衡；\n[0035] 2)电主轴带动试件旋转，采用修盘装置在微分头带动下以一定切深并在X向进给装置带动下沿试件径向进给，从试件外侧沿径向切入试件对该试件表面进行修盘，以在试件表面形成修盘区域；\n[0036] 3)记修盘时微分头的读数为z1，控制X向进给装置和微分头进给，使修盘装置触碰Z轴设定器，记此时微分头的读数为z2，则修盘后试件表面修盘区域与对刀仪的对刀平面的高度差h0＝z1-z2；换装工具头，同上触碰Z轴设定器，并控制微分头上移h0+δ即可保证工具头顶端位于试件圆环形修盘区域平面上δ处，完成对刀；\n[0037] 4)通过X向进给装置将工具头水平移至修盘区域的划擦点正上方，并通过微分头下移δ+ap以使划擦深度为ap；根据需测试的划擦速度v和划擦点所在的划擦半径R，通过计算试件的设定转速n；试件按照设定转速n转动，且工具头通过X向进给装置沿径向进给，以使磨粒在修盘区域划擦形成螺旋形划痕，此过程中通过与工具头相连的测量系统采集划擦过程中的数据。\n[0038] 本技术方案与背景技术相比，它具有如下优点：\n[0039] 本发明的单颗磨粒高速连续划擦试验机，采用修盘刀具控制试件表面质量，使得划擦过程中磨粒和试件能稳定地接触，达到更小的稳定划痕深度，保证划擦过程的高精度；\n并采用高速电主轴带动试件旋转而工具头沿径向进给的划擦方式，实现高速度划擦；从而实现了高速度、高精度的单颗磨粒连续划擦测试；同时，本发明的单颗磨粒高速连续划擦试验机可以提供稳态划擦过程，比单摆式划擦试验方法更容易准确采集切削力、声发射信号等划痕过程的物理量；其测试结果可以用于磨削加工机理的深入研究，从而优化磨削加工参数，提高产品质量。\n附图说明\n[0040] 下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。\n[0041] 图1为本发明单颗磨粒连续划擦试验机的正视示意图。\n[0042] 图2为本发明单颗磨粒连续划擦试验机的俯视示意图。\n[0043] 图3为本发明单颗磨粒连续划擦试验机的局部放大示意图，图中示出X向进给装置，微分头，夹紧装置，工具头及相关部件的连接关系。\n[0044] 图4为本发明的夹紧装置结构示意图。\n[0045] 图5为图4中A-A剖面示意图。\n[0046] 图6为本发明的修盘装置结构示意图。\n[0047] 图7为本发明实验例中修盘前后试件表面三维形貌的对比，其中图7a为修盘前(经常规精车工艺加工)，图7b为修盘后。\n[0048] 图8为本发明实验例中修盘前后试件表面端面跳动量的对比，其中图8a为修盘前(经常规精车工艺加工)，其端面跳动量最大值可达17.7μm；图8b为修盘后，其端面跳动量最大值为2.9μm。\n[0049] 图9为本发明实施例中划痕的三维形貌及其截面形状图(划擦深度20μm)，其中图\n9a为划痕的三维形貌示意图，图9b为划痕的截面形状图。\n[0050] 图10为本发明实施例中在不同划擦速度下的切削力变化示意图，其中图10a为法向切削力，图10b为切向切削力。\n[0051] 附图标记：底座1，床身2，电主轴3，调整螺钉4，工作台5，微调装置6，支撑架7，Z轴设定器8，X向直线电机9，微分头10，测力仪11，夹紧装置12，固定螺钉12a，上夹具体12b，弹簧12c，下夹具体12d，刀杆13，工具头14，试件15，试件夹具16，修盘装置17，修盘刀杆17a，修盘刀具17b。\n具体实施方式\n[0052] 下面通过实施例具体说明本发明的内容：\n[0053] 实施例\n[0054] 请查阅图1至图6，一种单颗磨粒连续划擦试验机，包括：\n[0055] 固定座，包括上下布置并用螺栓固接的床身2与底座1；床身2为铸铁结构，可以保证试验机的整体刚度，同时具备一定的吸振能力；\n[0056] 水平布置的工作台5，固接在床身2顶部；工作台5与床身2之间设有一调整装置，为调整螺钉4，用于调平工作台5，并对工作台5起一定的支撑作用，以增加工作台5的刚度；工作台5中部为孔结构；\n[0057] 垂直布置的电主轴3，固接在床身2，且电主轴3向上从工作台5的孔结构中穿出工作台5；所述电主轴3可以为电动机直联主轴或电动机经中间传动、变速装置驱动主轴，其旋转的端面跳动量和径向跳动量均小于1μm，且其最大转速不低于5000rpm；\n[0058] 试件15，为有色金属、黑色金属或脆硬材料制成的圆盘状结构，通过试件夹具16固接在电主轴3顶部；所述试件夹具16为真空吸盘、磁吸盘或机械式夹具；当试件15较薄或者试件15是硬脆材料时选用真空吸盘，当试件15是铁磁性材料时可选用磁吸盘；电主轴3、试件夹具16与试件15三者同轴；通过电主轴3带动试件15进行高速旋转；\n[0059] X向进给装置，为进位精度优于0.1μm的X向直线电机9，通过进给控制系统控制；所述工作台5上固接有支撑架7，该支撑架7包括对称固接的长度不等的两个支撑臂，较短的支撑臂与工作台5之间设有一能调整较短支撑臂高度的微调装置6；较长的支撑臂直接固接在工作台5上；所述X向直线电机9水平固定在该两个支撑臂顶部；所述微调装置6为手动微调旋钮，最小位移分辨率为10nm或更佳；通过微调装置6调整第较短支撑臂高度，从而调节X向直线电机9的进给方向，使其垂直于电主轴3回转轴线，以使X向直线电机9可沿试件15径向进给；\n[0060] 夹紧装置12，固接在X向直线电机9，如图4所示，包括上夹具体12b，下夹具体12d和刀杆13等，其中：上夹具体12b与下夹具体12d通过两个内六角螺钉上下装接在一起，且二者内设有上下贯通且相互连通的圆孔，该圆孔下部开口处向内缩口形成台阶结构；刀杆13适配滑动装接在圆孔内且可在圆孔内上下移动，刀杆13上部具有凸环结构，凸环结构外回转面与下夹具体12d内圆孔侧壁形成间隙配合；刀杆13下部伸出下夹具体12b且下端面设有螺纹孔；\n[0061] 用于使工具头沿平行于电主轴回转轴线方向进给的微分头10，最小分度值为0.5μm，通过固定螺钉12a固接在上夹具体12b，微分头的心轴向下伸入圆孔内且可分离地顶抵在刀杆13上；通过微分头10旋转且心轴向下顶抵刀杆13以使刀杆13向下移动；凸环结构与台阶结构之间还设有用于使刀杆13向上复位的弹簧12c；这样，通过旋转微分头10可使心轴推动刀杆13向下移动，弹簧12c的两端顶住刀杆13的凸环结构和下夹具体12d的台阶结构，当旋转微分头10可使心轴上移时，刀杆13可以在弹簧12c回复力作用下向上移动；\n[0062] 工具头14，顶端固接有磨粒；所述磨粒可以为金刚石，CBN(立方氮化硼)，氧化物陶瓷或氮化物陶瓷；磨粒的形状可以为球形、锥形，圆锥形，多棱锥形；该磨粒通过压头、钎焊、电镀固接在工具头14顶端；所述工具头14尾部为外螺纹结构，通过该外螺纹结构与刀杆13的螺纹孔相配以使工具头14可装拆地螺接在刀杆13下部；\n[0063] 用于对试件表面进行修盘的修盘装置17，与工具头14及刀杆13替换装接在夹紧装置12，如图6所示，该修盘装置17包括装接在一起的修盘刀具17b和修盘刀杆17a，修盘刀杆\n17a适配与刀杆13替换滑动装接在夹紧装置12之圆孔内且可在圆孔内上下移动；修盘刀杆\n17a上部具有另一凸环结构，该另一凸环结构外回转面与下夹具体12d内圆孔侧壁形成间隙配合；修盘刀杆17a下部伸出下夹具体；微分头10的心轴向下伸入圆孔且可分离地顶抵在修盘刀杆17a上；通过微分头10旋转且心轴向下顶抵修盘刀杆17a以使修盘刀杆17a向下移动；\n所述用于使刀杆13向上复位的弹簧12c也可以装接在该另一凸环结构与台阶结构之间，用于使修盘刀杆17a向上复位；所述修盘刀具17b固接在修盘刀杆17a下端，为金刚石车刀、CBN车刀；当试件15为黑色金属时优选使用CBN车刀，当试件15为有色金属时优选金刚石车刀；\n或者，修盘装置也可以为带有单点磨头的动力头，用于对黑色金属及硬脆材料制成的试件修盘；还包括，\n[0064] 用于采集划擦过程数据的测量系统，为测力仪与声发射系统，包括相互信号连接的测力仪11、声发射系统、数据采集卡和信号放大器；测力仪11固定在X向直线电机9动子上；所述夹紧装置可以固接在测力仪11上；所述工具头14与测力仪11和声发射系统相连接；\n所述测力仪11的固有频率高于4KHz，测力精度优于0.01N；所述数据采集卡的采样速度高于\n2M/s；\n[0065] 对刀仪，固接在工作台，该对刀仪上设有用于调节对刀仪的Z轴设定器8，Z轴设定器的定位精度优于0.1μm。\n[0066] 上述单颗磨粒连续划擦试验机的试验方法，包括：\n[0067] 1)将试件15固定在电主轴3上，试件15可通过电主轴3旋转；对该试件15进行在线动平衡；\n[0068] 2)电主轴3带动试件15旋转，修盘装置17在微分头10带动下以一定切深并在X向直线电机9带动下沿试件15径向进给，从试件15外侧沿径向切入试件15对该试件15表面进行修盘，以在试件表面形成圆环形修盘区域；试件修盘区域的表面质量例如可以达到轴向跳动量优于IT1级，表面平均粗糙度Ra优于3nm；\n[0069] 3)记修盘时微分头10的读数为z1，控制X向直线电机9和微分头10进给，使修盘装置17触碰Z轴设定器8，记此时微分头10的读数为z2，则修盘后试件15表面修盘区域与对刀仪的对刀平面的高度差h0＝z1-z2；换装工具头14，同上触碰Z轴设定器8，并控制微分头10上移h0+δ即可保证工具头14顶端磨粒位于试件15圆环形修盘区域平面上δ处，完成对刀；\n[0070] 4)通过X向直线电机9将工具头14水平移至修盘区域的划擦点正上方，并通过微分头10下移δ+ap以使划擦深度为ap；根据需测试的划擦速度v和划擦点所在的划擦半径R，通过计算试件15的设定转速n；试件15按照设定转速n转动，且工具头14通过X向直线电机9沿试件15径向进给，以使磨粒在修盘区域划擦形成螺旋形划痕，此过程中通过与工具头14相连的测量系统采集划擦过程中的数据。\n[0071] 实验例\n[0072] 利用本发明实施例的单颗磨粒连续划擦试验机进行测试：\n[0073] 1)将直径400mm、厚度20mm的铝合金圆盘形试件15用螺钉或真空吸盘等方式固定在电主轴3上，试件15可通过电主轴3旋转；用动平衡仪对该试件15进行在线动平衡，以减少试件15在高速旋转时的振动，从而保证划擦过程中磨粒和试件15能稳定地接触；\n[0074] 2)电主轴3带动试件15旋转，修盘刀具17b为金刚石车刀，在微分头10带动下以一定切深并在X向直线电机9带动下沿试件15径向进给，从试件15外侧沿径向切入试件15对该试件15表面进行修盘，具体地，可以先用聚晶金刚石单点车刀修盘，再用单晶金刚石单点车刀修盘，在试件1表面形成端面跳动量2.8μm，表面平均粗糙度Ra 3nm的圆环形修盘区域3，以降低试件1端面跳动量，提高表面质量，进一步保证划擦过程中磨粒和试件15能稳定地接触：\n[0075] 2-1)聚晶金刚石单点车刀修盘：立式超精密车削模式，修盘时试件15的转速为\n3000rpm，聚晶金刚石单点车刀从试件15外侧以10μm的切深沿试件15径向进给，进给速度范围为0.4～1.2mm/s，进给距离为100mm；\n[0076] 2-2)单晶金刚石单点车刀修盘：立式超精密车削模式，修盘时试件15的转速为\n3000rpm，单晶金刚石单点车刀从试件15外侧以2μm的切深沿试件15径向进给，进给速度范围为0.1～0.3mm/s，进给距离为100mm；\n[0077] 修盘前后试件15表面三维形貌和端面跳动量的对比分别见图7和图8；\n[0078] 3)记修盘时微分头10的读数为z1，控制X向直线电机9和微分头10进给，使金刚石车刀触碰Z轴设定器8，记此时微分头10的读数为z2，则修盘后试件15表面修盘区域与对刀仪的对刀平面的高度差h0＝z1-z2；换装工具头14，同上触碰Z轴设定器8，并控制微分头10上移h0+δ即可保证工具头14顶端磨粒位于试件15圆环形修盘区域平面上δ处，完成对刀，从而保证后续测试时能够准确控制划擦深度；\n[0079] 4)通过X向直线电机9将工具头14水平移至修盘区域的划擦点正上方，并通过微分头10下移δ+ap以使划擦深度为ap；根据需测试的划擦速度v和划擦点所在的划擦半径R，通过计算试件15的设定转速n；本实施例之中，n＝10000rpm，划擦速度v为157m(对应R＝150mm位置)～209m/s(对应R＝200mm位置)，划擦深度ap分别设定为5μm或20μm；试件\n15按照上述设定转速n转动，且工具头14沿径向以2m/s的速度进给，以使磨粒在修盘区域划擦形成间距为200μm的连续螺旋形划痕，划痕圈数大于3个；划痕的三维形貌及其截面形状图如图9所示，可以看到多道划痕之间的深度方向误差小于1μm/1mm；此过程中通过与工具头14相连的测量系统采集划擦过程中的数据，并通过信号放大器传输至数据采集卡，再传输至计算机进行计算，可得到划擦力、声发射信号等物理量。\n[0080] 图10给出了不同划擦速度下的切削力变化情况，从图中可以看出单颗磨粒高速划擦过程中的法向力和切向力随着划擦速度的增大而减小。\n[0081] 以上所述，仅为本发明较佳实施例而已，故不能依此限定本发明实施的范围，即依本发明专利范围及说明书内容所作的等效变化与修饰，皆应仍属本发明涵盖的范围内。