一種球形磨頭預(yù)修黑色金屬試件的單顆磨粒連續(xù)劃擦測(cè)試方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于機(jī)械加工中的材料性能測(cè)試及精密與超精密加工領(lǐng)域，具體設(shè)及一種 球形磨頭預(yù)修黑色金屬試件的單顆磨粒連續(xù)劃擦測(cè)試方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 磨粒加工過程可看做是磨具表面大量排列參差不齊、分布不規(guī)則的形狀各異的磨 粒共同完成的切削過程。在科學(xué)研究中，常把復(fù)雜現(xiàn)象抽象成一種簡化的模式，來探討一些 最本質(zhì)的問題。細(xì)小磨粒的切削作用是磨削加工的基礎(chǔ)，單顆磨粒的劃擦、耕準(zhǔn)、切削作為 磨削加工的基本模式，成為認(rèn)識(shí)復(fù)雜磨削作用的一種重要手段。
[0003] 單顆磨粒的劃擦、耕準(zhǔn)、切削行為的測(cè)試手段主要有四種形式:直線劃擦、模面劃 擦、球盤劃擦和單擺劃擦。對(duì)已有的大量文獻(xiàn)和公開專利分析發(fā)現(xiàn)，四種測(cè)試方法存在相應(yīng) 的不足:直線劃擦和模面劃擦測(cè)試的劃擦速度不足(最高線速度僅4m/s)，難W很好的模擬 磨粒加工過程(最高線速度可達(dá)200m/s);球盤劃擦測(cè)試方法實(shí)際上是一種典型的摩擦學(xué)測(cè) 試方法，球盤摩擦過程中的材料去除方式與磨粒加工過程中的材料去除方式有很大不同， 當(dāng)達(dá)到穩(wěn)定摩擦階段，甚至沒有材料去除，同時(shí)對(duì)摩擦盤的形狀精度和表面光潔度要求非 常高;單擺劃擦測(cè)試被認(rèn)為是最接近磨粒去除材料過程的一種測(cè)試手段，但是測(cè)試穩(wěn)定性 差，由于過短的磨粒-工件接觸時(shí)間，切削力等材料去除過程物理量的采集成為一個(gè)難題。
[0004] -些公開的專利提出了單磨粒測(cè)試的改進(jìn)方法，將單擺劃擦測(cè)試方法進(jìn)行改進(jìn)， 改變傳統(tǒng)的工件靜止、磨粒轉(zhuǎn)動(dòng)方式為磨粒靜止、工件轉(zhuǎn)動(dòng)方式，從而獲得更長的劃痕，因 此有更長的時(shí)間采集切削力等物理量，但是并未檢索到運(yùn)些專利相關(guān)的論文和產(chǎn)品，主要 是因?yàn)檫\(yùn)些專利方法的具體實(shí)施存在W下問題：由于劃痕長度增加，對(duì)磨粒和工件相對(duì)運(yùn) 動(dòng)精度要求大幅度提高，而上述方法均無法保持磨粒與工件間始終處于高精度的穩(wěn)定接觸 狀態(tài)，因此難W實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定劃擦，更無法實(shí)現(xiàn)小粒度磨粒的高速高精度劃擦測(cè)試。上述問題極 大地制約了單顆磨粒劃擦試驗(yàn)技術(shù)的進(jìn)步。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足之處，提供了一種球形磨頭預(yù)修黑色金屬 試件的單顆磨粒連續(xù)劃擦測(cè)試方法，能夠保證磨粒和試件之間在較長劃擦距離上的穩(wěn)定接 觸，實(shí)現(xiàn)了小粒度磨粒的高速高精度劃擦，從而可W穩(wěn)定、精確的采集單顆磨粒劃擦過程中 的切削力、切屑變形等物理量，相關(guān)測(cè)試結(jié)果可用于摩擦磨損過程及磨削加工中材料去除 機(jī)理的研究。
[0006] 本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是：
[0007] -種球形磨頭預(yù)修黑色金屬試件的單顆磨粒連續(xù)劃擦測(cè)試方法，包括：
[000引1)將黑色金屬試件固定在電主軸上，試件可通過電主軸旋轉(zhuǎn)；對(duì)該試件進(jìn)行在線 動(dòng)平衡；
[0009] 2)采用球形磨頭對(duì)該試件進(jìn)行修盤，W在試件表面形成端面跳動(dòng)量優(yōu)于ITl級(jí)，表 面平均粗糖度Ra優(yōu)于IOnm的修盤區(qū)域，具體步驟如下：
[0010] 2-1)球形磨頭粗加工修盤:修盤的同時(shí)對(duì)球形磨頭和試件進(jìn)行冷卻，修盤時(shí)試件 的轉(zhuǎn)速范圍為3000~1000化pm，球形磨頭W8000~2000化pm的轉(zhuǎn)速自轉(zhuǎn)，同時(shí)從試件外側(cè) W10~50WI1的切深沿試件徑向進(jìn)給，進(jìn)給速度范圍為0.4~1.2mm/s，進(jìn)給距離為試件直徑 的 1/4 ~1/2;
[0011] 2-2)球形磨頭精加工修盤:修盤的同時(shí)對(duì)球形磨頭和試件進(jìn)行冷卻，修盤時(shí)試件 的轉(zhuǎn)速范圍為3000~1000化pm，球形磨頭W8000~2000化pm的轉(zhuǎn)速自轉(zhuǎn)，同時(shí)從試件外側(cè) W 2~10皿的切深沿試件徑向進(jìn)給，進(jìn)給速度范圍為0.1~0.3mm/s，進(jìn)給距離為試件直徑的 1/4~1/2;
[0012] 3)球形磨頭觸碰對(duì)刀儀，確定修盤區(qū)域與對(duì)刀儀對(duì)刀平面的高度差ho;將球形磨 頭更換為頂端固接有單顆磨粒的工具頭，工具頭頂端的磨粒觸碰對(duì)刀儀，再將工具頭沿試 件旋轉(zhuǎn)的軸向方向上移ho+S，W使工具頭頂端的磨粒位于試件修盤區(qū)域上方S處，完成對(duì) 刀；
[0013] 4)將工具頭水平移至修盤區(qū)域的劃擦點(diǎn)正上方，并下巧S+apW使劃擦深度為ap;根 據(jù)需測(cè)試的劃擦速度V和劃擦點(diǎn)所在的劃擦半徑R，通過
計(jì)算試件的設(shè)定轉(zhuǎn)速n; 試件按照設(shè)定轉(zhuǎn)速n轉(zhuǎn)動(dòng)，且工具頭沿徑向進(jìn)給，W使磨粒在修盤區(qū)域劃擦形成螺旋形劃 痕，此過程中通過與工具頭相連的測(cè)量系統(tǒng)采集劃擦過程中的數(shù)據(jù);劃擦的同時(shí)對(duì)工具頭 和試件進(jìn)行冷卻。
[0014] -實(shí)施例中：所述磨粒為CBN、氧化物陶瓷或氮化物陶瓷，磨粒形狀為球形、圓錐形 或多棱錐形;該磨粒通過機(jī)械夾持、電鍛或針焊固接在工具頭頂端;所述工具頭為壓頭。
[0015] -實(shí)施例中：所述試件為圓盤形；所述修盤時(shí)，球形磨頭的進(jìn)給距離小于試件半 徑，修盤區(qū)域?yàn)閳A環(huán)形。
[0016] 一實(shí)施例中：所述測(cè)量系統(tǒng)為測(cè)力和聲發(fā)射系統(tǒng)，包括相互信號(hào)連接的測(cè)力儀、聲 發(fā)射系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集卡和信號(hào)放大器;所述工具頭與測(cè)力儀和聲發(fā)射系統(tǒng)相連接。
[0017] -實(shí)施例中：所述測(cè)力儀的固有頻率高于鉛化，測(cè)力精度優(yōu)于0.01N;所述數(shù)據(jù)采 集卡的采樣速度高于2M/s。
[0018] -實(shí)施例中:所述步驟2)中，修盤時(shí)試件的旋轉(zhuǎn)方向與球形磨頭的旋轉(zhuǎn)方向相反。
[0019] -實(shí)施例中：所述工具頭在沿試件旋轉(zhuǎn)的軸向方向和徑向方向的定位精度均優(yōu)于 0.：[皿。
[0020] -實(shí)施例中:所述對(duì)刀儀的定位精度優(yōu)于0.1皿。
[0021] -實(shí)施例中:所述的劃痕為連續(xù)螺旋形劃痕，劃痕圈數(shù)大于3個(gè)。
[0022] -實(shí)施例中：所述工具頭軸線平行于試件旋轉(zhuǎn)軸線;所述球形磨頭軸線平行于試 件旋轉(zhuǎn)軸線。
[0023] 除有說明外，本發(fā)明所設(shè)及的各裝置的單一處理過程W及各裝置間的連接方式均 為本領(lǐng)域常規(guī)技術(shù)，在此不加 W詳細(xì)描述。
[0024] 本技術(shù)方案與【背景技術(shù)】相比，它具有如下優(yōu)點(diǎn)：
[0025] 1.本發(fā)明對(duì)主軸-試件系統(tǒng)進(jìn)行在線動(dòng)平衡，避免了高速旋轉(zhuǎn)過程中的大幅端面 跳動(dòng)或徑向跳動(dòng)，從而保持磨粒和試件間的穩(wěn)定接觸狀態(tài)；同時(shí)，利用球形磨頭對(duì)試件進(jìn)行 在線加工，同時(shí)提高了試件的形狀精度和表面光潔度，提升了試件回轉(zhuǎn)精度和磨粒運(yùn)動(dòng)精 度，從而保證了磨粒和試件間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)精度，配合動(dòng)平衡，進(jìn)一步保證了磨粒和試件之間 在較長劃擦距離上能夠持續(xù)穩(wěn)定接觸，從而實(shí)現(xiàn)磨粒的高速高精度劃擦測(cè)試。
[0026] 2.按照本領(lǐng)域的常識(shí)，試件的已加工表面質(zhì)量必須優(yōu)于相關(guān)磨削工藝得到的表面 質(zhì)量，最好高出一個(gè)數(shù)量級(jí)，得到的劃痕測(cè)試結(jié)果才能用于磨削過程去除機(jī)理的分析；由于 本發(fā)明大大提升了試件表面的質(zhì)量，因此能夠滿足磨削過程去除機(jī)理等高精度分析的要 求，可用于摩擦磨損過程及磨削加工中材料去除機(jī)理的研究。
[0027] 3.磨粒劃擦深度大于試件表面起伏程度的5倍W上才能保證劃擦的穩(wěn)定性，由于 本發(fā)明大大提升了試件表面的質(zhì)量，試件表面精度和光潔度好，即使是小粒度的磨粒也能 實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定高精度劃擦，因此可W用于小粒度磨粒的單顆磨粒劃擦測(cè)試，進(jìn)一步拓展了本發(fā) 明的應(yīng)用范圍，也是對(duì)本行業(yè)單顆磨粒劃擦試驗(yàn)技術(shù)的極大促進(jìn)。
【附圖說明】
[0028] 下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明。
[0029] 圖1為本發(fā)明的測(cè)試方法原理示意圖。
[0030] 圖2為本發(fā)明的修盤過程原理示意圖。
[0031] 圖3為本發(fā)明實(shí)施例中修盤前后試件表面=維形貌的對(duì)比，其中圖3a為修盤前(經(jīng) 常規(guī)平面精磨工藝加工），圖3b為修盤后。
[0032] 圖4為本發(fā)明實(shí)施例中修盤前后試件表面端面跳動(dòng)量的對(duì)比，其中圖4a為修盤前 (經(jīng)常規(guī)平面精磨工藝加工），其端面跳動(dòng)量最大值可達(dá)16皿;圖4b為修盤后，其端面跳動(dòng)量 最大值為8.9皿。
[0033] 圖5為本發(fā)明實(shí)施例中劃痕的=維形貌及其截面形狀圖（劃擦深度15WI1)，其中圖 5a為劃痕的=維形貌示意圖，圖化為劃痕的截面形狀圖。
[0034] 圖6為本發(fā)明實(shí)施例中在不同劃擦速度下的切削力變化示意圖，其中圖6a為法向 切削力，圖化為切向切削力。
[0035] 圖7為本發(fā)明對(duì)比例中修盤區(qū)域和未修盤區(qū)域的單顆磨粒連續(xù)劃擦測(cè)試結(jié)果示意 圖。
[0036] 附圖標(biāo)記:試件1，工具頭2,修盤區(qū)域3,對(duì)刀儀4,球形磨頭5。
【具體實(shí)施方式】
[0037] 下面通過實(shí)施例具體說明本發(fā)明的內(nèi)容：
[0038] -種球形磨頭預(yù)修黑色金屬試件的單顆磨粒連續(xù)劃擦測(cè)試方法，所采用的裝置包 括：
[0039] 機(jī)床，圓盤形黑色金屬試件1裝接在機(jī)床的電主軸上，且試件1可通過電主軸旋轉(zhuǎn)；
[0040] 動(dòng)平衡儀，用于對(duì)試件1進(jìn)行在線動(dòng)平衡；
[0041 ]球形磨頭5，用于對(duì)試件1端面進(jìn)行修盤;該球形磨頭5可裝拆地裝接在支架，并通 過支架可移動(dòng)地裝接在機(jī)床;球形磨頭巧自線平行于試件1旋轉(zhuǎn)軸線；
[0042]工具頭2，用于進(jìn)行劃擦測(cè)試;該工具頭2頂端固接有單顆的磨粒;該工具頭2可與 球形磨頭相替換裝拆地裝接在支架，并通過支架可移動(dòng)地裝接在機(jī)床;工具頭巧自線平行于 試件1旋轉(zhuǎn)軸線，工具頭2可W在試件1旋轉(zhuǎn)的軸向方向和徑向方向上移動(dòng)，且在兩個(gè)方向的 定位精度均優(yōu)于0.1皿；
[0043] 對(duì)刀儀4,用于對(duì)球形磨頭和工具頭2進(jìn)行對(duì)刀，定位精度優(yōu)于0.1 wn;裝接在機(jī)床， 并與試件1間的相對(duì)位置保持固定；
[0044] 測(cè)量系統(tǒng)，為測(cè)力和聲發(fā)射系統(tǒng)，包括相互信號(hào)連接的測(cè)力儀、聲發(fā)射系統(tǒng)、數(shù)據(jù) 采集卡和信號(hào)放大器;該工具頭2與測(cè)力儀和聲發(fā)射系統(tǒng)相連接;數(shù)據(jù)采集卡信號(hào)連接計(jì)算 機(jī)；
[0045] 冷風(fēng)機(jī)：用于對(duì)修盤過程中的球形磨頭和試件，W及劃擦過程中的工具頭和試件 進(jìn)行吹風(fēng)冷卻。
[0046] 具體測(cè)試方法如下：
[0047] 1)將直徑400mm、厚度20mm的45鋼圓盤形試件1用磁力吸盤或機(jī)械夾具等方式固定 在機(jī)床的電主軸上，試件1可通過電主軸旋轉(zhuǎn)；用動(dòng)平衡儀對(duì)該試件1進(jìn)行在線動(dòng)平衡，W減 少試件1在高速旋轉(zhuǎn)時(shí)的振動(dòng)，從而保證劃擦過程中磨粒和試件1能穩(wěn)定地接觸；
[0048] 2)采用球形磨頭5對(duì)該試件1進(jìn)行修盤，先進(jìn)行粗加工，再進(jìn)行精加工