一種球形磨頭預(yù)修黑色金屬試件的單顆磨粒連續(xù)劃擦干涉行為測(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)劃擦干設(shè)行為測(cè)試方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 磨削過程可W看作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，來探討一些本 質(zhì)的問題。構(gòu)成砂輪的細(xì)小磨粒的切削作用是磨削加工的基礎(chǔ)，單顆磨粒切削作為磨削加 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。實(shí)際磨削過程中，砂輪等磨具上的 磨粒在已加工表面的同一位置上發(fā)生干設(shè)，使磨粒去除材料的形式復(fù)雜化，因此磨粒加工 中已加工表面的形成往往是同一位置上多顆磨粒切削、耕準(zhǔn)或劃擦作用的結(jié)果，因此研究 多顆磨粒在表面上的干設(shè)作用對(duì)分析磨削過程中的力、溫度、材料的成屑機(jī)理W及工件加 工表面質(zhì)量具有重要的指導(dǎo)意義。
[0003] 許多學(xué)者在單顆磨粒劃擦實(shí)驗(yàn)上做了大量的工作，發(fā)展了相關(guān)的試驗(yàn)方法及其裝 置，但是由于試驗(yàn)手段和試驗(yàn)裝置的欠缺，都沒有考慮多顆磨粒相互干設(shè)的影響，多顆磨粒 相互干設(shè)的研究還大多停留在仿真階段，如利用布爾運(yùn)算仿真磨粒干設(shè)過程的材料去除， 或利用數(shù)值仿真方法對(duì)多顆磨粒的干設(shè)過程進(jìn)行建模分析。也有少量研究多顆磨粒相互干 設(shè)影響的裝置，如將多顆磨粒W-定的相對(duì)角度和徑向間距排列，劃擦的時(shí)候產(chǎn)生干設(shè)的 效果，但是多顆磨粒在徑向間距上的排列誤差較大(分辨率10WI1)，因此多顆磨粒發(fā)生干設(shè) 時(shí)，實(shí)際干設(shè)量的控制精度不高于10皿，因此只能進(jìn)行一些大尺寸(大于lOOwn)磨粒的干設(shè) 測(cè)試，同時(shí)設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜，調(diào)整過程很大程度上依賴于操作者的經(jīng)驗(yàn)，沒有實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化調(diào)整 及位置反饋控制，因而難W實(shí)現(xiàn)高精度的干設(shè)行為測(cè)試。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 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)劃擦干設(shè)行為測(cè)試方法，結(jié)合超精密加工修盤和精密運(yùn)動(dòng)反饋控制， 利用單顆磨粒即可做出多顆磨粒的劃擦干設(shè)行為，設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單，磨粒干設(shè)量的控制精度 高；相關(guān)測(cè)試結(jié)果可W用于磨削加工機(jī)理和磨削表面形成過程的深入研究，從而優(yōu)化磨削 加工參數(shù)，提高產(chǎn)品質(zhì)量。
[0005] 本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是：
[0006] -種球形磨頭預(yù)修黑色金屬試件的單顆磨粒連續(xù)劃擦干設(shè)行為測(cè)試方法，包括：
[0007] 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；
[0008] 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：
[0009] 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;
[0010] 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;
[0011] 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；
[0012] 4)將工具頭水平移至修盤區(qū)域的劃擦點(diǎn)正上方，并下移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J
計(jì)算試件的設(shè)定轉(zhuǎn)速n; 根據(jù)需測(cè)試的干設(shè)比率P，單顆磨粒的圓弧半徑r，劃擦深度ap，通擔(dān)
計(jì)算工具頭的徑向進(jìn)給速度S;試件按照設(shè)定轉(zhuǎn)速n轉(zhuǎn)動(dòng)，且工具頭按照徑向進(jìn)給速度S和劃 擦深度ap沿試件徑向進(jìn)給，W使磨粒在修盤區(qū)域劃擦形成預(yù)定干設(shè)程度的劃痕;劃擦的同 時(shí)對(duì)工具頭和試件進(jìn)行冷卻;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)。
[0013] -實(shí)施例中：所述步驟4)中，工具頭按照徑向進(jìn)給速度S和劃擦深度ap沿試件徑向 進(jìn)給的同時(shí)沿試件旋轉(zhuǎn)軸線方向進(jìn)給。
[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 0.1 wn，該定位精度通過位移傳感器及相應(yīng)的位置反饋系統(tǒng)配合控制。
[0019] -實(shí)施例中:所述對(duì)刀儀的定位精度優(yōu)于0.1皿。
[0020] -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)。
[0021] -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;修盤時(shí)試件的旋轉(zhuǎn)方向與球形磨頭的旋轉(zhuǎn)方向相同或相反。
[0022] 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。
[0023] 本技術(shù)方案與【背景技術(shù)】相比，它具有如下優(yōu)點(diǎn)：
[0024] I.本發(fā)明所公開的單顆磨粒劃擦干設(shè)行為的高精度測(cè)試方法，利用單顆磨粒即可 做出多顆磨粒的劃擦干設(shè)行為，可用于研究單顆磨粒在不同劃擦深度、不同干設(shè)程度、不同 劃擦速度下干設(shè)行為，由于是連續(xù)劃擦可W準(zhǔn)確穩(wěn)定的采集到劃擦力信號(hào);設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單， 磨粒干設(shè)量的控制精度高;相關(guān)測(cè)試結(jié)果可W用于磨削加工機(jī)理和磨削表面形成過程的深 入研究，從而優(yōu)化磨削加工參數(shù)，提高產(chǎn)品質(zhì)量。
[0025] 2.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] 3.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] 4.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)明的干設(shè)行為示意圖。
[0032] 圖4為本發(fā)明實(shí)施例中修盤前后試件表面S維形貌的對(duì)比，其中圖4a為修盤前(經(jīng) 常規(guī)平面精磨工藝加工），圖4b為修盤后。
[0033] 圖5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5a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)16WI1;圖化為修盤后，其端面跳動(dòng)量 最大值為8.9皿。
[0034] 圖6為本發(fā)明實(shí)施例1中在不同干設(shè)比率P下對(duì)切削力的影響示意圖，圖中Vs即為 工具頭徑向進(jìn)給速度S，其中圖6a為法向力隨干設(shè)比率P變化趨勢(shì)示意圖，圖化為切向力隨 干設(shè)比率P變化趨勢(shì)示意圖。
[0035] 圖7為本發(fā)明實(shí)施例2中磨粒干設(shè)劃痕的S維形貌圖。
[0036] 圖8為本發(fā)明實(shí)施例2中磨粒干設(shè)劃痕的二維形貌圖。
[0037] 圖9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。
[0038] 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】
[0039] 下面通過實(shí)施例具體說明本發(fā)明的