一种球形磨头预修硬脆试件的单颗磨粒划擦快停测试方法技术

本发明专利技术公开了一种球形磨头预修硬脆试件的单颗磨粒划擦快停测试方法，属于机械加工中的材料性能测试及精密与超精密加工领域，将硬脆试件固定并进行在线动平衡，采用球形磨头进行修盘，达到所需的端面跳动以及粗糙度要求；试件以指定转速旋转，顶端固接有单颗磨粒的工具头以指定切深径向进给划擦，在试件端面形成螺旋形划痕，划擦过程中工具头与试件瞬间脱离，实现单磨粒划擦过程中磨粒和试件接触状态的“冻结”，通过三维形貌测量和显微观察，可以更好的了解磨粒去除材料过程中的材料变形、已加工表面形成、界面摩擦等相关机理，进而为磨削等磨粒加工过程材料去除机理的深入研究提供手段。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于机械加工中的材料性能测试及精密与超精密加工领域，具体涉及一种球形磨头预修硬脆试件的单颗磨粒划擦快停测试方法。
技术介绍
快停测试方法也叫快速落刀测试方法，是指利用外力使刀具或磨粒迅速离开切削或磨削区域，从而“冻结”在刀具或磨粒退出瞬时与试件的接触状态，保持试件材料变形瞬间的状态被记录下来，并且不被后续的加工过程破坏。这个变形瞬间可以通过后续的金相制样和显微观察进行更深入的分析。这种方法可以深入研究切削或磨削过程中的材料去除机理，在金属切削领域已有多种快停装置被开发出来，相应的测试结果也在相关论文中有报道，但是在磨削领域中，用于单颗磨粒划擦的快停测试方法还未见报道。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术的不足之处，提供了一种球形磨头预修硬脆试件的单颗磨粒划擦快停测试方法，通过使安装磨粒的工具头迅速脱离磨粒和试件的接触区域，实现单磨粒划擦过程中磨粒和试件接触状态的“冻结”，通过显微观察，可以更好的了解磨粒去除材料过程中的材料变形、已加工表面形成、界面摩擦等相关机理，进而为磨削等磨粒加工过程材料去除机理的深入研究提供手段。本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是：一种球形磨头预修硬脆试件的单颗磨粒划擦快停测试方法，包括：1)将硬脆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；2)采用球形磨头对该试件进行修盘，以在试件表面形成端面跳动量优于IT1级，表面平均粗糙度Ra优于10nm的修盘区域，具体步骤如下：2-1)球形磨头粗加工修盘：修盘的同时对球形磨头和试件进行冷却，修盘时试件的转速范围为3000～10000rpm，球形磨头以8000～20000rpm的转速自转，同时从试件外侧以10～50μm的切深沿试件径向进给，进给速度范围为0.4～1.2mm/s，进给距离为试件直径的1/4～1/2；2-2)球形磨头精加工修盘：修盘的同时对球形磨头和试件进行冷却，修盘时试件的转速范围为3000～10000rpm，球形磨头以8000～20000rpm的转速自转，同时从试件外侧以2～10μm的切深沿试件径向进给，进给速度范围为0.1～0.3mm/s，进给距离为试件直径的1/4～1/2；3)球形磨头触碰对刀仪，确定修盘区域与对刀仪对刀平面的高度差h0；将球形磨头更换为顶端固接有单颗磨粒的工具头，工具头顶端的磨粒触碰对刀仪，再将工具头沿试件旋转的轴向方向上移h0+δ，以使工具头顶端的磨粒位于试件修盘区域上方δ处，完成对刀；4)将工具头水平移至修盘区域的划擦点正上方，并下移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，且工具头沿径向进给，以使磨粒在修盘区域划擦形成螺旋形划痕，划擦过程中工具头瞬间与试件脱离，脱离瞬间工具头顶端的瞬时线速度高于试件转动线速度，以“冻结”脱离瞬间磨粒与试件的接触状态；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。一实施例中：所述磨粒为金刚石、CBN、氧化物陶瓷或氮化物陶瓷，磨粒形状为球形、圆锥形或多棱锥形；该磨粒通过机械夹持、电镀或钎焊固接在工具头顶端；所述工具头为压头。一实施例中：所述试件为圆盘形；由于测试时端面半径较小部分线速度较小，不能实现较高的划擦速度，为了提高效率，修盘时球形磨头进给距离小于试件半径，使得所述修盘区域为圆环形。一实施例中：所述测量系统为测力和声发射系统，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。一实施例中：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。一实施例中：所述步骤2)中，修盘时试件的旋转方向与球形磨头的旋转方向相反。一实施例中：所述工具头在沿试件旋转的轴向方向和径向方向的定位精度均优于0.1μm。一实施例中：所述对刀仪的定位精度优于0.1μm。一实施例中：所述步骤4)中，工具头通过高刚度弹簧或气动冲头瞬间与试件脱离。一实施例中：所述工具头轴线平行于试件旋转轴线；所述球形磨头轴线平行于试件旋转轴线。除有说明外，本专利技术所涉及的各装置的单一处理过程以及各装置间的连接方式均为本领域常规技术，在此不加以详细描述。本技术方案与
技术介绍
相比，它具有如下优点：1.本专利技术的单颗磨粒划擦快停测试方法，在划擦过程中，使安装磨粒的工具头迅速脱离磨粒和试件的接触区域，实现单磨粒划擦过程中脱离瞬间磨粒和试件接触状态的“冻结”，通过显微观察，可以更好的了解磨粒去除材料过程中的材料变形、已加工表面形成、界面摩擦等相关机理，进而为磨削等磨粒加工过程材料去除机理的深入研究提供手段。2.本专利技术对主轴-试件系统进行在线动平衡，避免了高速旋转过程中的大幅端面跳动或径向跳动，从而保持磨粒和试件间的稳定接触状态；同时，利用球形磨头对试件进行在线加工，同时提高了试件的形状精度和表面光洁度，提升了试件回转精度和磨粒运动精度，从而保证了磨粒和试件间的相对运动精度，配合动平衡，进一步保证了磨粒和试件之间在较长划擦距离上能够持续稳定接触，从而实现磨粒的高速高精度划擦，进而保证快停测试的准确性。3.按照本领域的常识，试件的已加工表面质量必须优于相关磨削工艺得到的表面质量，最好高出一个数量级，得到的划痕测试结果才能用于磨削过程去除机理的分析；由于本专利技术大大提升了试件表面的质量，因此能够满足磨削过程去除机理等高精度分析的要求，可用于摩擦磨损过程及磨削加工中材料去除机理的研究。4.磨粒划擦深度大于试件表面起伏程度的5倍以上才能保证划擦的稳定性，由于本专利技术大大提升了试件表面的质量，试件表面精度和光洁度好，即使是小粒度的磨粒也能实现稳定高精度划擦，因此可以用于小粒度磨粒的单颗磨粒划擦测试，进一步拓展了本发明的应用范围，也是对本行业单颗磨粒划擦试验技术的极大促进。附图说明下面结合附图和实施例对本专利技术作进一步说明。图1为本专利技术的测试方法原理示意图。图2为本专利技术的修盘过程原理示意图。图3为本专利技术的快停原理示意图，其中图3b为图3a中A处放大示意图，也为“冻结”磨粒与试件脱离瞬间示意图。图4为本专利技术实施例中修盘前后试件表面三维形貌的对比，其中图4a为修盘前(经常规平面精磨工艺加工)，图4b为修盘后。图5为本专利技术实施例中修盘前后试件表面端面跳动量的对比，其中图5a为修盘前(经常规平面精磨工艺加工)，其端面跳动量最本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种球形磨头预修硬脆试件的单颗磨粒划擦快停测试方法，其特征在于：包括：1)将硬脆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；2)采用球形磨头对该试件进行修盘，以在试件表面形成端面跳动量优于IT1级，表面平均粗糙度Ra优于10nm的修盘区域，具体步骤如下：2‑1)球形磨头粗加工修盘：修盘的同时对球形磨头和试件进行冷却，修盘时试件的转速范围为3000～10000rpm，球形磨头以8000～20000rpm的转速自转，同时从试件外侧以10～50μm的切深沿试件径向进给，进给速度范围为0.4～1.2mm/s，进给距离为试件直径的1/4～1/2；2‑2)球形磨头精加工修盘：修盘的同时对球形磨头和试件进行冷却，修盘时试件的转速范围为3000～10000rpm，球形磨头以8000～20000rpm的转速自转，同时从试件外侧以2～10μm的切深沿试件径向进给，进给速度范围为0.1～0.3mm/s，进给距离为试件直径的1/4～1/2；3)球形磨头触碰对刀仪，确定修盘区域与对刀仪对刀平面的高度差h0；将球形磨头更换为顶端固接有单颗磨粒的工具头，工具头顶端的磨粒触碰对刀仪，再将工具头沿试件旋转的轴向方向上移h0+δ，以使工具头顶端的磨粒位于试件修盘区域上方δ处，完成对刀；4)将工具头水平移至修盘区域的划擦点正上方，并下移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，且工具头沿径向进给，以使磨粒在修盘区域划擦形成螺旋形划痕，划擦过程中工具头瞬间与试件脱离，脱离瞬间工具头顶端的瞬时线速度高于试件转动线速度，以“冻结”脱离瞬间磨粒与试件的接触状态；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。...

【技术特征摘要】
1.一种球形磨头预修硬脆试件的单颗磨粒划擦快停测试方法，其特征在于：包括：
1)将硬脆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；
2)采用球形磨头对该试件进行修盘，以在试件表面形成端面跳动量优于IT1级，表面平
均粗糙度Ra优于10nm的修盘区域，具体步骤如下：
2-1)球形磨头粗加工修盘：修盘的同时对球形磨头和试件进行冷却，修盘时试件的转
速范围为3000～10000rpm，球形磨头以8000～20000rpm的转速自转，同时从试件外侧以10
～50μm的切深沿试件径向进给，进给速度范围为0.4～1.2mm/s，进给距离为试件直径的1/4
～1/2；
2-2)球形磨头精加工修盘：修盘的同时对球形磨头和试件进行冷却，修盘时试件的转
速范围为3000～10000rpm，球形磨头以8000～20000rpm的转速自转，同时从试件外侧以2～
10μm的切深沿试件径向进给，进给速度范围为0.1～0.3mm/s，进给距离为试件直径的1/4～
1/2；
3)球形磨头触碰对刀仪，确定修盘区域与对刀仪对刀平面的高度差h0；将球形磨头更换
为顶端固接有单颗磨粒的工具头，工具头顶端的磨粒触碰对刀仪，再将工具头沿试件旋转
的轴向方向上移h0+δ，以使工具头顶端的磨粒位于试件修盘区域上方δ处，完成对刀；
4)将工具头水平移至修盘区域的划擦点正上方，并下移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，且工具头沿径向进给，以使磨粒在修盘区域划擦形成螺旋形划痕，划
擦过程中工具头瞬间与试件脱离，脱离瞬间工具头顶端的瞬时线速度高于试件转动线速
度，以“冻结”脱离瞬间磨粒与试件的接触状态；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。
2.根据权利要求1所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：姜峰，张涛，言兰，徐西鹏，
申请(专利权)人：华侨大学，
类型：发明
国别省市：福建;35