一種金剛石刀具預修有色金屬試件的單顆磨粒連續劃擦干涉行為測試方法
【技術領域】
[0001 ]本發明屬于機械加工中的材料性能測試及精密與超精密加工領域，具體涉及一種 金剛石刀具預修有色金屬試件的單顆磨粒連續劃擦干涉行為測試方法。
【背景技術】
[0002] 磨削過程可以看作是磨具表面大量排列參差不齊，分布不規則的形狀各異的磨粒 共同完成的切削過程。在科學研究中，常把復雜現象抽象成一種簡化的模式，來探討一些本 質的問題。構成砂輪的細小磨粒的切削作用是磨削加工的基礎，單顆磨粒切削作為磨削加 工的基本模式，成為認識復雜磨削作用的一種重要手段。實際磨削過程中，砂輪等磨具上的 磨粒在已加工表面的同一位置上發生干涉，使磨粒去除材料的形式復雜化，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、耕犁或劃擦作用的結果，因此研究 多顆磨粒在表面上的干涉作用對分析磨削過程中的力、溫度、材料的成肩機理以及工件加 工表面質量具有重要的指導意義。
[0003] 許多學者在單顆磨粒劃擦實驗上做了大量的工作，發展了相關的試驗方法及其裝 置，但是由于試驗手段和試驗裝置的欠缺，都沒有考慮多顆磨粒相互干涉的影響，多顆磨粒 相互干涉的研究還大多停留在仿真階段，如利用布爾運算仿真磨粒干涉過程的材料去除， 或利用數值仿真方法對多顆磨粒的干涉過程進行建模分析。也有少量研究多顆磨粒相互干 涉影響的裝置，如將多顆磨粒以一定的相對角度和徑向間距排列，劃擦的時候產生干涉的 效果，但是多顆磨粒在徑向間距上的排列誤差較大(分辨率1〇μπι)，因此多顆磨粒發生干涉 時，實際干涉量的控制精度不高于ΙΟμπι，因此只能進行一些大尺寸(大于100μπΟ磨粒的干涉 測試，同時設備結構復雜，調整過程很大程度上依賴于操作者的經驗，沒有實現自動化調整 及位置反饋控制，因而難以實現高精度的干涉行為測試。
【發明內容】
[0004] 本發明的目的在于克服現有技術的不足之處，提供了一種金剛石刀具預修有色金 屬試件的單顆磨粒連續劃擦干涉行為測試方法，結合超精密加工修盤和精密運動反饋控 制，利用單顆磨粒即可做出多顆磨粒的劃擦干涉行為，設備結構簡單，磨粒干涉量的控制精 度高；相關測試結果可以用于磨削加工機理和磨削表面形成過程的深入研究，從而優化磨 削加工參數，提高產品質量。
[0005] 本發明解決其技術問題所采用的技術方案是：
[0006] -種金剛石刀具預修有色金屬試件的單顆磨粒連續劃擦干涉行為測試方法，包 括：
[0007] 1)將有色金屬試件固定在電主軸上，試件可通過電主軸旋轉；對該試件進行在線 動平衡；
[0008] 2)采用金剛石單點刀具對該試件進行修盤，以在試件表面形成端面跳動量優于 IT1級，表面平均粗糙度Ra優于5nm的修盤區域，具體步驟如下：
[0009] 2-1)聚晶金剛石單點車刀修盤:立式車削模式，修盤時試件的轉速范圍為2000~ 1 OOOOrpm，聚晶金剛石單點車刀從試件外側以10~50μηι的切深沿試件徑向進給，進給速度 范圍為0.4~1.2mm/s，進給距離為試件直徑的1/4~1/2;
[0010] 2-2)單晶金剛石單點車刀修盤:立式車削模式，修盤時試件的轉速范圍為2000~ 1 OOOOrpm，單晶金剛石單點車刀從試件外側以2~1 Ομπι的切深沿試件徑向進給，進給速度范 圍為0.1~0.3mm/s，進給距離為試件直徑的1/4~1/2;
[0011] 3)金剛石單點刀具觸碰對刀儀，確定修盤區域與對刀儀對刀平面的高度差ho;將 金剛石單點刀具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刀儀，再 將工具頭沿試件旋轉的軸向方向上移ho+δ，以使工具頭頂端的磨粒位于試件修盤區域上方 S處，完成對刀；
[0012] 4)將工具頭水平移至修盤區域的劃擦點正上方，并下移δ+辦以使劃擦深度為ap;根 據需測試的劃擦速度v和劃擦點所在的劃擦半徑R，通過計算試件的設定轉速η; 根據需測試的干涉比率Ρ，單顆磨粒的圓弧半徑r，劃擦深度辦，通i .
一 計算工具頭的徑向進給速度s;試件按照設定轉速n轉動，且工具頭按照徑向進給速度s和劃 擦深度~沿試件徑向進給，以使磨粒在修盤區域劃擦形成預定干涉程度的劃痕，此過程中 通過與工具頭相連的測量系統采集劃擦過程中的數據。
[0013] -實施例中：所述步驟4)中，工具頭按照徑向進給速度s和劃擦深度aP沿試件徑向 進給的同時沿試件旋轉軸線方向進給。
[0014] 一實施例中：所述磨粒為金剛石、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;該磨粒通過機械夾持、電鍍或釬焊固接在工具頭頂端;所述工具頭 為壓頭。
[0015] 一實施例中：所述測量系統為測力和聲發射系統，包括相互信號連接的測力儀、聲 發射系統、數據采集卡和信號放大器;所述工具頭與測力儀和聲發射系統相連接。
[0016] 一實施例中：所述測力儀的固有頻率高于4KHZ，測力精度優于0.01N;所述數據采 集卡的采樣速度高于2M/s。
[0017] 一實施例中：所述試件為圓盤形;所述步驟2)中，修盤時金剛石單點刀具的進給距 離小于試件半徑，所述修盤區域為圓環形。
[0018] -實施例中：所述工具頭在沿試件旋轉的軸向方向和徑向方向的定位精度均優于 0.1M1，該定位精度通過位移傳感器及相應的位置反饋系統配合控制。
[0019] -實施例中:所述對刀儀的定位精度優于0. Ιμπι。
[0020] -實施例中:所述的劃痕為連續螺旋形劃痕，劃痕圈數大于3個。
[0021] 一實施例中:所述工具頭軸線平行于試件旋轉軸線。
[0022] 除有說明外，本發明所涉及的各裝置的單一處理過程以及各裝置間的連接方式均 為本領域常規技術，在此不加以詳細描述。
[0023] 本技術方案與【背景技術】相比，它具有如下優點：
[0024] 1.本發明所公開的單顆磨粒劃擦干涉行為的高精度測試方法，利用單顆磨粒即可 做出多顆磨粒的劃擦干涉行為，可用于研究單顆磨粒在不同劃擦深度、不同干涉程度、不同 劃擦速度下干涉行為，由于是連續劃擦可以準確穩定的采集到劃擦力信號;設備結構簡單， 磨粒干涉量的控制精度高；相關測試結果可以用于磨削加工機理和磨削表面形成過程的深 入研究，從而優化磨削加工參數，提高產品質量。
[0025] 2.本發明對主軸-試件系統進行在線動平衡，避免了高速旋轉過程中的大幅端面 跳動或徑向跳動，從而保持磨粒和試件間的穩定接觸狀態；同時，利用單點金剛石超精密加 工技術對試件進行在線加工，同時提高了試件的形狀精度和表面光潔度，提升了試件回轉 精度和磨粒運動精度，從而保證了磨粒和試件間的相對運動精度，配合動平衡，進一步保證 了磨粒和試件之間在較長劃擦距離上能夠持續穩定接觸，從而實現磨粒的高速高精度劃擦 測試。
[0026] 3.按照本領域的常識，試件的已加工表面質量必須優于相關磨削工藝得到的表面 質量，最好高出一個數量級，得到的劃痕測試結果才能用于磨削過程去除機理的分析；由于 本發明大大提升了試件表面的質量，因此能夠滿足磨削過程去除機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倍以上才能保證劃擦的穩定性，由于 本發明大大提升了試件表面的質量，試件表面精度和光潔度好，即使是小粒度的磨粒也能 實現穩定高精度劃擦，因此可以用于小粒度磨粒的單顆磨粒劃擦測試，進一步拓展了本發 明的應用范圍，也是對本行業單顆磨粒劃擦試驗技術的極大促進。
【附圖說明】
[0028] 下面結合附圖和實施例對本發明作進一步說明。
[0029]圖1為本發明的測試方法原理示意圖。
[0030]圖2為本發明的修盤過程原理示意圖。
[0031]圖3為本發明的干涉行為示意圖。
[0032]圖4為本發明實施例1中修盤前后試件表面三維形貌的對比，其中圖4a為修盤前 (經常規精車工藝加工），圖4b為修盤后。
[0033] 圖5為本發明實施例1中修盤前后試件表面端面跳動量的對比，其中圖5a為修盤前 (經常規精車工藝加工），其端面跳動量最大值可達17.7μπι;圖5b為修盤后，其端面跳動量最 大值為2.9μηι。
[0034] 圖6為本發明實施例1中在不同干涉比率Ρ下對切削力的影響示意圖，圖中vs即為 工具頭徑向進給速度s，其中圖6a為法向力隨干涉比率P變化趨勢示意圖，圖6b為切向力隨 干涉比率P變化趨勢示意圖。
[0035]圖7為本發明實施例2中磨粒干涉劃痕的三維形貌圖。
[0036] 圖8為本發明實施例2中磨粒干涉劃痕的二維形貌圖。
[0037] 圖9為本發明對比例中修盤區域和未修盤區域的單顆磨粒連續劃擦測試結果示