一種球形磨頭預修硬脆試件的單顆磨粒劃擦快停測試方法
【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 球形磨頭預修硬脆試件的單顆磨粒劃擦快停測試方法。
【背景技術】
[0002] 快停測試方法也叫快速落刀測試方法，是指利用外力使刀具或磨粒迅速離開切削 或磨削區域，從而"凍結"在刀具或磨粒退出瞬時與試件的接觸狀態，保持試件材料變形瞬 間的狀態被記錄下來，并且不被后續的加工過程破壞。這個變形瞬間可以通過后續的金相 制樣和顯微觀察進行更深入的分析。這種方法可以深入研究切削或磨削過程中的材料去除 機理，在金屬切削領域已有多種快停裝置被開發出來，相應的測試結果也在相關論文中有 報道，但是在磨削領域中，用于單顆磨粒劃擦的快停測試方法還未見報道。
【發明內容】
[0003] 本發明的目的在于克服現有技術的不足之處，提供了一種球形磨頭預修硬脆試件 的單顆磨粒劃擦快停測試方法，通過使安裝磨粒的工具頭迅速脫離磨粒和試件的接觸區 域，實現單磨粒劃擦過程中磨粒和試件接觸狀態的"凍結"，通過顯微觀察，可以更好的了解 磨粒去除材料過程中的材料變形、已加工表面形成、界面摩擦等相關機理，進而為磨削等磨 粒加工過程材料去除機理的深入研究提供手段。
[0004] 本發明解決其技術問題所采用的技術方案是：
[0005] -種球形磨頭預修硬脆試件的單顆磨粒劃擦快停測試方法，包括：
[0006] 1)將硬脆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；
[0007] 2)采用球形磨頭對該試件進行修盤，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10nm的修盤區域，具體步驟如下：
[0008] 2-1)球形磨頭粗加工修盤:修盤的同時對球形磨頭和試件進行冷卻，修盤時試件 的轉速范圍為3000~lOOOOrpm，球形磨頭以8000~20000rpm的轉速自轉，同時從試件外側 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;
[0009] 2-2)球形磨頭精加工修盤:修盤的同時對球形磨頭和試件進行冷卻，修盤時試件 的轉速范圍為3000~lOOOOrpm，球形磨頭以8000~20000rpm的轉速自轉，同時從試件外側 以2~ΙΟμπι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;
[0010] 3)球形磨頭觸碰對刀儀，確定修盤區域與對刀儀對刀平面的高度差h〇;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δ處，完成對 刀；
[0011] 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，
計算試件的設定轉速η; 試件按照設定轉速η轉動，且工具頭沿徑向進給，以使磨粒在修盤區域劃擦形成螺旋形劃 痕，劃擦過程中工具頭瞬間與試件脫離，脫離瞬間工具頭頂端的瞬時線速度高于試件轉動 線速度，以"凍結"脫離瞬間磨粒與試件的接觸狀態;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。
[0012] 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。
[0013] -實施例中：所述試件為圓盤形；由于測試時端面半徑較小部分線速度較小，不能 實現較高的劃擦速度，為了提高效率，修盤時球形磨頭進給距離小于試件半徑，使得所述修 盤區域為圓環形。
[0014] 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。
[0015] 一實施例中：所述測力儀的固有頻率高于4ΚΗΖ，測力精度優于0.01Ν;所述數據采 集卡的采樣速度高于2M/s。
[0016] -實施例中:所述步驟2)中，修盤時試件的旋轉方向與球形磨頭的旋轉方向相反。
[0017] -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 · ΙμL?ο
[0018] -實施例中:所述對刀儀的定位精度優于0. Ιμπι。
[0019] -實施例中:所述步驟4)中，工具頭通過高剛度彈簧或氣動沖頭瞬間與試件脫離。
[0020] 一實施例中：所述工具頭軸線平行于試件旋轉軸線;所述球形磨頭軸線平行于試 件旋轉軸線。
[0021] 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。
[0022] 本技術方案與【背景技術】相比，它具有如下優點：
[0023] 1.本發明的單顆磨粒劃擦快停測試方法，在劃擦過程中，使安裝磨粒的工具頭迅 速脫離磨粒和試件的接觸區域，實現單磨粒劃擦過程中脫離瞬間磨粒和試件接觸狀態的 "凍結"，通過顯微觀察，可以更好的了解磨粒去除材料過程中的材料變形、已加工表面形 成、界面摩擦等相關機理，進而為磨削等磨粒加工過程材料去除機理的深入研究提供手段。
[0024] 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，利用球形磨頭對試件進行 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，進而保證快停測 試的準確性。
[0025] 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。
[0026] 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】
[0027]下面結合附圖和實施例對本發明作進一步說明。
[0028]圖1為本發明的測試方法原理示意圖。
[0029]圖2為本發明的修盤過程原理示意圖。
[0030]圖3為本發明的快停原理示意圖，其中圖3b為圖3a中A處放大示意圖，也為"凍結" 磨粒與試件脫離瞬間示意圖。
[0031] 圖4為本發明實施例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 常規平面精磨工藝加工），圖4b為修盤后。
[0032] 圖5為本發明實施例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 (經常規平面精磨工藝加工），其端面跳動量最大值可達29. Ιμπι;圖5b為修盤后，其端面跳動 量最大值為9·1μπι。
[0033] 圖6為本發明實施例中劃痕的SEM照片和三維形貌示意圖。
[0034] 圖7為本發明實施例中磨粒與試件脫離瞬間即劃痕最前端被"凍結"區域的三維形 貌示意圖。
[0035]圖8為本發明實施例中磨粒與試件脫離瞬間即劃痕最前端被"凍結"區域的二維截 面形貌示意圖。
[0036] 附圖標記:試件1，真空吸盤2，工具頭3，修盤區域4，對刀儀5，球形磨頭6。
【具體實施方式】
[0037] 下面通過實施例具體說明本發明的內容：
[0038] -種球形磨頭預修硬脆試件的單顆磨粒連續劃擦測試方法，所采用的裝置包括：
[0039] 機床，圓盤形硬脆試件1通過真空吸盤2裝接在機床的電主軸上，且試件1可通過電 主軸旋轉；
[0040] 動平衡儀，用于對試件1進行在線動平衡；
[0041 ]球形磨頭6，用于對試件1端面進行修盤;該球形磨頭6可裝拆地裝接在支架，并通 過支架可移動地裝接在機床;球形磨頭6軸線平行于試件1旋轉軸線；
[0042] 工具頭3，用于進行劃擦測試;該工具頭3頂端固接有單顆的磨粒;該工具頭3可與 球形磨頭相替換裝拆地裝接在支架，并通過支架可移動地裝接在機床;工具頭3與高剛度彈 簧或氣動沖頭相連，通過高剛度彈簧或氣動沖頭實現工具頭3與試件1的瞬間脫離;工具頭3 軸線平行于試件1旋轉軸線，工具頭3可以在試件1旋轉的軸向方向和徑向方向上移動，且在 兩個方向的定位精度均優于〇. lwn;
[0043] 對刀儀5，用于對球形磨頭6和工具頭3進行對刀，定位精度優于0 . Ιμπι;裝接在機 床，并與試件1間的相對位置保持固定；
[0044] 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;該工具頭3與測力儀和聲發射系統相連接;數據采集卡信號連接計算 機。
[0045] 冷風機：用于對修盤過程中的球形磨頭和試件，以及劃擦過程中的工具頭和試件 進行吹風冷卻。
[0046] 具體測試方法如下：
[0047] 1)將6英寸(直徑約150mm)的藍寶石晶圓即試件1用真空吸盤2裝夾固定在機床的 電主軸上，試件1可通過電主軸旋轉；用動平衡儀對該試件1進行在線動平衡，以減少試件1 在高速旋轉時的振動，從而保證劃擦過程中磨粒和試件1能穩定地接觸；
[0048] 2)采用球形磨頭6對該試件1進行修盤，先進行粗加工，再進行精加工，以在試件1 表面形成端面跳動量3μπι，表面平均粗糙度Ra 10nm的圓環形修盤區域4,以降低試件1端面 跳動量，提高表面質量，進一步保證劃擦過程中磨粒和試件1能穩定地接觸;具體步驟如下：
[0049] 2-1)球形磨頭粗加工修盤:修盤的同時開啟冷風機，使冷風對準球形磨頭6和試件 1進行冷卻，修盤時試件1的