一種球形磨頭預修硬脆試件的單顆磨粒連續劃擦測試方法
【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，具體設及一種 球形磨頭預修硬脆試件的單顆磨粒連續劃擦測試方法。
【背景技術】
[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 最本質的問題。細小磨粒的切削作用是磨削加工的基礎，單顆磨粒的劃擦、耕準、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。
[0003] 單顆磨粒的劃擦、耕準、切削行為的測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。對已有的大量文獻和公開專利分析發現，四種測試方法存在相應 的不足:直線劃擦和模面劃擦測試的劃擦速度不足(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200m/s);球盤劃擦測試方法實際上是一種典型的摩擦學測 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， 當達到穩定摩擦階段，甚至沒有材料去除，同時對摩擦盤的形狀精度和表面光潔度要求非 常高;單擺劃擦測試被認為是最接近磨粒去除材料過程的一種測試手段，但是測試穩定性 差，由于過短的磨粒-工件接觸時間，切削力等材料去除過程物理量的采集成為一個難題。
[0004] -些公開的專利提出了單磨粒測試的改進方法，將單擺劃擦測試方法進行改進， 改變傳統的工件靜止、磨粒轉動方式為磨粒靜止、工件轉動方式，從而獲得更長的劃痕，因 此有更長的時間采集切削力等物理量，但是并未檢索到運些專利相關的論文和產品，主要 是因為運些專利方法的具體實施存在W下問題：由于劃痕長度增加，對磨粒和工件相對運 動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定接觸 狀態，因此難W實現穩定劃擦，更無法實現小粒度磨粒的高速高精度劃擦測試。上述問題極 大地制約了單顆磨粒劃擦試驗技術的進步。
【發明內容】
[0005] 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 的單顆磨粒連續劃擦測試方法，能夠保證磨粒和試件之間在較長劃擦距離上的穩定接觸， 實現了小粒度磨粒的高速高精度劃擦，從而可W穩定、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，相關測試結果可用于摩擦磨損過程及磨削加工中材料去除機 理的研究。
[0006] 本發明解決其技術問題所采用的技術方案是：
[0007] -種球形磨頭預修硬脆試件的單顆磨粒連續劃擦測試方法，包括：
[000引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；
[0009] 2)采用球形磨頭對該試件進行修盤，W在試件表面形成端面跳動量優于ITl級，表 面平均粗糖度Ra優于IOnm的修盤區域，具體步驟如下：
[0010] 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3000~1000化pm，球形磨頭W8000~2000化pm的轉速自轉，同時從試件外側 W10~50WI1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;
[0011] 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3000~1000化pm，球形磨頭W8000~2000化pm的轉速自轉，同時從試件外側 W 2~10皿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;
[0012] 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刀儀，再將工具頭沿試 件旋轉的軸向方向上移ho+S，W使工具頭頂端的磨粒位于試件修盤區域上方S處，完成對 刀；
[0013] 4)將工具頭水平移至修盤區域的劃擦點正上方，并下移S+apW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n; 試件按照設定轉速n轉動，且工具頭沿徑向進給，W使磨粒在修盤區域劃擦形成螺旋形劃 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。
[0014] -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、電鍛或針焊固接在工具頭頂端;所述工具頭 為壓頭。
[0015] -實施例中：所述試件為圓盤形；所述修盤時，球形磨頭的進給距離小于試件半 徑，修盤區域為圓環形。
[0016] 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。
[0017] -實施例中：所述測力儀的固有頻率高于鉛化，測力精度優于0.01N;所述數據采 集卡的采樣速度高于2M/s。
[0018] -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。
[0019] -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.化m。
[0020] -實施例中:所述對刀儀的定位精度優于0.1皿。
[0021 ] -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。
[0022] -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。
[0023] 除有說明外，本發明所設及的各裝置的單一處理過程W及各裝置間的連接方式均 為本領域常規技術，在此不加 W詳細描述。
[0024] 本技術方案與【背景技術】相比，它具有如下優點：
[0025] 1.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測試。
[0026] 2.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] 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W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為本發明實施例中修盤前后試件表面=維形貌的對比，其中圖3a為修盤前(經 常規平面精磨工藝加工），圖3b為修盤后。
[0032] 圖4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4a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. Iwn;圖4b為修盤后，其端面跳動 量最大值為9.1皿。
[0033] 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】
[0034] 下面通過實施例具體說明本發明的內容：
[0035] -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：
[0036] 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；
[0037] 動平衡儀，用于對試件1進行在線動平衡；
[0038] 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；
[0039] 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;工具頭巧自線平行于 試件1旋轉軸線，工具頭3可W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0.1皿；
[0040] 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 . Imi ;裝接在機 床，并與試件1間的相對位置保持固定；
[0041] 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。
[0042] 冷風機：用于對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 進行吹風冷卻。
[0043] 具體測試方法如下：
[0044] 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，W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；
[0045] 2)采用球形磨頭6對該試件1進行修盤，