一種單顆磨粒高速連續劃擦試驗機及其應用
【技術領域】
[0001] 本發明屬于機械加工中的材料測試及精密與超精密加工領域，具體設及一種單顆 磨粒高速連續劃擦試驗機及其應用。
【背景技術】
[0002] 磨削過程可W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。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。化bucM Y.與Matsuo T.最早進 行了單顆磨粒劃擦實驗。隨后眾多學者在單顆磨粒劃擦實驗上做了大量的工作，為研究單 顆磨粒劃擦提供了有力的指導。但現有的實驗設備仍然存在著一些不足之處，例如現有的 劃擦設備中的單擺式劃擦(工具頭隨轉動、工件不動）只能達到磨削速度lOOm/s，而一般的 平面劃擦方式(工具頭不動，工件轉動）由于轉速低、不容易動平衡，實際劃擦速度只有磨削 速度的1/10,造成測試時單顆磨粒劃擦速度遠低于實際磨削過程中的速度，得到的測試結 果并不能夠準確反映實際的磨削過程。
【發明內容】
[0003] 本發明的目的在于克服現有技術的不足之處，提供了一種單顆磨粒高速連續劃擦 試驗機及其應用，可W在高速條件下準確測得磨削力，測試精度較高，測試結果可W用于磨 削加工機理的深入研究，從而優化磨削加工參數，提高產品質量。
[0004] 本發明解決其技術問題所采用的技術方案之一是：
[0005] -種單顆磨粒連續劃擦試驗機，包括：
[0006] 固定座；
[0007] 水平布置的工作臺，固接在固定座頂部；
[000引垂直布置的電主軸，固接在固定座，且電主軸向上穿出工作臺；
[0009] 試件，固接在電主軸頂部且與電主軸同軸，通過電主軸帶動試件旋轉；
[0010] X向進給裝置，裝接在工作臺，且進給方向垂直于電主軸回轉軸線并沿試件徑向進 給；
[0011] 夾緊裝置，裝接在X向進給裝置；
[0012] 工具頭，可裝拆地裝接在夾緊裝置;工具頭頂端固接有磨粒；
[0013] 用于使工具頭沿平行于電主軸回轉軸線方向進給的微分頭，固接在夾緊裝置；
[0014] 用于對試件表面進行修盤的修盤裝置，可裝拆地裝接在夾緊裝置；
[0015] 用于采集劃擦過程數據的測量系統，與工具頭相連；
[0016] 對刀儀，固接在工作臺，該對刀儀上設有用于調節對刀儀的巧由設定器；
[0017] 通過修盤裝置對試件表面修盤后，電主軸帶動試件旋轉，通過微分頭和X向進給裝 置帶動工具頭W-定切深沿試件徑向進給，磨粒在試件表面劃擦形成螺旋形劃痕，測量系 統在此過程中采集數據。
[001引一實施例中：所述固定座包括上下固接的床身與底座;所述工作臺固接在床身頂 部;所述電主軸固接在床身；
[0019] 所述工作臺與固定座之間設有一能調平和支撐工作臺的調整裝置；
[0020] 所述工作臺上固接有支撐架，該支撐架包括對稱設置的長度不等的兩個支撐臂， 較短的支撐臂與工作臺之間設有一能調整較短支撐臂高度的微調裝置;所述X向進給裝置 固定在該兩個支撐臂頂部;通過微調裝置調整較短支撐臂高度W調節X向進給裝置進給方 向；所述微調裝置的最小位移分辨率優于lOnm。
[0021] -實施例中：所述電主軸旋轉的端面跳動量和徑向跳動量均小于Iwn，且其最大轉 速不低于5000巧m。
[0022] -實施例中：所述試件為有色金屬、黑色金屬或脆硬材料制成的圓盤狀結構;試件 通過試件夾具固接在電主軸頂部;所述試件夾具為真空吸盤、磁吸盤或機械式夾具；電主 軸、試件夾具與試件=者同軸；
[0023] 所述磨粒為金剛石，CBN，氧化物陶瓷或氮化物陶瓷;磨粒的形狀為球形、錐形；該 磨粒通過壓頭、針焊、電鍛固接在工具頭頂端。
[0024] -實施例中：X向進給裝置的進位精度優于0.1皿;微分頭的最小分度值不大于0.5 皿;Z軸設定器的定位精度優于0.1皿。
[0025] 一實施例中：所述測量系統為測力儀與聲發射系統，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;所述測 力儀的固有頻率高于4Ifflz，測力精度優于0.01N;所述數據采集卡的采樣速度高于2M/S。
[0026] -實施例中：所述夾緊裝置包括上夾具體、下夾具體和刀桿;上夾具體與下夾具體 上下裝接在一起，且二者內設有上下貫通且相互連通的圓孔，該圓孔下部開口處向內縮口 形成臺階結構；刀桿適配滑動裝接在圓孔內且可在圓孔內上下移動，刀桿上部具有凸環結 構，凸環結構外回轉面與下夾具體內圓孔側壁形成間隙配合;刀桿下部伸出下夾具體;所述 工具頭可裝拆地螺接在刀桿下部；
[0027] 所述微分頭裝接在上夾具體，微分頭的屯、軸向下伸入圓孔內且可分離地頂抵在刀 桿上;通過微分頭旋轉且屯、軸向下頂抵刀桿W使刀桿向下移動；凸環結構與臺階結構之間 還設有用于使刀桿向上復位的彈性件。
[0028] -實施例中：所述修盤裝置與工具頭及刀桿替換裝接在夾緊裝置，包括裝接在一 起的修盤刀具和修盤刀桿，修盤刀桿適配滑動裝接在夾緊裝置之圓孔內且可在圓孔內上下 移動;修盤刀具固接在修盤刀桿下端；
[0029] 或，
[0030] 所述修盤裝置包括裝接在一起的動力頭和單點磨頭。
[0031] -實施例中：所述修盤刀具為金剛石車刀、CBN車刀。
[0032] 本發明解決其技術問題所采用的技術方案之二是：
[0033] 上述的單顆磨粒連續劃擦試驗機的試驗方法，包括：
[0034] 1)將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；
[0035] 2)電主軸帶動試件旋轉，采用修盤裝置在微分頭帶動下W-定切深并在X向進給 裝置帶動下沿試件徑向進給，從試件外側沿徑向切入試件對該試件表面進行修盤，W在試 件表面形成修盤區域；
[0036] 3)記修盤時微分頭的讀數為Z1，控制X向進給裝置和微分頭進給，使修盤裝置觸碰 Z軸設定器，記此時微分頭的讀數為Z2,則修盤后試件表面修盤區域與對刀儀的對刀平面的 高度差ho = Z1-Z2 ;換裝工具頭，同上觸碰Z軸設定器，并控制微分頭上移ho+S即可保證工具 頭頂端位于試件圓環形修盤區域平面上S處，完成對刀；
[0037] 4)通過X向進給裝置將工具頭水平移至修盤區域的劃擦點正上方，并通過微分頭 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，且工具頭通過X向進給裝置沿 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。
[0038] 本技術方案與【背景技術】相比，它具有如下優點：
[0039] 本發明的單顆磨粒高速連續劃擦試驗機，采用修盤刀具控制試件表面質量，使得 劃擦過程中磨粒和試件能穩定地接觸，達到更小的穩定劃痕深度，保證劃擦過程的高精度； 并采用高速電主軸帶動試件旋轉而工具頭沿徑向進給的劃擦方式，實現高速度劃擦;從而 實現了高速度、高精度的單顆磨粒連續劃擦測試;同時，本發明的單顆磨粒高速連續劃擦試 驗機可W提供穩態劃擦過程，比單擺式劃擦試驗方法更容易準確采集切削力、聲發射信號 等劃痕過程的物理量;其測試結果可W用于磨削加工機理的深入研究，從而優化磨削加工 參數，提高產品質量。
【附圖說明】
[0040] 下面結合附圖和實施例對本發明作進一步說明。
[0041 ]圖1為本發明單顆磨粒連續劃擦試驗機的正視示意圖。
[0042] 圖2為本發明單顆磨粒連續劃擦試驗機的俯視示意圖。
[0043] 圖3為本發明單顆磨粒連續劃擦試驗機的局部放大示意圖，圖中示出X向進給裝 置，微分頭，夾緊裝置，工具頭及相關部件的連接關系。
[0044] 圖4為本發明的夾緊裝置結構示意圖。
[0045] 圖5為圖4中A-A剖面示意圖。
[0046] 圖6為本發明的修盤裝置結構示意圖。
[0047] 圖7為本發明實驗例中修盤前后試件表面=維形貌的對比，其中圖7a為修盤前(經 常規精車工藝加工），圖化為修盤后。
[004引圖8為本發明實驗例中修盤前后試件表面端面