一种金刚石刀具预修有色金属试件的单颗磨粒连续划擦干涉行为测试方法
【技术领域】
[0001 ]本发明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 金刚石刀具预修有色金属试件的单颗磨粒连续划擦干涉行为测试方法。
【背景技术】
[0002] 磨削过程可以看作是磨具表面大量排列参差不齐，分布不规则的形状各异的磨粒 共同完成的切削过程。在科学研究中，常把复杂现象抽象成一种简化的模式，来探讨一些本 质的问题。构成砂轮的细小磨粒的切削作用是磨削加工的基础，单颗磨粒切削作为磨削加 工的基本模式，成为认识复杂磨削作用的一种重要手段。实际磨削过程中，砂轮等磨具上的 磨粒在已加工表面的同一位置上发生干涉，使磨粒去除材料的形式复杂化，因此磨粒加工 中已加工表面的形成往往是同一位置上多颗磨粒切削、耕犁或划擦作用的结果，因此研究 多颗磨粒在表面上的干涉作用对分析磨削过程中的力、温度、材料的成肩机理以及工件加 工表面质量具有重要的指导意义。
[0003] 许多学者在单颗磨粒划擦实验上做了大量的工作，发展了相关的试验方法及其装 置，但是由于试验手段和试验装置的欠缺，都没有考虑多颗磨粒相互干涉的影响，多颗磨粒 相互干涉的研究还大多停留在仿真阶段，如利用布尔运算仿真磨粒干涉过程的材料去除， 或利用数值仿真方法对多颗磨粒的干涉过程进行建模分析。也有少量研究多颗磨粒相互干 涉影响的装置，如将多颗磨粒以一定的相对角度和径向间距排列，划擦的时候产生干涉的 效果，但是多颗磨粒在径向间距上的排列误差较大(分辨率1〇μπι)，因此多颗磨粒发生干涉 时，实际干涉量的控制精度不高于ΙΟμπι，因此只能进行一些大尺寸(大于100μπΟ磨粒的干涉 测试，同时设备结构复杂，调整过程很大程度上依赖于操作者的经验，没有实现自动化调整 及位置反馈控制，因而难以实现高精度的干涉行为测试。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的在于克服现有技术的不足之处，提供了一种金刚石刀具预修有色金 属试件的单颗磨粒连续划擦干涉行为测试方法，结合超精密加工修盘和精密运动反馈控 制，利用单颗磨粒即可做出多颗磨粒的划擦干涉行为，设备结构简单，磨粒干涉量的控制精 度高；相关测试结果可以用于磨削加工机理和磨削表面形成过程的深入研究，从而优化磨 削加工参数，提高产品质量。
[0005] 本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
[0006] -种金刚石刀具预修有色金属试件的单颗磨粒连续划擦干涉行为测试方法，包 括：
[0007] 1)将有色金属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；
[0008] 2)采用金刚石单点刀具对该试件进行修盘，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5nm的修盘区域，具体步骤如下：
[0009] 2-1)聚晶金刚石单点车刀修盘:立式车削模式，修盘时试件的转速范围为2000~ 1 OOOOrpm，聚晶金刚石单点车刀从试件外侧以10~50μηι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;
[0010] 2-2)单晶金刚石单点车刀修盘:立式车削模式，修盘时试件的转速范围为2000~ 1 OOOOrpm，单晶金刚石单点车刀从试件外侧以2~1 Ομπι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;
[0011] 3)金刚石单点刀具触碰对刀仪，确定修盘区域与对刀仪对刀平面的高度差ho;将 金刚石单点刀具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ho+δ，以使工具头顶端的磨粒位于试件修盘区域上方 S处，完成对刀；
[0012] 4)将工具头水平移至修盘区域的划擦点正上方，并下移δ+办以使划擦深度为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η; 根据需测试的干涉比率Ρ，单颗磨粒的圆弧半径r，划擦深度办，通i .
一 计算工具头的径向进给速度s;试件按照设定转速n转动，且工具头按照径向进给速度s和划 擦深度~沿试件径向进给，以使磨粒在修盘区域划擦形成预定干涉程度的划痕，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。
[0013] -实施例中：所述步骤4)中，工具头按照径向进给速度s和划擦深度aP沿试件径向 进给的同时沿试件旋转轴线方向进给。
[0014] 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。
[0015] 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。
[0016] 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。
[0017] 一实施例中：所述试件为圆盘形;所述步骤2)中，修盘时金刚石单点刀具的进给距 离小于试件半径，所述修盘区域为圆环形。
[0018] -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 0.1M1，该定位精度通过位移传感器及相应的位置反馈系统配合控制。
[0019] -实施例中:所述对刀仪的定位精度优于0. Ιμπι。
[0020] -实施例中:所述的划痕为连续螺旋形划痕，划痕圈数大于3个。
[0021] 一实施例中:所述工具头轴线平行于试件旋转轴线。
[0022] 除有说明外，本发明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。
[0023] 本技术方案与【背景技术】相比，它具有如下优点：
[0024] 1.本发明所公开的单颗磨粒划擦干涉行为的高精度测试方法，利用单颗磨粒即可 做出多颗磨粒的划擦干涉行为，可用于研究单颗磨粒在不同划擦深度、不同干涉程度、不同 划擦速度下干涉行为，由于是连续划擦可以准确稳定的采集到划擦力信号;设备结构简单， 磨粒干涉量的控制精度高；相关测试结果可以用于磨削加工机理和磨削表面形成过程的深 入研究，从而优化磨削加工参数，提高产品质量。
[0025] 2.本发明对主轴-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，利用单点金刚石超精密加 工技术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 测试。
[0026] 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 本发明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。
[0027] 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 本发明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】
[0028] 下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
[0029]图1为本发明的测试方法原理示意图。
[0030]图2为本发明的修盘过程原理示意图。
[0031]图3为本发明的干涉行为示意图。
[0032]图4为本发明实施例1中修盘前后试件表面三维形貌的对比，其中图4a为修盘前 (经常规精车工艺加工），图4b为修盘后。
[0033] 图5为本发明实施例1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 (经常规精车工艺加工），其端面跳动量最大值可达17.7μπι;图5b为修盘后，其端面跳动量最 大值为2.9μηι。
[0034] 图6为本发明实施例1中在不同干涉比率Ρ下对切削力的影响示意图，图中vs即为 工具头径向进给速度s，其中图6a为法向力随干涉比率P变化趋势示意图，图6b为切向力随 干涉比率P变化趋势示意图。
[0035]图7为本发明实施例2中磨粒干涉划痕的三维形貌图。
[0036] 图8为本发明实施例2中磨粒干涉划痕的二维形貌图。
[0037] 图9为本发明对比例中修盘区域和未修盘区域的单颗磨粒连续划擦测试结果示