一种单颗磨粒高速连续划擦干涉行为测试机及其应用
【技术领域】
[0001] 本发明属于机械加工中的材料测试及精密与超精密加工领域，具体设及一种单颗 磨粒高速连续划擦干设行为测试机及其应用。
【背景技术】
[0002] 磨削过程可W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设，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、耕準或划擦作用的结果，因此研究 多颗磨粒在表面上的干设作用对分析磨削过程中的力、溫度、材料的成屑机理W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设的影响，多颗磨粒 相互干设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设过程的材料去除， 或利用数值仿真方法对多颗磨粒的干设过程进行建模分析。也有少量研究多颗磨粒相互干 设影响的装置，如将多颗磨粒W-定的相对角度和径向间距排列，划擦的时候产生干设的 效果，但是多颗磨粒在径向间距上的排列误差较大(分辨率10WI1)，因此多颗磨粒发生干设 时，实际干设量的控制精度不高于10皿，因此只能进行一些大尺寸(大于lOOwn)磨粒的干设 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W实现高精度的干设行为测试。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的在于克服现有技术的不足之处，提供了一种单颗磨粒高速连续划擦 干设行为测试机及其应用，可W实现通过单颗磨粒做出多颗磨粒的划擦干设行为，且设备 结构简单，磨粒干设量的控制精度高;相关测试结果可W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之一是：
[0006] -种单颗磨粒连续划擦干设行为测试机，包括：
[0007] 固定座；
[000引水平布置的工作台，固接在固定座顶部；
[0009] 垂直布置的电主轴，固接在固定座，且电主轴向上穿出工作台；
[0010] 试件，固接在电主轴顶部且与电主轴同轴，通过电主轴带动试件旋转；
[0011] X向进给装置，装接在工作台，且进给方向垂直于电主轴回转轴线并沿试件径向进 给；
[0012] Z向进给装置，装接在X向进给装置，且进给方向平行于电主轴回转轴线；
[0013 ]夹紧装置，可装拆地装接在Z向进给装置；
[0014] 工具头，可装拆地装接在夹紧装置;工具头顶端固接有磨粒；
[0015] 用于对试件表面进行修盘的修盘装置，可装拆地装接在Z向进给装置；
[0016] 用于采集划擦过程数据的测量系统，与工具头相连；
[0017] 对刀仪，固接在工作台，该对刀仪上设有用于调节对刀仪的巧由设定器；
[0018] 通过修盘装置对试件表面修盘后，电主轴带动试件旋转，通过Z向进给装置和X向 进给装置带动工具头W-定切深沿试件径向进给，磨粒在试件表面划擦形成预定干设程度 的划痕，测量系统在此过程中采集数据。
[0019] -实施例中：所述固定座包括上下固接的床身与底座;所述工作台固接在床身顶 部;所述电主轴固接在床身；
[0020] 所述工作台与固定座之间设有一能调平和支撑工作台的调整装置；
[0021] 所述工作台上固接有支撑架，该支撑架包括对称设置的长度不等的两个支撑臂， 较短的支撑臂与工作台之间设有一能调整较短支撑臂高度的微调装置;所述X向进给装置 固定在该两个支撑臂顶部;通过微调装置调整较短支撑臂高度W调节X向进给装置进给方 向；所述微调装置的最小位移分辨率优于lOnm。
[0022] -实施例中：所述电主轴旋转的端面跳动量和径向跳动量均小于Iwn，且其最大转 速不低于5000巧m。
[0023] -实施例中：所述试件为有色金属、黑色金属或脆硬材料制成的圆盘状结构;试件 通过试件夹具固接在电主轴顶部;所述试件夹具为真空吸盘、磁吸盘或机械式夹具；电主 轴、试件夹具与试件=者同轴；
[0024] 所述磨粒为金刚石，CBN，氧化物陶瓷或氮化物陶瓷;磨粒的形状为球形、锥形；该 磨粒通过压头、针焊、电锻固接在工具头顶端。
[0025] 一实施例中：X向进给装置的进位精度优于0.lMi;Z向进给装置的进位精度优于 0.1皿;2轴设定器的定位精度优于0.1皿。
[0026] 一实施例中：所述测量系统为测力仪与声发射系统，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;所述测 力仪的固有频率高于4Ifflz，测力精度优于0.01N;所述数据采集卡的采样速度高于2M/S。
[0027] -实施例中:所述夹紧装置包括：
[0028] 夹具体，固接在Z向进给装置;该夹具体内设有上下布置且相互连通的沉头孔与锥 孔；
[0029] 拉杆，装接在夹具体沉头孔内且拉杆伸出夹具体上表面之外；该拉杆上设有至少 两个止推轴承;所述止推轴承均位于夹具之沉头孔内，且上方的止推轴承的座圈上端面略 高于夹具体上表面；
[0030] 端盖，固接在夹具体上表面;该端盖上设有通孔，拉杆从该通孔伸出；通过端盖将 止推轴承与轴环限制在夹具体的沉头孔；
[0031 ]手轮，适配装接在拉杆顶端；
[0032]刀杆，该刀杆具有与锥孔适配的锥体结构，该锥体结构位于锥孔内W使刀杆与夹 具体形成锥连接;刀杆适配装接在拉杆下且刀杆下部伸出夹具体下表面之外；所述工具头 可装拆地螺接在刀杆下部。
[0033] -实施例中：所述修盘装置与工具头及刀杆替换装接在夹紧装置，包括装接在一 起的修盘刀具和修盘刀杆，修盘刀杆具有与夹具体锥孔适配的锥体结构，该修盘刀杆可装 拆地装接在拉杆;或，
[0034] 所述修盘装置与夹紧装置替换装接在Z向进给装置，包括装接在一起的动力头和 单点磨头。
[0035] 一实施例中：所述修盘刀具为金刚石车刀、CBN车刀。
[0036] 本发明解决其技术问题所采用的技术方案之二是：
[0037] 上述的单颗磨粒连续划擦干设行为测试机的试验方法，包括：
[0038] 1)将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；
[0039] 2)电主轴带动试件旋转，采用修盘装置在Z向进给装置带动下W-定切深并在X向 进给装置带动下沿试件径向进给，从试件外侧沿径向切入试件对该试件表面进行修盘，W 在试件表面形成修盘区域；
[0040] 3)记修盘时Z向进给装置的坐标值为Z1，控制X向进给装置和Z向进给装置进给，使 修盘装置触碰Z轴设定器，记此时Z轴设定器的坐标值记为Z2,则修盘后试件表面修盘区域 与对刀仪的对刀平面的高度差ho= Z1-Z2 ;换装工具头，同上触碰Z轴设定器，并控制Z向进给 装置上移ho+S即可保证工具头顶端位于试件圆环形修盘区域平面上S处，完成对刀；
[0041] 4)通过X向进给装置将工具头水平移至修盘区域的划擦点正上方，并通过Z向进给 装置下移S+apW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n;根据需测试的干设比率P，单颗磨粒的圆弧半径r，划擦 深度ap，通过
计算工具头的径向进给速度S ;试件按照设定转速n转 动，且工具头通过X向进给装置按照径向进给速度S沿试件径向进给，W使磨粒在修盘区域 划擦形成预定干设程度的划痕，划痕圈数大于2个;此过程中通过与工具