一种超声辅助高速单点划擦试验装置及试验方法与流程

本发明涉及超声辅助磨削加工领域，具体涉及一种超声辅助高速单点划擦试验装置及试验方法。

背景技术

单晶硅、蓝宝石、光学玻璃以及工程陶瓷等硬脆材料因其高硬度、高强度、高耐磨性、高耐热性以及耐腐蚀性等一系列优良的机械物理性质，被广泛应用于航空航天、光学以及半导体等领域。但由于这些材料的硬度高、脆性大、化学惰性好，要实现对其高效精密加工较为困难。

超声振动辅助磨削是加工硬脆性材料的一种有效方法，它是通过施加超声振动辅助磨削去除材料的过程。超声振动辅助磨削不仅加工精度高，且能够降低磨削力和磨削温度、减少砂轮堵塞和磨损，使得加工效率也有较大提高。超声振动辅助磨削特别适用于难加工材料如钛合金、高强钢、复合材料、工程陶瓷、玻璃等高硬度、高塑性、高强度等的高效精密加工。

磨削过程其本质是大量离散分布在砂轮表面的磨粒完成的滑擦、耕犁、切削作用的综合效果，复杂的加工机理极大程度地阻碍了对磨削加工过程的理解。单颗磨粒划擦试验作为一种常用的方法被广泛应用模拟磨粒与工件的相互作用过程，以便更好的理解磨削过程，揭示磨削机理。相应地，超声辅助单颗磨粒划擦试验也常被用于超声辅助磨削机理的研究。单点划擦试验一般分为两种，一种是固定切深的平面划擦，另一种是变切深的钟摆式划擦。平面划擦虽可获得固定的切深，但往往划擦速度较慢，而钟摆式划擦虽然速度可以达到与磨削相同的速度，但不能获得固定切深。然而，为了能够更好的揭示超声辅助磨削机理，开展固定切深情况下的超声辅助单颗磨粒高速划擦试验是非常必要的。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术之不足，提供一种超声辅助高速单点划擦试验装置及试验方法，将超声振动辅助磨削技术和高速单点划擦系统相复合，通过本发明达到对单颗磨粒的高转速的恒定切深的平面划擦试验，可用于端面磨削、研磨和抛光。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种超声辅助高速单点划擦试验装置，包括：高速磨削精密平面磨床、多层结构砂轮、超声振动系统、测力仪和试样；

所述高速精密磨床包括主轴、工作台、磨床主体、控制面板；

所述超声振动系统包括变幅杆、换能器、超声发生器；

所述多层结构砂轮安装在所述高速精密磨床的主轴上，通过操纵磨床主轴带动多层结构砂轮高速转动；所述多层结构砂轮沿砂轮基体的轴向分布不同粒度的磨削层；不同粒度的磨削层之间设置凹槽，凹槽中安装金刚石压头；

所述超声发生器通过导线与换能器、变幅杆相连，所述变幅杆与所述换能器连接，所述换能器安装在所述测力仪上，所述测力仪安装在在所述高速精密磨床的工作台上，通过信号放大和数据采集获得划擦过程中试样受力的数据；所述试样通过夹具装夹固定于变幅杆上，并通过高速精密磨床可进行轴向进给、径向进给，使安装在磨床上的多层结构砂轮通过不同粒度的磨削层对试样进行粗磨、精磨和抛光，以获得与砂轮表面曲率相同的弧形光滑表面；对刀后利用多层结构砂轮的高速转动，使得金刚石压头对试样表面进行固定切深的超声辅助高速单点划擦，在试样表面产生一定切深的划痕。

在一较佳实施例中：所述变幅杆的振动频率在20-50khz范围内，振幅在5-50μm范围内。

在一较佳实施例中：通过对刀后调节高速磨床参数改变划擦时磨粒切深和划擦速度。

在一较佳实施例中：所述不同粒度的磨削层的磨粒粒度和材料特性可变。

在一较佳实施例中：所述凹槽中有多种固定金刚石压头的角度，以进行多种角度的划擦试验。

在一较佳实施例中：还包括测力传感器、声发射传感器和高速摄像机，用于对高速划擦过程进行检测。

在一较佳实施例中：超声振动施加的方向是沿砂轮的轴向、径向或切向。

一种如上所述试验装置的试验方法，包括如下步骤：

步骤1，将多层结构砂轮装夹在高速磨削磨床的主轴上，并调节动平衡；

步骤2，将试样通过夹具固定在变幅杆上；

步骤3，将测力仪固定在磨床的进给平台上；

步骤4，磨床主轴转动带动多层结构砂轮旋转，控制进给使多层结构砂轮粗粒度磨削层对准试样，对试样进行表面的粗磨，得到粗磨的凹形圆弧面；

步骤5，通过磨床的轴向进给，更换到多层结构砂轮的细粒度磨削层，对粗磨圆弧面进行精磨；

步骤6，通过磨床的轴向进给，更换到多层结构砂轮的抛光磨削层，对粗磨圆弧面进行抛光；

步骤7，将金刚石压头固设在多层结构砂轮上，调节动平衡后对刀，启动超声发生器，设置划擦深度和多层结构砂轮转速，使得金刚石压头对试样圆弧面进行高速划擦，通过测力仪将试样受力信号收集到电脑中；

步骤8，通过控制磨床进给，将压头退出。

本发明的有益效果是：

1、将超声振动辅助磨削技术和高速单点划擦系统相结合，解决了砂轮易堵塞、效率低等问题。

2、本发明使用砂轮，配合高精度高速磨床，可以快捷准确地获得高精度的加工表面，精密高效地控制磨粒切深和划擦速度。

3、本发明可以有效区分出划擦时出现的冲击效应和干涉效应，对超声辅助磨削的机理进行更深入的学术研究。

附图说明

图1为本发明超声辅助高速单点划擦装置的整体示意图；

图2为图1的局部放大图；

图3为多层砂轮的结构示意图；

图4中的①-④为试样经过装置加工后的变化示意图。

具体实施方式

下面结合附图和本具体实施方式对本发明作进一步说明。

参见图1-图4所示，一种超声辅助高速单点划擦试验装置，包括高速磨削精密平面磨床1、多层结构砂轮2、试样3、超声振动系统4和测力仪5。所述高速精密磨床1包括主轴、工作台、磨床主体、控制面板。所示超声振动系统4包括变幅杆、换能器、超声发生器。所述多层结构砂轮2安装在所述高速精密磨床的主轴上，通过操纵磨床1主轴带动砂轮2高速转动；所述多层结构砂轮2沿砂轮基体25的轴向分布不同粒度的磨削层，可以实现对试样3的粗磨、精磨和抛光，不同粒度的磨削层之间设置凹槽，凹槽中安装金刚石压头24，对刀后通过砂轮2的高速旋转在试样3表面产生一定切深的划痕。所述超声发生器通过导线与换能器、变幅杆相连，所述变幅杆与所述换能器连接，所述换能器安装在所述测力仪上，所述测力仪5安装在在所述高速精密磨床1的工作台上，通过信号放大和数据采集获得划擦过程中试样受力的数据；所述试样3通过夹具装夹固定于变幅杆上，并通过高速精密磨床1可进行轴向进给、径向进给，使安装在磨床上的多层结构砂轮2对试样3表面进行粗磨、精密和抛光，以获得与砂轮表面曲率相同的弧形光滑表面，最终利用砂轮2的高速转动，对试样5表面进行固定切深的超声辅助高速单点划擦。

在使用过程中，试样3通过夹具安装在变幅杆上，并在超声振动系统4的作用下做超声振动，振幅和频率可根据需要进行设计和选择。通常振动平率在20-50khz范围内，振幅在5-50μm范围内。

可以通过对刀后调节高速磨床参数改变划擦时磨粒切深和划擦速度，最大划擦速度依赖于高速磨床的最大磨削速度，现有高速精密磨床1的磨削速度可达300m/s，甚至更高，划擦深度可通过磨床主轴进给系统进行设置，划擦深度的精度依赖于磨床主轴进给系统的精度。

根据实际试验需要，砂轮2上轴向的不同粒度的磨削层的磨粒粒度和材料特性可以改变，以获得不同程度的试样表面；凹槽中可以有多种固定金刚石压头24的角度，以进行多种角度的划擦试验。

可以根据实际需要，测力传感器、声发射传感器和高速摄像机等检测设备，用于对高速划擦过程进行检测。

超声振动施加的方向可以是沿砂轮的轴向、径向或切向，即可用于开展不同方向施加超声振动辅助的单颗磨粒高速划擦试验。

上述超声辅助高速单点划擦试验装置的试验方法，包括如下步骤：

步骤1，将多层结构砂轮2装夹在高速磨削磨床1的主轴上，并调节动平衡；

步骤2，将试样3通过夹具固定在变幅杆上；

步骤3，将测力仪5固定在磨床1的进给平台上；

步骤4，磨床1主轴转动带动多层结构砂轮2旋转，控制进给使多层结构砂轮2粗粒度磨削层21对准试样3，对试样3进行表面的粗磨，得到粗磨的凹形圆弧面；

步骤5，通过磨床1的轴向进给，更换到多层结构砂轮2的细粒度磨削层22，对粗磨圆弧面进行精磨；

步骤6，通过磨床1的轴向进给，更换到多层结构砂轮2的抛光磨削层23，对粗磨圆弧面进行抛光；

步骤7，将金刚石压头24固设在多层结构砂轮2上，调节动平衡后对刀，启动超声发生器，设置划擦深度和多层结构砂轮转速，对试样圆弧面进行高速划擦，通过测力仪5将试样受力信号收集到电脑中。

步骤8，通过控制磨床1进给，将压头退出。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的设计构思并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，利用此构思对本发明进行非实质性的改动，均属于侵犯本发明保护范围的行为。