一种高速单点划擦试验装置的制作方法

本实用新型涉及磨削原理试验研究领域，具体涉及一种单点高速划擦的装置。

背景技术：

磨削作为一种常用的高效精密加工方法，被广泛应用于金属、石材、陶瓷、硬质合金、光学玻璃等各种材料的精密加工。磨削是一个复杂的过程，是砂轮表面无数微小磨粒与工件表面相互作用的过程，期间磨粒形态、接触状态、作用时间等因素相互交织，极大地阻碍了对磨削加过程的理解。为了更好地理解磨削过程，揭示磨削材料去除机理，Ohbuch i Y.与Matsuo T.最早开展了单颗磨粒划擦试验，之后单颗磨粒划擦试验方法被广泛应用于研究磨削材料去除机理。

单点划擦试验一般分为变切深和固定切深两种，钟摆式划擦是一种典型的变切深划擦试验方法。它是将磨粒固定在摆杆或法兰盘上，通过摆杆或法兰盘转动带动磨粒切入试样表面并离开，以模拟砂轮表面单颗磨粒的微切削过程。钟摆式划擦试验方法的优点在于可利用高速磨床获得较高的划擦速度，其缺点就是不能获得固定切深的稳定切削过程，这对研究磨削材料去除机理是不利的。为了开展固定切深的单颗磨粒划擦试验，通常采用直线电机带动金刚石压头在恒压力或恒进给条件下进行直线划擦，但这种方法最大的问题在于速度太低，难以达到磨削速度的要求，尤其是高速磨削。

为了获得在固定切深情况下的高速单颗磨粒划擦试验，专利《一种单颗磨粒高速连续划擦试验机机器应用》(专利号为CN105717030B)利用电主轴带动盘状试样旋转，磨粒以一定切深径向进给，在试样表面划擦形成固定切深的螺旋形划痕。根据电主轴的转速，配合大尺寸的盘状工件，可以将划擦速度提升到几十米每秒，但是整个装置需要配套的专用设备，要求试样尺寸足够大，且试样表面平整度要求高。针对小型块状试样，进行划擦试验较为困难，另外要获得高的划擦速度，直径较大的工件转盘高速旋转，端面跳动难以控制，因此，要在高速划擦情况下获得稳定的切深较为困难。

为了在高速情况下开展稳定切深的单颗磨粒划擦试验，本专利提出利用采用高速精密磨床，采用多层结构砂轮首先对试样表面进行粗磨、精密和抛光，以获得与砂轮表面曲率相同的光滑圆弧凹面，然后利用砂轮上安装的金刚石压头的高速旋转运动，并结合机床的轴向进给运动，可在试样表面产生稳定切深的划痕。

技术实现要素：

本实用新型的目的是提供一种高速单点划擦装置，通过本实用新型达到对单颗磨粒高速、固定切深和固定速度的划擦试验。

本实用新型解决上述问题的技术方案是：

本实用新型提供了一种高速单点划擦试验装置，包括：多层结构砂轮、高速平面磨床、测力仪、夹具和试样；

所述高速平面磨床包括工作台和进给系统，实现工作台相对于砂轮的轴向、径向和切向进给；

所述多层结构砂轮沿砂轮基体的轴向分布着多层不同粒径的磨削层，磨削层与磨削层之间设有凹槽，凹槽中设有3个对称分布的螺纹孔，用于安装金刚石压头；所述测力仪固定在高速平面磨床的工作台上；所述试样通过夹具装夹固定于测力仪上；

通过多层结构砂轮的磨削层对试样表面进行粗磨、精密和抛光，以获得与砂轮表面曲率相同的光滑圆弧凹面；通过砂轮的高速旋转和轴向进给运动，使得金刚石压头在抛光后的试样表面产生固定切深的划痕；所述测力仪通过信号放大和数据采集获得试样划擦力数据。

在一较佳实施例中:所述磨削层为三层，分别为粗粒度磨削层、精粒度磨削层和抛光层。

在一较佳实施例中:所述多层不同粒径的磨削层的磨粒粒度和材料特性可变，以获得不同程度的试样表面。

在一较佳实施例中:凹槽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:所述凹槽上可以安装单颗金刚石压头，进行单颗磨粒划擦试验；

或者所述凹槽上安装多颗交错的金刚石压头，用于划擦干涉试验；

或者通过磨床的轴向进给，实现同一颗金刚石压头的可控间距多次干涉划擦试验。

在一较佳实施例中:还包括声发射传感器或高速摄像机，用于对高速划擦过程进行观测。

本实用新型的有益效果是：

1、本实用新型使用不同磨削层面的多层结构砂轮加工获得良好的凹形圆弧表面，配合高速磨床实现固定切深的单点高速非干涉和干涉划擦试验，可以用来观测不同切深下高速精确的稳定划擦过程。

2、本实用新型使用多层结构砂轮，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、本实用新型可以用于探究不同材料的高速磨削机理和进行高速切削的机理研究。

4、本实用新型可以用于探究高速磨削和高速切削下的工具上磨粒的磨损机理。

附图说明

图1为本实用新型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为多层结构砂轮的结构示意图；

图4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

以下结合附图对本实用新型的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本实用新型，并非用于限定本实用新型的范围。

参见图1所示，一种高速单点划擦试验装置，括多层结构砂轮1、高速平面磨床2、测力仪3、夹具4和试样5。所述高速平面磨床2其特征包括工作台和进给系统，可以实现工作台相对于砂轮1的轴向、径向和切向进给；所述多层结构砂轮1其特征在于沿砂轮基体11的轴向分布着多层不同粒径的磨削层，本实施例中磨削层为三个，分别为粗粒度磨削层12、精粒度磨削层13和抛光层14。将砂轮1安装在磨床2上，通过磨床2的轴向进给可以实现对试样5表面的粗磨、精磨和抛光加工。

磨削层与磨削层之间设有凹槽，凹槽中设有3个对称分布的螺纹孔，用于安装金刚石压头15；所述测力仪3固定在高速平面磨床2的工作台上；所述试样5通过夹具4装夹固定于测力仪3上，首先采用多层结构砂轮1对试样5表面进行粗磨、精密和抛光，以获得与砂轮1表面曲率相同的光滑圆弧凹面，然后将金刚石压头15安装在多层结构砂轮1的凹槽螺纹孔中，通过砂轮1的高速旋转和轴向进给运动，使得金刚石压头15在抛光后的试样5表面产生固定切深的划痕。所述测力仪3通过信号放大和数据采集获得试样5划擦力数据。

根据实际实验需要，多层结构砂轮1上轴向的多层不同粒径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5表面；凹槽上可以有多种固定金刚石压头15的角度，以进行多种角度的划擦试验。

更进一步，划擦速度可在高速磨床2最大速度范围内任意选择，划擦深度的设置可通过磨床的进给来设置，划擦深度的精度依赖于高速磨床2的进给精度。

多层结构砂轮1上可以安装单颗金刚石压头15，进行单颗磨粒划擦试验，也可安装多颗交错的金刚石压头15，用于划擦干涉试验；或者通过磨床2的轴向进给，也可实现同一颗金刚石压头15的可控间距多次干涉划擦试验。

可以根据实际需要，添加声发射传感器或高速摄像机，用于对高速划擦过程进行观测。

上述的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1安装在高速磨床2上，并调节动平衡；

步骤2，采用夹具4将试样5固定在测力仪3上；

步骤3，将测力仪3固定在磨床2的进给平台上；

步骤4，磨床2主轴转动带动砂轮1旋转，控制进给使砂轮1粗粒度磨削层12对准试样5，对试样5进行表面的粗磨，得到粗磨的凹形圆弧面；

步骤5，通过磨床2的轴向进给，更换到砂轮1的细粒度磨削层13，对粗磨圆弧面进行精磨；

步骤6，通过磨床2的轴向进给，更换到砂轮1的抛光层14，对精磨后圆弧面进行抛光，获得与砂轮曲率相同的光滑圆弧凹面；

步骤7，将金刚石压头15固设在砂轮1上，调节动平衡后对刀，设置划擦深度和砂轮转速，进行对试样5圆弧面的高速划擦，通过测力仪3将试样受力信号收集到电脑中。

步骤8，通过控制磨床2进给，将压头退出。

以上所述，仅为本实用新型较佳的具体实施方式，但本实用新型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实用新型揭露的技术范围内，利用此构思对本实用新型进行非实质性的改动，均属于侵犯本实用新型保护范围的行为。