一种激光辅助超声复合高速划擦试验装置及使用方法

本发明涉及划擦试验装置，特别是涉及一种激光辅助超声复合高速划擦试验装置及使用方法。

背景技术：

1、超精密磨削加工可以以纳米级切深高效地去除材料，从而获得较高的形状精度和表面质量，是精密零件加工的重要工艺之一。近年来，半导体、航空航天和功能材料等领域迅猛发展，硬脆性材料因其具有优良的导电性、导热性以及高强度和刚性，被广泛运用到这些行业中。但是，硬脆性材料因为其硬度大，脆性大，化学惰性好，不便对其进行精密加工。

2、超声辅助划擦试验常用于研究超声辅助磨削的机理，其在划擦的基础上引入超声，将连续的划擦转变成间断划擦，从而降低了刀具损耗和磨削力，提高加工精度。激光-超声复合磨削是一种新型的混合加工技术，其在现有超声辅助加工设备的基础上又引入了激光。在划擦时先利用高功率激光束聚焦在刀尖前的工件表面上，对工件进行局部加热从而软化工件材料降低切削力和刀具磨损，提高材料去除率。

3、在现有技术中，缺少可以同时引入激光和超声的装置进行划擦试验。无法深入研究激光辅助超声复合磨削的作用机理，限制了对硬脆性材料的加工精度和对硬脆性材料塑脆表面深度的认知。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种激光辅助超声复合高速划擦试验装置及使用方法，解决激光机构和超声机构无法同步运动和工作的问题。

2、为实现上述目的，本发明提供了一种激光辅助超声复合高速划擦试验装置，包括三轴移动机构、超声振动机构、激光发射机构、磨盘机构和监测机构，所述三轴移动机构的x轴单元通过第一安装板与z轴单元连接，所述z轴单元通过第二安装板与y轴单元连接，所述x轴单元的第三安装板两侧分别与所述超声振动机构和所述激光发射机构连接，所述超声振动机构下方为与试验装置底座连接的所述磨盘机构，所述监测机构的高速摄影机和测速计位于所述磨盘机构边缘的所述底座上，所述磨盘机构的平面磨盘与所述底座内部的主轴连接，所述平面磨盘表面与试样连接。

3、优选的，所述x轴单元的x轴安装架呈u型结构，所述x轴安装架一侧的x轴电机连接有第一螺纹杆，所述第三安装板底部连接的第一移动座设有第一螺纹套，所述第一螺纹套与所述第一螺纹杆螺纹连接，所述第一移动座在第一螺纹套两侧均设有x轴滑动套，所述x轴滑动套分别与所述第一螺纹杆两侧的限位杆滑动连接。

4、优选的，所述y轴单元的y轴安装架与所述底座连接，所述y轴安装架一侧的y轴电机与第二螺纹杆连接，所述第二螺纹杆与所述第二安装板底部的第二螺纹套螺纹连接，所述第二安装板在所述第二螺纹套两侧均设有y轴滑块，所述y轴滑块分别与所述第二螺纹杆两侧的y轴滑轨滑动连接。

5、优选的，所述z轴单元的z轴安装架一侧与所述第二安装板顶部连接，所述z轴安装架后方连接的三角形支架底部与所述第二安装板连接，所述z轴安装架另一侧的z轴电机与第三螺纹杆连接，所述第三螺纹杆与所述x轴安装架底部的第三螺纹套螺纹连接，所述第三螺纹套两侧均设有与所述x轴安装架连接的z轴滑块，所述z轴滑块与所述第三螺纹杆两侧的z轴滑轨滑动连接。

6、优选的，所述超声振动机构的安装座与所述第三安装板远离所述x轴电机的一侧连接，所述安装座通过夹具与换能器连接，所述换能器连接的变幅杆底部与金刚石刀具顶部螺纹连接，所述金刚石刀具上部套设连接有压力传感器。

7、优选的，所述夹具中部设有调节槽，所述调节槽一侧与固定夹板连接，其另一侧滑动连接有移动夹板，所述固定夹板和所述移动夹板远离所述调节槽的一侧通过螺杆连接，所述固定夹板与所述移动夹板与所述换能器连接。

8、优选的，所述激光发射机构的旋转座与所述第三安装板连接，所述旋转座一侧设有旋转电机，所述旋转电机在所述旋转座内部连接有蜗杆，所述蜗杆在所述旋转座内部啮合连接有蜗轮，所述蜗轮套设在精密旋转平台的旋转轴上，所述精密旋转平台上设有激光器。

9、优选的，所述试样与所述平面磨盘之间通过垫块连接。

10、一种激光辅助超声复合高速划擦试验装置的使用方法：

11、s1、将试样通过超薄光学双面胶粘贴在平面磨盘上，并在试样上标记划擦方向；

12、s2、分别启动x轴电机、y轴电机和z轴电机，将金刚石刀具移动至试样划擦位置正上方与试样接触，通过压力传感器的受力变化来完成金刚石刀具的划擦操作；

13、s3、打开高速摄像机，并将高速摄像机对准金刚石刀具与试样的接触位置，打开激光器和精密旋转平台，操控精密旋转平台将激光器的光源对准金刚石刀具；

14、s4、将换能器与外置的超声发生器连接，打开外置的超声发生器，换能器开始振动，并将振动传递给变幅杆，进而带动金刚石刀具振动；

15、s5、打开非接触式转速计，对平面磨盘的转速实时测量并记录，启动主轴，平面磨盘开始旋转，观察非接触式转速计，待到平面磨盘达到指定转速后，操控三轴移动机构进行划擦；

16、s6、划擦结束后，控制三轴移动机构进行退刀操作，关闭主轴、外置超声发生器、激光器、x轴电机、y轴电机、z轴电机和旋转电机，取下试样进一步研究。

17、优选的，在激光器的光源对准金刚石刀具时采用肉眼可见的氦氖红光作为指引光束对光路进行调整，调整完成后再根据需要选择激光的频率。

18、因此，本发明采用上述结构的一种激光辅助超声复合高速划擦试验装置及使用方法，其有益效果为：

19、1、将激光发射机构和超声振动机构同时运用到划擦试验中，可用于研究激光辅助超声复合磨削机理、与其他设备相配合探究硬脆性材料的性能；

20、2、通过三轴移动机构带动金刚石刀具在三自由度上自由划擦，整个装置自动化程度高，操作简单，减少人为因素产生的误差；

21、3、根据试样下方是否垫有垫块可选择进行平面划擦或楔形划擦，压力传感器可用于记录划擦过程中金刚石刀具所受力的变化；

22、4、高速摄影机可实时记录下划擦位置处金刚石刀具与试样划擦的过程，为研究提供依据，激光器与金刚石刀具均与第三安装板连接，并且两者同步移动，可使试样受热均匀；

23、5、通过调整激光功率、超声振幅及超声频率，获得不同加工条件下划痕表面微观形貌、切屑形态、残余应力及典型区域沟槽横截面材料微观结构，以便后续研究。

24、下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

技术特征：

1.一种激光辅助超声复合高速划擦试验装置，其特征在于：包括三轴移动机构、超声振动机构、激光发射机构、磨盘机构和监测机构，所述三轴移动机构的x轴单元通过第一安装板与z轴单元连接，所述z轴单元通过第二安装板与y轴单元连接，所述x轴单元的第三安装板两侧分别与所述超声振动机构和所述激光发射机构连接，所述超声振动机构下方为与试验装置底座连接的所述磨盘机构，所述监测机构的高速摄影机和测速计位于所述磨盘机构边缘的所述底座上，所述磨盘机构的平面磨盘与所述底座内部的主轴连接，所述平面磨盘表面与试样连接。

2.根据权利要求1所述的一种激光辅助超声复合高速划擦试验装置，其特征在于：所述x轴单元的x轴安装架呈u型结构，所述x轴安装架一侧的x轴电机连接有第一螺纹杆，所述第三安装板底部连接的第一移动座设有第一螺纹套，所述第一螺纹套与所述第一螺纹杆螺纹连接，所述第一移动座在第一螺纹套两侧均设有x轴滑动套，所述x轴滑动套分别与所述第一螺纹杆两侧的限位杆滑动连接。

3.根据权利要求1所述的一种激光辅助超声复合高速划擦试验装置，其特征在于：所述y轴单元的y轴安装架与所述底座连接，所述y轴安装架一侧的y轴电机与第二螺纹杆连接，所述第二螺纹杆与所述第二安装板底部的第二螺纹套螺纹连接，所述第二安装板在所述第二螺纹套两侧均设有y轴滑块，所述y轴滑块分别与所述第二螺纹杆两侧的y轴滑轨滑动连接。

4.根据权利要求1所述的一种激光辅助超声复合高速划擦试验装置，其特征在于：所述z轴单元的z轴安装架一侧与所述第二安装板顶部连接，所述z轴安装架后方连接的三角形支架底部与所述第二安装板连接，所述z轴安装架另一侧的z轴电机与第三螺纹杆连接，所述第三螺纹杆与所述x轴安装架底部的第三螺纹套螺纹连接，所述第三螺纹套两侧均设有与所述x轴安装架连接的z轴滑块，所述z轴滑块与所述第三螺纹杆两侧的z轴滑轨滑动连接。

5.根据权利要求1所述的一种激光辅助超声复合高速划擦试验装置，其特征在于：所述超声振动机构的安装座与所述第三安装板远离所述x轴电机的一侧连接，所述安装座通过夹具与换能器连接，所述换能器连接的变幅杆底部与金刚石刀具顶部螺纹连接，所述金刚石刀具上部套设连接有压力传感器。

6.根据权利要求5所述的一种激光辅助超声复合高速划擦试验装置，其特征在于：所述夹具中部设有调节槽，所述调节槽一侧与固定夹板连接，其另一侧滑动连接有移动夹板，所述固定夹板和所述移动夹板远离所述调节槽的一侧通过螺杆连接，所述固定夹板与所述移动夹板与所述换能器连接。

7.根据权利要求1所述的一种激光辅助超声复合高速划擦试验装置，其特征在于：所述激光发射机构的旋转座与所述第三安装板连接，所述旋转座一侧设有旋转电机，所述旋转电机在所述旋转座内部连接有蜗杆，所述蜗杆在所述旋转座内部啮合连接有蜗轮，所述蜗轮套设在精密旋转平台的旋转轴上，所述精密旋转平台上设有激光器。

8.根据权利要求1所述的一种激光辅助超声复合高速划擦试验装置，其特征在于：所述试样与所述平面磨盘之间通过垫块连接。

9.根据权利要求1-8任一项所述的一种激光辅助超声复合高速划擦试验装置的使用方法，其特征在于：

10.根据权利要求9所述的一种激光辅助超声复合高速划擦试验装置的使用方法，其特征在于：在激光器的光源对准金刚石刀具时采用肉眼可见的氦氖红光作为指引光束对光路进行调整，调整完成后再根据需要选择激光的频率。

技术总结
本发明公开了一种激光辅助超声复合高速划擦试验装置，包括三轴移动机构、超声振动机构、激光发射机构、磨盘机构和监测机构，三轴移动机构的X轴单元通过第一安装板与Z轴单元连接，Z轴单元通过第二安装板与Y轴单元连接，X轴单元的第三安装板两侧分别与超声振动机构和激光发射机构连接，超声振动机构下方为与试验装置底座连接的磨盘机构，监测机构的高速摄影机和测速计位于磨盘机构边缘的底座上，磨盘机构的平面磨盘与底座内部的主轴连接，平面磨盘表面与试样连接。本发明采用上述结构，激光器与金刚石刀具均与第三安装板连接，使得两者同步移动使试样受热均匀，通过调整激光功率、超声振幅及超声频率，获得不同加工条件。

技术研发人员：张航,李冰冰,卫宇璇,王桂莲,王海军,周海波,刘东浩,孙浩,吕云鹏,田之浩
受保护的技术使用者：天津理工大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15