一种球形磨头预修硬脆试件的单颗磨粒划擦快停测试方法
【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 球形磨头预修硬脆试件的单颗磨粒划擦快停测试方法。
【背景技术】
[0002] 快停测试方法也叫快速落刀测试方法，是指利用外力使刀具或磨粒迅速离开切削 或磨削区域，从而"冻结"在刀具或磨粒退出瞬时与试件的接触状态，保持试件材料变形瞬 间的状态被记录下来，并且不被后续的加工过程破坏。这个变形瞬间可以通过后续的金相 制样和显微观察进行更深入的分析。这种方法可以深入研究切削或磨削过程中的材料去除 机理，在金属切削领域已有多种快停装置被开发出来，相应的测试结果也在相关论文中有 报道，但是在磨削领域中，用于单颗磨粒划擦的快停测试方法还未见报道。
【发明内容】
[0003] 本发明的目的在于克服现有技术的不足之处，提供了一种球形磨头预修硬脆试件 的单颗磨粒划擦快停测试方法，通过使安装磨粒的工具头迅速脱离磨粒和试件的接触区 域，实现单磨粒划擦过程中磨粒和试件接触状态的"冻结"，通过显微观察，可以更好的了解 磨粒去除材料过程中的材料变形、已加工表面形成、界面摩擦等相关机理，进而为磨削等磨 粒加工过程材料去除机理的深入研究提供手段。
[0004] 本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
[0005] -种球形磨头预修硬脆试件的单颗磨粒划擦快停测试方法，包括：
[0006] 1)将硬脆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；
[0007] 2)采用球形磨头对该试件进行修盘，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10nm的修盘区域，具体步骤如下：
[0008] 2-1)球形磨头粗加工修盘:修盘的同时对球形磨头和试件进行冷却，修盘时试件 的转速范围为3000~lOOOOrpm，球形磨头以8000~20000rpm的转速自转，同时从试件外侧 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;
[0009] 2-2)球形磨头精加工修盘:修盘的同时对球形磨头和试件进行冷却，修盘时试件 的转速范围为3000~lOOOOrpm，球形磨头以8000~20000rpm的转速自转，同时从试件外侧 以2~ΙΟμπι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;
[0010] 3)球形磨头触碰对刀仪，确定修盘区域与对刀仪对刀平面的高度差h〇;将球形磨 头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δ处，完成对 刀；
[0011] 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，
计算试件的设定转速η; 试件按照设定转速η转动，且工具头沿径向进给，以使磨粒在修盘区域划擦形成螺旋形划 痕，划擦过程中工具头瞬间与试件脱离，脱离瞬间工具头顶端的瞬时线速度高于试件转动 线速度，以"冻结"脱离瞬间磨粒与试件的接触状态;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。
[0012] 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。
[0013] -实施例中：所述试件为圆盘形；由于测试时端面半径较小部分线速度较小，不能 实现较高的划擦速度，为了提高效率，修盘时球形磨头进给距离小于试件半径，使得所述修 盘区域为圆环形。
[0014] 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。
[0015] 一实施例中：所述测力仪的固有频率高于4ΚΗΖ，测力精度优于0.01Ν;所述数据采 集卡的采样速度高于2M/s。
[0016] -实施例中:所述步骤2)中，修盘时试件的旋转方向与球形磨头的旋转方向相反。
[0017] -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 · ΙμL?ο
[0018] -实施例中:所述对刀仪的定位精度优于0. Ιμπι。
[0019] -实施例中:所述步骤4)中，工具头通过高刚度弹簧或气动冲头瞬间与试件脱离。
[0020] 一实施例中：所述工具头轴线平行于试件旋转轴线;所述球形磨头轴线平行于试 件旋转轴线。
[0021] 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。
[0022] 本技术方案与【背景技术】相比，它具有如下优点：
[0023] 1.本发明的单颗磨粒划擦快停测试方法，在划擦过程中，使安装磨粒的工具头迅 速脱离磨粒和试件的接触区域，实现单磨粒划擦过程中脱离瞬间磨粒和试件接触状态的 "冻结"，通过显微观察，可以更好的了解磨粒去除材料过程中的材料变形、已加工表面形 成、界面摩擦等相关机理，进而为磨削等磨粒加工过程材料去除机理的深入研究提供手段。
[0024] 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，利用球形磨头对试件进行 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，进而保证快停测 试的准确性。
[0025] 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。
[0026] 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】
[0027]下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
[0028]图1为本发明的测试方法原理示意图。
[0029]图2为本发明的修盘过程原理示意图。
[0030]图3为本发明的快停原理示意图，其中图3b为图3a中A处放大示意图，也为"冻结" 磨粒与试件脱离瞬间示意图。
[0031] 图4为本发明实施例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 常规平面精磨工艺加工），图4b为修盘后。
[0032] 图5为本发明实施例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 (经常规平面精磨工艺加工），其端面跳动量最大值可达29. Ιμπι;图5b为修盘后，其端面跳动 量最大值为9·1μπι。
[0033] 图6为本发明实施例中划痕的SEM照片和三维形貌示意图。
[0034] 图7为本发明实施例中磨粒与试件脱离瞬间即划痕最前端被"冻结"区域的三维形 貌示意图。
[0035]图8为本发明实施例中磨粒与试件脱离瞬间即划痕最前端被"冻结"区域的二维截 面形貌示意图。
[0036] 附图标记:试件1，真空吸盘2，工具头3，修盘区域4，对刀仪5，球形磨头6。
【具体实施方式】
[0037] 下面通过实施例具体说明本发明的内容：
[0038] -种球形磨头预修硬脆试件的单颗磨粒连续划擦测试方法，所采用的装置包括：
[0039] 机床，圆盘形硬脆试件1通过真空吸盘2装接在机床的电主轴上，且试件1可通过电 主轴旋转；
[0040] 动平衡仪，用于对试件1进行在线动平衡；
[0041 ]球形磨头6，用于对试件1端面进行修盘;该球形磨头6可装拆地装接在支架，并通 过支架可移动地装接在机床;球形磨头6轴线平行于试件1旋转轴线；
[0042] 工具头3，用于进行划擦测试;该工具头3顶端固接有单颗的磨粒;该工具头3可与 球形磨头相替换装拆地装接在支架，并通过支架可移动地装接在机床;工具头3与高刚度弹 簧或气动冲头相连，通过高刚度弹簧或气动冲头实现工具头3与试件1的瞬间脱离;工具头3 轴线平行于试件1旋转轴线，工具头3可以在试件1旋转的轴向方向和径向方向上移动，且在 两个方向的定位精度均优于〇. lwn;
[0043] 对刀仪5，用于对球形磨头6和工具头3进行对刀，定位精度优于0 . Ιμπι;装接在机 床，并与试件1间的相对位置保持固定；
[0044] 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;该工具头3与测力仪和声发射系统相连接;数据采集卡信号连接计算 机。
[0045] 冷风机：用于对修盘过程中的球形磨头和试件，以及划擦过程中的工具头和试件 进行吹风冷却。
[0046] 具体测试方法如下：
[0047] 1)将6英寸(直径约150mm)的蓝宝石晶圆即试件1用真空吸盘2装夹固定在机床的 电主轴上，试件1可通过电主轴旋转；用动平衡仪对该试件1进行在线动平衡，以减少试件1 在高速旋转时的振动，从而保证划擦过程中磨粒和试件1能稳定地接触；
[0048] 2)采用球形磨头6对该试件1进行修盘，先进行粗加工，再进行精加工，以在试件1 表面形成端面跳动量3μπι，表面平均粗糙度Ra 10nm的圆环形修盘区域4,以降低试件1端面 跳动量，提高表面质量，进一步保证划擦过程中磨粒和试件1能稳定地接触;具体步骤如下：
[0049] 2-1)球形磨头粗加工修盘:修盘的同时开启冷风机，使冷风对准球形磨头6和试件 1进行冷却，修盘时试件1的