一種互為基準法預修硬脆試件的單顆磨粒連續(xù)劃擦測試方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明屬于機械加工中的材料性能測試及精密與超精密加工領域，具體設及一種 互為基準法預修硬脆試件的單顆磨粒連續(xù)劃擦測試方法。
【背景技術】
[0002] 磨粒加工過程可看做是磨具表面大量排列參差不齊、分布不規(guī)則的形狀各異的磨 粒共同完成的切削過程。在科學研究中，常把復雜現(xiàn)象抽象成一種簡化的模式，來探討一些 最本質的問題。細小磨粒的切削作用是磨削加工的基礎，單顆磨粒的劃擦、耕準、切削作為 磨削加工的基本模式，成為認識復雜磨削作用的一種重要手段。
[0003] 單顆磨粒的劃擦、耕準、切削行為的測試手段主要有四種形式:直線劃擦、模面劃 擦、球盤劃擦和單擺劃擦。對已有的大量文獻和公開專利分析發(fā)現(xiàn)，四種測試方法存在相應 的不足:直線劃擦和模面劃擦測試的劃擦速度不足(最高線速度僅4m/s)，難W很好的模擬 磨粒加工過程(最高線速度可達200m/s);球盤劃擦測試方法實際上是一種典型的摩擦學測 試方法，球盤摩擦過程中的材料去除方式與磨粒加工過程中的材料去除方式有很大不同， 當達到穩(wěn)定摩擦階段，甚至沒有材料去除，同時對摩擦盤的形狀精度和表面光潔度要求非 常高;單擺劃擦測試被認為是最接近磨粒去除材料過程的一種測試手段，但是測試穩(wěn)定性 差，由于過短的磨粒-工件接觸時間，切削力等材料去除過程物理量的采集成為一個難題。
[0004] -些公開的專利提出了單磨粒測試的改進方法，將單擺劃擦測試方法進行改進， 改變傳統(tǒng)的工件靜止、磨粒轉動方式為磨粒靜止、工件轉動方式，從而獲得更長的劃痕，因 此有更長的時間采集切削力等物理量，但是并未檢索到運些專利相關的論文和產品，主要 是因為運些專利方法的具體實施存在W下問題：由于劃痕長度增加，對磨粒和工件相對運 動精度要求大幅度提高，而上述方法均無法保持磨粒與工件間始終處于高精度的穩(wěn)定接觸 狀態(tài)，因此難W實現(xiàn)穩(wěn)定劃擦，更無法實現(xiàn)小粒度磨粒的高速高精度劃擦測試。上述問題極 大地制約了單顆磨粒劃擦試驗技術的進步。

【發(fā)明內容】

[0005] 本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術的不足之處，提供了一種互為基準法預修硬脆試 件的單顆磨粒連續(xù)劃擦測試方法，能夠保證磨粒和試件之間在較長劃擦距離上的穩(wěn)定接 觸，實現(xiàn)了小粒度磨粒的高速高精度劃擦，從而可W穩(wěn)定、精確的采集單顆磨粒劃擦過程中 的切削力、切屑變形等物理量，相關測試結果可用于摩擦磨損過程及磨削加工中材料去除 機理的研究。
[0006] 本發(fā)明解決其技術問題所采用的技術方案是：
[0007] -種互為基準法預修硬脆試件的單顆磨粒連續(xù)劃擦測試方法，包括：
[000引1)將硬脆試件與有色金屬背襯固接在一起；
[0009] 2)對試件端面進行研磨拋光，使其平面度達到口1級，表面粗糖度Ra優(yōu)于5nm;
[0010] 3)將試件與背襯固定在電主軸上且背襯向上，試件與背襯可通過電主軸旋轉;對 試件與背襯進行在線動平衡；
[0011] 4)采用金剛石單點刀具對該背襯進行修盤，W在背襯表面形成端面跳動量優(yōu)于 ITl級，表面平均粗糖度Ra優(yōu)于5nm的修盤區(qū)域，且背襯表面修盤區(qū)域與試件端面的平行度 在口1級W內，具體步驟如下：
[0012] 4-1)聚晶金剛石單點車刀修盤:立式車削模式，修盤時背襯的轉速范圍為2000~ lOOOOrpm，聚晶金剛石單點車刀從背襯外側WlO~50WI1的切深沿背襯徑向進給，進給速度 范圍為0.4~1.2mm/s，進給距離為背襯直徑的1/4~1/2;
[0013] 4-2)單晶金剛石單點車刀修盤:立式車削模式，修盤時背襯的轉速范圍為2000~ 100(K)rpm，單晶金剛石單點車刀從背襯外側W2~10皿的切深沿背襯徑向進給，進給速度范 圍為0.1~0.3mm/s，進給距離為背襯直徑的1/4~1/2;
[0014] 5)取下試件與背襯，翻轉，再次將試件與背襯固定在電主軸上且試件向上，試件與 背襯可通過電主軸旋轉;對試件與背襯進行在線動平衡；
[0015] 6)金剛石單點刀具觸碰對刀儀，確定試件端面與對刀儀對刀平面的高度差ho;將 金剛石單點刀具更換為頂端固接有單顆磨粒的工具頭，工具頭頂端的磨粒觸碰對刀儀，再 將工具頭沿試件與背襯旋轉的軸向方向上移ho+S，W使工具頭頂端的磨粒位于試件端面上 方S處，完成對刀；
[0016] 7)將工具頭水平移至試件端面的劃擦點正上方，并下移S+apW使劃擦深度為ap;根 據(jù)需測試的劃擦速度V和劃擦點所在的劃擦半徑R，通i
計算試件與背襯的設定 轉速n;試件與背襯按照設定轉速n轉動，且工具頭沿徑向進給，W使磨粒在試件端面劃擦形 成螺旋形劃痕，此過程中通過與工具頭相連的測量系統(tǒng)采集劃擦過程中的數(shù)據(jù)。
[0017] -實施例中：所述磨粒為金剛石、CBN、氧化物陶瓷或氮化物陶瓷，磨粒形狀為球 形、圓錐形或多棱錐形;該磨粒通過機械夾持、電鍛或針焊固接在工具頭頂端;所述工具頭 為壓頭。
[0018] -實施例中：所述背襯為圓盤形，試件與背襯疊置固接在一起，且試件周緣不超出 背襯邊緣之外。
[0019] -實施例中:所述背襯或試件通過真空吸盤與電主軸相連。
[0020] 一實施例中：所述測量系統(tǒng)為測力和聲發(fā)射系統(tǒng)，包括相互信號連接的測力儀、聲 發(fā)射系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集卡和信號放大器;所述工具頭與測力儀和聲發(fā)射系統(tǒng)相連接。
[0021] 一實施例中：所述測力儀的固有頻率高于鉛化，測力精度優(yōu)于0.01N;所述數(shù)據(jù)采 集卡的采樣速度高于2M/s。
[0022] -實施例中：所述工具頭在沿試件旋轉的軸向方向和徑向方向的定位精度均優(yōu)于 0.化m。
[0023] -實施例中:所述對刀儀的定位精度優(yōu)于0.1皿。
[0024] -實施例中:所述的劃痕為連續(xù)螺旋形劃痕，劃痕圈數(shù)大于3個。
[0025] -實施例中:所述工具頭軸線平行于試件旋轉軸線。
[0026] 除有說明外，本發(fā)明所設及的各裝置的單一處理過程W及各裝置間的連接方式均 為本領域常規(guī)技術，在此不加 W詳細描述。
[0027] 本技術方案與【背景技術】相比，它具有如下優(yōu)點：
[0028] I.本發(fā)明對主軸-試件系統(tǒng)進行在線動平衡，避免了高速旋轉過程中的大幅端面 跳動或徑向跳動，從而保持磨粒和試件間的穩(wěn)定接觸狀態(tài)；同時，由于藍寶石等硬脆材料的 難加工特性，直接對硬脆材料進行在線修盤，會造成加工時間和加工質量的下降，因此采用 互為基準的方法，在預先保證了藍寶石等硬脆材料表面粗糖度后，將藍寶石等硬脆材料與 一個容易加工材料的背襯粘接在一起，利用單點金剛石超精密加工技術對試件的背襯進行 在線加工修盤，可W保證端面跳動有足夠的精度，最終同時保證表面粗糖度和端面跳動，提 高相對位置精度，從而解決了直接在線加工藍寶石等硬脆材料造成的時間過長和加工質量 較差的問題，保證了磨粒和試件間的相對運動精度，配合動平衡，進一步保證了磨粒和試件 之間在較長劃擦距離上能夠持續(xù)穩(wěn)定接觸，從而實現(xiàn)磨粒的高速高精度劃擦測試。
[0029] 2.按照本領域的常識，試件的已加工表面質量必須優(yōu)于相關磨削工藝得到的表面 質量，最好高出一個數(shù)量級，得到的劃痕測試結果才能用于磨削過程去除機理的分析；由于 本發(fā)明大大提升了試件表面的質量，因此能夠滿足磨削過程去除機理等高精度分析的要 求，可用于摩擦磨損過程及磨削加工中材料去除機理的研究。
[0030] 3.磨粒劃擦深度大于試件表面起伏程度的5倍W上才能保證劃擦的穩(wěn)定性，由于 本發(fā)明大大提升了試件表面的質量，試件表面精度和光潔度好，即使是小粒度的磨粒也能 實現(xiàn)穩(wěn)定高精度劃擦，因此可W用于小粒度磨粒的單顆磨粒劃擦測試，進一步拓展了本發(fā) 明的應用范圍，也是對本行業(yè)單顆磨粒劃擦試驗技術的極大促進。
【附圖說明】
[0031] 下面結合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步說明。
[0032] 圖1為本發(fā)明的測試方法原理示意圖。
[0033] 圖2為本發(fā)明的修盤過程原理示意圖。
[0034] 圖3為本發(fā)明實施例中修盤前后背襯表面端面跳動量的對比，其中圖3a為修盤前， 其端面跳動量最大值可達59. Iwn;圖3b為修盤后，其端面跳動量最大值為8.4WI1。
[0035] 附圖標記:試件1，背襯2,真空吸盤3,工具頭4,金剛石車刀5。
【具體實施方式】
[0036] 下面通過實施例具體說明本發(fā)明的內容：
[0037] -種互為基準法預修硬脆試件的單顆磨粒連續(xù)劃擦測試方法，所采用的裝置包 括：
[0038] 機床，圓盤形硬脆試件1與有色金屬背襯2通過真空吸盤3裝接在機床的電主軸上， 且試件1與背襯2可通過電主軸旋轉；
[0039] 動平衡儀，用于對試件1與背襯2進行在線動平衡；
[0040] 金剛石單點刀具，為金剛石車刀5,具體是聚晶金剛石(PCD)單點車刀和單晶金剛 石(ND)單點車刀，用于對背襯2端面進行修盤;該金剛石車刀5可裝拆地裝接在支架，并通過 支架可移動地裝接在機床；
[0041 ]工具頭4，用于進行劃擦測試;該工具頭4頂端固接有單顆的磨粒;該工具頭4可與 金剛石單點刀具相替換裝拆地裝接在支架，并通過支架可移動地裝接在機床;工具頭4軸線 平行于試件1及背襯2旋轉軸線，工具頭4可W在試件1及背襯2旋轉的軸向方向和徑向方向 上移動，且在兩個方向的定位精度均優(yōu)于O. Iwii;
[0042] 對刀儀，用于對金剛石單點刀具和工具頭4進行對刀，定位精度優(yōu)于0.1 wn;裝接在 機床，并與試件1及背襯2間的相對位置保持固定；
[0043] 測量系統(tǒng)，為測力和聲發(fā)射系統(tǒng)，包括相互信號連接的測力儀、聲發(fā)射系統(tǒng)、數(shù)據(jù) 采集卡和信號放大器;該工具頭2與測力儀和聲發(fā)射系統(tǒng)相連接;數(shù)據(jù)采集卡信號連接計算 機。
[0044] 具體測試方法如下：
[0045] 1)將6英寸(直徑約150mm)的圓盤形藍寶石片即試件1與等直徑的有色金屬圓盤即 背襯2通過石蠟粘接在一起；
[0046] 2)使用通用研磨和拋光機對背襯好的試件1端面進行研磨拋光，使其平面度達到 ITl級，表面粗糖度Ra優(yōu)于5nm;
[0047] 3)將試件1與背襯2通過真空吸盤3固定在機床的電主軸上且背襯2向上，試件1與 背襯2可通過電主軸共同同軸高速旋轉；用動平衡儀對該試件1與背襯2進行在線動平衡，W 減少后